逄啟壽, 羅桂平

(江西理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 江西 贛州 341000)

立式稀土氟化爐熱傳導(dǎo)與內(nèi)部氣流規(guī)律研究

逄啟壽, 羅桂平

(江西理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 江西 贛州 341000)

為了解決稀土氟化爐中出現(xiàn)的各層氟化率不均勻問(wèn)題，以立式稀土氟化爐反應(yīng)器為研究對(duì)象，經(jīng)過(guò)合理簡(jiǎn)化，建立了數(shù)學(xué)模型。利用CFD軟件對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算求解，得到反應(yīng)區(qū)溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的分布云圖，對(duì)溫度場(chǎng)和流場(chǎng)進(jìn)行分析，并使用MATLAB對(duì)模型計(jì)算所得數(shù)據(jù)進(jìn)行作圖處理，結(jié)果表明：局部存在溫度不均或氣體滯留死區(qū)問(wèn)題。研究了氟化爐內(nèi)不同層間氟化率與傳熱狀態(tài)的關(guān)系以及流場(chǎng)分布對(duì)氟化效果的影響，并提出了改進(jìn)措施。

立式氟化爐； CFD； 溫度場(chǎng)； 流場(chǎng)

0 引言

稀土氟化物是制取稀土金屬的重要原料，制備無(wú)水稀土氟化物一般有氫氟酸沉淀—真空脫水法、氟化氫銨氟化法和氟化氫氣體氟化法三種方法，其中氟化氫氣體法較其它兩種方法具備工藝流程短、帶入雜質(zhì)少、環(huán)保、氟化率高等諸多優(yōu)點(diǎn)[1],是目前工業(yè)上制備氟化稀土的最佳方法[2-3]。研究表明，采用干法氟化工藝制備重稀土，溫度控制在600～650 ℃,氟化氫氣體的實(shí)際用量為理論計(jì)算值過(guò)量100%，氣體流量控制在3～4 kg/h時(shí)，稀土氧化物的氟化率可達(dá)99.9%以上[4]。氟化氫氣體法制備氟化稀土過(guò)程中，溫度和氟化氫氣體用量這兩個(gè)因素非常重要。在對(duì)氟化氫制備氟化鐠釹的產(chǎn)業(yè)化研究中，針對(duì)500 kg REO臥式氟化爐，也重點(diǎn)對(duì)溫度和HF氣體用量提出了要求[5]。

傳統(tǒng)制備稀土氟化物的設(shè)備主要是臥式固定床氟化爐[6],它具有流程短、回收率高、產(chǎn)品質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。但臥式氟化爐內(nèi)溫度場(chǎng)分布不均，梯度較大，流場(chǎng)分布亦不良，造成整個(gè)反應(yīng)器內(nèi)氟化效果差異較大[7]。為此，研究者研發(fā)設(shè)計(jì)了立式稀土氧化物氟化爐[8-9]。雖然立式氟化爐較臥式爐具有更佳的氟化效果，但仍存在溫度不均勻問(wèn)題。本文對(duì)立式氟化爐內(nèi)膽溫度場(chǎng)及流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算分析，以獲得爐內(nèi)傳熱狀態(tài)以及流場(chǎng)分布情況，為優(yōu)化氟化設(shè)備提供理論依據(jù)。

1 數(shù)學(xué)物理模型的建立

1.1 立式稀土氟化爐的結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1為稀土氟化實(shí)驗(yàn)爐，圖2為氟化爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

圖1 稀土氟化實(shí)驗(yàn)爐

氟化氫氣體由入口進(jìn)入內(nèi)腔(柱形結(jié)構(gòu))，入口處裝有氣體散布器，經(jīng)過(guò)散布器氟化氫氣體較為均勻地進(jìn)入物料區(qū)與稀土氧化物充分反應(yīng)，反應(yīng)尾氣通過(guò)集氣罩從出口排出。加熱系統(tǒng)由內(nèi)襯外圍螺旋放置的電阻絲構(gòu)成，主要分布在上中下三個(gè)位置。電阻發(fā)熱通過(guò)輻射、導(dǎo)熱和對(duì)流傳熱進(jìn)入內(nèi)腔加熱物料區(qū)。

反應(yīng)化學(xué)方程式為：

Re2O3+6HF→2ReF3+3H2O

(1)

圖2 稀土氟化爐簡(jiǎn)圖

1.2 稀土氟化實(shí)驗(yàn)

在立式稀土氟化爐中放入10層料盤(pán)，從下往上依次為1,2,…,10層，通電加熱10～12 h后，取出料盤(pán)，測(cè)定生成的氟化鐠釹成分，得到各層氟化率，如表1。

