活性炭吸附塔傳熱模擬及設(shè)計(jì)優(yōu)化

姚 心， 郭天宇，2， 肖榮暉， 嚴(yán)大洲， 劉 誠

(1.中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038； 2.中國科學(xué)院過程工程研究所， 北京 100190)

0 引言

目前，多晶硅生產(chǎn)主要采用改良西門子法[1]。在改良西門子法生產(chǎn)多晶硅的過程中，三氯氫硅與氫氣在高溫環(huán)境下發(fā)生反應(yīng)，沉積生成多晶硅。原料三氯氫硅和氫氣的純度直接決定產(chǎn)品多晶硅的品質(zhì)[2-4]。國內(nèi)外多晶硅廠主要是利用活性炭在低溫高壓的條件下去吸附回收氫氣中的雜質(zhì)，待吸附飽和后，通過高溫低壓的方式使活性炭再生[5]?；钚蕴吭偕膹氐仔灾苯雨P(guān)系到了回收氫氣中的硼、磷、碳、氧、氮及其它金屬雜質(zhì)的去除率，關(guān)系到氫氣的純度。

影響吸附劑再生的重要因素是活性炭吸附塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式，吸附器內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式直接影響到內(nèi)部的溫度場及熱傳導(dǎo)效率，進(jìn)而影響活性炭吸附效果[6-10]。本文利用CFD模擬計(jì)算方法，對某活性炭吸附塔進(jìn)行傳熱模擬計(jì)算，完成吸附、脫吸、再生三個(gè)不同工作階段下整個(gè)塔器的溫度場分析及升降溫變化曲線，根據(jù)仿真結(jié)果，對吸附塔內(nèi)套管及外伴管的設(shè)計(jì)及工藝條件進(jìn)行理論驗(yàn)證和優(yōu)化。通過分析底部封頭氫氣進(jìn)口的氣體分布效果，及后續(xù)塔內(nèi)氣體擴(kuò)散情況，對入口設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 計(jì)算模型

1.1 幾何模型

活性炭吸附塔內(nèi)的傳熱主要是通過高溫、低溫介質(zhì)實(shí)現(xiàn)的，介質(zhì)液體通過外夾管和內(nèi)套管對吸附器進(jìn)行傳熱?；钚蕴课狡鞯奈?降溫)、脫吸(升溫)過程是一個(gè)隨時(shí)間變化的過程，而活性炭吸附器內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，進(jìn)行瞬態(tài)模擬計(jì)算量非常大，對此有必要對活性炭吸附器進(jìn)行合理簡化，以減少計(jì)算網(wǎng)格數(shù)，縮短計(jì)算時(shí)間。

相對于內(nèi)套管內(nèi)介質(zhì)對吸附器內(nèi)的傳熱，外夾管內(nèi)介質(zhì)對吸附器的傳熱在較短時(shí)間內(nèi)即可達(dá)到穩(wěn)定(10 min左右)。因此，外夾管內(nèi)介質(zhì)對吸附器外筒的傳熱可通過穩(wěn)態(tài)計(jì)算得到；在此基礎(chǔ)之上，以吸附器外筒內(nèi)壁面溫度為邊界條件，對內(nèi)套管內(nèi)介質(zhì)對吸附器的傳熱過程進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)(瞬時(shí))模擬計(jì)算，得到吸附器內(nèi)溫度隨時(shí)間變化情況?；钚蕴课狡饔?jì)算模型及吸附塔氫氣進(jìn)口結(jié)構(gòu)模型如圖1、圖2所示。

圖1 活性炭吸附塔模型

圖2 進(jìn)氣口流體域模型

活性炭吸附器計(jì)算網(wǎng)格劃分是在網(wǎng)格劃分軟件Meshing下進(jìn)行的，非穩(wěn)態(tài)模型劃分網(wǎng)格總數(shù)量為205 065，網(wǎng)格質(zhì)量skewness為0.608 9，Aspect Ration為15.95；三進(jìn)口模型網(wǎng)格總數(shù)量1 484 040，網(wǎng)格質(zhì)量skewness小于0.9，Aspect Ration數(shù)小于20。

圖3 活性炭吸附塔模型網(wǎng)格劃分

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.2.1 CFD控制方程

模擬計(jì)算的質(zhì)量守恒方程的表達(dá)式為：

(1)

對應(yīng)的動(dòng)量守恒方程為：

(2)

1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程(Standardk-εModel)

在Standardk-εModel模型中，關(guān)于k-ε的輸送方程如下：

(3)

(4)

上式中，Yk和Yw分別代表湍動(dòng)生成的k和w，Sk和Sw為自定義源項(xiàng)。Gk代表的是由于平均速度產(chǎn)生湍流動(dòng)能；計(jì)算如一般k-ε方程湍動(dòng)生成一樣。Gb是由湍動(dòng)形成的湍流動(dòng)能。σk與σε分別是k和ε的湍動(dòng)普朗特?cái)?shù)。

1.2.3 多孔介質(zhì)模型

多孔介質(zhì)的動(dòng)量方程具有附加的動(dòng)量源項(xiàng)。源項(xiàng)由兩部分組成，一部分是粘性損失項(xiàng)(Darcy)，另一個(gè)是內(nèi)部損失項(xiàng)：

(5)

