立式稀土氟化炉内温度分布与氟化效率的关系研究

逄启寿, 郜飘飘, 徐 金

(江西理工大学机电工程学院， 江西 赣州 341000)



立式稀土氟化炉内温度分布与氟化效率的关系研究

逄启寿, 郜飘飘, 徐 金

(江西理工大学机电工程学院， 江西 赣州 341000)

针对立式稀土氟化炉内各层氟化率差异大的问题，合理简化模型，利用Fluent软件模拟炉内温度总体分布，并将模拟结果与实验结果进行比较，得出入口层温度对氟化效率影响较大，而中上层温度过高对氟化效率的影响并不大。研究结果为合理优化氟化炉的加热方式，改善总体温度分布，提高氟化效率等提供理论依据。

立式稀土氟化炉； 氟化效率； 温度场； 数值模拟

稀土氟化物是制取稀土金属以及合金的重要原材料，其中的杂质含量对制取稀土金属有一定的影响，而氧含量更是影响稀土质量的关键。目前国内制备稀土氟化物的方法主要有湿法工艺和干法工艺，其中HF气体与稀土氧化物在高温下发生化学反应得到氟化物为干法工艺。自在旋转式流化床中用HF气体制得氟化钕以来[1]，人们一直在寻找提高气体氟化效率的方法、耐腐蚀性强的炉内衬材料、合理的尾气回收装置等，希望得到最佳稀土氟化物制备工艺。尹祖平设计了产量大、氟化效果好、成本低的工业化HF气体法氟化炉，氟化率高达99%[2]。郝占忠采用脱水转化法制得含氧量低至0.088%的低氧氟化钆[3]，后又采用控制变量法制得氟含量大于25.69%的低氧氟化钆，氟化率大于99.95%[4]，并对反应器内温度场及流场进行了数值模拟[5]。

计算流体动力学广泛应用于水利、航运、海洋、食品、环境、流体机械与流体工程，已成为解决各种流体流动与传热问题的强有力工具[6]。由于实际生产中，氟化炉内温度分布不均,每层的氟化效率不一，因此借助Fluent软件对现有立式氟化炉(φ637 mm×1 000 mm)，壁面加热温度913K的温度场进行求解模拟，以探究造成氟化炉内温度分布不均、各层氟化效率不一等问题的原因，并与实际生产测得的氟化率进行对比，分析炉内温度分布与氟化率之间的关系，为优化反应器内温度场分布、提高氟化炉氟化效率、改善氟化炉结构提供理论依据。

1 数学模型与网格划分

以某公司设计开发的立式稀土氧化物氟化炉(φ637 mm×1 000 mm)[7]为研究对象，分析壁面加热温度为913 K时炉内温度场的分布。图1为立式稀土氧化物氟化炉实物图和结构示意图。

该氟化炉为轴对称模型，因此在不影响模拟结果的前提下，简化模型结构，炉内的10层料盘相互支撑堆叠，忽略其对模拟的影响。利用前处理器对简化的几何模型进行网格划分，并对进出口处进行网格加密。

2 求解模型与边界条件

工作介质HF气体：无色弱酸性，密度0.991 g/L，熔点-83.1 ℃，沸点19.54 ℃，分子量20.01，汽化热30.3 kJ/mol，比热容1 456.272 kJ/(kg·℃)，粘度0.256 mPa·S。

氟化炉中料盘支撑固定不动，且反应中稀土氧化物颗粒大小也固定不变，结合实际情况，认定气体在各料层反应均匀，化学反应在固定温度下均匀进行。假设在同一温度下，该反应为稳态反应，且放热恒定，忽略反应产物对模拟的影响。

2.1 求解模型

HF气体在此反应中认定为不可压缩流体，密度

1—保温层；2—外壳；3—加热层；4—炉胆；5—外层气流散布器；6—内层气流分布器；7—氟化氢气体接入管；8—盛料盘；9—气体出口图1 立式稀土氟化炉实物图与结构示意图

不随时间变化，计算所用密度为常温下密度。在一定反应温度下，氟化炉内反应均匀进行，故在稳态下选用分离式求解器。气体在各层流动情况比较复杂，总体流动可视为湍流，湍流模型选用标准k-ε双方程模型，开启能量方程，不开启辐射模型。计算参数见表1。

表1计算参数表

项目参数设置对流项离散格式二阶迎风格式压力与速度的耦合SIMPLE算法收敛残差标准连续性:<10-4,标准:κ-ε<10-4,动量方程:<10-5,能量方程:<10-6

2.2 边界条件

(1)进气口设为速度入口边界条件，速度为3 m/s，温度设为298 K，湍流强度为6%，水力直径为10 mm；

(2)出气口边界设为自然出风口(outflow)，出口边界流出的流体与总出流流体的比值(Flow Rate Weighting)为0.1；

(3)温度边界条件按固定壁面温度设为913 K；

(4)壁面条件设为无滑移固定壁面边界条件。

3 模拟结果与实验数据

3.1 模拟结果

如图2所示，氟化炉内温度总体分布不均匀，各层间温度梯度较大，具体表现为中间层温度最高，出口层次之，入口层最低，该处温度梯度最大，温度从入口处左右两侧不断升高，因气体流速较快，在到达第一层时没有被充分加热。此后气体不断被加热，到中间层被完全加热。受出口边界的影响，温度从第九、十层开始不断降低。整个氟化反应中间层最好，上部与底部次之。

