多晶硅固渣卧式干燥机搅拌系统力学分析及结构优化（可编辑） .doc

多晶硅固渣卧式干燥机搅拌系统力学分析及结构优化 天津大 学硕士 学位论 文多晶硅 固渣 卧式干燥 机 搅拌系统 力学分析及结构 优化 the mechanical analysis and optimal design of the mixing systerm in horizontal dryer学科专业 :化工过 程机械 研 究 生:李冬慧 指导教师 :王晓静 副教 授 天津大学 化工学院 二一二 年六月独创性声明本人声明所 呈交的学位 论文是本人 在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得 天津 大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名:签字日期: 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解 天津大学 有 关保留、 使用学位论文的规定。特授权 天津大 学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同 意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 (保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名: 导师签名:签字日期 : 年 月日 签字日期 : 年 月 日摘要 本文以 多晶 硅固渣 回收 工艺中 的关 键技术 攻关 为课题 来源 ,以多晶硅固渣处理 工艺 中的干 燥设 备为研 究对 象,结 合具 体的工 艺条 件和操作要求 ,设计研发 了一 款用于 多晶 硅固渣 回收 干燥的 卧式 螺旋干 燥器 ,并解 决了 设备中关键技术问题。 首先根据工 艺要求 、物 料特性 和对 产品质 量的 要求, 选定 加热方 式、 操作类型、 搅拌系统结构, 最终确定了卧式螺旋干燥器初步设计研发技术路线。论文对此干 燥机的 设备 主体和 搅拌 系统各 构件 进行了 常规 的强度 和刚 度计算分析, 初步 建立满 足工 艺条件 和操 作要求 的干 燥器设 备结 构实体 模型 。然后以此设备实体模型为基础,采用 ansys 有限 元软件对搅拌系统进行了静力学分析 及结 构优化 ,在 满足工 艺及 使用要 求的 前提下 ,得 到以结 构质 量、挠度变形 、结构强度 为优 化变量 的付 诸于工 程实 施的全 尺寸 三维搅 拌系 统优选设计方案。 本课题 研发 的干燥 机已 投产, 经实 践证明 ,该 干燥机 运行 平稳可靠,完全可以代替国外同类设备产品,研发工作取得圆满成功。关键词: 多晶硅,干燥器,搅拌,ansys , 有限元分析,优化设计abstract the object of this study is about the key technology reco of very process of polysilicon solid residue, the purpose of this research is to design a type of horizontal dryer applied in the recovery process of polysilicon so lid residue considering the technology conditions and operation requirements, and handle the main technology problemsfirstly, considering the material features and technology requirements, we chose the suitable heating method, operation type and mixer structure. then determined the horizontal shell with jacket typset ructure with ribbon impelle rafter the main structure of the dryer has been determined,t he software ansys has been applied to check the strength and stiffness of the components of the mixing system.i n