非滿流下新型錐套螺帶干燥機(jī)流體流動(dòng)分析

王曉靜，武宸宇，劉雅茜，李元奎

（天津大學(xué) 化工學(xué)院，天津 300350）

隨著全球傳統(tǒng)化石燃料的枯竭，作為可再生清潔能源的太陽(yáng)能的需求日益增強(qiáng)，而光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展離不開(kāi)多晶硅的生產(chǎn)［1-2］。目前，70%～80%的多晶硅均通過(guò)改良西門子法生產(chǎn)，然而在多晶硅的合成、提純等工藝中會(huì)產(chǎn)生含有氯硅烷、二氧化硅、氯化物等的固渣漿料［3-4］。已工業(yè)化生產(chǎn)的多晶硅渣漿處理方法主要為干燥水解法。干燥水解法是將多晶硅渣漿加入干燥機(jī)，使氯硅烷轉(zhuǎn)化為氣體并冷凝回收，干燥后的固渣通入堿液，在水解槽中進(jìn)行水解反應(yīng)［5］。提高渣漿中氯硅烷等副產(chǎn)物的回收率是降低多晶硅生產(chǎn)成本的關(guān)鍵，因此高效的連續(xù)式渣漿干燥機(jī)便成為多晶硅生產(chǎn)過(guò)程中的重要一環(huán)。

倪邦慶［6］研究了不同螺距/螺帶直徑條件下，高黏物料在雙螺帶攪拌釜內(nèi)部流場(chǎng)的分布情況。張敏革等［7］對(duì)雙螺帶螺桿攪拌槳在高黏氣液兩相流的流場(chǎng)進(jìn)行了非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬，得到的流場(chǎng)呈大循環(huán)特征。張靖等［8］研究了螺帶-螺桿組合式攪拌器對(duì)高黏非牛頓流體的攪拌流場(chǎng)特性，分析了流場(chǎng)、速度場(chǎng)、剪切速率和表觀黏度的分布。

本工作采用自主設(shè)計(jì)的一臺(tái)連續(xù)式密閉結(jié)構(gòu)的錐套螺帶干燥機(jī)，通過(guò)Pro/E軟件建立新型干燥機(jī)的三維實(shí)體模型，然后導(dǎo)入Fluent 14.5軟件中進(jìn)行數(shù)值模擬，在干燥機(jī)非滿流情況下，對(duì)它的內(nèi)部流場(chǎng)、粒子軌跡、停留時(shí)間進(jìn)行分析，并結(jié)合冷模實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模擬方式的合理性。對(duì)新型錐套螺帶多晶硅渣漿干燥機(jī)的進(jìn)一步研究具有較高的參考價(jià)值。

1 內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬

1.1 數(shù)學(xué)模型

模型內(nèi)的物料密度隨壓力等參數(shù)變化不大且運(yùn)動(dòng)速度較低，可看做不可壓縮流動(dòng)，流動(dòng)遵循質(zhì)量守恒與動(dòng)量守恒，可得到計(jì)算模型遵循的基本控制方程［9］。

在錐筒和內(nèi)外螺帶的攪拌作用下，干燥機(jī)內(nèi)物料處于湍流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，由于RNG k-ε模型對(duì)于處理低雷諾數(shù)和近壁面區(qū)域的流動(dòng)行為的模擬具有較好效果［10］，因此湍流模型采用RNG k-ε模型。

1.2 幾何模型

孫啟蒙［11］對(duì)干燥機(jī)的設(shè)計(jì)思想、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、全滿流流場(chǎng)模擬等進(jìn)行了詳細(xì)的研究，李曉悅［12］對(duì)干燥機(jī)攪拌系統(tǒng)進(jìn)行了力學(xué)分析及優(yōu)化。本工作運(yùn)用Fluent 14.5軟件對(duì)連續(xù)式錐套螺帶干燥機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)以及粒子軌跡進(jìn)行模擬，幾何模型見(jiàn)圖1。由于此干燥機(jī)的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，所以在螺帶與輻桿周圍采用四面體網(wǎng)格，其余采用六面體網(wǎng)格；并采用曲率法對(duì)螺帶、輻桿周圍進(jìn)行局部加密處理，綜合考慮求解精度和計(jì)算時(shí)間，確定網(wǎng)格總數(shù)為2 811 000，且滿足網(wǎng)格獨(dú)立性要求。

圖1 干燥機(jī)幾何模型Fig.1 Geometric model of the new dryer.

