立式稀土氟化炉热传导与内部气流规律研究

逄启寿, 罗桂平

(江西理工大学机电工程学院, 江西 赣州 341000)

立式稀土氟化炉热传导与内部气流规律研究

逄启寿, 罗桂平

(江西理工大学机电工程学院, 江西 赣州 341000)

为了解决稀土氟化炉中出现的各层氟化率不均匀问题，以立式稀土氟化炉反应器为研究对象，经过合理简化，建立了数学模型。利用CFD软件对模型进行计算求解，得到反应区温度场和流场的分布云图，对温度场和流场进行分析，并使用MATLAB对模型计算所得数据进行作图处理，结果表明：局部存在温度不均或气体滞留死区问题。研究了氟化炉内不同层间氟化率与传热状态的关系以及流场分布对氟化效果的影响，并提出了改进措施。

立式氟化炉； CFD； 温度场； 流场

0 引言

稀土氟化物是制取稀土金属的重要原料，制备无水稀土氟化物一般有氢氟酸沉淀—真空脱水法、氟化氢铵氟化法和氟化氢气体氟化法三种方法，其中氟化氢气体法较其它两种方法具备工艺流程短、带入杂质少、环保、氟化率高等诸多优点[1],是目前工业上制备氟化稀土的最佳方法[2-3]。研究表明，采用干法氟化工艺制备重稀土，温度控制在600～650 ℃,氟化氢气体的实际用量为理论计算值过量100%，气体流量控制在3～4 kg/h时，稀土氧化物的氟化率可达99.9%以上[4]。氟化氢气体法制备氟化稀土过程中，温度和氟化氢气体用量这两个因素非常重要。在对氟化氢制备氟化镨钕的产业化研究中，针对500 kg REO卧式氟化炉，也重点对温度和HF气体用量提出了要求[5]。

传统制备稀土氟化物的设备主要是卧式固定床氟化炉[6],它具有流程短、回收率高、产品质量好等优点。但卧式氟化炉内温度场分布不均，梯度较大，流场分布亦不良，造成整个反应器内氟化效果差异较大[7]。为此，研究者研发设计了立式稀土氧化物氟化炉[8-9]。虽然立式氟化炉较卧式炉具有更佳的氟化效果，但仍存在温度不均匀问题。本文对立式氟化炉内胆温度场及流场进行计算分析，以获得炉内传热状态以及流场分布情况，为优化氟化设备提供理论依据。

1 数学物理模型的建立

1.1 立式稀土氟化炉的结构及工作原理

图1为稀土氟化实验炉，图2为氟化炉结构简图。

图1 稀土氟化实验炉

氟化氢气体由入口进入内腔(柱形结构)，入口处装有气体散布器，经过散布器氟化氢气体较为均匀地进入物料区与稀土氧化物充分反应，反应尾气通过集气罩从出口排出。加热系统由内衬外围螺旋放置的电阻丝构成，主要分布在上中下三个位置。电阻发热通过辐射、导热和对流传热进入内腔加热物料区。

反应化学方程式为：

Re2O3+6HF→2ReF3+3H2O

(1)

图2 稀土氟化炉简图

1.2 稀土氟化实验

在立式稀土氟化炉中放入10层料盘，从下往上依次为1,2,…,10层，通电加热10～12 h后，取出料盘，测定生成的氟化镨钕成分，得到各层氟化率，如表1。

由表1可知 各层氟化率差异明显，仅2,3,4,5层在80%以上，其中第三层氟化效果最高，靠近气体入口和出口的氟化率仅在50%左右，氟化效果很不理想。为寻找问题的原因以及探究解决办法，对反应器进行温度场和流场的数值仿真分析。

1.3 物理模型及网格划分

根据氟化炉结构及其工作原理，针对其反应器进行模型简化：①该反应器是三维轴对称结构，因此可简化为二维模型处理；②料盘是一块圆盘，且该圆盘存在一缺口(主要用于引导气流方向)，料盘总共10层，其割块放置方向每两层间相隔144°，呈现五角星式气流流线，在二维结构中表现为S形流线。网格采用非结构化网格(Tri)，总网格数60 660，节点34 135。

