活性炭吸附塔傳熱模擬及設計優化

姚 心， 郭天宇，2， 肖榮暉， 嚴大洲， 劉 誠

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

0 引言

目前，多晶硅生產主要采用改良西門子法[1]。在改良西門子法生產多晶硅的過程中，三氯氫硅與氫氣在高溫環境下發生反應，沉積生成多晶硅。原料三氯氫硅和氫氣的純度直接決定產品多晶硅的品質[2-4]。國內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，待吸附飽和后，通過高溫低壓的方式使活性炭再生[5]。活性炭再生的徹底性直接關系到了回收氫氣中的硼、磷、碳、氧、氮及其它金屬雜質的去除率，關系到氫氣的純度。

影響吸附劑再生的重要因素是活性炭吸附塔內部結構形式，吸附器內部結構形式直接影響到內部的溫度場及熱傳導效率，進而影響活性炭吸附效果[6-10]。本文利用CFD模擬計算方法，對某活性炭吸附塔進行傳熱模擬計算，完成吸附、脫吸、再生三個不同工作階段下整個塔器的溫度場分析及升降溫變化曲線，根據仿真結果，對吸附塔內套管及外伴管的設計及工藝條件進行理論驗證和優化。通過分析底部封頭氫氣進口的氣體分布效果，及后續塔內氣體擴散情況，對入口設計的合理性進行了驗證。

1 計算模型

1.1 幾何模型

活性炭吸附塔內的傳熱主要是通過高溫、低溫介質實現的，介質液體通過外夾管和內套管對吸附器進行傳熱?；钚蕴课狡鞯奈?降溫)、脫吸(升溫)過程是一個隨時間變化的過程，而活性炭吸附器內部結構比較復雜，進行瞬態模擬計算量非常大，對此有必要對活性炭吸附器進行合理簡化，以減少計算網格數，縮短計算時間。

相對于內套管內介質對吸附器內的傳熱，外夾管內介質對吸附器的傳熱在較短時間內即可達到穩定(10 min左右)。因此，外夾管內介質對吸附器外筒的傳熱可通過穩態計算得到；在此基礎之上，以吸附器外筒內壁面溫度為邊界條件，對內套管內介質對吸附器的傳熱過程進行非穩態(瞬時)模擬計算，得到吸附器內溫度隨時間變化情況?；钚蕴课狡饔嬎隳Ｐ图拔剿錃膺M口結構模型如圖1、圖2所示。

圖1 活性炭吸附塔模型

圖2 進氣口流體域模型

活性炭吸附器計算網格劃分是在網格劃分軟件Meshing下進行的，非穩態模型劃分網格總數量為205 065，網格質量skewness為0.608 9，Aspect Ration為15.95；三進口模型網格總數量1 484 040，網格質量skewness小于0.9，Aspect Ration數小于20。

圖3 活性炭吸附塔模型網格劃分

1.2 數學模型

1.2.1 CFD控制方程

模擬計算的質量守恒方程的表達式為：

(1)

對應的動量守恒方程為：

(2)

1.2.2 標準k-ε方程(Standardk-εModel)

在Standardk-εModel模型中，關于k-ε的輸送方程如下：

(3)

(4)

上式中，Yk和Yw分別代表湍動生成的k和w，Sk和Sw為自定義源項。Gk代表的是由于平均速度產生湍流動能；計算如一般k-ε方程湍動生成一樣。Gb是由湍動形成的湍流動能。σk與σε分別是k和ε的湍動普朗特數。

1.2.3 多孔介質模型

多孔介質的動量方程具有附加的動量源項。源項由兩部分組成，一部分是粘性損失項(Darcy)，另一個是內部損失項：

(5)

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

1.2.4 阻力系數的計算

活性炭吸附塔模擬計算的難點是缺少運行工況下活性炭的阻力系數數據。對此解決的辦法是根據活性炭的壓降數據圖，理論計算得吸附器內活性炭的阻力系數。根據不同進氣條件下的壓降值，最后得慣性阻力系數C2為8.29×105，速度阻力系數1/a為4.04×108。

2 結果與討論

2.1 整塔升溫過程非穩態仿真計算

2.1.1 縱向中心剖面溫度分布圖

在穩態計算結果的前提下，模擬計算了12 m高吸附塔整塔內的氣體流動及溫度分布情況。圖4所示為活性炭吸附塔在不同加熱時間下縱向中心剖面溫度分布圖，吸附塔內部不斷吸收外夾管和內套管的熱量。溫度分布圖顯示隨加熱時間的增長，吸附塔內溫度不斷升高。不同加熱時間結果表明，塔內剖面溫度在進口處不斷發展，經過一段距離后發展穩定。

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果顯示，距進口1 m處剖面溫度低于距進口2 m后剖面， 2 m以后各處剖面溫度分布一致。這表明塔內溫度流場在進口處不斷發展，經過2 m左右后發展穩定。通過吸附塔內部溫度流場的模擬計算，驗證了吸附塔內結構設計的合理性。

2.1.3 活性炭吸附塔升溫變化曲線

通過監控不同加熱時間下吸附塔內各處剖面的平均溫度數值，得到了吸附塔加熱8 h內的溫度變化曲線。在加熱開始時，吸附塔內溫度迅速升高。隨加熱時間的增長，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到385.5 K，滿足了工藝對活性炭吸附塔內溫度的要求。為提高加熱后活性炭吸附塔溫度，后續可適當調整進氣溫度等工藝條件。

圖6 距進口2 m后(2～10 m)剖面平均溫度隨時間變化

2.2 吸附塔整塔降溫過程非穩態仿真計算

在上一階段活性炭吸附塔加熱8 h，溫度達到385.5 K基礎上繼續進行降溫過程模擬，模擬計算了12 m高吸附塔內的氣體流動，溫度分布情況。圖7為吸附塔內不同高度處剖面的平均溫度隨時間的變化曲線，降溫8 h后，距進口4 m后剖面(流體域)平均溫度達到337.6 K。相對于升溫過程8 h后溫度升高75.5 ℃，降溫過程進行8 h后溫度下降47.9 ℃，建議適當調整工藝條件。

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

2.3 三進口分布器設計對塔內溫度分布的影響

氣體速度流線圖仿真結果表明，氣體自進口噴出后向兩端分散，形成渦流，后較均勻的分散進入整個吸附塔內。氣體噴頭上方速度較高，在經過進入塔內一段距離后達到一致。氣體速度云圖仿真結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到均勻分布。這驗證了三進口分布器設計的合理性。

圖8 氣體速度流線圖

3 結論

本文通過CFD模擬方法，計算并分析某項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構設計和工藝條件進行驗證和優化，最終強化了換熱管換熱效率。

圖9 三進口分布器下塔內的氣體速度云圖