1.3 模擬方法與邊界條件

對(duì)模擬方法進(jìn)行了一定假設(shè)：將流體視為不可壓縮流體，忽略流體與干燥機(jī)壁面的傳熱作用以及流體流動(dòng)由于黏性耗散產(chǎn)生的熱效應(yīng)?？紤]到該設(shè)備內(nèi)部包含較多旋轉(zhuǎn)和攪拌部件，湍流模型采用RNG k-ε模型，壁面邊界層采用scalable處理，采用SIMPLEC的壓力-速度耦合方法，瞬態(tài)求解，步長(zhǎng)為1×10-4s，對(duì)于流場(chǎng)分析采用歐拉模型，氣液相界面采用VOF模型，速度等離散格式均采用二階迎風(fēng)格式，界面差值方式為QUICK格式。計(jì)算時(shí)，氣相密度1.138 kg/m3、黏度0.016 63 mPa·s，渣漿密度1 471 kg/m3、黏度3.4 mPa·s，入口速率0.5 m/s，干燥機(jī)轉(zhuǎn)速5～23 r/min，并考慮重力的影響。

采用DPM顆粒模型對(duì)粒子軌跡進(jìn)行跟蹤，并求解物料的停留時(shí)間。Fluent軟件中對(duì)顆粒-壁面碰撞處理十分簡(jiǎn)單，忽略了顆粒與筒壁、螺帶等壁面碰撞時(shí)的復(fù)雜機(jī)理，導(dǎo)致模擬效果變差［13］。所以通過(guò)UDF引入顆粒與壁面和顆粒受力的代碼，邊界條件設(shè)置為：入口段逃出，出口段捕捉，其他壁面全部設(shè)置為反射［14］。 入口處采用速度入口邊界條件，出口處采用壓力出口邊界條件，旋轉(zhuǎn)錐筒、外螺帶及連接二者的輻桿設(shè)置為繞中心軸以恒定角速度旋轉(zhuǎn)的壁面，其他壁面設(shè)置為無(wú)滑移壁面。

2 模擬方法驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)方法及流程

為了便于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中高速攝像機(jī)對(duì)干燥機(jī)內(nèi)部進(jìn)行拍攝，殼體采用有機(jī)玻璃，其他部件均采用45號(hào)鋼制造。將示蹤粒子（與鹽水等密度的PET聚酯小球）涂成紅、黑、綠三種顏色，每次實(shí)驗(yàn)放入以上三種粒子，一次實(shí)驗(yàn)可以記錄三條粒子軌跡。測(cè)量體系選用田兆君［15］的平面鏡與攝像機(jī)相結(jié)合的三維立體恢復(fù)理論，實(shí)驗(yàn)流程見(jiàn)圖2。由圖2可知，電動(dòng)機(jī)經(jīng)變頻器調(diào)速，帶動(dòng)干燥機(jī)內(nèi)的錐筒-外螺帶轉(zhuǎn)動(dòng)，鹽水（密度為1.021 kg/m3、黏度為1.594 mPa·s）由泵從料槽送至干燥機(jī)入口，流經(jīng)中心管、內(nèi)筒、外筒，最終流回料槽。在操作過(guò)程中用高速攝像機(jī)測(cè)量其運(yùn)動(dòng)軌跡。實(shí)驗(yàn)中干燥機(jī)的轉(zhuǎn)速為14 r/min，入口速度為0.25 m/s，示蹤粒子直徑為8 mm。

圖2 實(shí)驗(yàn)流程Fig.2 Flow chart of the experiment.

2.2 結(jié)果驗(yàn)證

圖3為內(nèi)外筒示蹤粒子軌跡模擬與實(shí)驗(yàn)對(duì)比。

圖3 內(nèi)外筒示蹤粒子軌跡模擬與實(shí)驗(yàn)對(duì)比Fig.3 Comparison of simulation and experiments of trajectories of particles in inner and outer cylinders.