表1 氟化炉内氟化率随层数的变化 %

1.4 数学模型及其控制方程

1.4.1 数学模型

根据传热和传质基本理论分析氟化反应过程，工作过程中伴随热传导、对流传热以及辐射传热，且有新气体产生。电阻丝通电产生大量的热，一部分通过热传导传递给保温隔热材料，其余大部分通过辐射传递给氟化炉内胆，胆内反应区物料温度急剧上升而满足反应所需温度条件。整个过程满足质量守恒、动量守恒、能量守恒，其控制方程如下：

(2)

展开方程形式：

(3)

式中：φ为通变量，代表各求解变量u、v、T等；Γ是广义扩散系数；S是广义源项。

式中(2)四项依次代表瞬态项(transient term)、对流项(convective term)、扩散项(diffusive)和源项(source term)。稳态过程中，瞬态项为零。对于不同控制方程，形式不同，具体形式见表2。

表2 控制方程中各符号形式

1.4.2 边界条件

因湍流效应对流动与传热有一定影响，故采用k-ε方程模型。Pressure Based隐式(Implicit)求解，保证收敛的稳定性；压力和速度解耦采用SIMPLE算法(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation)；动量、能量以及湍流参量的求解采用二阶迎风格式(Second Order Upwind)。

(1)入口边界采用速度入口条件(Velocity-inlet)，给定流体流速、温度计相应湍流条件。入口直径20 mm，氟化氢密度0.921 8 kg/m3，据工艺要求气体流量应控制在3～4 kg/h，可计算入口速度v=2.88～3.84 m/s。

(2)出口边界采用自由出口边界条件(Outflow)。

(3) 壁面有加热壁面和普通壁面，加热壁面采用不可渗透、无滑移给定温度壁面条件(Wall)，普通壁面为无滑移，绝热边界条件(Wall)。具体边界条件如表3。

表3 边界条件

2 模拟结果及分析

2.1 温度场模拟结果及分析

图4 各层间水平位置温度变化曲线图

图3为二维模型模拟结果中温度场分布云图，可以很直观地看出氟化炉内从下至上温度不均，差异明显。料盘从下往上依次有1,2,…,10层，前7层区域温度逐层上升，7至9层区域温度达最高，第10层至出口区温度明显下降，这与氟化炉结构和加热方式有关。氟化炉为周向加热(在二维模型中为左右两壁面加热)，低温气体进入后急剧升温，因此表现为温度随下而上先增大，由于热源有限，温度不可能一直升高，在7、8、9层达极限，到达第10层后，大量尾气从出口流出，且带走大量的热，并且尾气收集器没有热源提供，所以第10层往上温度下降。

图3 温度场分布云图

由云图还可知，横向同层的气体温度也略有差异，表现为沿气体流动方向温度逐渐升高，主要从入口段三层温度梯度较大，原因与前述相同。

从FLUENT中提取出不同高度的横向不同位置处的温度值，并记录相应位置点，利用MATLAB拟合出各高度横向位置变化的曲线，见图4。11条曲线为炉内11个不同水平高度沿x坐标(-0.314,0.314)即从左壁面到右壁面的温度变化曲线图，图中各曲线分别编号No.0～No.10，No.i表示第i层上气流位置(No.0为第1层下方位置)。由图4可知，前四层物料区温度逐层升高，且升温快速，其温度处于150～650 ℃之间。从下往上第一层物料以下(No.0位置)呈现两端温度高，中间低现象，这是由于两端壁面加热，低温气体进入后左右扩散持续升温所致，No.0位置处于低温区，氟化反应难以进行；No.1、No.2、No.3、No.4位置均沿气体流向温度逐渐升高，其梯度越来越小即升温越来越缓慢，这4个位置的料盘反应可进行，且氟化效果逐层愈来愈佳(单从氟化温度考虑)。后6个层间位置温度均处在650～685 ℃，温度相对稳定，No.5、No.6、No.7、No.8位置温度逐层递增，No.8、No.9位置几乎稳定在680 ℃，No.10位置温度略有下降。可见处在此6个位置的料盘温度均适宜，若氟化氢浓度满足，氟化效果必然最佳。

