多晶硅气固流化床数值模拟与结构优化.pdf
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1、第51卷第8 期2023年8 月化学工程CHEMICAL ENGINEERING(CHINA)Vol.51 No.8Aug.2023多晶硅气固流化床数值模拟与结构优化董一晨,张亚新h(新疆大学a.化学化工学院;b.煤炭清洁转化与化工过程自治区重点实验室,新疆乌鲁木齐8 3 0 0 46)摘要:以多晶硅流化床反应器为研究对象,反应器中气固物料分布最均匀为目标,采用CPFD(计算颗粒流体力学)方法耦合电力模型,对叶栅式挡板流化床反应器内的流场进行冷态模拟和流场分布均勾性分析,探究了叶栅挡板主要结构参数对流化床内颗粒流化速度、颗粒体积分数、床层压降和床层膨胀比的影响规律。结果表明:叶栅挡板的设置有效
2、改善了多晶硅气固流化床内的气固流动状态;挡板叶片数量越多时,颗粒体积分数变化越大;床层压降随安装高度降低而减小;叶片角度过大或过小时,颗粒速度波动明显;当叶栅挡板叶片倾角为45叶片数量为3、安装高度为0.16 8 m时,流化床内气固物料分布最均匀。关键词:CPFD;数值模拟;气固流化床;气固流动;挡板结构优化中图分类号:TQ051D0I:10.3969/j.issn.1005-9954.2023.08.010Numerical simulation and structure optimization ofpolysilicon gas-solid fluidized bedDONG Yich
3、en,ZHANG Yaxina.b(a.School of Chemistry and Chemical Engineering;b.Key Laboratory of Coal Clean Conversion andChemical Engineering Process,Xinjiang University,Urumqi 830046,Xinjiang,China)Abstract:To improve the uniformity of feedstock distribution in a polysilicon gas-solid fluidized bed reactor,th
4、eCPFD(computational particle fluid dynamics)method coupled with the drag model was used to simulate the reactorflow field in a cold state.The effects of the main structural parameters of the leaf grid baffle on the gas-solid flowcharacteristics in the fluidized bed were investigated,such as particle
5、 fluidization velocity,volume fraction,bedpressure drop and bed expansion ratio.The results show that the setting of the leaf grid baffle effectively improvesthe gas-solid flow state.Specifically,the variation in particle volume fraction is greater when the number of baffleblades is higher.The bed p
6、ressure drop decreases with lower installation height.The particle velocity fluctuatessignificantly as the blade angle is too large or too small.When the inclination angle of the leaf grid baffle blade is45,the number of blades is 3 and the installation height is 0.168 m,the gas-solid phase distribu
7、tion in thefluidized bed is greatly improved.Key words:CPFD;numerical simulation;fluidized bed;gas-solid flow;optimization of baffle structure多晶硅作为半导体和光伏产业的基础材料,具有生产成本低、节约电耗等优点。多晶硅的制备方法主要包括改良西门子法、硅烷法和流化床法,其中流化床法凭借生产效率高被广泛应用。但在实际生产中,无挡板流化床中气固物料分布呈现明显的非均匀性,气固分布是影响晶体硅纯度和致密度的关键因素,因此需要进一步研究。收稿日期:2 0 2 2-