order to make sure the mixing structure have enough strength and stiffness, so that the dryer could work in a sealed condition. the optimization design function of the software ansys has been applied optim to ize the a -rm boss-structure, shaft and supporting-structure. in the end, we got an optimal scheme of the mixing system that applied in plantspractice has proved that this type of dryer running smooth in recovery process of polysilicon solid residue. this kind of dryer can replace the similar equipment abroadabsolutely. till now, the study of dryer have achieve complete success key words :polycrystalline silicon, dryer, mixing, ansys, finite element analysis, optimization design目 录 第一章 文献综述 1 1.1 课题来源1 1.2 多晶硅工业发展现状 2 1.2.1 多晶硅产业发展现状. 2 1.2.2 多晶硅生产工艺介绍. 3 1.2.3 多晶硅生产的固渣回收问题. 5 1.3 干燥技术及装备7 1.3.1 干燥技术介绍. 7 1.3.2 干燥设备发展现状7 1.3.3 多晶硅渣浆干燥机的研发8 1.4 ansys 在化工设备结构分析中的应用 9 1.4.1 概述9 1.4.2 ansys 有限元 分析原理10 1.4.3 ansys 的功能 及技术特点. 10 1.5 本课题的研究重点及研究方法 12 1.5.1 研究重点. 12 1.5.2 研究方法. 12 第二章 多晶硅渣浆卧式螺旋干燥机的研发14 2.1 多晶硅渣浆处理工艺与操作要求14 2.1.1 工艺任务. 14 2.1.2 设备操作要求15 2.2 干燥设备结构方案论证 15 2.2.1 概述 15 2.2.2 设备结构论证16 2.3 干燥器搅拌系统研究. 18 2.3.1 搅拌系统结构设计与论证 18 2.3.2 搅拌轴功率及扭矩的分析 19 2.3.3 轮毂- 轮辐结构的设计计算20 2.3.4 搅拌轴结构的设计计算. 23 2.4 轴端支撑架的设计28 2.4.1 支撑架选材 28 2.4.2 支承结构的设计原则28 2.4.3 支承架结构设计. 292.5 本章小结 30 第三章 基于 ansys 的干燥器搅拌系统各组件有限元分析31 3.1 基于 ansys 的 结构力学分析. 31 3.1.1 ansys 有限元 分析过程介绍 31 3.1.2 干燥器搅拌系统有限元分析方法 32 3.2 轮辐及轮毂结构有限元分析. 33 3.2.1 问题描述 33 3.2.2 建立有限元模型. 34 3.2.3 施加载荷及求解. 37 3.2.4 结果分析. 37 3.3 搅拌轴的有限元分析. 37 3.3.1 问题描述. 37 3.3.2 模型的建立以及载荷的当量处理法38 3.3.3 加载及求解 39 3.3.4 结果分析. 40 3.4 轴端支撑架有限元分析 42 3.4.1 问题描述. 42 3.4.2 有限元分析 43 3.4.3 结果分析. 44 3.5 本章小结 45 第四章 干燥器搅拌系统优化设计 46 4.1 概述46 4.1.1 优化设计原理46 4.1.2 优化设计基本概念 47 4.1.3 优化方法及优化工具49 4.1.4 优化设计过程及步骤49 4.1.2 搅拌轴系统优化设计准备 50 4.2 轮毂- 轮辐结构的优化设计. 51 4.2.1 优化问题概述51 4.2.2 生成分析文件52 4.2.3 设定优化变量52 4.2.4 设定优化方案进行优化. 