第10期 尹少武等：悬浮床氨化硅合成热过程的实验研究与数值模拟 ,1173. 粉气比从0.3增加至0.6时，硅的转化率从14.0% 变化曲线如图6所示，所对应的其他实验条件为： 下降至11.3%，可能是由于粉气比的增加，导致氨 硅粉平均粒径d=2.7m、粉气比p=0.45、氨气速 气浓度的相对降低，影响了硅转化率。因此，粉气比 度0=0.41ms1、预热段热流g=2500Wm-2 过高时硅转化率较低，粉气比过低时生产效率较低， 由图6(a)可知，随着高温段壁面温度的增加，床内 故存在一个最佳粉气比，在实际生产中，在保证硅 温度（即氮化温度）也相应增加.由图6(b)可知，随 的转化率的前提下，尽可能提高粉气比 着氮化温度的增加，硅转化率也迅速增加·当氮化 3.4氮化温度对温度场和硅转化率的影响 温度由1300℃升高至1380℃时，硅的转化率由 当高温段壁面温度（近似为氨化温度）分别为 4.5%增加至22.5%. 1300,1350和1380℃时，床内温度和硅的转化率的 1500 (a) 25r 1200 20 一计算值 ㄩ。。实验值 9%w 一计算值 15 壁面温度 u·O实验值 1380℃ ●-1350℃ 壁面温度 600 -口-1380℃ 10 0-1300℃ -●-1350℃ 300 -0-1300℃ R,=R=0 00 02 0.4 0.6 0.8 1.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 图6氮化温度对床内温度(a)和硅转化率(b)的影响 Fig.6 Effects of nitridation temperature on the temperature in the bed (a)and the conversion rate of silicon (b) 3.5理论预测 浮床内的停留时间，提高硅的转化率.粉气比对温 为了获得氨含量较高的Si3N4粉，要求Si3N4纯 度场的影响较小，但对硅转化率具有较大影响；增加 度大于98.0%，这可以通过提高氨化温度和延长氨 粉气比，可提高生产效率，但硅转化率却降低，因此 化时间来实现.如果将入口氨气速度U降至 存在一个最佳粉气比.在1300~1380℃范围内，提 0.055ms-1,则粉气混合物在悬浮床高温段的停留 高氮化温度，可以明显提高反应速率，在本文实验 时间可延长至7.1min,同时将氮化温度升高至 条件下，当以平均粒径2.7m的硅粉为原料、氨化 1450℃，其他参数分别取d=2.7m、9=0.45和 温度为1380℃、氨化时间为54.5s时，硅转化率为 q=500Wm2,经数值模拟，在悬浮床出口处，硅的 22.5%,产物为非晶Si3N4粉 转化率达98.6%，Si3N4纯度达98%以上.因此，根 (③)模型预测表明，如果将氨化温度升高至 据理论预测，在工业化生产设计中，当设计悬浮床的 1450℃、氮化时间延长至7.1min,那么硅的转化率 尺寸（如直径和长度）时，确保粉气混合物在悬浮床 可达98.6%，Si3N4纯度达98%以上. 高温段的停留时间大于7,1min,并且在1450℃的 温度下进行操作，便可以确保Si3N4纯度大于 参考文献 98.0%,获得氨含量较高的Si3N4粉. [1]Riley F L.Silicon nitride and related materials.J Am Ceram Sac,2000,83(2):245 4结论 [2]Wang L,Yin W.Dong J C.et al.Continuous Synthesis Method of Silicon Nitride Pow der at Normal Pressure Based on (1)本文提出了一种基于流态化技术利用硅粉 Fluidization Technology:China Patent.CN1792774.26 直接氨化制备氨化硅粉的新工艺，建立了悬浮床内 28 热过程的数学模型，并借助CFD商业软件Fluent对 (王立，尹少武，董继昌，等.基于流态化技术常压连续合成 悬浮床的热过程进行了数值模拟，模拟计算值与实 氮化硅粉末的方法：中国，CN1792774.2006-06-28) 验值误差小于5%，说明该模型可以用来模拟悬浮 [3]Tao WQ.Numerical Heat Trangfer.2nd Ed.Xi'an:Xi'an Jiaotong University Press.2001 床内的热过程，模拟结果对悬浮床的进一步优化设 (陶文铨.