立式稀土氟化爐內(nèi)溫度分布與氟化效率的關(guān)系研究

逄啟壽, 郜飄飄, 徐 金

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

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立式稀土氟化爐內(nèi)溫度分布與氟化效率的關(guān)系研究

逄啟壽, 郜飄飄, 徐 金

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

針對立式稀土氟化爐內(nèi)各層氟化率差異大的問題，合理簡化模型，利用Fluent軟件模擬爐內(nèi)溫度總體分布，并將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，得出入口層溫度對氟化效率影響較大，而中上層溫度過高對氟化效率的影響并不大。研究結(jié)果為合理優(yōu)化氟化爐的加熱方式，改善總體溫度分布，提高氟化效率等提供理論依據(jù)。

立式稀土氟化爐； 氟化效率； 溫度場； 數(shù)值模擬

稀土氟化物是制取稀土金屬以及合金的重要原材料，其中的雜質(zhì)含量對制取稀土金屬有一定的影響，而氧含量更是影響稀土質(zhì)量的關(guān)鍵。目前國內(nèi)制備稀土氟化物的方法主要有濕法工藝和干法工藝，其中HF氣體與稀土氧化物在高溫下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)得到氟化物為干法工藝。自在旋轉(zhuǎn)式流化床中用HF氣體制得氟化釹以來[1]，人們一直在尋找提高氣體氟化效率的方法、耐腐蝕性強(qiáng)的爐內(nèi)襯材料、合理的尾氣回收裝置等，希望得到最佳稀土氟化物制備工藝。尹祖平設(shè)計(jì)了產(chǎn)量大、氟化效果好、成本低的工業(yè)化HF氣體法氟化爐，氟化率高達(dá)99%[2]。郝占忠采用脫水轉(zhuǎn)化法制得含氧量低至0.088%的低氧氟化釓[3]，后又采用控制變量法制得氟含量大于25.69%的低氧氟化釓，氟化率大于99.95%[4]，并對反應(yīng)器內(nèi)溫度場及流場進(jìn)行了數(shù)值模擬[5]。

計(jì)算流體動力學(xué)廣泛應(yīng)用于水利、航運(yùn)、海洋、食品、環(huán)境、流體機(jī)械與流體工程，已成為解決各種流體流動與傳熱問題的強(qiáng)有力工具[6]。由于實(shí)際生產(chǎn)中，氟化爐內(nèi)溫度分布不均,每層的氟化效率不一，因此借助Fluent軟件對現(xiàn)有立式氟化爐(φ637 mm×1 000 mm)，壁面加熱溫度913K的溫度場進(jìn)行求解模擬，以探究造成氟化爐內(nèi)溫度分布不均、各層氟化效率不一等問題的原因，并與實(shí)際生產(chǎn)測得的氟化率進(jìn)行對比，分析爐內(nèi)溫度分布與氟化率之間的關(guān)系，為優(yōu)化反應(yīng)器內(nèi)溫度場分布、提高氟化爐氟化效率、改善氟化爐結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。

1 數(shù)學(xué)模型與網(wǎng)格劃分

以某公司設(shè)計(jì)開發(fā)的立式稀土氧化物氟化爐(φ637 mm×1 000 mm)[7]為研究對象，分析壁面加熱溫度為913 K時爐內(nèi)溫度場的分布。圖1為立式稀土氧化物氟化爐實(shí)物圖和結(jié)構(gòu)示意圖。

該氟化爐為軸對稱模型，因此在不影響模擬結(jié)果的前提下，簡化模型結(jié)構(gòu)，爐內(nèi)的10層料盤相互支撐堆疊，忽略其對模擬的影響。利用前處理器對簡化的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對進(jìn)出口處進(jìn)行網(wǎng)格加密。

2 求解模型與邊界條件

工作介質(zhì)HF氣體：無色弱酸性，密度0.991 g/L，熔點(diǎn)-83.1 ℃，沸點(diǎn)19.54 ℃，分子量20.01，汽化熱30.3 kJ/mol，比熱容1 456.272 kJ/(kg·℃)，粘度0.256 mPa·S。

氟化爐中料盤支撐固定不動，且反應(yīng)中稀土氧化物顆粒大小也固定不變，結(jié)合實(shí)際情況，認(rèn)定氣體在各料層反應(yīng)均勻，化學(xué)反應(yīng)在固定溫度下均勻進(jìn)行。假設(shè)在同一溫度下，該反應(yīng)為穩(wěn)態(tài)反應(yīng)，且放熱恒定，忽略反應(yīng)產(chǎn)物對模擬的影響。

2.1 求解模型

HF氣體在此反應(yīng)中認(rèn)定為不可壓縮流體，密度

1—保溫層；2—外殼；3—加熱層；4—爐膽；5—外層氣流散布器；6—內(nèi)層氣流分布器；7—氟化氫氣體接入管；8—盛料盤；9—?dú)怏w出口圖1 立式稀土氟化爐實(shí)物圖與結(jié)構(gòu)示意圖