53 4.2.5 分析优化结果53 4.3 搅拌轴的优化设计564.3.1 优化问题概述56 4.3.2 优化分析过程56 4.3.3 分析优化结果58 4.4 轴端支撑架的优化设计 61 4.4.1 优化问题概述61 4.4.2 优化分析过程61 4.4.3 分析优化结果62 4.5 本章小结 66 第五章 结论与展望 68 5.1 结论总结 68 5.2 技术展望 69 参考文献70 附录. 73 致 谢88第一章 文献 综述 第一章 文献综述 随着现 代化 工业的 发展 ,化学 工业 的机械 化、 自动化 和大 型化水 平的 不断提高 ,做 为化工 单元 操作设 备之 一的干 燥器 ,也必 将随 着化工 生产 的需要更加快速的发展。 由于硅 材料 的独特 性质 ,多晶 硅材 料已经 成为 现代电 子工 业和信 息社 会的基础,他的发展和应用直接促进了全球科技和工业的高速发展。21 世纪,能源问 题日 益严峻 ,越 来越多 的国 家开始 发展 新型能 源产 业,太 阳能 的利用成为人 们的 关注热 点。 制备太 阳能 级多晶 硅主 要采用 化学 法和物 理法 。目前广泛应 用的 是三氯 氢硅 氢还原 法( 化学法 ,即 改良西 门子 法)。 然而 该方法在相对 其他 方法具 有节 能、低 物耗 等优点 的同 时,此 方法 中四氯 化硅 氢化技术、分 离提 纯技术 以及 尾渣处 理和 尾气干 法回 收技术 需要 进一步 完善 ;同时需要开发出更加高效、节能的附属设备,以达到高产高质稳定生产的要求。 本文以 多晶 硅固渣 回收 工艺中 的关键 设备 干燥 机的研 发为 课题来 源, 以回收工 艺中 的核心 干燥 设备为 研究 对象, 结合 具体的 工艺 条件和 操作 要求,着力以 力学 分析解 决多 晶硅固 渣回 收工艺 中关 键设备 (即 卧式螺 旋干 燥机)及其搅拌系统的结构优化问题,为该干燥机的设计研发奠定基础。 1.1 课题 来源 本课题来源于某多晶硅生产公司提出的 50t/d 氯硅烷渣浆处理装置用 干燥器装 备的 设计研 发项 目。设 备全 称氯硅 烷渣 浆处理 卧式 螺旋干 燥器 ,用于多 晶 硅生产 工 艺中产 生 的大量 含 有硅粉si 、三氯 氢 硅sihcl 、四氯 化硅3sicl 、二 氧化硅(sio )、金 属离子等物 质的浆渣产 物的干燥回 收过程。4 2整个过 程只 涉及换 热、 汽化等 物理 过程, 物料 在持续 被干 燥的情 况下 ,不断蒸发出氯硅烷蒸汽以便回收利用, 直至物料中固体含量达到 80% 后, 通过开启排料口将物料排出。本课题需要解决设备密封、搅拌等方面的技术难点。1第一章 文献 综述 1.2 多晶硅 工业 发展现 状 1.2.1 多晶 硅产业发 展现状 进入 21 世纪, 能源问题日益严峻, 由于石化类能源紧缺趋势加重, 太阳能这种 可再 生能源 的利 用成为 人们 关注的 焦点 。由于 半导 体技术 迅猛 发展,多晶硅 作为 电子产 品和 太阳能 电池 的重要 原材 料,引 发了 世界多 晶硅 行业的大发展。2004 年底,世界七大多晶硅生产商如hemlock semiconductor corp、tokuyama corporation 、wacker polysilicon 、memc等,在 2005 年至 2006 年1,2期间, 创造的多晶硅总产能增加幅度达 30% 。在 2006 年至 2010 年,此七3,4家公司的总产能扩增总量增幅高达 2 倍多 。 国外多晶硅生产商的产能公告以及扩 产计 划均显 示多 晶硅行 业面 临着世 界范 围内的 重大 发展, 这与 近十年来多晶硅需求量不断增大有着直接关系。 中国多晶硅工业起步于 20 世纪 50 年代,60 年代中期实现了产业化, 到70 年代,生产厂家曾经发展到 20 多家。但由于工艺技术落后,环境污染严5重, 消耗大, 成本高等原因, 绝大部分企业亏损而相继停产或转产 。 从 2006年下下 半年 起,源 于太 阳能行 业高 利润驱 动, 国内掀 起了 一波建 设多 晶硅项目的高潮。截止 2010 年初,国内多晶硅项目已建、在建或拟建的项目有 50家之多。 然而这 种市 场热炒 的出 现也是 盲目 跟风投 资的 体现, 但是 随着多 晶硅 生产项目 扩建 生产效 率提 高,多 晶硅 产量迅 速提 升,当 多晶 硅供求 关系 达到基本平衡 ,多 晶硅行 业形 势也必 将发 生巨大 变化 ,也必 将迎 来产业 世界 范围内的变革和整合,对个多晶硅企业提出更大挑战。 多晶硅价格战则是各多晶硅企业要直接面临的考研, 从 2006 年开始, 由于市场需求强劲,多晶硅价格总体不断呈上升趋势,在经过 400-500 美元每公斤的高峰以后, 自 2011 年 10 月份以来出现了较大幅度的调整,到 2011 年底下降率达 90% ,价格仅为 30 美元/ 公斤。 