图2 立式稀土氟化炉内温度分布云图

3.2 局部位置温度分析

在氟化炉模型内设置监测线，分别为气体入口层、一、二、三、五、八、十层及出口层，检测所选层从左壁面至右壁面的温度具体数据，分析温度的具体分布趋势，如图3所示。

图3 各层温度变化趋势

图4 各层平均温度与氟化效率

由图3可知，入口层温度沿轴线向两侧不断升高，右侧升高更快，这与气体在左侧形成漩涡流动停滞有关。在第一层靠近壁面处，左侧温度高出右侧许多，因为大部分气流由右侧流向第一层，少部分由左侧向上流，气体在该层被加热最高温度为794 K，将近达到反应温度。第二层气体被加热至800 K以上，达到氟化反应所需温度。此后气体被充分加热。第八层由于受出口影响，气体温度缓慢降低。出口层各点温度比第十层略低，气体温度由两侧向轴线位置快速下降。由于壁面流动的复杂性，出现了各层温度从壁面开始急剧下降的过程，但对炉内整体温度分布没有太大的影响。

3.3 温度分布与氟化率的关系

立式稀土氧化物氟化炉主要用于制取稀土氟化物，包括镧、铈、镨、钕等稀土氟化物。生产实践表明，氟化效果最好的稀土元素是铈，最不理想的为镧[8]。表2为生产中测得的稀土元素铈在各层的氟化效率以及模拟得出的各层平均温度。图4为各层平均温度与氟化率分布曲线。

表2各层平均温度与氟化率

单位1层2层3层5层8层10层平均温度K743.2831.95863.54895.18881.88778.16氟化率%48.0898.890.2560.43538.6434

从表2可以看出，第二、三层氟化效率最高，由于氟化氢气体刚进入炉内，还未完全加热至反应温度，因而第一层氟化效率较低。在中上层，虽然温度较高，但是氟化效率却越来越低，这主要与反应过程中产生水蒸气，实际参与反应的氟化氢浓度降低有关。

随着层数增高，氟化率越来越低，对氟化炉中上部继续加热，氟化率也不会有所提升，因此设计加热方式时可以考虑分段加热，使炉子中上部温度刚好达到反应温度即可，以减少电能消耗。还可以考虑对入口气体进行预热，这样可以大大提高第一层的氟化效率。出口处也可加冷却过滤装置，以免高温气体排出造成环境污染。还可通过改变气流输送方式、反应器内稀土氧化物的布料方式，增加反应的氟化氢浓度等提高氟化效率[9]，或者降低进气速度以改善氟化炉内温度场的均匀性，进气速度低，传热更充分，物料氟化更加均匀，反之传热不充分，温度场分布均匀性差[10]。

4 结论

研究表明，氟化炉内温度分布不均匀，中间层气体被充分加热温度最高，出口处次之，底层温度最低。各层氟化效率相差较大，主要和参与反应的氟化氢浓度以及反应温度有关。炉内温度对氟化效率影响最大的位置为入口层，因此可以考虑对入口气体预热，提高底层氟化效率，而炉内中上层温度值过高对氟化效率影响不大，可以考虑采用分段的加热方式，仅将中上层温度加热至反应温度即可。理论实验表明，模型的简化、求解以及模拟结果比较可靠，要达到更好的模拟效果，还需全面考虑三维温度场的分布、加热方式以及化学反应过程等条件，且还需进一步实验得到氟化炉各项参数，寻找氟化率与其之间的关系。

[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,徐志广,贾恩泽,等. HF气体制备氟化(镨)钕产业化研究[J]. 稀土,2010,(1):99-101.

[3] 郝占忠. 脱水—转化法制备低氧氟化钆过程中氧含量的变化规律[J]. 中国有色冶金,2010,(3):67-71.

[4] 郝占忠,王斌,张海玲. 新型固定床气体氟化法制备低氧氟化钆[J]. 稀土,2013,(5):16-21.

[5] 郝占忠,伍永福,王斌,等. 固定床气体氟化反应器内温度场及流场的数值模拟[J]. 稀土,2014,(5):73-79.

[6] 王福军.计算流体力学分析—CFD软件原理与应用[M]．北京:清华大学出版社,2004.

[7] 邝国春,黄丽,唐宇虹. 立式稀土氧化物氟化炉[P]. 中国专利：CN202465310U,2012-10-03.

[8] 林河成. 金属铈的生产及应用[J]. 中国有色冶金,2005,(3):31-34，50.

[9] 郝占忠,王斌,张海玲. 固定床气体氟化反应器结构对氟化钆中氧的影响[J]. 稀土,2014,(1):61-65.

[10] 马丽娟. MnZn铁氧体烧结过程中温度场模拟[D].南京理工大学,2010.

世界首个可实际使用瞬态电池研制成功遇水自动分解

爱荷华州立大学的科学家设计了一种电池，浸水之后就会发生分解。这支科研团队创造了能够驱动桌面计算器大约15 min的2.5 V锂电池，在浸入水中大约半个小时就会完全分解。这是首个可实际使用的瞬态电池，不仅能够提供电池供应还具备稳定和环保的特性。

这种电池在温度、光线或者湿气等环境触发可激活降解分，因此可用于不需要回收使用的环境传感器，无法迁移的临时性医疗部署设备或者是废弃消费品之后的生物降解，极具环保意义。

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

逄启寿(1963—)，男，山东潍坊人，硕士，教授，主要研究方向：稀土冶金设备应用。

2016-01-13

TF111.12

A

1672-6103(2016)05-0081-04