基于流化床反应器SiCl4氯氢化过程流化行为及热质传递特性研究

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AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51904137
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    24.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0415.资源循环利用
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2019
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2020-01-01 至2022-12-31

项目摘要

Hydrochlorination process is the most promising hydrogenation technology for the conversion of silicon tetrachloride (STC) to trichlorosilane (TCS), which is usually carried out in a fluidized bed reactor (FBR) of metallurgical silicon. The cost of ultra-pure silicon production by Siemens process can reduce effectively by means of the hydrochlorination reaction. However, enhancing the fluidization stability in FBR and increasing conversion rate and ratio are the main challenges for the hydrochlorination process. The present proposal can provide important base of theory for those by investigation on multi-phase fluid dynamics and synergistic study of characteristics of heat and mass transfer in the hydrochlorination process in the FBR. The start of the proposal is to develop a multi-phase fluid dynamics model in the FBR. The module of heat transfer is incorporated in the above fluid dynamics model based on flow field in the FBR. By application of the developed multi-phase fluid dynamic model coupled with the heat transfer module, the time-varying regularity of flow field, temperature profile, pressure field and residence time distribution can be investigated with silicon particle changing (consumption and addition). And the internal relations between continuous phase (gas phase) and discrete phase (solid phase), multiphase fluid motion and heat transfer are also established. Then, the heat and mass transport-kinetic model under multi-physics field for the hydrochlorination process can be developed by coupling population balance model (PBM) and Chemical kinetic model (CHEMKIN). By application of the developed model, the time-varying regularity of residence time distribution, the variation of the size of fluidized dead zone and the characteristics of heat and mass transfer can be investigated with silicon particle changing (consumption and addition). Furthermore, the conversion rate and ratio of STC can be predicted, and the synergistic action mechanism between the characteristics of heat and mass transfer and kinetics is also revealed through the above analytical studies. By the study of the present proposal, the interesting results can be used to provide the new ideas and approaches for the development of new equipment and the development of operation control technology for the hydrochlorination process.
流化床反应器(FBR)氯氢化技术是目前多晶硅领域SiCl4(STC)制备SiHCl3(TCS)最具前景的氢化技术,可有效降低西门子法多晶硅生产成本。然而,增强FBR流态化稳定性、提高STC转化速率和转化率是当前遇到的技术瓶颈,FBR流体力学及热质传递特性协同研究是解决该技术瓶颈的重要理论基础。本项目从建立FBR流体力学模型出发,耦合传热模型,研究流场、温度场、压力场及硅颗粒粒度分布的时变规律,建立起连续相(气相)与离散相(固相)、流体运动与热量传递的内在联系。引入粒群衡算模型(PBM)和反应动力学,构建FBR热质传递-动力学模型,获得硅颗粒动态变化(消耗和新加)物料停留时间、流化死区大小及热质传递特性变化规律,预测STC转化速率和转化率,阐明FBR床层热质传递特性与化学反应协同作用机制。通过本项目研究成果,为FBR氯氢化工艺新设备开发与操控技术的研发提供新思路和新方法。

结项摘要

流化床反应器(FBR)SiCl4氯氢化技术是目前多晶硅领域SiCl4制备SiHCl3最具前景的氢化技术,然而,当前主要的技术瓶颈在于如何有效地增强FBR流态化稳定性,提升SiCl4转化速率和效率。本项目以SiCl4氯氢化过程为研究对象,从增强FBR流态化稳定性,提升SiCl4转化率和效率角度出发,系统研究了不同流化阶段的FBR床层流型特征及热质传递特性,揭示了FBR床层硅颗粒输运机理;采用密度泛函理论,提出了SiCl4氯氢化过程微观反应机理,阐明了FBR床层热质传递特性与化学反应协同作用机制。研究取得如下成果:1) 根据SiCl4氯氢化过程气-固两相流行为特点,建立了描述流化床反应器氯氢化过程气-固两相流的欧拉-颗粒流数学模型;2) 基于所建立的欧拉-颗粒流模型开展系统数值模拟研究,并将模拟所得最大床层膨胀高度与经验计算理论值比较,验证了数学模型及求解方法的准确性;3) 耦合传热模型,研究了流场、温度场、压力场及硅颗粒粒度分布的时变规律,建立了连续相(气相)与离散相(固相)、流体运动与热量传递的内在联系;4) 阐明了SiCl4氯氢化过程的微观反应机理,构建了FBR热质传递-动力学模型,预测获得了SiCl4转化速率和转化率,形成了基于SiCl4氯氢化过程微观反应机理FBR调控机制。通过本项目研究成果,为FBR氯氢化工艺新设备开发与操控技术的研发提供新思路和新方法。项目执行期,发表学术论文9篇,其中SCI检索7篇,EI检索2篇;申请国家发明专利2项,授权实用新型专利1项;获云南省自然科学二等奖1项;晋升高级职称2人次,项目负责人入选云南省高层次人才培养支持计划“青年拔尖人才”、昆明市“春城计划”高层次人才青年人才和昆明市中青年学术和技术带头人后备人才,正培养物理学专业和材料与化工专业硕士研究生5名。