其中Si是i向(x，y，orz)動(dòng)量源項(xiàng)，D和C是規(guī)定的矩陣。在多孔介質(zhì)單元中，動(dòng)量損失對于壓力梯度有貢獻(xiàn)，壓降和流體速度(或速度方陣)成比例。

1.2.4 阻力系數(shù)的計(jì)算

活性炭吸附塔模擬計(jì)算的難點(diǎn)是缺少運(yùn)行工況下活性炭的阻力系數(shù)數(shù)據(jù)。對此解決的辦法是根據(jù)活性炭的壓降數(shù)據(jù)圖，理論計(jì)算得吸附器內(nèi)活性炭的阻力系數(shù)。根據(jù)不同進(jìn)氣條件下的壓降值，最后得慣性阻力系數(shù)C2為8.29×105，速度阻力系數(shù)1/a為4.04×108。

2 結(jié)果與討論

2.1 整塔升溫過程非穩(wěn)態(tài)仿真計(jì)算

2.1.1 縱向中心剖面溫度分布圖

在穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果的前提下，模擬計(jì)算了12 m高吸附塔整塔內(nèi)的氣體流動(dòng)及溫度分布情況。圖4所示為活性炭吸附塔在不同加熱時(shí)間下縱向中心剖面溫度分布圖，吸附塔內(nèi)部不斷吸收外夾管和內(nèi)套管的熱量。溫度分布圖顯示隨加熱時(shí)間的增長，吸附塔內(nèi)溫度不斷升高。不同加熱時(shí)間結(jié)果表明，塔內(nèi)剖面溫度在進(jìn)口處不斷發(fā)展，經(jīng)過一段距離后發(fā)展穩(wěn)定。

圖4 縱向中心剖面溫度分布圖

2.1.2 不同高度剖面溫度分布對比

圖5為加熱8 h后塔內(nèi)不同高度處的剖面溫度分布(僅流體域顯示，中間空隙為熱水內(nèi)套管)。溫度分布圖顯示，除局部外各高度剖面溫度分布較均勻。不同高度剖面分布結(jié)果顯示，距進(jìn)口1 m處剖面溫度低于距進(jìn)口2 m后剖面， 2 m以后各處剖面溫度分布一致。這表明塔內(nèi)溫度流場在進(jìn)口處不斷發(fā)展，經(jīng)過2 m左右后發(fā)展穩(wěn)定。通過吸附塔內(nèi)部溫度流場的模擬計(jì)算，驗(yàn)證了吸附塔內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

2.1.3 活性炭吸附塔升溫變化曲線

通過監(jiān)控不同加熱時(shí)間下吸附塔內(nèi)各處剖面的平均溫度數(shù)值，得到了吸附塔加熱8 h內(nèi)的溫度變化曲線。在加熱開始時(shí)，吸附塔內(nèi)溫度迅速升高。隨加熱時(shí)間的增長，升溫速率不斷減小。在加熱8 h后，吸附器流體域剖面平均溫度達(dá)到385.5 K，滿足了工藝對活性炭吸附塔內(nèi)溫度的要求。為提高加熱后活性炭吸附塔溫度，后續(xù)可適當(dāng)調(diào)整進(jìn)氣溫度等工藝條件。

圖6 距進(jìn)口2 m后(2～10 m)剖面平均溫度隨時(shí)間變化

2.2 吸附塔整塔降溫過程非穩(wěn)態(tài)仿真計(jì)算

在上一階段活性炭吸附塔加熱8 h，溫度達(dá)到385.5 K基礎(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)行降溫過程模擬，模擬計(jì)算了12 m高吸附塔內(nèi)的氣體流動(dòng)，溫度分布情況。圖7為吸附塔內(nèi)不同高度處剖面的平均溫度隨時(shí)間的變化曲線，降溫8 h后，距進(jìn)口4 m后剖面(流體域)平均溫度達(dá)到337.6 K。相對于升溫過程8 h后溫度升高75.5 ℃，降溫過程進(jìn)行8 h后溫度下降47.9 ℃，建議適當(dāng)調(diào)整工藝條件。

圖7 降溫變化曲線(Z2：距進(jìn)口2 m處剖面；Z4-10：距進(jìn)口4、6、8、10 m處剖面)

2.3 三進(jìn)口分布器設(shè)計(jì)對塔內(nèi)溫度分布的影響

氣體速度流線圖仿真結(jié)果表明，氣體自進(jìn)口噴出后向兩端分散，形成渦流，后較均勻的分散進(jìn)入整個(gè)吸附塔內(nèi)。氣體噴頭上方速度較高，在經(jīng)過進(jìn)入塔內(nèi)一段距離后達(dá)到一致。氣體速度云圖仿真結(jié)果表明封頭焊縫線上方高速氣體逐漸減弱，焊縫線0.5 m以上剖面速度幾乎達(dá)到均勻分布。這驗(yàn)證了三進(jìn)口分布器設(shè)計(jì)的合理性。

圖8 氣體速度流線圖

3 結(jié)論

本文通過CFD模擬方法，計(jì)算并分析某項(xiàng)目多晶硅活性炭吸附塔吸附、脫吸全工況下的溫度場分布以及升溫、降溫速率曲線，對活性炭吸附器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝條件進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化，最終強(qiáng)化了換熱管換熱效率。

圖9 三進(jìn)口分布器下塔內(nèi)的氣體速度云圖