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        氯化氫合成爐的數(shù)值模擬分析

        2014-11-22 02:04:38張保森郭培紅朱建安
        中國氯堿 2014年9期
        關(guān)鍵詞:反應(yīng)爐氯化氫氯氣

        張保森,郭培紅,朱建安

        (1.河南理工大學(xué)機械與動力工程學(xué)院,河南 焦作 454000;2.昊華宇航化工有限責任公司,河南 焦作 454000)

        氯化氫合成爐是用作氯氣和氫氣混合燃燒反應(yīng)的設(shè)備。氯氣和氫氣以一定比例在爐內(nèi)燃燒生成氯化氫氣體,化合反應(yīng)時的溫度達2 000 ℃以上,每生成1 kg 氣態(tài)氯化氫放出2 522.85 kJ 的反應(yīng)熱[1]。對合成爐內(nèi)部燃燒情況進行分析,研究其反應(yīng)熱的分布規(guī)律,對合成爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及充分利用反應(yīng)熱具有重要意義。

        本文以氯堿化工行業(yè)常見的100 t/d 合成爐為研究對象,采用計算流體力學(xué)的方法,對其進行數(shù)值模擬,得到其內(nèi)部燃燒的速度、溫度場及其質(zhì)量分數(shù)的分布圖,并對其進行分析,為其反應(yīng)熱利用效率,換熱面積的設(shè)計提供指導(dǎo)。

        1 數(shù)學(xué)模型及基本方程

        1.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

        模擬反應(yīng)爐直徑為1.4 m,反應(yīng)室高度為15 m。幾何模型見圖1,為簡化分析,建立軸對稱模型。合成爐噴口為3層套管結(jié)構(gòu),其中,中間層套管噴氯氣,內(nèi)層和外場噴氫氣。圖2為合成爐軸對稱結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型,所有單元數(shù)量為32萬個,控制單元數(shù)量30萬個。

        1.2 數(shù)學(xué)模型

        流體力學(xué)基本方程組包括連續(xù)性方程、運動方程、組分質(zhì)量守恒方程、能量方程、本構(gòu)方程、狀態(tài)方程及通用形式守恒方程。其通用形式為:

        式中,φ 為通用變量,u,v,w,T 代表等求解量;Γφ為廣義擴散系數(shù);Sφ為廣義源項,從左至右依次為瞬態(tài)項、對流項、擴散項和源項。對于特定的方程,φ、Γφ和Sφ具有特定的形式,表1給出了這3個符號與各特定方程的對應(yīng)關(guān)系。

        圖1 模擬反應(yīng)爐幾何模型

        圖2 網(wǎng)格劃分模型

        表1 通用控制方程中各符號的具體形式

        1.3 物性參數(shù)

        1.3.1 熱力學(xué)參數(shù)各組分的定壓比熱CP為溫度的函數(shù),記為CP(T)式中,T 為熱力學(xué)溫度,K;ai(i=0~4)為系數(shù),見表2。

        1.3.2 反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)

        反應(yīng)速率滿足Arrhenius 方程:

        式中,A 為頻率因子;T 為熱力學(xué)溫度,K;Tref為參考溫度,對于絕大數(shù)反應(yīng)取298 K;n 為溫度指數(shù);Ea為活化能,J/mol;R 為通用氣體常數(shù),為8.3144 J/mol·K。反應(yīng)的動力學(xué)參數(shù)見表3。

        1.4 邊界條件

        氫氣和氯氣反應(yīng)物摩爾量比為1.00∶1.05,其中氫氣流量為115.6565598mol/s,氯氣121.439 387 8 mol/s。由原石墨爐的壁面設(shè)計溫度將邊界溫度設(shè)置為573 ℃,無滑移邊界,反應(yīng)爐內(nèi)壓力設(shè)置為50 kPa。

        2 模擬結(jié)果與分析

        數(shù)值模擬分析合成爐內(nèi)部速度場、溫度場及燃燒各組分體積分數(shù)的分布,直觀的展示了改進后合成爐的燃燒情況,模擬結(jié)果為避免傳熱惡化、優(yōu)化爐體結(jié)構(gòu)設(shè)計、合理安排能量利用區(qū)間提供了理論依據(jù)。可輔助解決合成爐的工程實際問題,為進一步優(yōu)化合成爐提供參考。

        2.1 速度場和溫度場分布

        合成爐的速度場見圖2。在其反應(yīng)核心區(qū)內(nèi)速度最大,結(jié)合合成爐的斷面速度圖,共存在2個核心區(qū),分別在3 m 和6 m 段反應(yīng)最激烈,合成HCl 的量最多。此后區(qū)域段的HCl 速度越來越小,趨于平穩(wěn)階段。