数值传热学.2版西安：西安交通大学出版社， 计具有一定的指导意义 2001) (2)降低氨气速度，可以延长粉气混合物在悬 (下转第1193页)粉气比从0∙3增加至0∙6时‚硅的转化率从14∙0％ 下降至11∙3％‚可能是由于粉气比的增加‚导致氮 气浓度的相对降低‚影响了硅转化率．因此‚粉气比 过高时硅转化率较低‚粉气比过低时生产效率较低‚ 故存在一个最佳粉气比．在实际生产中‚在保证硅 的转化率的前提下‚尽可能提高粉气比． 3∙4 氮化温度对温度场和硅转化率的影响 当高温段壁面温度（近似为氮化温度）分别为 1300‚1350和1380℃时‚床内温度和硅的转化率的 变化曲线如图6所示．所对应的其他实验条件为： 硅粉平均粒径 d＝2∙7μm、粉气比 φ＝0∙45、氮气速 度 U＝0∙41m·s —1、预热段热流 q＝2500W·m —2． 由图6（a）可知‚随着高温段壁面温度的增加‚床内 温度（即氮化温度）也相应增加．由图6（b）可知‚随 着氮化温度的增加‚硅转化率也迅速增加．当氮化 温度由1300℃升高至1380℃时‚硅的转化率由 4∙5％增加至22∙5％． 图6 氮化温度对床内温度（a）和硅转化率（b）的影响 Fig．6 Effects of nitridation temperature on the temperature in the bed （a） and the conversion rate of silicon （b） 3∙5 理论预测 为了获得氮含量较高的 Si3N4 粉‚要求 Si3N4 纯 度大于98∙0％‚这可以通过提高氮化温度和延长氮 化时间来实现．如果将入口氮气速度 U 降 至 0∙055m·s —1‚则粉气混合物在悬浮床高温段的停留 时间可延长至7∙1min‚同时将氮化温度升高至 1450℃‚其他参数分别取 d＝2∙7μm、φ＝0∙45和 q＝500W·m —2‚经数值模拟‚在悬浮床出口处‚硅的 转化率达98∙6％‚Si3N4 纯度达98％以上．因此‚根 据理论预测‚在工业化生产设计中‚当设计悬浮床的 尺寸（如直径和长度）时‚确保粉气混合物在悬浮床 高温段的停留时间大于7∙1min‚并且在1450℃的 温度 下 进 行 操 作‚便 可 以 确 保 Si3N4 纯 度 大 于 98∙0％‚获得氮含量较高的 Si3N4 粉． 4 结论 （1） 本文提出了一种基于流态化技术利用硅粉 直接氮化制备氮化硅粉的新工艺‚建立了悬浮床内 热过程的数学模型‚并借助 CFD 商业软件 Fluent 对 悬浮床的热过程进行了数值模拟．模拟计算值与实 验值误差小于5％‚说明该模型可以用来模拟悬浮 床内的热过程．模拟结果对悬浮床的进一步优化设 计具有一定的指导意义． （2） 降低氮气速度‚可以延长粉气混合物在悬 浮床内的停留时间‚提高硅的转化率．粉气比对温 度场的影响较小‚但对硅转化率具有较大影响；增加 粉气比‚可提高生产效率‚但硅转化率却降低‚因此 存在一个最佳粉气比．在1300～1380℃范围内‚提 高氮化温度‚可以明显提高反应速率．在本文实验 条件下‚当以平均粒径2∙7μm 的硅粉为原料、氮化 温度为1380℃、氮化时间为54∙5s 时‚硅转化率为 22∙5％‚产物为非晶 Si3N4 粉． （3） 模型预测表明‚如果将氮化温度升高至 1450℃、氮化时间延长至7∙1min‚那么硅的转化率 可达98∙6％‚Si3N4 纯度达98％以上． 参 考 文 献 ［1］ Riley F L．Silicon nitride and related materials． J A m Ceram Soc‚2000‚83（2）：245 ［2］ Wang L‚Yin S W‚Dong J C‚et al． Continuous Synthesis Method of Silicon Nitride Pow der at Normal Pressure Based on Fluidiz ation Technology：China Patent‚CN1792774．2006—06— 28 （王立‚尹少武‚董继昌‚等．基于流态化技术常压连续合成 氮化硅粉末的方法：中国‚CN1792774．2006—06—28） ［3］ Tao W Q．Numerical Heat T ransfer．2nd Ed．Xi’an：Xi’an Jiaotong University Press‚2001 （陶文铨．数值传热学．2版．西安：西安交通大学出版社‚ 2001） （下转第1193页） 第10期 尹少武等： 悬浮床氮化硅合成热过程的实验研究与数值模拟 ·1173·