由圖3可以看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果大體一致，從而驗(yàn)證了模擬求解設(shè)置的合理性，為研究非滿流條件下新型干燥機(jī)內(nèi)的流場(chǎng)奠定了基礎(chǔ)。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 流場(chǎng)分析

圖4為z = 0截面的速度矢量圖。

對(duì)于“一帶一路”，從狹義層面看，指的是中國(guó)將和海上和陸上絲綢之路的沿線國(guó)家為加強(qiáng)經(jīng)濟(jì)來(lái)往所形成的區(qū)域性經(jīng)濟(jì)。從廣義層面看，“一帶一路”為中國(guó)提供了與亞洲其他國(guó)家、非洲和歐洲之間來(lái)往的渠道?，F(xiàn)如今正是“一帶一路”倡議發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)刻，面對(duì)越來(lái)越激烈的競(jìng)爭(zhēng)和挑戰(zhàn)，要想贏得雙贏的局面只有通過(guò)各國(guó)之間合作形成區(qū)域型經(jīng)濟(jì)發(fā)展，才能逐步解決經(jīng)濟(jì)和政治問(wèn)題。

圖4 z=0截面的速度矢量圖Fig.4 Velocity vector of surface z=0.

由圖4可知，在攪拌系統(tǒng)的作用下，物料在干燥機(jī)內(nèi)存在軸向、徑向和切向流動(dòng)，切向和徑向運(yùn)動(dòng)占主導(dǎo)地位抑制了黏壁效應(yīng)；內(nèi)筒區(qū)域，物料由進(jìn)料管出口向錐筒大端的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，在淺層區(qū)域形成多個(gè)小的局部環(huán)流，這有利于延長(zhǎng)物料的干燥時(shí)間；同時(shí)流域內(nèi)產(chǎn)生多個(gè)漩渦，漩渦沿軸向運(yùn)動(dòng)，有助于提高攪拌的均勻性，降低物料受熱不均勻的概率；也可以看出螺帶的右端受到來(lái)流沖擊力的影響，壓力較大，產(chǎn)生繞流，因而在背壓區(qū)形成漩渦，產(chǎn)生流固分離，并發(fā)生回流現(xiàn)象。

圖5為液相的周向和軸向速度矢量圖。由圖5可知，周向速度矢量與軸向速度矢量在螺帶附近突然變大，一是因?yàn)槁輲Ш洼棗U的攪拌作用帶動(dòng)物料做徑向運(yùn)動(dòng)；二是因?yàn)槁輲c攪拌軸具有一定的角度，螺帶斜面的擠壓作用對(duì)物料產(chǎn)生軸向推動(dòng)力。正是螺帶與輻桿對(duì)物料的切向與軸向推動(dòng)力使物料產(chǎn)生漩渦，增加了物料的湍流程度，使得物料與壁面的能量交換更加充分并防止產(chǎn)生黏壁現(xiàn)象。

圖5 液相的周向和軸向速度矢量圖Fig.5 Circumferential and axial velocity vector diagram of liquid phase.

圖6為z=0截面的軸向速度分布云圖。由圖6可知，由于螺帶的攪動(dòng)，軸向速度在螺帶處波動(dòng)較大；內(nèi)筒區(qū)域流體的流通面積較小，因而軸向速度較大且變化較快，并隨著流道的加寬，流速逐漸趨于穩(wěn)定；在內(nèi)外筒連接區(qū)域由于流道變窄軸向速度有增大趨勢(shì)，外筒區(qū)域流道穩(wěn)定不變，因而軸向速度相對(duì)穩(wěn)定。

圖6 z=0截面的軸向速度云圖Fig.6 Distribution of axial velocity of surface z=0.

3.2 接觸面分析

通過(guò)接觸面可以更直觀地了解干燥機(jī)內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)行為。圖7a為不同轉(zhuǎn)速下徑向切面上的液相分率。由圖7a可知，錐筒和外螺帶為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，由于旋轉(zhuǎn)錐筒帶動(dòng)其內(nèi)部流體順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，相當(dāng)于內(nèi)螺帶逆時(shí)針攪拌內(nèi)筒流域，造成外筒區(qū)域氣液相界面左側(cè)較高，內(nèi)筒區(qū)域右側(cè)較高。在內(nèi)外螺帶的攪拌過(guò)程中，迎向流體的螺帶面壓力較高，導(dǎo)致背向流體的一面出現(xiàn)低壓區(qū)，這種物料低壓區(qū)的反復(fù)出現(xiàn)會(huì)產(chǎn)生漩渦，能夠強(qiáng)化傳熱。隨著轉(zhuǎn)速的提高，氣液接觸面也隨之提高，說(shuō)明提高轉(zhuǎn)速可以將物料揚(yáng)起更高的高度，隨之提高物料與傳熱面的接觸面積。但也應(yīng)該考慮到轉(zhuǎn)速的提高會(huì)縮短物料的干燥時(shí)間。