图5 流场迹线图

2.2 流场模拟结果与分析

图5和图6分别为氟化炉内反应区流场迹线图和速度云图。从图5迹线图可看出，气体进入炉内胆后分两个方向进入物料区，绝大部分朝物料盘各缺口方向流入，形成S形迹线逐层进入各物料区，该S形方向称为主流方向。还有一小部分气体从料盘和内衬壁面间缝隙往上渗透。虽然气体分子会随机地朝各个方向扩散，但大部分气体将沿着主流方向进入物料区参与氟化反应。从图6速度云图可知，主流方向气体流速较大，基本可达1～1.5 m/s，局部如左下角区域和各料盘缺口折流小区域以及顶层料盘正上方区域气体流速均很小，几乎为零，成为流动死区，气体仅以扩散速度流经该区域。

图6 流场速度云图

图7 为入/出口流场速度矢量图。从入口处速度矢量图可见：①大部分气体以较快速度从主流方向流进物料区，但局部存在漩涡。气体进入后，冲击气体散布器顶面从左右两方向分流，由于料盘右边有缺口，压强较左边更低，大部分气体朝右边流动，导致在散布器右下方存在流动漩涡，同时漩涡产生负压导致更多气体向右流动，这也是绝大部分气体朝主流方向流动的原因。本文对散布器做了相应简化，将柱形圆盖简化为一块挡板，对流动影响不大，简化合理。入口左边气体流动速度均较小，原因是仅有少量气体能从料盘与内衬间缝隙流过，正因为气体少，流速慢，升温则更快，这与前述温度场分析一致。②图中料盘缺口处气体在紧挨料盘的小区域内存在漩涡，该处产生又一个流动死区，每个料盘缺口处均会出现该类流动漩涡，这种漩涡对流动不利，可通过对料盘倒圆角去除。

图7 入/出口流场速度矢量图

从出口处流场速度矢量图可见，气体从最顶部两层料盘间流出后直接沿左上方壁面流至出口，导致顶层料盘物料无法与氟化氢气体充分接触，故氟化效果极差。要解决该问题，可考虑在顶层料盘上方加一块折流板，使氟化氢与物料充分接触，提升氟化率。

2.3 合理性验证

综合温度场和流场分析，气体进入炉内，沿着主流方向进入物料区，急速升温，第一层基本已达300 ℃以上，开始反应，但由于温度原因氟化效果不理想，气体逐层升温，到达第三层温度高达650 ℃，同时氟化氢充分，氟化效果达最佳。由于实际反应有水蒸气产生，且随着反应的进行氟化氢浓度将下降，因此第4、5、…、10层氟化氢浓度逐层降低，氟化率也随之下降。这与实验测得的氟化曲线完全符合，说明所建立的数学模型及其温度场、流场模拟合理可信。

3 结论

(1)立式稀土氟化炉内胆(Φ630 mm×1 000 mm)温度分布虽然不均，但只在局部温度梯度大，70%反应区温度差异不大且均能够满足反应所需，仅在气体入口最近的两层内氟化效果不太理想，需考虑气体预热问题。气体出口处温度略降低20 ℃左右，对反应影响不大。

(2)气体在物料区主要沿主流方向流动，这是料盘设置缺口的设计具体表现，但局部存在涡流。入口处和料盘缺口处均有漩涡，可以通过改变料盘结构来改善。出口处，气体沿炉壁面流至出口，导致最顶层料盘难以与氟化氢气体充分接触，可考虑加一折流板改变气体流动方向。

(3)测定的氟化率曲线表明，模型建立合理，仿真结果可信，可为氟化炉设计制造提供参考。

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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：稀土冶金设备研发制造。

2016-01-13

TF845.3； TQ133.3

B

1672-6103(2017)01-0041-05