由表1可知 各層氟化率差異明顯，僅2,3,4,5層在80%以上，其中第三層氟化效果最高，靠近氣體入口和出口的氟化率僅在50%左右，氟化效果很不理想。為尋找問(wèn)題的原因以及探究解決辦法，對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的數(shù)值仿真分析。

1.3 物理模型及網(wǎng)格劃分

根據(jù)氟化爐結(jié)構(gòu)及其工作原理，針對(duì)其反應(yīng)器進(jìn)行模型簡(jiǎn)化：①該反應(yīng)器是三維軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，因此可簡(jiǎn)化為二維模型處理；②料盤(pán)是一塊圓盤(pán)，且該圓盤(pán)存在一缺口(主要用于引導(dǎo)氣流方向)，料盤(pán)總共10層，其割塊放置方向每?jī)蓪娱g相隔144°，呈現(xiàn)五角星式氣流流線(xiàn)，在二維結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)為S形流線(xiàn)。網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格(Tri)，總網(wǎng)格數(shù)60 660，節(jié)點(diǎn)34 135。

表1 氟化爐內(nèi)氟化率隨層數(shù)的變化 %

1.4 數(shù)學(xué)模型及其控制方程

1.4.1 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)傳熱和傳質(zhì)基本理論分析氟化反應(yīng)過(guò)程，工作過(guò)程中伴隨熱傳導(dǎo)、對(duì)流傳熱以及輻射傳熱，且有新氣體產(chǎn)生。電阻絲通電產(chǎn)生大量的熱，一部分通過(guò)熱傳導(dǎo)傳遞給保溫隔熱材料，其余大部分通過(guò)輻射傳遞給氟化爐內(nèi)膽，膽內(nèi)反應(yīng)區(qū)物料溫度急劇上升而滿(mǎn)足反應(yīng)所需溫度條件。整個(gè)過(guò)程滿(mǎn)足質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒，其控制方程如下：

(2)

展開(kāi)方程形式：

(3)

式中：φ為通變量，代表各求解變量u、v、T等；Γ是廣義擴(kuò)散系數(shù)；S是廣義源項(xiàng)。

式中(2)四項(xiàng)依次代表瞬態(tài)項(xiàng)(transient term)、對(duì)流項(xiàng)(convective term)、擴(kuò)散項(xiàng)(diffusive)和源項(xiàng)(source term)。穩(wěn)態(tài)過(guò)程中，瞬態(tài)項(xiàng)為零。對(duì)于不同控制方程，形式不同，具體形式見(jiàn)表2。

表2 控制方程中各符號(hào)形式

1.4.2 邊界條件

因湍流效應(yīng)對(duì)流動(dòng)與傳熱有一定影響，故采用k-ε方程模型。Pressure Based隱式(Implicit)求解，保證收斂的穩(wěn)定性；壓力和速度解耦采用SIMPLE算法(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation)；動(dòng)量、能量以及湍流參量的求解采用二階迎風(fēng)格式(Second Order Upwind)。

(1)入口邊界采用速度入口條件(Velocity-inlet)，給定流體流速、溫度計(jì)相應(yīng)湍流條件。入口直徑20 mm，氟化氫密度0.921 8 kg/m3，據(jù)工藝要求氣體流量應(yīng)控制在3～4 kg/h，可計(jì)算入口速度v=2.88～3.84 m/s。

(2)出口邊界采用自由出口邊界條件(Outflow)。

(3) 壁面有加熱壁面和普通壁面，加熱壁面采用不可滲透、無(wú)滑移給定溫度壁面條件(Wall)，普通壁面為無(wú)滑移，絕熱邊界條件(Wall)。具體邊界條件如表3。

表3 邊界條件

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 溫度場(chǎng)模擬結(jié)果及分析

圖4 各層間水平位置溫度變化曲線(xiàn)圖

圖3為二維模型模擬結(jié)果中溫度場(chǎng)分布云圖，可以很直觀地看出氟化爐內(nèi)從下至上溫度不均，差異明顯。料盤(pán)從下往上依次有1,2,…,10層，前7層區(qū)域溫度逐層上升，7至9層區(qū)域溫度達(dá)最高，第10層至出口區(qū)溫度明顯下降，這與氟化爐結(jié)構(gòu)和加熱方式有關(guān)。氟化爐為周向加熱(在二維模型中為左右兩壁面加熱)，低溫氣體進(jìn)入后急劇升溫，因此表現(xiàn)為溫度隨下而上先增大，由于熱源有限，溫度不可能一直升高，在7、8、9層達(dá)極限，到達(dá)第10層后，大量尾氣從出口流出，且?guī)ё叽罅康臒?，并且尾氣收集器沒(méi)有熱源提供，所以第10層往上溫度下降。

