基于OpenFOAM無水氟化氫冷凝數(shù)值計(jì)算的研究

李 賽，李永濤，孫五洲，張雨嫣，董燦生

(云南氟磷電子科技有限公司，云南 昆明 650309)

無水氟化氫是一種重要的基礎(chǔ)化工原料，可用于制備多種氟化合物。無論是采用氟硅酸制備無水氟化氫工藝中，還是六氟磷酸鋰合成的尾氣處理中，都需要采用冷凝過程對無水氟化氫進(jìn)行分離。冷凝溫度是冷凝過程重要的參數(shù)之一，合理的冷凝溫度既能達(dá)到較好分離氟化氫的目的，又能降低能耗，節(jié)約成本。

采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)模擬冷凝過程的文獻(xiàn)有很多。Mohammed[1]等人采用Fluent軟件對丙酮的冷凝過程進(jìn)行了模擬，得出溫度控制和流動速率的控制對蒸汽吸收制冷系統(tǒng)很重要。Jun-De Li[2]采用Fluent軟件對豎直圓管內(nèi)水蒸氣的冷凝進(jìn)行了模擬，結(jié)果總體上與直接測量結(jié)果吻合較好。Yoon[3]等人對蒸汽-空氣混合物的冷凝進(jìn)行了模擬，得出對于冷凝界面，采用自由表面邊界條件與傳統(tǒng)的無滑移面邊界條件相比預(yù)測結(jié)果有了改善。Kleiner[4]等人采用OpenFOAM軟件分別對戊烷和水的冷凝進(jìn)行了模擬，結(jié)果與實(shí)驗(yàn)吻合較好。Zeng[5]等人采用OpenFOAM軟件對汽包的冷凝過程進(jìn)行了模擬，得到了汽包變形，壽命，尺寸變化等過程。

由于方便，開源和免費(fèi)，OpenFOAM吸引了越來越多研究者的興趣。OpenFOAM采用高級C++編程界面，其庫文件允許場，方程和算符離散化的補(bǔ)充。本文總結(jié)了采用OpenFOAM模擬無水氟化氫在不同溫度條件下冷凝的情況。

1 計(jì)算方法和模型

1.1 控制方程

無水氟化氫的冷凝包含氣態(tài)氟化氫和液化氟化氫兩相。兩相傳遞方程可表示為[6]：

(1)

質(zhì)量守恒方程可表示為：

(2)

線性動量守恒方程可表示為：

(3)

式中，σ表示表面張力系數(shù)，k表面曲率。

能量守恒方程可表示為：

(4)

式中e為比能量，q為熱通量。

1.2 模型

幾何模型尺寸為 1 cm×0.2 cm 的二維模型，網(wǎng)格劃分密度為70×60網(wǎng)格，如圖(1)所示。邊界條件為：AB恒溫壁面，AD為出入口。無水氟化氫在飽和條件1.013×105Pa下的屬性如表(1)所示。

圖1 計(jì)算網(wǎng)格模型

表1 無水氟化氫在飽和條件下的屬性

1.3 計(jì)算步驟

計(jì)算步驟為：首先對模型進(jìn)行分網(wǎng)，然后設(shè)置邊界條件和流體屬性，其次求解模型，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理。改變溫度條件，依次計(jì)算從T=283.15 K 到T=223.15 K 條件下，無水氟化氫的凝結(jié)情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 無水氟化氫冷凝情況

在 283.15 K 溫度條件下，無水氟化氫的冷凝現(xiàn)象如圖2所示。圖中黑色表示液相，灰色表示氣相。當(dāng)t=0.1 s 時(shí)，冷凝現(xiàn)象不明顯；0.2 s 時(shí)，恒溫壁面上出現(xiàn)兩處凝結(jié)的液滴。0.3 s 時(shí)出現(xiàn)四處液滴，且液滴變大；0.4～1 s 液滴變多變大，沒有看到液膜形成，這表明在 283.15 K 溫度條件下無水氟化氫冷凝速度慢。

在 273.15 K 溫度條件下，無水氟化氫的冷凝現(xiàn)象如圖3所示。當(dāng)t=0.1 s 時(shí)，冷凝現(xiàn)象不明顯；0.2 s 時(shí)，恒溫壁面上出現(xiàn)多處凝結(jié)的液滴；0.3 s 時(shí)液滴變大；0.4～1 s 液滴變大，向下移動，沒有看到液膜形成，這表明在 273.15 K 溫度條件下無水氟化氫冷凝速度慢。

圖2 T=283.15 K時(shí)無水氟化氫冷凝情況

圖3 T=273.15 K時(shí)無水氟化氫冷凝情況

在 263.15 K 溫度條件下，無水氟化氫的冷凝現(xiàn)象如圖4所示。當(dāng)t=0.1 s 時(shí)，冷凝現(xiàn)象不明顯；0.2 s 時(shí)；恒溫壁面出現(xiàn)斷線式凝結(jié)的液滴；0.3 s 時(shí)液膜形成；0.4～0.8 s 液相向下移動，底部液膜變厚；0.9 s 底部填滿了液相。這表明在 263.15 K 溫度條件下無水氟化氫冷凝速度變快。

