基于SiC?He的三氯化鋁反應爐余熱回收裝置傳熱特性研究

田一皓　虞斌　李佳豪　許蕾　王風錄

摘 要 針對三氯化鋁反應爐內部反應熱積累問題，設計了基于SiC?He的新型三氯化鋁反應爐余熱回收裝置。并利用數值模擬方法，對比不同換熱管進風口布置方案，上下排管交錯進風能顯著改善反應爐溫度分布不均勻的問題。探究換熱管橫縱向間距大小對反應爐溫度場的影響，確定縱向管間距取值范圍為200～300 mm，橫向管間距取值范圍為250～300 mm。基于正交試驗進行分析對比，第1列換熱管風速大小對溫差影響最大，其次為第3列，第2列換熱管風速對溫差影響最小。

關鍵詞 三氯化鋁反應爐 碳化硅 氦氣 數值模擬 正交試驗

中圖分類號 TQ052.5? ?文獻標識碼 A? ?文章編號 0254?6094（2023）02?0198?07

無水三氯化鋁作為一種重要的無機化工原料，在有機化學、農藥制造、金屬冶煉、食品加工及分析試劑等領域中應用廣泛［1］。無水三氯化鋁的生產方法主要有鋁錠法、鋁氧粉法和熔融法，其中將鋁錠放入反應爐中加熱并通氯氣的鋁錠法是應用最為廣泛的三氯化鋁生產工藝，但該工藝較為原始［2，3］。由于生成三氯化鋁反應為放熱反應，目前相關生產企業亟待解決的問題是三氯化鋁反應余熱難以移除，余熱積累導致反應爐內溫度過高，影響反應速率，降低產物的良品率［4，5］。理想三氯化鋁反應溫度約1 050 K，在此溫度下反應生成三氯化鋁可達到最佳反應速率，并可獲得較高質量的無水三氯化鋁產品。

目前，針對此問題的解決方案多為對反應爐外壁面進行冷卻降溫處理。王拓和虞斌采用數值模擬的方法，設計了一種新型三氯化鋁反應器，利用風冷夾套對反應爐進行強制對流散熱，解決了依靠自然對流散熱的反應爐內部超溫的問題［6］。嚴招春設計了設置在爐體外壁的環形水冷夾套，可有效調節反應熱［7］。胡晞設計了向反應爐送風的鼓風機，通過鼓風機向爐體和爐蓋送風使其降溫冷卻，防止爐體溫度過高［8］。溫顯峰等設計了一種可充分利用余熱的三氯化鋁反應爐，該反應爐在外壁面設置換熱管，利用反應爐的高溫余熱加熱換熱管內的水，用于生產或其他用途，提高了能源利用率［9］。楊漢功等設計了一種三氯化鋁熔化爐恒溫冷卻裝置，在爐底部設置恒溫板與多個陣列排列的熱管組合的冷卻裝置，該裝置的溫度控制性較強［10］。此類方案只能傳導壁面附近的反應余熱，對反應爐內部的鋁液冷卻效果不佳。

針對三氯化鋁反應爐內部余熱積累問題，目前國內外學者的研究多見于理論設計階段，缺少實驗驗證。為解決三氯化鋁反應爐余熱積累問題，筆者提出了一種基于SiC?He的新型三氯化鋁反應爐余熱回收裝置，并利用數值模擬方法對具體實施方式進行優化設計。針對普通金屬換熱管材料耐高溫性差、鋁液易氧化等問題，提出了在反應爐內部放置碳化硅（SiC）換熱管，管內通入惰性氣體氦氣（He）作為載熱劑的取熱方案。碳化硅是一種新型高效換熱器材料［11］，具有強度高、導熱好及耐熱性強等優點，適用于與高溫鋁液換熱［12］；氦氣具有良好的化學反應惰性，不易與原料反應產生雜質，同時還具有熱容大、導熱系數高等優點，具有良好的傳熱性能［13］。

在回收三氯化鋁反應余熱過程中，氦氣可作為性質穩定的循環載熱劑，將反應余熱取出并加以回收利用，釋放余熱后的冷氦氣再次回流到反應爐中繼續取熱，形成循環。反應余熱可用于干燥原料與產品等工藝，提高能源利用效率，減少能源消耗。上述余熱回收工藝為合成三氯化鋁反應符合節能減排目標提供重要參考價值［14］。

