流态化合成氮化硅的鼓泡床冷模试验与CFD模拟研究

摘要

氮化硅材料具有硬度高,耐磨损,弹性模量大,强度高,耐高温,热膨胀系数小,导热系数大,抗震性好,密度小,比重小等特点.此外,氮化硅材料还具有耐腐蚀抗氧化,摩擦系数小电绝缘性能好等优点,潜在的市场十分广阔.为了形成氮化硅超细粉体的高质量、低成本、规模化生产,目前,国际上正在研究开发的工艺技术路线基本是硅粉直接氮化的连续化生产方式,其中,连续高温流化床氮化炉生产高α相氮化硅粉体是最有发展前途的工艺技术之一.针对该工艺技术,本文首先设计出相应的流化床的冷模装置,建立了试验流程,尤其对流化床的关键部件-分布板进行了优化设计.在此基础上,进行了流化特性的研究,着重研究了三种不同开孔率的分布板在不同进气流量条件下的流动情况.冷态研究表明:不同开孔率和开孔方式的分布板对流化床内部阻力损失影响不同,理想的开孔率为0.47﹪,使用斜孔比使用直孔更能使流场分布均匀,得到较为理想的流化状态;研究表明:对于本文研究的流化床实验装置,理想的操作流量为50m<'3>/h~60m<'3>/h.CFD(Computational Fluid Dynamics)技术发展到今天,已逐渐作为一种新手段而日益受到重视并得以广泛地应用和发展,己能成功地解决如气固两相流动、高温传热、煤粉燃烧等流化床所涉及到的部分物理、化学过程.针对本文开发研究鼓泡床装置,运用CFD技术进行模拟研究,结果分析表明:CFD数值模拟预测的床层阻力压降值与实测数据比较吻合,即说明:对于硅粉这种细颗粒的气固流化床,采用多相流(MULTIPLE-PHASE)模型是比较合理的;当操作流量为60m<'3>/h时,床内的空气相、细颗粒相以及粗颗粒相都能达到理想的流态化效果;当喷管上使用斜孔喷射气流时,更有利于减少床内的

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1我国目前的氮化硅生产概况

1.1.1目前氮化硅的生产工艺方法

1.1.2目前的氮化硅生产中存在的问题

1.2流化床反应器的发展与分类

1.2.1气固流化床体系及流态化现象

1.2.2流态化区域分类及特点

1.2.3流化床的压降

1.2.4影响流化状态的因素

1.3论文研究的目的和意义

1.4论文研究的内容

第2章鼓泡床冷模试验研究

2.1引言

2.2流化床的设计原则

2.2.1设计指导思想

2.2.2影响因素

2.3冷模实验装置及流程

2.3.1鼓泡床体的结构确定

2.3.2流化速度的确定

2.3.3分布板的设计

2.3.4冷态试验流程

2.3.5硅粉性质

2.4冷模实验的结果与分析

2.4.1硅粉在鼓泡床中流态化过程的实验观察

2.4.2分布板的空载阻力

2.4.3分布板的加载阻力特性

2.4.4加载前后的不同床高压降比较

2.4.5分布板压降占鼓泡床总压降的比例

2.5床层高度的膨胀

2.6本章小结

第3章气固两相流数学模型研究及CFD技术

3.1气固两相流数学模型研究

3.1.1概述

3.1.2单颗粒模型

3.1.3小滑移模型

3.1.4单流体模型(无滑移模型)

3.1.5颗粒轨道模型

3.1.6多相流模型

3.2本研究中流化床数值模型选择

3.3 CFD技术及CFX4.4简介

3.3.1 CFD技术基本原理

3.3.2 CFX-4通用软件

3.4本章小结

第4章鼓泡床操作特性的数值模拟

4.1鼓泡床几何模型的建立和计算空间网格划分

4.1.1喷口结构简化

4.1.2分布板及整体建模

4.1.3计算空间网格划分

4.2计算过程及误差分析

4.2.1计算参数及边界条件

4.2.2误差分析

4.3模拟结果及讨论

4.3.1阻力损失分布规律

4.3.2体积分数分布规律

4.3.3床内“沟流”现象分析

4.4直孔分布板与斜孔分布板的比较

4.4.1不同床高阻力损失规律的比较

4.4.2斜孔分布板的模拟与实验阻力损失规律比较

4.4.3体积分数分布规律的比较

4.4.4分布板附近速度矢量比较

4.5本章小结

第5章结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

致谢