圖4 T=263.15 K時(shí)無水氟化氫冷凝情況

在 253.15 K 溫度條件下，無水氟化氫的冷凝現(xiàn)象如圖5所示。當(dāng)t=0.1 s 時(shí)，形成較薄的液膜；0.2 s 時(shí)，液膜開始變厚；0.3～0.5 s 液相向下移動，底部液膜變厚；0.6 s 底部填滿了液相。0.7～1 s 冷凝的液柱高度逐漸上升。這表明在 253.15 K 溫度條件下無水氟化氫冷凝速度更快。

圖5 T=253.15 K時(shí)無水氟化氫冷凝情況

在 243.15 K 溫度條件下，無水氟化氫的冷凝現(xiàn)象如圖6所示。當(dāng)t=0.1 s 時(shí)，形成較薄的液膜；0.2～0.3 s 液相向下移動，底部液膜變厚；0.4 s 底部填滿了液相；0.5～1 s 冷凝的液柱高度逐漸上升。這表明在 243.15 K 溫度條件下無水氟化氫冷凝速度更快。

圖6 T=243.15 K時(shí)無水氟化氫冷凝情況

在 233.15 K 溫度條件下，無水氟化氫的冷凝現(xiàn)象如圖7所示。當(dāng)t=0.1 s時(shí)，形成較薄的液膜，底部液膜稍厚；0.2液相向下移動，底部液膜變厚；0.3 s 底部填滿了液相；0.4～1 s 冷凝的液柱高度逐漸上升。這表明在 233.15 K 溫度條件下無水氟化氫冷凝速度更快。

圖7 T=233.15 K時(shí)無水氟化氫冷凝情況

在 223.15 K 溫度條件下，無水氟化氫的冷凝現(xiàn)象如圖8所示。當(dāng)t=0.1 s 時(shí)，形成較薄的液膜，底部液膜稍厚；0.2 s 底部填滿了液相；0.3～1 s 冷凝的液柱高度逐漸上升。這表明在 223.15 K 溫度條件下無水氟化氫冷凝速度更快。

圖8 T=223.15 K時(shí)無水氟化氫冷凝情況

2.2 液相體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律

各溫度下液相體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化情況如圖9所示。從圖中可看出，液相體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間逐漸增加，溫度越低液相體積分?jǐn)?shù)增加越快。

圖9 各溫度下液相體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化情況

各溫度下液相體積分?jǐn)?shù)隨溫度的變化情況如圖10所示。從圖中可看出，液相體積分?jǐn)?shù)隨溫度升高逐漸降低，在T=263.15 K 有個轉(zhuǎn)折點(diǎn)，表明在常壓下，無水氟化氫合適的冷凝溫度為低于 263.15 K。

圖10 液相體積分?jǐn)?shù)隨溫度的變化情況

2.3 驗(yàn)證

工業(yè)上無水氟化氫的冷凝是一個多級分離過程。由氟化氫和不可冷凝氣體或相對純凈的氟化氫組成的進(jìn)氣混合物由管線輸送到洗滌釜，洗滌釜起到冷卻進(jìn)入的氣體混合物和冷凝高沸點(diǎn)液體的作用。洗滌釜將進(jìn)入的氣體逆流至液體氟化氫，實(shí)現(xiàn)液體和氣體的直接接觸和緊密混合。使用足夠數(shù)量的液體氟化氫來冷卻進(jìn)入的氣體，從而將氣體溫度降低到大約氟化氫的冷凝溫度，例如 19.5 ℃ 或更低，液態(tài)氟化氫的蒸發(fā)也有利于降低氣流的溫度。

含有在冷卻進(jìn)入氣體時(shí)汽化的額外氟化氫量的氣體混合物，通過管路到壓縮機(jī)。那里的氣體被壓縮到大約5到15個大氣壓。壓縮氣體通過管路進(jìn)入冷卻器，在那里(壓縮過程中產(chǎn)生的)熱量被除去。冷卻器使用普通冷卻水或其他方式除去壓縮氣體的熱量并將溫度從大約 10 ℃ 降低到大約 50 ℃。通常情況下，溫度不會降到與進(jìn)入壓縮機(jī)的氣體溫度一樣低，冷卻的氣體中含有大量液化形式的氟化氫。

隨后，混合物由管線輸送到分離器，用于分離液化氟化氫，液化氟化氫通過管線輸送到液體無水氟化氫罐。在熱交換器中，氣體混合物的溫度進(jìn)一步降低，導(dǎo)致額外數(shù)量的液氟化氫的冷凝。該液體在分離器中分離，并由管線輸送至液體無水氟化氫罐。仍處于壓力下的非冷凝氣體混合物由管線輸送到膨脹和冷卻區(qū)，膨脹和冷卻程序利用膨脹和膨脹的氣體混合物來冷卻進(jìn)入的壓縮氣體。在進(jìn)一步冷卻后，進(jìn)入的氣體通過節(jié)流閥釋放壓力并返回到大氣壓力，從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步冷卻。進(jìn)一步的冷卻凝結(jié)了氣體混合物中剩余的大部分氟化氫，通過節(jié)流閥的旁路冷卻和膨脹導(dǎo)致溫度降低到約 -10 ℃。

3 結(jié)語

無水氟化氫冷凝過程是其分離的重要過程，溫度控制具有重要意義。本文采用OpenFOAM對影響無水氟化氫冷凝速率的因素展開了分析，并由此得到溫度控制的一般性指導(dǎo)結(jié)論：采用較低的溫度，冷凝效率更高，適宜的溫度范圍為低于 263.15 K(-10 ℃)。