因此, 根据 多晶硅 市场 发展规 律, 多晶硅 生产 企业能 在国 际市场 争取 生存空间 ,不 能依靠 盲目 增加生 产规 模、扩 建项 目的手 段, 而应当 在多 晶硅生产技术 领域 寻求新 的突 破和创 新, 改进生 产工 艺或设 备技 术,降 低企 业成本的同时提高产率,这也正是本课题的研究目的之所在。 2第一章 文献 综述 1.2.2 多晶 硅生产工 艺介绍 多晶硅 是单 质硅的 一种 形态, 其熔 融物在 过冷 条件下 凝固 后,硅 原子 按四面体 成键 方式互 相连 接形成 许多 晶格, 由这 些晶面 长成 取向不 同的 晶粒结合起来, 便构成了多晶硅。 在常温下不活泼, 高温下可与氧、 氮、 硫 等反应。具有半 导体 性质, 是极 为重要 的优 良半导 体材 料和光 伏材 料。多 晶硅 的需求主要来自于半导体和太阳能电池, 按纯度要求不同, 分为电子级和太阳能级。太阳能级硅 (sg ) 的纯度介于冶金级硅与电子级硅之间, 认为硅含量一般在99.99%99.999 (46 个 9) 。 电子级硅 (eg ) 一般要 求硅含量为 99.9999% 以上, 超高纯度的可达 911 个 9。 太阳能级多晶硅是太阳能光伏电池的主要生产原材料, 是目前国际光伏市场上的主流产品, 占世界光伏电池产量的 55%以上。 电子 级多晶 硅则 是半导 体工 业以及 电子 信息产 业的 基础材 料, 深刻影响着当代科技的发展。 太阳能 级多 晶硅的 质量 要求相 对较 低,用 传统 的化学 法生 产太阳 能级 多晶硅难度并不大。 但是我国还未完全掌握多晶硅的大生产技术、 低成本技术、6综合回收再利用技术以及环境保护技术 。 目前制 备太 阳能级 多晶 硅主要 采用 物理法 (冶 金法) 和化 学法。 其中 物理法是 新兴 的生产 方法 ,工艺 技术 尚处于 试验 摸索阶 段。 这种方 法的 整个生产过程 其实 是多晶 硅的 物理提 纯过 程,不 发生 化学反 应, 是将工 业硅 进行水平区熔 单向 凝固成 硅锭 ,然后 去除 硅锭中 的杂 质聚集 的颗 粒和外 部表 面,经过粉碎和清洗后在等离子熔解炉中除去硼杂质, 在经过第二次循环上述过程,在电子 束溶 解炉中 除去 磷和碳 杂质 ,直接 得到 太阳能 级多 晶硅。 但实 际生产过程中 , 世界各 生 产厂家 的 具体实 施 方法有 所 差异。 如 美国专利no.2005/0074388 中阐述了一种在滚筒炉中进行造渣过程,并结合定向凝固7法提高多晶硅纯度 。 川崎制铁 (kawasaki steel crop) 采用电子束和等离子8冶金技术结合定向凝固法,2006 年已经成 100t 商业险投产 。 由于各 多晶 硅生产 厂家 使用的 主辅 原料不 尽相 同,因此 化 学法生产的工艺技术 有所 区别, 进而 对应的 产品 技术指 标、 质量指 标、 用途、 检测 方法等方面存 在差 异,分 别有 各自的 技术 特点和 技术 秘密。 总的 来说, 国际 上化学法生产 多晶 硅的工 艺主 要分为 以下 几种: 包括 三氯氢 硅氢 还原法 (改 良西门子法) 、硅烷法、流化床法。 改良西门子法的原理是在 1100 左右的高纯硅芯上用高纯氢还原高纯tcs (三氯 氢硅) , 生成太阳能级多晶硅沉积在硅芯上, 因此也称三氯氢硅还3第一章 文献 综述 9原法,见图 1-1。 具 体步骤是 : 首先, 以 石英砂为原料, 使用焦炭在一定反应条件下 (电弧炉中) 做还原剂, 制取粗硅sio2+2csi+2co ; 将用氯气和 氢 气生成 的 氯化氢 与 工 业 硅粉( 粗 硅)在 高 温下合 称 三氯氢硅(si+3hclsihcl +h ) ; 然后,对 三氯 氢硅进 行化 学精制 提纯 ,在经 过3 2-9多级精馏, 大大提高其纯度, 使其中金属杂质含量降到 0.110 以下; 最后,提纯后的三氯氢硅在氢还原 炉内进行 化学气象 沉淀法反 应生产高 纯度多晶硅。图 1-1 改良 西门子法制备多晶硅流程示意图 fig.1-1 tubular reactor硅烷热 分解 法主要 被日 本小松 电子 公司和 美国 联合碳 化物 公司采 用, 但是在具 体生 产实施 过程 中,此 两家 公司的 工艺 也有所 区别 。日本 小松 电子公司是利 用硅 合金分 解、 氢化物 还原 、硅直 接氢 化等技 术来 制取硅 烷, 对提纯后的硅 烷气 进行热 解生 产出棒 状太 阳能级 多晶 硅。而 美国 联合碳 化公 司是以四氯化 硅、 氢气、 氯化 氢和工 业硅 为原料 ,高 温高压 下在 流化床 内生 成三氯氢硅, 然后 由三氯 氢硅 和氢气 反应 生成二 氯二 氢硅, 继而 生成硅 烷气 ,再使经提纯 后的 硅烷气 在 850的 电极 棒上沉 积生 成多晶 硅。 