立式稀土氟化炉反应器温度场分析及其参数优化

摘要

立式稀土氟化炉是氟化氢气体法制备高纯度氟化稀土的重要装备，它是一种典型的涉及气体流动与传热的化工设备。随着高新技术对氟化稀土的要求越来越高，人们对氟化稀土的制备也提出了更高的要求。为解决现行氟化炉内因温度不均导致的氟化率不佳问题，学者们对氟化炉内气体流动及其传热机理展开了研究。近年来，CFD（Computational Fluid Dynamics）技术的日趋成熟，越来越多的涉及流动与传热的化工设备采用CFD进行研究并取得了显著的效益。因此本文通过应用CFD对稀土氟化炉反应器进行数值模拟，重点针对反应器温度场进行研究。具体工作包括以下几方面。
　　（1）基于氟化炉气体流动与传热机理，对现行立式稀土氟化炉建立物理数学模型，根据具体实况条件确定其边界条件，选用FLUENT软件中合适的传热及流动模型进行求解计算，获得了反应区流场、温度场及速度场，并使用MATLAB对温度场数据进行零阶和一阶特性分析。研究结果表明：现行立式氟化炉反应器温度沿炉高方向逐渐上升，梯度大，炉内仅有上半部反应区能达氟化反应有效温度范围。将结论与现行氟化炉氟化效果作对比，验证了模型的准确性。
　　（2）对不同气体入口直径d的稀土氟化炉进行数值模拟，得到了六种相应参数条件下的温度场。通过对不同参数下温度场的零阶和一阶特性进行分析对比，结果表明：随着入口直径的增大，炉内各位置温度均相应升高，整体梯度降低，且得到了最佳入口直径。
　　（3）对不同物料层厚度h的稀土氟化炉进行数值模拟，得到了五种相应参数条件下的温度场。同样对不同参数条件下温度场数据进行特性分析对比，结果表明：物料层厚度不宜太小，太薄的物料层导致氟化炉内最高温度较低且温度梯度大，最后得到了理想物料层厚度值范围。
　　（4）由于结构参数的优化不能解决入口处存在低温区的问题，考虑对入口气体做预热处理，即改变气体入口温度边界条件，利用FLUENT模拟求解，得到了五种不同入口气温条件下的温度场，利用温度场温度数据拟合了各均匀性指标值与入口气温的关系曲线，结果表明，随入口气温的提升，氟化炉内温度显著提高，尤其是入口处温度，但全局最高温度几乎不变；温度梯度随入口气温的升高而降低；并且得到了最佳入口气温。最后通过生产实践验证了优化后模型的准确性。