圖3 溫度場(chǎng)分布云圖

由云圖還可知，橫向同層的氣體溫度也略有差異，表現(xiàn)為沿氣體流動(dòng)方向溫度逐漸升高，主要從入口段三層溫度梯度較大，原因與前述相同。

從FLUENT中提取出不同高度的橫向不同位置處的溫度值，并記錄相應(yīng)位置點(diǎn)，利用MATLAB擬合出各高度橫向位置變化的曲線(xiàn)，見(jiàn)圖4。11條曲線(xiàn)為爐內(nèi)11個(gè)不同水平高度沿x坐標(biāo)(-0.314,0.314)即從左壁面到右壁面的溫度變化曲線(xiàn)圖，圖中各曲線(xiàn)分別編號(hào)No.0～No.10，No.i表示第i層上氣流位置(No.0為第1層下方位置)。由圖4可知，前四層物料區(qū)溫度逐層升高，且升溫快速，其溫度處于150～650 ℃之間。從下往上第一層物料以下(No.0位置)呈現(xiàn)兩端溫度高，中間低現(xiàn)象，這是由于兩端壁面加熱，低溫氣體進(jìn)入后左右擴(kuò)散持續(xù)升溫所致，No.0位置處于低溫區(qū)，氟化反應(yīng)難以進(jìn)行；No.1、No.2、No.3、No.4位置均沿氣體流向溫度逐漸升高，其梯度越來(lái)越小即升溫越來(lái)越緩慢，這4個(gè)位置的料盤(pán)反應(yīng)可進(jìn)行，且氟化效果逐層愈來(lái)愈佳(單從氟化溫度考慮)。后6個(gè)層間位置溫度均處在650～685 ℃，溫度相對(duì)穩(wěn)定，No.5、No.6、No.7、No.8位置溫度逐層遞增，No.8、No.9位置幾乎穩(wěn)定在680 ℃，No.10位置溫度略有下降?？梢?jiàn)處在此6個(gè)位置的料盤(pán)溫度均適宜，若氟化氫濃度滿(mǎn)足，氟化效果必然最佳。

圖5 流場(chǎng)跡線(xiàn)圖

2.2 流場(chǎng)模擬結(jié)果與分析

圖5和圖6分別為氟化爐內(nèi)反應(yīng)區(qū)流場(chǎng)跡線(xiàn)圖和速度云圖。從圖5跡線(xiàn)圖可看出，氣體進(jìn)入爐內(nèi)膽后分兩個(gè)方向進(jìn)入物料區(qū)，絕大部分朝物料盤(pán)各缺口方向流入，形成S形跡線(xiàn)逐層進(jìn)入各物料區(qū)，該S形方向稱(chēng)為主流方向。還有一小部分氣體從料盤(pán)和內(nèi)襯壁面間縫隙往上滲透。雖然氣體分子會(huì)隨機(jī)地朝各個(gè)方向擴(kuò)散，但大部分氣體將沿著主流方向進(jìn)入物料區(qū)參與氟化反應(yīng)。從圖6速度云圖可知，主流方向氣體流速較大，基本可達(dá)1～1.5 m/s，局部如左下角區(qū)域和各料盤(pán)缺口折流小區(qū)域以及頂層料盤(pán)正上方區(qū)域氣體流速均很小，幾乎為零，成為流動(dòng)死區(qū)，氣體僅以擴(kuò)散速度流經(jīng)該區(qū)域。