热硅烷 法制 得的多晶硅杂 质少 、纯度 高, 但是生 产过 程需要 整个 系统高 度密 封,而 且操 作过程事故风险较大。 4第一章 文献 综述 四氯化 硅还 原法是 利用 金属硅 和氯 气反应 制造 四氯化 硅, 用精馏 技术 对四氯化 硅提 纯,再 用高 纯度氢 气 在 11001200还 原生 成太阳 能级 多晶硅。该方法 是早 期多晶 硅生 产最常 用方 法,但 是由 于材料 利用 率低、 能耗 大,现在已经很少采用。主要反应式为: 2cl +sisicl 1-1 2 4 sicl +2h si+4hcl 1-2 4 2 以上三 种方 法中由 于改 良西门 子工 艺实现 了物 料闭环 规模 化生产 ,有节能、低 物耗 、有利 环境 保护等 优点 。目前 ,改 良西门 子法 仍是多 晶硅 行业主9,10流工艺,约占世界总产量的 80% 。 今后 一段 时 间内 ,随 着 冷氢 化技术、尾气回收、渣浆处理技术等的融合,改良西门子法生产工艺将面临挑战。 改良西 门子 法多晶 硅制 备工艺 涉及 的原料 种类 繁多, 整个 生产过 程的 工序也较 多, 会伴随 着大 量渣浆 副产 物的生 成。 在三氯 氢硅 的合成 工序 、硅芯制备及 产品 整理工 序产 生了大 量的 废硅粉 。精 馏、还 原等 工序则 产生 大量废11汽和废液,其主要成分是三氯氢硅、 四氯化硅、 氯化氢等 。 通常国内副 产品比例达 1:1724, 而国外为 1:8 左右。 因此多晶硅渣浆的回收处理技术也是十分重要的, 既可以降低企业的成本, 也能更好的适应节能减排的国家政策。尤其对 于国 内企业 加强 “氢化 技术 ”成了 提高 竞争力 ,在 多晶硅 行业 竞争近于白炽化状态的情况下争取生存空间的有效手段。 1.2.3 多晶 硅生产的 固渣回收 问题 多晶硅 主流 生产工 艺过 程中产 生大 量危险 副产 物,主 要有 氢气、 液氯 、三氯氢 硅、 四氯化 硅、 氯化氢 ,二 氧化硅 等。 上述多 晶硅 固渣浆 料的 产生主要归结 为以下 三个 方面 :一是 三氯 氢硅合 成过程 中发 生了 副反应 ,形成 了三氯氢硅 和四 氯化硅 的水 解物( 即二 氧化硅 ), 生成包 含液 态三氯 氢硅 和四氯化硅的 固渣 浆料; 二是 由于多 晶硅 生产工艺系统 规存 在泄 漏,有 水蒸 气或者其他含 水物 质进入 工艺 系统, 三氯 氢硅和 四氯 化硅与 水反 应生成 盐酸 、二氧化硅等 物质 ,二氧 化硅 固体与 三氯 氢硅、 四氯 化硅、 盐酸 等液体 混合 成为固渣浆料 ;三 是在多 晶硅 还原炉 中, 三氯氢 硅在 高温下 被氢 气还原 产生 的晶体硅由于炉内沉积条件不理想,造成部分硅粉沉积不彻底,随炉底排出。 这些产 物混 合组成 的多 晶硅固 渣浆 料是严 重污 染物, 其中 液态的 三氯 氢硅、 四氯化硅在固渣浆料中所占的体积比例达 80% , 而这些物质具有较强毒5第一章 文献 综述 性、危 险性 的污染 物, 一旦与 水或 空气接 触极 易发生 反应 ,生成 易燃 易爆有毒气体 ,必 须密封 保存 ,不能 直接 排放。 在目 前多晶 硅生 产行业 中, 一些生产企业 仍然 直接采 用“ 水解中 和” 的方法 处理 固渣浆 料。 使含有 大量 三氯氢硅、四 氯化 硅、硅 粉、 二氧化 硅、 盐酸的 固渣 浆料与 大量 水混合 发生 水解,这个环 节将 释放出 大量 的水解 热; 充分水 解后 得到含 有二 氧化硅 和盐 酸的强酸性固 渣混 合物, 再加 入大量 的氢 氧化钠 等强 碱性物 质中 和其中 的盐 酸,这个环节 将释 放出大 量的 中和热 ;最 后再通 过过 滤得到 的二 氧化硅 还需 要进一步水洗,滤液和水洗的金属氯化物溶液用于其他工业原料。 但是传 统的 “水解 中和 ”的处 理方 法存在 许多 局限性 ,一 是要中 和固 渣浆料中 的三 氯氢硅 和四 氯化硅 ,需 要耗费 大量 的水和 氢氧 化钠等 碱性 物质,原材料 成本 非常高 ;二 是水解 、中 和、过 滤和 水洗等 环节 依次进 行, 既增加了工艺 流程 和设备 ,又 增加了 生产 运行成 本; 三是设 备要 承受水 解、 中和反应释放 出大 量的反 应热 ,此类 反应 热无法 利用 而被耗 散, 对设备 也有 一定损害;四 是水 解、中 和过 程中产生大量 的盐 酸, 对设备 存在 腐蚀, 设备 运行寿命短。 五是 浆料中 的大 量三氯 氢硅 、四氯 化硅 成分是 制备 多晶硅 的原 料,直接使其 被水 解中和 消耗 掉,大 大降 低了原 料利 用率, 对企 业降低 成本 提高经济效益 是相 悖的。 