项目成果

期刊论文数量(9)
专著数量(0)
科研奖励数量(1)
会议论文数量(0)
专利数量(3)
Two-dimensional FePc and MnPc monolayers as promising materials for SF6 decomposition gases detection: Insights from DFT calculations
二维 FePc 和 MnPc 单层作为 SF6 分解气体检测的有前途的材料:DFT 计算的见解
  • DOI:
    10.1016/j.apsusc.2022.155119
  • 发表时间:
    2022-10-13
  • 期刊:
    APPLIED SURFACE SCIENCE
  • 影响因子:
    6.7
  • 作者:
    Nie, Zhifeng;Wang, Chen;Xiong, Huihui
  • 通讯作者:
    Xiong, Huihui
Metal-Decorated Phthalocyanine Monolayer as a Potential Gas Sensing Material for Phosgene: A First-Principles Study.
金属装饰的酞菁单分子层作为光气潜在的气敏材料:第一性原理研究
  • DOI:
    10.1021/acsomega.2c02548
  • 发表时间:
    2022-06-28
  • 期刊:
    ACS OMEGA
  • 影响因子:
    4.1
  • 作者:
    Wang, Chen;Wang, Yajun;Guo, Qijun;Dai, Enrui;Nie, Zhifeng
  • 通讯作者:
    Nie, Zhifeng
多晶硅还原炉高频交流电加热机制研究
  • DOI:
    10.19912/j.0254-0096.tynxb.2018-1004
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    太阳能学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    聂陟枫;戴恩睿;谢刚;田林;包崇军
  • 通讯作者:
    包崇军
Influence of Anthracite-to-Ilmenite-Ratio on Element Distribution in Titanium Slag Smelting in Large DC Furnaces
大型直流炉冶炼钛渣无烟钛比对元素分布的影响
  • DOI:
    10.32604/fdmp.2022.018537
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    Fluid Dynamics & Materials Processing
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Huang Shihong;Lei Ting;Cui Yan;Nie Zhifeng
  • 通讯作者:
    Nie Zhifeng
Mathematical model and energy efficiency analysis of Siemens reactor with a quartz ceramic lining
石英陶瓷内衬西门子反应釜数学模型及能效分析
  • DOI:
    10.1016/j.applthermaleng.2021.117522
  • 发表时间:
    2021-09-10
  • 期刊:
    APPLIED THERMAL ENGINEERING
  • 影响因子:
    6.4
  • 作者:
    Nie, Zhifeng;Wang, Yajun;Xie, Gang
  • 通讯作者:
    Xie, Gang

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其他文献

Thermodynamic Simulation of Polysilicon Production in Si-H-Cl System by Modified Siemens Process
改进西门子法Si-H-Cl系统生产多晶硅的热力学模拟
  • DOI:
    10.1252/jcej.16we180
  • 发表时间:
    2017-07
  • 期刊:
    Journal of Chemical Engineering of Japan
  • 影响因子:
    0.8
  • 作者:
    周扬民;侯彦青;聂陟枫;谢刚;马文会;P. A. Ramanch;ran
  • 通讯作者:
    ran
多晶硅还原炉中硅棒的直流电加热模型
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    太阳能学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    方文宝;周扬民;聂陟枫;李亚广;侯彦青
  • 通讯作者:
    侯彦青
Thermodynamic Simulation of Polycrystalline Silicon Chemical Vapor Deposition in Si–Cl–H System
Si—Cl—H体系中多晶硅化学气相沉积的热力学模拟
  • DOI:
    10.1134/s0040579519060162
  • 发表时间:
    2019-11
  • 期刊:
    Theoretical Foundations of Chemical Engineering
  • 影响因子:
    0.8
  • 作者:
    周扬民;侯彦青;聂陟枫;谢刚;马文会;戴永年;P. A. Ramach;ran
  • 通讯作者:
    ran
Equilibrium Concentration of SiHCl3 and SiCl4 in SiCl4-H2 System for Hydrogenation of SiCl4 to SiHCl3
SiCl4-H2体系中SiHCl3和SiCl4的平衡浓度用于SiCl4加氢为SiHCl3
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    Journal of Chemical Engineering of Japan
  • 影响因子:
    0.8
  • 作者:
    周扬民;聂陟枫;谢刚;侯彦青
  • 通讯作者:
    侯彦青
改良西门子法制备多晶硅还原过程研究进展
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    现代化工
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    李亚广;聂陟枫;周扬民;方文宝;谢刚;侯彦青
  • 通讯作者:
    侯彦青

其他文献

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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