本文選題：射頻熱等離子體　切入點(diǎn)：數(shù)值模擬　出處：《中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院過程工程研究所)》2017年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：射頻熱等離子體具有溫度高、導(dǎo)熱快、冷速大、氣氛可控等優(yōu)點(diǎn),在粉體制備領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。本文基于Fluent軟件,通過流體力學(xué)計(jì)算對熱等離子體反應(yīng)器進(jìn)行模擬,以典型制備過程——熔融球化和氣化冷凝過程為對象,研究熱等離子體制備球形粉體和納米粉體的具體過程,為優(yōu)化反應(yīng)器和制備工藝提供指導(dǎo)。主要內(nèi)容如下:(1)基于實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有10kW射頻熱等離子體反應(yīng)器,進(jìn)行模型建立、網(wǎng)格劃分、網(wǎng)格優(yōu)化、邊界設(shè)定等工作,從三維尺度上了表征反應(yīng)器內(nèi)溫度分布和速度分布。研究了載氣、中氣、邊氣流率的變化對反應(yīng)器內(nèi)溫度分布和速度分布的影響,獲得了反應(yīng)器內(nèi)流場分布的調(diào)控規(guī)律,為研究粉體在熱等離子體反應(yīng)器中的運(yùn)動和受熱過程奠定基礎(chǔ)。(2)針對小顆粒粉體難以球化問題,模擬了不同粒徑鎢粉在熱等離子體反應(yīng)器中的運(yùn)動過程,考察了粒徑對粉體球化過程的影響。發(fā)現(xiàn)小顆粒易受逆向速度和徑向速度的影響,在反應(yīng)器內(nèi)表現(xiàn)為強(qiáng)擴(kuò)散和返混運(yùn)動,吸收熱量降低,這是小顆粒粉體難以球化的主要原因。通過優(yōu)化載氣、中氣、邊氣流率,降低了顆粒的擴(kuò)散和返混,改善了小顆粒的球化效果。(3)為了考察粒徑對顆粒氣化過程的影響,模擬了硅粉在熱等離子體反應(yīng)器中的運(yùn)動和傳熱過程。統(tǒng)計(jì)顆粒在反應(yīng)器中的停留時間、初始?xì)饣瘯r間和完全氣化時間,對比得到了粒徑和總氣化率的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)30kW熱等離子體反應(yīng)器中,30.0μm以內(nèi)顆粒的氣化率在99%以上,殘留未氣化顆粒對產(chǎn)物質(zhì)量的影響可以忽略。此結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合,可用于指導(dǎo)選擇原料顆粒的粒度。(4)為了研究加料量對顆粒氣化過程的影響,模擬了硅粉在熱等離子體反應(yīng)器中的受熱過程�；趯Ψ磻�(yīng)器內(nèi)軸向速度和溫度的模擬計(jì)算,獲得了連續(xù)相的熱流密度分布。統(tǒng)計(jì)了顆粒在徑向的分布變化,與熱流密度分布相對比得到了加料量與總氣化率的關(guān)系,分析了加料量對總氣化率的具體影響。發(fā)現(xiàn)30 kW熱等離子體反應(yīng)器的加料量低于9.63 g·min-1時,總氣化率大于99.0%,殘留未氣化顆粒對產(chǎn)物質(zhì)量的影響可以忽略,該結(jié)果可以指導(dǎo)確定進(jìn)入反應(yīng)器的顆粒流率。
[Abstract]:RF thermal plasma has many advantages, such as high temperature, fast heat conduction, large cooling rate, controllable atmosphere, etc. It has important application in powder preparation field. Based on Fluent software, the thermal plasma reactor is simulated by hydrodynamic calculation. Taking the typical preparation process-melting spheroidization and gasification condensation process as the object, the specific process of preparing spherical and nano-sized powders by hot plasma was studied. The main contents are as follows: 1) based on the existing 10kW RF thermal plasma reactor in the laboratory, modeling, mesh generation, mesh optimization, boundary setting, etc. The temperature distribution and velocity distribution in the reactor were characterized on a three dimensional scale. The effects of the change of carrier gas, medium gas and edge flow rate on the temperature distribution and velocity distribution in the reactor were studied, and the regulation of the flow field distribution in the reactor was obtained. In order to study the movement and heating process of powder in hot plasma reactor, the movement process of tungsten powder with different particle size in the thermal plasma reactor was simulated in view of the difficult spheroidization of small particle powder. The effect of particle size on the spheroidization process of the powder was investigated. It was found that the small particles were easily affected by reverse velocity and radial velocity, and showed strong diffusion and backmixing motion in the reactor, and the absorption of heat decreased. This is the main reason that small particle powder is difficult to spheroidize. By optimizing the rate of carrier gas, medium gas and edge flow, the diffusion and backmixing of particles are reduced, and the spheroidizing effect of small particle is improved. (3) in order to investigate the effect of particle size on the gasification process, The movement and heat transfer process of silica fume in the thermal plasma reactor were simulated. The residence time, initial gasification time and complete gasification time of the particles in the reactor were calculated. The relationship between the particle size and the total gasification rate is obtained. It is found that the gasification rate of the particles in the 30 kW hot plasma reactor is more than 99%, and the influence of the residual ungasified particles on the quality of the product can be neglected. The results are in agreement with the experimental results. In order to study the effect of feeding amount on particle gasification process, the heating process of silicon powder in hot plasma reactor was simulated. Based on the simulation of axial velocity and temperature in the reactor, The distribution of heat flux of continuous phase is obtained, and the variation of particle distribution in radial direction is calculated. Compared with the distribution of heat flux, the relation between the feeding amount and the total gasification rate is obtained. The specific effect of feed rate on the total gasification rate was analyzed. It was found that the total gasification rate was greater than 99.0 when the feeding amount of 30 kW hot plasma reactor was less than 9.63 g 路min-1, and the effect of residual ungasified particles on the quality of the product could be neglected. The results can guide the determination of particle flow rate into the reactor.
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院過程工程研究所)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：O53;TB383.3

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本文編號：1619657