因此 ,传统 固渣 浆料处 理工 艺的局 限性 亟待无 污染 、低成本、低能耗的封闭式处理工艺予以替代。 本课题 研究 的固渣 处理 设备正 是基 于上述 传统 工艺的 中的 弊端,通过干燥的手 段将 固渣浆 料中 的三氯 氢硅 、四氯 化硅 直接提 取出 来回收 利用 ,而二氧化硅 固渣 被送入 储罐 中,由 输送 装置送 入旋 叶动态 膜滤 装置与 碱溶 液发生中和的 同时 完成过 滤, 得到无 污染 的二氧 化硅 。在干 燥过 程中蒸 发提 取出来的三氯 氢硅 、四氯 化硅 经过进 一步 冷凝、 纯化 处理后 ,可 以循环 到加 氢工段加氢生 产三 氯氢硅 ,并 用于三 氯氢 硅的精 馏提 纯,从 而形 成了固 渣浆 料的内部封闭 式循 环回收 处理 工艺。 这种 工艺流 程的 改进和 新型 设备的 引入 ,既满12足化工生产的安全进行要求 ,也实现了无污染、低成本、低能耗的目标。 本文则 着力 研究用 于多 晶硅固 渣浆 料回收 处理 的干燥 器, 目前此 干燥 机在国内 还没 有同类 设备 产品成 功研 发的记 录, 课题新 颖, 具有明 显的 实用价值和社会价值。 6第一章 文献 综述 1.3 干燥技术 及装备 1.3.1 干燥 技术介绍 干燥的 目的 是为了 除去 某些原 料、 半成品 中的 水分或 溶剂 ,就化 学工 业而言目 的在 于,使 物料 便于包 装、 运输、 储藏 、加工 和使 用。按 照除 湿的原理不同 ,化 学工业 中的 干燥方 法分 为三类 :机 械除湿 法、 加热干 燥法 、化学13除湿法 。 而对于各种不同性状的物料的干燥过程中, 具体的干燥方法多数百种。 随着现 代化 工业的 发展 ,化学 工业 的机械 化、 自动化 和大 型化水 平的 不断提高 ,做 为化工 单元 操作中 重要 设备之 一的 干燥器 ,也 必将随 着化 工生产13的需要更加快速的发展 。 迄今为 止, 干燥机的设计研发基本上依赖于中试和经验 相结 合的方 法实 现。新 型材 料、生 物技 术、陶 瓷等 新技术 新领 域的发展为干 燥技 术提出 了许 多新的 课题 ,新工 艺和 新技术 对干 燥产品 质量 新的特14殊要求无疑成了推动干燥技术发展的重要动力 。 二十多 年来 ,化工 领域 内有关 干燥 技术和 理论 的研究 和开 发主要 集中 在以下几 个方 面:降 低能 耗、提 高效 率;提 高工作 效率 ,使 设备结 构紧 凑;提高控制 水平 ,优化 干燥 机性能 ,改 善产品 的质 量;增 强灵 活性, 开发 适应性15更强的干燥系统;开发多目标加工系统等 。 思考当 下, 立足长 远, 干燥技 术发 展要和 我国 的经济 发展 相结合 ,如 高效节能 、绿 色环保 、重 大装备 国产 化。干 燥技 术发展 趋势 将沿着 有效 利用能源、提 高产 品产量 和质 量、清 洁安 全、易 于控 制、多 功能 化和大 型化 等方向16发展 。 1.3.2 干燥 设备发展 现状 通常化 工生 产中所 说的 干燥器 是指 通过加 热使 物料中 的湿 分(一 般指 水分或者 其他 可挥发 性液 体成分 )汽 化逸出 ,以 获得规 定湿 含量的 固体 物料的化工机 械设 备。化 工生 产过程 中, 干燥操 作作 为一个 高能 耗过程 ,干 燥的技术手段是否先进就直接影响着企业的经济效益及企业竞争力。 经过近 20 多年的发展, 我国已经逐渐形成了具有一定企业数量和生产规模的干 燥设 备行业 态势 。企业 主要 集中在 东部 地区, 尤其 以江苏 、浙 江、上海三地 的企 业较为 集中 。国内 常见 干燥机 种类 主要是 气流 干燥机 、喷 雾干燥机、流 化床 干燥机 、流 化床喷 雾造 粒干燥 机等 。据调 查显 示,国 产干 燥设备7第一章 文献 综述 17在国内市场的占有已经达到近 90% , 说明以进口为主的历史已经结束 。但是我国 大多 数干燥 设备 生产企 业技 术水平 低, 几乎无 研发 能力, 不仅 影响着18中国干燥设备的整体形象,而且限制着我国干燥业的整体竞争力的发挥 。在面临 自身 发展过 程的 艰辛的 同时 ,我国 的企 业和科 研单 位还面 临着 国际竞争的挑战。 据资料显示, 国外干燥试验设备折旧率高达 710% , 也就是说试验设备19每十年就会完成一次彻底更新, 可见干燥技术发展十分迅速 。 国外 设备的发展趋 势表 现为: 提高 能源利 用率 ,强化 干燥 过程, 提高 干燥速 率, 改善产14品质量和生产环境等 。 如美国纸化学研究所开发的 “高强度干燥器” , 压2.