筆者基于現有的三氯化鋁生產工藝的工作條件，建立了三氯化鋁反應爐余熱回收裝置的三維模型，使用Fluent Meshing軟件進行網格劃分，使用Fluent軟件定義邊界條件并求解。通過數值模擬實驗確定換熱管最佳進風口布置方案；研究管排的橫向、縱向管間距，以期得到管距大小與溫度場分布之間的規律；基于正交試驗確定不同列換熱管風速對溫差的影響大小。

1 數值模擬方法

1.1 物理模型

以三氯化鋁生產工藝的工作參數作為參考，設計三氯化鋁反應爐余熱回收裝置的幾何模型，主要包括反應爐本體、碳化硅管、氦氣通道，所建立的幾何模型如圖1所示。反應爐為圓柱形，高500 mm，直徑1 800 mm，碳化硅管內徑50 mm，外徑70 mm，壁厚10 mm，管長3 000 mm，換熱管數量12根。為便于該模型后續的強化傳熱特性研究，特將換熱管的長徑比設置為60，以避免入口效應的影響，使管內流動達到充分發展狀態。

換熱管布置位置如圖2所示，管道間中心軸線的縱向距離為250 mm、橫向距離為300 mm。上排換熱管軸線到爐頂與下排換熱管軸線到爐底的距離均為125 mm。左右兩端換熱管到爐側面頂點距離均為150 mm。

在對物理模型進行網格劃分時，需考慮網格數量對計算成本與計算精度的影響。若網格數量較多，雖然可以保證較高的計算精度，但也會增加計算成本。故對流體域網格尺寸限制為2.5 mm，固體域與反應爐網格尺寸限制為5 mm，模型總網格數為2 835 698。上述網格尺寸可在較低的計算成本下保持計算精度在許用誤差范圍內。

1.2 數學模型

筆者以反應爐內的平均溫度和溫度均勻度（即溫度最大值與最小值之差，下文簡稱溫差）為研究對象，結合實際情況做如下假設：流體做定常流動；忽略重力影響；管內壁面假設為無滑移壁面條件。根據上述假設，流體流動受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律有：質量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律。對這些守恒定律的數學描述為三大控制方程：連續性方程、動量守恒方程、能量守恒方程。各基本方程形式如下：

式中 c——比熱容；

k——流體的傳熱系數；

p——流體微元體上的壓力；

S，S，S——動量守恒方程的廣義源項；

S——粘性耗散項；

T——溫度；

t——時間；

u——速度矢量；

u、v、w——速度矢量u在x、y、z方向上的分量；

μ——動力粘度；

ρ——密度。

1.3 邊界條件設置

入口邊界采用velocity?inlet，流體速度給定為10 m/s，溫度300 K；出口邊界采用pressure?outlet；三氯化鋁反應爐外壁面設置為絕熱壁面；反應爐整體設置為固定熱源，根據現有三氯化鋁生產工藝計算，每爐三氯化鋁日產量1.5 t，三氯化鋁反應摩爾生成焓為584 kJ/mol，考慮三氯化鋁產物帶走約四分之一生成熱，以及加熱原料并熔解鋁錠的熱損耗，設置熱源強度為50 kW。

數值模擬計算設置Fluent壓力基求解器，Viscous Model選擇SST k?ω模型，壓力速度耦合采用SIMPLEC算法，壓力方程、動量方程、能量方程均采用二階迎風格式進行離散，各項收斂殘差均設置為1×10。

2 數值模擬與結果分析

2.1 換熱管進風口布置設計

三氯化鋁反應爐余熱回收裝置每根換熱管的進風口可在換熱管兩端任選其一。此前的數值模擬驗證實驗設置所有進風口均在換熱管同一側，發現這種進風口布置方案易導致反應爐靠近進風口的一側溫度低，約為1 022 K，靠近出風口的一側溫度高，約為1 059 K。雖然余熱回收裝置能取出反應余熱，降低反應爐整體溫度，但進風口布置不合理易導致反應爐整體溫差較大，同樣對控制三氯化鋁產物質量不利。

針對上述問題設計了4種換熱管進風口布置方案（圖3）——同側管進風（A）、上下排管交錯進風（B）、左右列管交錯進風（C）、三角形交叉進風（D），并以反應爐平均溫度和溫差作為參考，利用數值模擬實驗進行對比，探討最佳的進風口布置方案。圖中，藍色管表示該側為管道入風側，紅色管表示該側為管道出風側。