圖6 流場(chǎng)速度云圖

圖7 為入/出口流場(chǎng)速度矢量圖。從入口處速度矢量圖可見(jiàn)：①大部分氣體以較快速度從主流方向流進(jìn)物料區(qū)，但局部存在漩渦。氣體進(jìn)入后，沖擊氣體散布器頂面從左右兩方向分流，由于料盤(pán)右邊有缺口，壓強(qiáng)較左邊更低，大部分氣體朝右邊流動(dòng)，導(dǎo)致在散布器右下方存在流動(dòng)漩渦，同時(shí)漩渦產(chǎn)生負(fù)壓導(dǎo)致更多氣體向右流動(dòng)，這也是絕大部分氣體朝主流方向流動(dòng)的原因。本文對(duì)散布器做了相應(yīng)簡(jiǎn)化，將柱形圓蓋簡(jiǎn)化為一塊擋板，對(duì)流動(dòng)影響不大，簡(jiǎn)化合理。入口左邊氣體流動(dòng)速度均較小，原因是僅有少量氣體能從料盤(pán)與內(nèi)襯間縫隙流過(guò)，正因?yàn)闅怏w少，流速慢，升溫則更快，這與前述溫度場(chǎng)分析一致。②圖中料盤(pán)缺口處氣體在緊挨料盤(pán)的小區(qū)域內(nèi)存在漩渦，該處產(chǎn)生又一個(gè)流動(dòng)死區(qū)，每個(gè)料盤(pán)缺口處均會(huì)出現(xiàn)該類(lèi)流動(dòng)漩渦，這種漩渦對(duì)流動(dòng)不利，可通過(guò)對(duì)料盤(pán)倒圓角去除。

圖7 入/出口流場(chǎng)速度矢量圖

從出口處流場(chǎng)速度矢量圖可見(jiàn)，氣體從最頂部?jī)蓪恿媳P(pán)間流出后直接沿左上方壁面流至出口，導(dǎo)致頂層料盤(pán)物料無(wú)法與氟化氫氣體充分接觸，故氟化效果極差。要解決該問(wèn)題，可考慮在頂層料盤(pán)上方加一塊折流板，使氟化氫與物料充分接觸，提升氟化率。

2.3 合理性驗(yàn)證

綜合溫度場(chǎng)和流場(chǎng)分析，氣體進(jìn)入爐內(nèi)，沿著主流方向進(jìn)入物料區(qū)，急速升溫，第一層基本已達(dá)300 ℃以上，開(kāi)始反應(yīng)，但由于溫度原因氟化效果不理想，氣體逐層升溫，到達(dá)第三層溫度高達(dá)650 ℃，同時(shí)氟化氫充分，氟化效果達(dá)最佳。由于實(shí)際反應(yīng)有水蒸氣產(chǎn)生，且隨著反應(yīng)的進(jìn)行氟化氫濃度將下降，因此第4、5、…、10層氟化氫濃度逐層降低，氟化率也隨之下降。這與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的氟化曲線(xiàn)完全符合，說(shuō)明所建立的數(shù)學(xué)模型及其溫度場(chǎng)、流場(chǎng)模擬合理可信。

3 結(jié)論

(1)立式稀土氟化爐內(nèi)膽(Φ630 mm×1 000 mm)溫度分布雖然不均，但只在局部溫度梯度大，70%反應(yīng)區(qū)溫度差異不大且均能夠滿(mǎn)足反應(yīng)所需，僅在氣體入口最近的兩層內(nèi)氟化效果不太理想，需考慮氣體預(yù)熱問(wèn)題。氣體出口處溫度略降低20 ℃左右，對(duì)反應(yīng)影響不大。

(2)氣體在物料區(qū)主要沿主流方向流動(dòng)，這是料盤(pán)設(shè)置缺口的設(shè)計(jì)具體表現(xiàn)，但局部存在渦流。入口處和料盤(pán)缺口處均有漩渦，可以通過(guò)改變料盤(pán)結(jié)構(gòu)來(lái)改善。出口處，氣體沿爐壁面流至出口，導(dǎo)致最頂層料盤(pán)難以與氟化氫氣體充分接觸，可考慮加一折流板改變氣體流動(dòng)方向。

(3)測(cè)定的氟化率曲線(xiàn)表明，模型建立合理，仿真結(jié)果可信，可為氟化爐設(shè)計(jì)制造提供參考。

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Study on heat transfer and flow in the vertical rare earth fluorination furnace

PANG Qi-shou, LUO Gui-ping

In order to solve the problem of the uneven efficiency of fluorination in the rare earth fluorination furnace, a mathematical model of vertical rare earth fluorination reactor was established by reasonable simplification. Distributed information of flow and temperature field was obtained by using CFD software. And then the flow and temperature field were analyzed in details and the calculate data was generated into graphic with the help of MATLAB. The results show that some defaults like local temperature deficiencies or the existing stranded dead zone. Finally, the relationship of the uneven efficiency of fluorination and heat transfer, and the effect of flow field on fluorination were both explained, and the improvement measures were put forward.

vertical fluorination furnace; CFD; temperature field; flow field

逄啟壽(1963—)，男，山東濰坊人，碩士，教授，主要研究方向：稀土冶金設(shè)備研發(fā)制造。

2016-01-13

TF845.3； TQ133.3

B

1672-6103(2017)01-0041-05