圖7b為不同存液量下的液相分率。由圖7b可知，隨著液位的下降，料液被揚(yáng)起的高度與原液位高度的比值增大，意味著傳熱效果增強(qiáng)。但隨著液位的下降，干燥機(jī)固有傳熱面的利用率也就越低。說(shuō)明存液量的改變對(duì)外筒傳熱面的影響較大，這是由內(nèi)筒物料處于斜面流動(dòng)且流速較高以及內(nèi)筒安裝位置共同決定的。

圖7 不同轉(zhuǎn)速和不同存液量下的液相分率Fig.7 Liquid volume fractions at different rotary speeds and different liquid storages.

3.3 粒子軌跡分析

圖8為非滿流粒子模擬軌跡。由圖8可知，由于螺帶和輻桿對(duì)物料的攪拌作用，導(dǎo)致內(nèi)外筒粒子做螺旋運(yùn)動(dòng)；外筒的跡線相比內(nèi)筒要長(zhǎng)的多，一是由于外筒流域大于內(nèi)筒流域；二是由于外筒螺帶尺寸較大，對(duì)物料的攪拌作用較強(qiáng)。因此，物料粒子在外筒流域碰撞與往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)率較大，表明外筒流域更有利于物料的質(zhì)量傳遞、熱量傳遞。在實(shí)際干燥過(guò)程中，可以適當(dāng)提高外筒傳熱介質(zhì)的溫度以強(qiáng)化傳熱。

3.4 物料軸向速度隨流體進(jìn)程的分布與停留時(shí)間

圖8 非滿流粒子模擬軌跡Fig.8 Trajectory chart of tracked particle under non-full flow conditions.

圖9 軸向速度隨流體進(jìn)程的分布與停留時(shí)間Fig.9 Axial velocity distribution and residence time along with the fluid flow process.

由圖9a和9b可知，在內(nèi)筒流域，軸向速度在1.2 m和2.1 m處有小幅度回落，這是由于螺帶的攪拌作用提高了物料的湍動(dòng)能，引起物料徑向與切向的運(yùn)動(dòng)。左右兩側(cè)速度驟降是因?yàn)楫?dāng)物料進(jìn)入錐筒小端與外筒區(qū)域時(shí)流道突然變化。在外筒流域，速度較慢且穩(wěn)定，這是因?yàn)橥馔仓睆捷^內(nèi)筒大，且無(wú)錐角。圖9c為不同入口流速和干燥機(jī)轉(zhuǎn)速下物料的停留時(shí)間。物料的停留時(shí)間是干燥機(jī)的重要性能參數(shù)，受入口流速與干燥機(jī)的轉(zhuǎn)速影響。由圖9c可知，干燥機(jī)的停留時(shí)間主要集中于3 235～3 985 s之間。

4 結(jié)論

1）在攪拌系統(tǒng)的作用下，新型干燥機(jī)內(nèi)流場(chǎng)產(chǎn)生大量漩渦，并產(chǎn)生局部環(huán)流，提高了攪拌的均勻性。流體被帶到一定高度后，在重力作用下回落，出現(xiàn)流固分離。流體在螺帶背壓區(qū)產(chǎn)生漩渦，在螺帶附近徑向、軸向、切向速度達(dá)到最大，防止黏壁現(xiàn)象的產(chǎn)生。

2）干燥機(jī)內(nèi)大部分物料處于低處液相區(qū)域，相比于內(nèi)筒，外筒的軸向速度相對(duì)較低、示蹤粒子的跡線較長(zhǎng)、粒子往復(fù)移動(dòng)的機(jī)率較高，說(shuō)明外筒區(qū)域更加有利于質(zhì)量傳遞、熱量傳遞。在實(shí)際生產(chǎn)中可以適當(dāng)提高外筒傳熱介質(zhì)的溫度。

3）對(duì)不同存液量和轉(zhuǎn)速條件下氣液接觸面進(jìn)行分析的結(jié)果表明，在實(shí)際生產(chǎn)中設(shè)置轉(zhuǎn)速與加料量時(shí)需要綜合考慮兩者的影響，并且得出不同進(jìn)口速度與轉(zhuǎn)速條件下的停留時(shí)間分布，為實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程提供有價(jià)值的指導(dǎo)。

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