經數值模擬得到三氯化鋁反應爐余熱回收裝置在預設工況下的溫度場分布結果。圖4給出了y=250 mm處反應爐中心截面溫度分布云圖。由圖可見，方案A的溫度均勻度最差，y=250 mm截面溫差可達37 K，大于其他3種方案的截面最大溫差，且爐內相對高溫區面積也大于其他3種方案。對于B、C、D3種方案，最大溫差分別為10、12、10 K，三者溫差相近，且相對高溫區面積相近。

表1給出了4種方案下反應爐溫度數據，A方案的平均溫度為1 045.51 K，溫差為53.66 K；B方案平均溫度為1 047.40 K，溫差為29.70 K；C方案平均溫度為1 049.06 K，溫差為30.10 K；D方案平均溫度為1 049.08 K，溫差為29.37 K。由此可知B、C、D方案相對A方案可顯著降低反應爐溫差，最大降幅為45%。這主要是由于采取進風口交錯排布后，高、低溫區的溫度均勻度顯著改善。A方案平均溫度略低于B、C、D方案，這主要是因為B、C、D方案的進風口交錯排布后，入風側管道的相鄰管道是溫度較高的出風側管道，增大了入風側管道壁面的熱流密度，提高了入風側冷氦氣的溫度，降低了部分入風側冷氦氣的載熱能力。但平均溫度的高低僅依靠調整進風流量與進風溫度就可以控制，相對而言控制溫差是更為復雜的物理問題，因此在管道進風口布置設計時應著重以溫差作為主要參考指標，故從控制溫差的角度考慮，B、C、D為優選方案。從工作現場布置進風口簡易程度考慮，B方案相較于C、D方案更方便工人布置操作。綜上考慮，選用B方案為后續的進風口布置設計方案。

2.2 換熱管橫向、縱向間距設計

換熱管的橫向、縱向間距示意圖如圖5所示，其大小對反應爐整體平均溫度與溫差有同樣重要的影響。按照B方案布置換熱管進風口，探究換熱管縱向管間距d、橫向管間距d變化對反應爐溫度場分布（平均溫度和溫差）的影響。以管道間中心軸線的縱向、橫向距離分別作為縱向管間距d與橫向管間距d，變化幅度為20 mm，d取值范圍為80～420 mm，d取值范圍為80～340 mm。改變d時d固定為300 mm，改變d時d固定為250 mm。根據工藝要求，爐內需為其他工藝流程預留一定的操作空間，若由于管間距較小而在反應爐內部形成部分沒有換熱管進行換熱的區域，該區域應作為預留空間，暫不考慮添加額外的換熱管。

如圖6所示，建立將模型對稱等分的中心面1、2。在改變橫向管間距時，以中心面1為基準對稱面；改變橫向管間距的同時保證中心面1兩側的換熱管以中心面1對稱。在改變縱向管間距時，以中心面2為基準對稱面；改變縱向管間距的同時保證中心面2兩側的換熱管以中心面2對稱。

兩種管間距對平均溫度的影響規律如圖7所示，從圖7可以看出：改變縱向管間距對反應爐平均溫度影響極小，平均溫度在1 055～1 060 K之間浮動，主要是由于改變縱向管間距并沒有影響換熱管與爐內熱源的接觸面積，也即換熱面積不變。而改變橫向管間距對反應爐平均溫度影響較為顯著，平均溫度在橫向管間距為120 mm處最低，為982 K；在340 mm處最高，為1 106 K。整體趨勢為管間距越小，爐內平均溫度越低。這主要是由于減小橫向管間距的同時增大了換熱管的換熱面積，增大了總傳熱量，從而降低了反應爐平均溫度。

兩種管間距對溫差的影響規律如圖8所示，從圖8可以看出：改變縱向管間距對反應爐溫差有一定影響，溫差在30～40 K之間浮動，尤其是在管間距最大和最小處出現了極值，分別為43、59 K。改變橫向管間距對反應爐溫差影響較顯著，溫差在橫向管間距為80 mm處最高，為125 K；在280 mm處最低，為29 K。由上述結果可知，過大或過小的管間距都會使溫差產生極端值。主要是由于管間距過大或過小均會使爐內換熱管排布不均勻，有部分熱源由于換熱管排布不均勻引起導熱熱阻較大，降低了爐內部分區域的熱通量，形成了局部相對高溫區；換熱管排布密集的區域由于熱通量較大形成了局部相對低溫區，導致了反應爐溫差較大。