不隨時間變化，計(jì)算所用密度為常溫下密度。在一定反應(yīng)溫度下，氟化爐內(nèi)反應(yīng)均勻進(jìn)行，故在穩(wěn)態(tài)下選用分離式求解器。氣體在各層流動情況比較復(fù)雜，總體流動可視為湍流，湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型，開啟能量方程，不開啟輻射模型。計(jì)算參數(shù)見表1。

表1計(jì)算參數(shù)表

項(xiàng)目參數(shù)設(shè)置對流項(xiàng)離散格式二階迎風(fēng)格式壓力與速度的耦合SIMPLE算法收斂殘差標(biāo)準(zhǔn)連續(xù)性:<10-4,標(biāo)準(zhǔn):κ-ε<10-4,動量方程:<10-5,能量方程:<10-6

2.2 邊界條件

(1)進(jìn)氣口設(shè)為速度入口邊界條件，速度為3 m/s，溫度設(shè)為298 K，湍流強(qiáng)度為6%，水力直徑為10 mm；

(2)出氣口邊界設(shè)為自然出風(fēng)口(outflow)，出口邊界流出的流體與總出流流體的比值(Flow Rate Weighting)為0.1；

(3)溫度邊界條件按固定壁面溫度設(shè)為913 K；

(4)壁面條件設(shè)為無滑移固定壁面邊界條件。

3 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.1 模擬結(jié)果

如圖2所示，氟化爐內(nèi)溫度總體分布不均勻，各層間溫度梯度較大，具體表現(xiàn)為中間層溫度最高，出口層次之，入口層最低，該處溫度梯度最大，溫度從入口處左右兩側(cè)不斷升高，因氣體流速較快，在到達(dá)第一層時沒有被充分加熱。此后氣體不斷被加熱，到中間層被完全加熱。受出口邊界的影響，溫度從第九、十層開始不斷降低。整個氟化反應(yīng)中間層最好，上部與底部次之。

圖2 立式稀土氟化爐內(nèi)溫度分布云圖

3.2 局部位置溫度分析

在氟化爐模型內(nèi)設(shè)置監(jiān)測線，分別為氣體入口層、一、二、三、五、八、十層及出口層，檢測所選層從左壁面至右壁面的溫度具體數(shù)據(jù)，分析溫度的具體分布趨勢，如圖3所示。

圖3 各層溫度變化趨勢

圖4 各層平均溫度與氟化效率

由圖3可知，入口層溫度沿軸線向兩側(cè)不斷升高，右側(cè)升高更快，這與氣體在左側(cè)形成漩渦流動停滯有關(guān)。在第一層靠近壁面處，左側(cè)溫度高出右側(cè)許多，因?yàn)榇蟛糠謿饬饔捎覀?cè)流向第一層，少部分由左側(cè)向上流，氣體在該層被加熱最高溫度為794 K，將近達(dá)到反應(yīng)溫度。第二層氣體被加熱至800 K以上，達(dá)到氟化反應(yīng)所需溫度。此后氣體被充分加熱。第八層由于受出口影響，氣體溫度緩慢降低。出口層各點(diǎn)溫度比第十層略低，氣體溫度由兩側(cè)向軸線位置快速下降。由于壁面流動的復(fù)雜性，出現(xiàn)了各層溫度從壁面開始急劇下降的過程，但對爐內(nèi)整體溫度分布沒有太大的影響。

3.3 溫度分布與氟化率的關(guān)系

立式稀土氧化物氟化爐主要用于制取稀土氟化物，包括鑭、鈰、鐠、釹等稀土氟化物。生產(chǎn)實(shí)踐表明，氟化效果最好的稀土元素是鈰，最不理想的為鑭[8]。表2為生產(chǎn)中測得的稀土元素鈰在各層的氟化效率以及模擬得出的各層平均溫度。圖4為各層平均溫度與氟化率分布曲線。

表2各層平均溫度與氟化率

單位1層2層3層5層8層10層平均溫度K743.2831.95863.54895.18881.88778.16氟化率%48.0898.890.2560.43538.6434

從表2可以看出，第二、三層氟化效率最高，由于氟化氫氣體剛進(jìn)入爐內(nèi)，還未完全加熱至反應(yīng)溫度，因而第一層氟化效率較低。在中上層，雖然溫度較高，但是氟化效率卻越來越低，這主要與反應(yīng)過程中產(chǎn)生水蒸氣，實(shí)際參與反應(yīng)的氟化氫濃度降低有關(guān)。