8、12-0 6;修回日期:2 0 2 3-0 3-0 5基金项目:国家自然科学基金资助项目(2 17 6 6 0 3 4)作者简介:董一晨(19 9 8 一),女,硕士,研究方向为化工过程与设备数值模拟,E-mail:;张亚新,男,博士,教授,通信联系人,E-mail:。文献标志码:A文章编号:10 0 5-9 9 54(2 0 2 3)0 8-0 0 49-0 6有效手段 。大量研究表明改变挡板内构件的布置方式2 和结构尺寸3 能够有效控制颗粒分布、颗粒速度4 和压力脉动5。气体分布器结构6 对床内流动状态也有显著影响。上述方案实现了典型场景下的数值模拟和工艺优化,但目前通过优化挡板结构来改善
9、多晶硅流化床内流动状态鲜有研究。设置内构件是提高流化质量、改善气固分布的(4)50为揭示挡板内构件对气固流动状态的作用机制,许多学者针对典型场景下的流化床提出了不同的多相流数值模拟方法7-。但大多数方案采用CFD(计算流体动力学)方法3 进行流场模拟,未考虑颗粒间摩擦和接触力,难以准确模拟出床内颗粒的流动行为。CPFD(计算颗粒流体力学)方法7 具有庞大的颗粒计算量和Baffle功能,计算速度快,结果全面。同时,曳力对气固流动特性也有一定影响8 ,目前单颗粒曳力模型研究成熟,而气固电力模型的研究对象为颗粒群,需要对单颗粒电力模型进行修正,来提高数值模拟的准确性。本文采用CPFD方法耦合曳力模型
10、对多晶硅气固流化床反应器进行冷态数值模拟。探究挡板的叶片数量、安装高度、叶片角度对流场气固流动特性的影响,获得最佳的床层流化状态。1实验1.1几何模型建立如图1所示的反应器模型7 。流化段高1m,直径为0.14m。图1(a)为无挡板流化床模型,图1(b)增加了挡板内构件。反应气体加压后进入风室,经过分布板和挡板均匀送人流化床,在流化段中气固物料进行充分反应。流化段气体出口b0.14m挡板-初始物料,-分布板-风室一反应气体(a)无挡板流化床(b)有挡板流化床图1制备多晶硅用流化床Fig.1 Fluidized bed for polysilicon preparation叶栅挡板结构如图2 所
11、示。图2 挡板结构Fig.2Structure of baffle+!投稿平台Https:/+.化学工程2 0 2 3 年第51卷第8 期及间距d均匀布置成厚度相等的叶片。各块内叶片倾斜方向一致,整体按顺时针方向排布,相邻区域内的叶片垂直分布。1.2数学模型采用CPFD耦合气固曳力模型方法进行数值模拟,考虑颗粒之间的碰撞作用,更加准确地模拟出流化床内的流动状态。1)流体相方程流体相动力学采用纳维-斯托克斯方程10 描述。流体相连续性方程1 为(1)t式中:下标g为流体相;为体积分数;u为速度,m/s;p为密度,kg/m;V为梯度变化。流体相动量方程为a(P.P:ug)+V(gP.ug)=-Vp
12、+V(pgg)+PgPg-Ft(2)式中:p为平均压力,Pa;Tg为流体相应力张量,N;g为重力加速度,m/s;F为两相流动量交换率。2颗粒相动量方程采用欧拉-拉格朗日MP-PIC12进行颗粒相动力学求解。基于Boltzmann-BGK模型,对颗粒碰撞阻尼时间做了修正。颗粒相动量方程13 如下:d=D,(us-u,)VTp+g3(3)挡板dt安装高度反应风室气体圆形挡板区域被均分成4块,各块按相同倾角Pp式中:下标p为颗粒相;D,为曳力系数。3)气固电力模型Wen&Yu-Ergun电力控制方程14 为Fi,(,0、0 分别代表颗粒向上、向下运动。无挡板流化床中颗粒速0.3(b)三叶片挡板(d)
13、五叶片挡板0.40.552度呈“左高右低 分布;n=2时呈“中间低四周高”趋势,不利于反应下料;n=3时颗粒速度在-0.1一0.5n-2-40.43-5一一无挡板0.30.20.1000.2 0.4-0.60.81.0h/m(a)轴向颗粒分布0.30rh/m(s/w)/端0.1070.3170.200.2120.4220.100-0.10-0.20-0.08-0.04径向距离/m(d)颗粒流化速度(n=3)因此本方案中三叶片挡板(n=3)更有利于床内气固分布,后续模拟实验采用三叶片挡板。2.2挡板安装高度H对气固流动特性的影响设置三叶片挡板,叶片角度为45,在相同操作工况下,分别对设置3 组不
14、同安装高度的挡板流化床进行数值模拟,结果如图6、图7 所示。图6 所示为床层压降p分布。由对比数据可以看出,挡板的加入有效降低了床层压降,随着挡板安装高度H的降低,床层压降不断减小。图7 所示为颗粒速度分布。当H=0.084m和H=0.252m时,速度方向呈“左下右上”分布,中心速度小,四周速度大,不利于出料。当H=0.168m时,颗粒速度0.30 h/m0.200.107 0.317(s/u)/取咪端一0.2 12-?0.4220.100-0.10-0.20-0.08-0.04径向距离/m(a)H=0.084 m化学工程2 0 2 3 年第51卷第8 期0.1m/s之间,颗粒分布较均匀。n=
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