力为 27mpa , 温度达 200400时, 其干燥速率可达 5000kg/m h ; 日本东京的yamato sankyo 制造公司研制的内设多条分支干燥空气喷管的高效转筒干燥机 ;还 有瑞士 研制 的间接 加热 浆料的 气流 干燥器 ;德 国的用 于煤 干燥的流化床干燥器;丹麦的低压蒸汽干燥机;印度的织物干燥的蒸汽干燥机等。 干燥器 的未 来发展 将在 深入研 究干 燥机理 和物 料干燥 特性 ,掌握 对不 同物料的 最优 操作条 件下 ,开发 和改 进干燥 器; 另外, 大型 化、高 强度 、高经济性, 以及 改进对 原料 的适应 性和 产品质 量, 是干燥 器发 展的基 本趋 势;同时进一 步研 究和开 发新 型高效 和适 应特殊 要求 的干燥 器。 目前, 随着 工业的发展, 对干 燥技术 的需 求也剧 增, 这必将 促进 干燥设 备的 蓬勃发 展, 特别是在机电 一体 化、制 造加 工标准 化、 提高自 动化 水平和 设备 多功能 化方 面成了20干燥设 备 创新和 发 展的方 向 。我国 想 在已经 生 产的干 燥 设备品 种 不断增加,适 用范 围也不 断扩 大,设 备的 质量和 技术 水平正 在迅 速的提 高, 国际市场竞争 力也 在逐渐 增强 。尤其 是我 国政府 已经 出台支 持产 品出口 的各 项相关政策, 也为 我国干 燥设 备的生 产企 业创造 了很 好的外 部条 件,这 些因 素和条21件都表明我国干燥器设备发展前景良好 。 1.3.3 多晶 硅渣浆干 燥机的研 发 前文指出传 统的多晶硅 固渣浆料处理工艺存在的弊端,提出多晶硅浆料干燥机 设备 研发的 必要 性。研 发此 干燥机 的主 要目的 在于 提供一 种专 用于冷氢化多 晶硅 固渣浆 料回 收完全 封闭 式干燥 过程 的带有 单向 全动搅 拌轴 结构及配套机 械密 封结构 的卧 式螺旋 干燥 器。本 设备 根据多 晶硅 固渣干 燥过 程的特殊性要 求, 创新性 解决 密封及 物料 堆积问 题, 换热效 率高 ,定向 出料 ,工艺性能稳 定。 本设备 采用 一种用 于含 有固相 颗粒 的与水 不相 容的液 相专 用机械8第一章 文献 综述 密封, 有效 解决搅 拌轴 和设备 筒体 之间的 密封 问题。 设备 采用的 搅拌 轴的结构很好 的满 足了工 艺生 产提出 的定 向推料 、防 积料、 定位 卸料、 充分 搅拌要求,也大大降低了设备生产中加工、安装难度和生产成本。 为 提出 干燥 机合理的设 计方案,首先要分析 其工艺条件和操作要求 , 着重从以下几点出发实现对多晶硅渣浆干燥机的研发: (1) 课题来源中要求设备一次投料量约 7t , 且液态待蒸发组分所占体积比大,因此要求设备承装量大,热负荷大; (2)干燥过程物料粘度变化大,要求搅拌系统搅拌充分、适应性强; (3)多晶硅渣浆中的三氯氢硅、四氯化硅等成分严禁与空气和水接触,要求设 备在 密闭条 件下 运行, 因此 在使用 搅拌 情况下 ,需 要使用 机械 密封结构,并保证其密封效果; (4) 渣浆中的硅粉、 二氧化硅固体微粒的存在, 为搅拌轴的密封结构提出更高要求。 1.4 ansys 在化工设 备结构分 析中的应 用 1.4.1 概述 随着化 工装 备的大 型化 、多功 能化 、复杂 化和 高参数 化, 一些新 型设 备的结构 类型 及尺寸 在通 过现有 的传 统设计 中, 鉴于压 力设 备安全 问题 的重要性,国 际上 制定的 现有 规范设 计过 程常偏 于保 守,这 不仅 使得设 计出 来的设22备笨重, 制造困难 ; 同时, 保守设计提出方案会引起材料应用不充分和制23造困难等问题, 因此造成许多浪费 。 在继承 和发展了传统的力学理论和设计方法 的基 础上, 结合 现代计 算机 技术, 工程 领域产 生更 加精确 和灵 活的现代设计 方法 ,即计 算机 辅助工 程(cae )这 种 数值模 拟技 术。与 传统 设计方法相比 ,现 代化的 设计 方法无 疑大 大的推 动了 现代工 业装 备技术 的创 新和研24发进展 。 在cae 分析 设计在机 械和化工 装备领域 的应用普 及过程中,ansys发 挥着举足 轻重的作 用,并且 为我国压 力容器的 分析设计 水平的提 高 做出了巨 大 贡献 。ansys 是 一个 适用于微机 平台的大型 有限元分析 系统,功23能强大, 适用领域广泛, 也是目前世界顶端的有限元商业应用程序 。 