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《中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所)》 2017年
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射频热等离子体反应器模拟及优化

何家平  
【摘要】:射频热等离子体具有温度高、导热快、冷速大、气氛可控等优点,在粉体制备领域有着重要应用。本文基于Fluent软件,通过流体力学计算对热等离子体反应器进行模拟,以典型制备过程——熔融球化和气化冷凝过程为对象,研究热等离子体制备球形粉体和纳米粉体的具体过程,为优化反应器和制备工艺提供指导。主要内容如下:(1)基于实验室现有10kW射频热等离子体反应器,进行模型建立、网格划分、网格优化、边界设定等工作,从三维尺度上了表征反应器内温度分布和速度分布。研究了载气、中气、边气流率的变化对反应器内温度分布和速度分布的影响,获得了反应器内流场分布的调控规律,为研究粉体在热等离子体反应器中的运动和受热过程奠定基础。(2)针对小颗粒粉体难以球化问题,模拟了不同粒径钨粉在热等离子体反应器中的运动过程,考察了粒径对粉体球化过程的影响。发现小颗粒易受逆向速度和径向速度的影响,在反应器内表现为强扩散和返混运动,吸收热量降低,这是小颗粒粉体难以球化的主要原因。通过优化载气、中气、边气流率,降低了颗粒的扩散和返混,改善了小颗粒的球化效果。(3)为了考察粒径对颗粒气化过程的影响,模拟了硅粉在热等离子体反应器中的运动和传热过程。统计颗粒在反应器中的停留时间、初始气化时间和完全气化时间,对比得到了粒径和总气化率的关系。发现30kW热等离子体反应器中,30.0μm以内颗粒的气化率在99%以上,残留未气化颗粒对产物质量的影响可以忽略。此结果与实验结果相吻合,可用于指导选择原料颗粒的粒度。(4)为了研究加料量对颗粒气化过程的影响,模拟了硅粉在热等离子体反应器中的受热过程。基于对反应器内轴向速度和温度的模拟计算,获得了连续相的热流密度分布。统计了颗粒在径向的分布变化,与热流密度分布相对比得到了加料量与总气化率的关系,分析了加料量对总气化率的具体影响。发现30 kW热等离子体反应器的加料量低于9.63 g·min-1时,总气化率大于99.0%,残留未气化颗粒对产物质量的影响可以忽略,该结果可以指导确定进入反应器的颗粒流率。
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所)
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O53;TB383.3

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