隨著層數(shù)增高，氟化率越來越低，對氟化爐中上部繼續(xù)加熱，氟化率也不會有所提升，因此設(shè)計(jì)加熱方式時可以考慮分段加熱，使?fàn)t子中上部溫度剛好達(dá)到反應(yīng)溫度即可，以減少電能消耗。還可以考慮對入口氣體進(jìn)行預(yù)熱，這樣可以大大提高第一層的氟化效率。出口處也可加冷卻過濾裝置，以免高溫氣體排出造成環(huán)境污染。還可通過改變氣流輸送方式、反應(yīng)器內(nèi)稀土氧化物的布料方式，增加反應(yīng)的氟化氫濃度等提高氟化效率[9]，或者降低進(jìn)氣速度以改善氟化爐內(nèi)溫度場的均勻性，進(jìn)氣速度低，傳熱更充分，物料氟化更加均勻，反之傳熱不充分，溫度場分布均勻性差[10]。

4 結(jié)論

研究表明，氟化爐內(nèi)溫度分布不均勻，中間層氣體被充分加熱溫度最高，出口處次之，底層溫度最低。各層氟化效率相差較大，主要和參與反應(yīng)的氟化氫濃度以及反應(yīng)溫度有關(guān)。爐內(nèi)溫度對氟化效率影響最大的位置為入口層，因此可以考慮對入口氣體預(yù)熱，提高底層氟化效率，而爐內(nèi)中上層溫度值過高對氟化效率影響不大，可以考慮采用分段的加熱方式，僅將中上層溫度加熱至反應(yīng)溫度即可。理論實(shí)驗(yàn)表明，模型的簡化、求解以及模擬結(jié)果比較可靠，要達(dá)到更好的模擬效果，還需全面考慮三維溫度場的分布、加熱方式以及化學(xué)反應(yīng)過程等條件，且還需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)得到氟化爐各項(xiàng)參數(shù)，尋找氟化率與其之間的關(guān)系。

[1] Smutz M, Burnet G, Walker J, et al. Preparation of low oxygen content yttrium fluoride[R].Ames Lab Ames Iowa,1958.

[2] 尹祖平,徐志廣,賈恩澤,等. HF氣體制備氟化(鐠)釹產(chǎn)業(yè)化研究[J]. 稀土,2010,(1):99-101.

[3] 郝占忠. 脫水—轉(zhuǎn)化法制備低氧氟化釓過程中氧含量的變化規(guī)律[J]. 中國有色冶金,2010,(3):67-71.

[4] 郝占忠,王斌,張海玲. 新型固定床氣體氟化法制備低氧氟化釓[J]. 稀土,2013,(5):16-21.

[5] 郝占忠,伍永福,王斌,等. 固定床氣體氟化反應(yīng)器內(nèi)溫度場及流場的數(shù)值模擬[J]. 稀土,2014,(5):73-79.

[6] 王福軍.計(jì)算流體力學(xué)分析—CFD軟件原理與應(yīng)用[M]．北京:清華大學(xué)出版社,2004.

[7] 鄺國春,黃麗,唐宇虹. 立式稀土氧化物氟化爐[P]. 中國專利：CN202465310U,2012-10-03.

[8] 林河成. 金屬鈰的生產(chǎn)及應(yīng)用[J]. 中國有色冶金,2005,(3):31-34，50.

[9] 郝占忠,王斌,張海玲. 固定床氣體氟化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)對氟化釓中氧的影響[J]. 稀土,2014,(1):61-65.

[10] 馬麗娟. MnZn鐵氧體燒結(jié)過程中溫度場模擬[D].南京理工大學(xué),2010.

世界首個可實(shí)際使用瞬態(tài)電池研制成功遇水自動分解

愛荷華州立大學(xué)的科學(xué)家設(shè)計(jì)了一種電池，浸水之后就會發(fā)生分解。這支科研團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了能夠驅(qū)動桌面計(jì)算器大約15 min的2.5 V鋰電池，在浸入水中大約半個小時就會完全分解。這是首個可實(shí)際使用的瞬態(tài)電池，不僅能夠提供電池供應(yīng)還具備穩(wěn)定和環(huán)保的特性。

這種電池在溫度、光線或者濕氣等環(huán)境觸發(fā)可激活降解分，因此可用于不需要回收使用的環(huán)境傳感器，無法遷移的臨時性醫(yī)療部署設(shè)備或者是廢棄消費(fèi)品之后的生物降解，極具環(huán)保意義。

Relationship between temperature distribution and fluorination efficiency in the vertical rare earth fluorination furnace

PANG Qi-shou, GAO Piao-piao, XU Jin

To the problem that there is great difference of fluorination efficiency among each layer in vertical rare earth fluorination furnace, based on properly simplified model, temperature field of fluorination furnace is numerically simulated through Fluent and the simulation results are compared with experimental fluorination efficiency. The results show that temperature at inlet/outlet layers has great influence on fluorination efficiency, and temperature at middle to upper layers is found not to have a significant effect on fluorination efficiency. The conclusion will provide theoretical basis for optimizing fluorination furnace heating method, improving overall temperature distribution and increasing fluorination efficiency and so on.

fluorination furnace; fluorination efficiency; temperature field; numerical simulation

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)備應(yīng)用。

2016-01-13

TF111.12

A

1672-6103(2016)05-0081-04