它 是目 前国内应 用范围最 广的大型 有限元分 析软件, 由世界上 最大的有 限 元分 析软件公 司之一的 美国ansys公司 开发 , 集结 构、 流体 、 电场 、 磁 场、9第一章 文献 综述 声 场 分析与 一 体,并 能 和多数cad软件(如pro/engineer ,solidworks ,25autocad ,ug)接口实现数 据共享和 交换 , 是 现代产 品设 计研发 过程26,27中高级cad 工具之一 。近 20 年来 ,各国相 继开发了 许多通用 程序系统 ,在众多 有限元分 析程序中 ,在机械 、土木、 电机、电 子、航天 等 专业 领域ansys 均 有应 用,并能 达到一定 的可信度,颇 受各 界专业人 员好评 。该软件 已经成为 各专业设 计人员不 可或缺的 工具,其 不仅能够 大 大缩 短设计时 间,也能 够降低设 计成本,降 低劳动 强度。因此ansys有限元 分析软件 成为了中 国压力容 器标准化 技术委员 会认证并 在国务院 十 七25个 部委推广 使用的分 析软件 。 1.4.2 ansys 有 限 元分析原 理 理解有 限元 法原理 是正 确合理 的应 用有限 元分 析软件 解决 实际问 题的 基础。有限元法最早可追溯到上世纪 40 年代 ,courant 第一次提出有限元法概念, 并于 50 年代在连续体力学领域作为一种有效的数值分析方法不断发展起来。有限元基 本思想是 指将所要 求解的区 域离散化 成有限个 按一定方 式连接在一起的单元的组合体,是一种离散化的数值方法。 有限 元系 统 可以转化 为一 个数学 模式 ,根据 数学 模型得 到该 有限元 系统 的解答 。一 个完整的有限 元模 型除节 点、 单元以 外, 还包括 工程 系统所 具有 的边界 条件 、约束28,29,30条件以及外力负载等 。其求 解思 想简单而 言:就是 离散后的 单元之间 只通过节 点相互产 生联系, 所有的力 、位移都 通过节点 进行计算 ; 为每 个单元选 定适当的 满足一定 边界条件 的插值函 数;将所 有单元的 方 程联 立,得到 整体结构 方程,方 程的解就 是该整体 结构的近 似解。当 划 分的 单元足够 多、足够 细时,该 近似解就 可被认为 是足够精 确的,具 有 实际 工程参考 价值。 弹性力学问题中的物理方程、几何方程、虚功方程、最小势能原理 以及单元的位移模式是 导出 有限元公式的基础,可以按平衡原理、变分原理及加权残值法等导出有限元的基本公式。 此法与结构力学中的位移法相似,首先将连续体转化为离散化结构,组成连续体的各单元仅在节点互相连接并传递力和位移。 1.4.3 ansys 的 功 能及技术 特点 ansys 有 限 元软件为 用户提供 了对多种 物理场量 的分析, 是 融合结10第一章 文献 综述 构 、热、流 体、电磁 、声学等 学科于一 体的大型 通用有限 元分析软 件 。该 软件的主 要功能包 括结构分 析、热分 析、流体 动力学分 析、电磁 场 分析 、声学分 析、压电 分析、多 场耦合分 析、优化 设计、用 户编 程 扩展功能 以及 其他 功能(如 拓扑优化 设计、自 适应网格 划分、生 死单元等 ) 。 本 课题进行 设备设计 研发主要 应用了 ansys 中 的 结构分析 、多场耦 合分析、apdl 参 数化编程 及优化设 计功能。 利用结构 分析功能 完 成了 干燥器设 备的静力 学分析并 校核设备 主要构件 强度,利 用多场耦 合 功能 分析干燥 器在考虑 热载荷情 况下的受 力和变形 情况,使 用 apdl 实现设 备模型参 数化,结 合优化设 计功能对 设备主要 构件进行 结构优化 , 最终 达到整个 设备的结 构优化。 ansys 自 上 世纪七十 年代诞生 以来, 随着 计算机和 有限元理 论的发展 ,版本不 断更新升 级,分析 能力和各 项操作功 能均得到 更好的完 善 和发 展。 作为一 个功能强 大的设计 分析及优 化软件包,ansys 主 要由以 下技 术特点: (1 ) 完 备的前处 理功能 。 ansys 不 仅 提供强大 的实体建 模和网格划 分工具, 而且设有 大型通用 有限元软 件数据接 口。同时 还具有近 200种 单元类型 以供用户 不同需要 的选择。 (2 ) 强 大的求解 器。ansys 能 够完成 对各种物 理场的分 析, 提 供多 种求解器 ,适应用 户在不同 问题及硬 件配置情 况下的要 求。 (3 ) 方 便的后处 理器 。 ansys 的 后处 理模块分 为通用后 处理模块(post1)和时间历 程后处理 模块(post26)两部 分。输出 结构可包 括位 移、 应力 、 应变、温度 、 速 度等, 结 果输出方 式可以是 图形、 数 据 列表 多种。 (4 ) 提 供多种二 次开发工 具。 该