        表2 系數(shù)選取

        表3 氯氣與氫氣的基元反應(yīng)及其反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)

        合成爐溫度見圖3。從圖3可以看出,沿合成爐高度方向,火焰出現(xiàn)3次峰值,火焰呈3層環(huán)狀結(jié)構(gòu)擴展。在0~2 m 之間爐內(nèi)溫度迅速增大,從200 ℃增大到2 500 ℃,爐的上部爐溫為2 000~2 100 ℃,也說明了合成爐蘊含巨大反應(yīng)余熱,完全可以用來副產(chǎn)蒸汽。在現(xiàn)有石墨合成爐系統(tǒng)中,雖然水冷壁吸收了氯化氫大部分的熱量,但合成爐的出口煙氣溫度仍然為200 ℃,將這部分熱量直接排掉會造成很大的浪費,如果回收利用這一部分熱量,既降低了煙氣的溫度又提高了合成爐的熱量利用率,降低了投資成本。

        圖2 合成爐速度分布圖/m/s

        圖3 合成爐溫度分布圖/K

        反應(yīng)爐高度方向上各斷面上最大速度和平均速度見圖4。從圖4可以看出,隨著高度的增加,斷面的最大速度在0~7 m/s 呈波浪型變化,在5 m 左右達到峰值22 m/s,說明此區(qū)間是反應(yīng)階段。此后反應(yīng)速度逐漸下降,在11 m 以后趨于穩(wěn)定至5 m/s 左右。

        圖4 沿軸線方向斷面速度分布圖

        2.2 燃燒反應(yīng)體積分數(shù)分布

        燃燒反應(yīng)各給分的體積分數(shù)見圖5,(a)為H2的體積分數(shù);(b)為Cl2的體積分數(shù);(c)為HCl 的體積分數(shù)。沿反應(yīng)爐高度方向上各斷面上各組分的質(zhì)量分數(shù)見圖6。

        圖5 氯化氫、氫氣、氯氣組分質(zhì)量分數(shù)

        圖6 氯化氫、氫氣、氯氣體積分數(shù)

        結(jié)合2圖可以看出,在反應(yīng)的0~5 m,H2、Cl2、HCl 的量上下浮動,與前面述斷面速度呈波浪型變化相一致。在合成爐斷面高度2 m 和5 m 處Cl2和HCl 出現(xiàn)了2個峰值,其中,合成HCl 的質(zhì)量分數(shù)分別達到了80%和90%,,在該區(qū)段,氯化氫的合成速率也在其最大值附近,二者的變化曲線吻合。

        分析結(jié)果顯示:HCl 的質(zhì)量分數(shù)在0~5 m 處波動,說明這是主要的反應(yīng)區(qū)間,在5 m 以后,質(zhì)量分數(shù)穩(wěn)定在90%左右;H2反應(yīng)比較完全,在5 m 以后,其質(zhì)量分數(shù)趨于零,而Cl2反應(yīng)不徹底,穩(wěn)定后仍有8%左右的剩余,反應(yīng)生成的HCl 不完全純凈,參雜一定量的Cl2,需要凈化處理。

        3 結(jié)論

        運用計算流體力學(xué),對鹽酸合成爐的內(nèi)部燃燒情況進行數(shù)值模擬,直觀地展示了鹽酸合成爐的燃燒情況,分析了合成爐內(nèi)的溫度、速度、體積分數(shù)的分布規(guī)律,為解決鹽酸合成爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計及受熱面布置等問題提供參考依據(jù)。研究結(jié)果表明:(1)0~5 m為其反應(yīng)區(qū)間,燃燒反應(yīng)主要發(fā)生在2 m 和5 m 段;在0~2 m 之間,爐內(nèi)溫度迅速增大,從200 ℃增大到2 500 ℃,上部爐溫在2 000~2 100 ℃之間;(2)隨著高度的增加,斷面的最大速度在0~7 m 呈波浪型變化,在5 m 左右,達到峰值22 m/s,說明此區(qū)間是反應(yīng)階段。此后,反應(yīng)速度逐漸下降在11 m 以后趨于穩(wěn)定在5 m/s 左右;(3)HCl 的合成質(zhì)量分數(shù)在0~5 m 處波動,在5 m 以后,質(zhì)量分數(shù)穩(wěn)定在90%左右。

        [1]趙榮欣,王俊飛.新型節(jié)能氯化氫石墨合成爐研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化.全面腐蝕控制,2011,(8):18-21.

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