由上述分析結果可知，縱向管間距對反應爐平均溫度和溫差影響不大，取200～300 mm之間即可。橫向管間距越小對降低反應爐平均溫度的效果越好，但降低橫向管間距的同時也會導致溫差過大，綜合考量控制平均溫度與溫差這兩種因素的難易程度，應優先控制溫差盡可能小，故橫向管間距選取范圍為250～300 mm。

2.3 不同列換熱管進口風速對溫差影響分析

繼確定進風方案與換熱管間距后，根據實驗結論發現經2.1、2.2節設計優化后的反應爐仍存在30 K左右的溫差。若想進一步控制溫差，可考慮調整不同列換熱管的進口風速大小，進而改變管內壁面的對流換熱系數，以此調整不同列換熱管與附近熱源的換熱量，達到控制反應爐溫差的目的。換熱管的進口風速范圍調整為9～11 m/s，相比較原進口風速其變化范圍為±1 m/s。關于風速調整范圍的選定依據，主要是由于在實際工藝過程中，換熱量較大的換熱管內施加過高的進口風速會使其管內流體換熱效率過高，導致其附近的反應爐溫度過低，反而對控制反應爐溫差不利，在換熱量較小的換熱管內施加過低的進口風速同理。根據上述已知結論，橫向管間距定為300 mm，縱向管間距定為250 mm，采用上下排管交錯進風布置進風口，管道編號如圖9所示。由于整體模型與邊界條件對稱分布，所以選取半模型進行研究。

采用正交試驗研究不同列換熱管進口風速對溫差的影響。共設置3個因素，每個因素選取3個水平，試驗方案見表2。

若對全部方案進行研究需做27組試驗，工作量較大，為了能得到具有代表性的結果并適當減小數值模擬計算量，在27組試驗中選取9組試驗，并命名為A、B、…、H、I。得到表3中的9種試驗方案組合。

按照表3進行多因素試驗，結果見表4。表4中K（i=1，2，3）為某一列上i水平對應的試驗結果值之和，k=K/3；極差R=max{k}-min{k}，極差越大，則對溫差影響越大。

分析表4的結果可知，按各因素對應極差大小排序為：第1列風速>第3列風速>第2列風速。第1列換熱管風速大小對溫差影響最大，為最主要因素，其次為第3列換熱管風速，第2列換熱管風速對溫差影響最小。

3 結論

3.1 對換熱管進風口布置進行了設計，考慮到溫差較平均溫度更難控制，選用上下排管交錯進風作為換熱管進風口布置方案。

3.2 縱向管間距對平均溫度和溫差影響不顯著，取值范圍為200～300 mm。橫向管間距與平均溫度成正比，與溫差成反比，取值范圍為250～300 mm時綜合效果最好。

3.3 經正交試驗分析可知，第1列換熱管風速大小對溫差影響最大，為最主要因素，其次為第3列換熱管風速，第2列換熱管風速對溫差影響最小。

參 考 文 獻

［1］ 周新.三氯化鋁促進的有機反應研究及應用發展［J］.化工管理，2020（24）：118-119.

［2］ 李昌林，周云峰，柴登鵬，等.無水三氯化鋁的制備方法及研究進展［J］.材料導報，2017，31（S1）：105-107.

［3］ 潘英曙.無水三氯化鋁生產裝置優化改進［J］.中國氯堿，2021（1）：25-26.

［4］ 閆曙光，石瑞文.工業無水三氯化鋁的制備及其產品質量的控制［J］.內蒙古石油化工，2007（3）：54-55.

［5］ 屠仁華.工業無水三氯化鋁生產中產品的顏色變化及控制的研究［J］.化工時刊，2004（5）：59-60.

［6］ 王拓，虞斌.基于FLUENT的新型三氯化鋁反應器散熱特性研究［J］.輕工機械，2016，34（5）：34-38.

［7］ 嚴招春.一種三氯化鋁合成反應爐：CN205419802U［P］.2016-08-03.

［8］ 胡晞.一種三氯化鋁生產裝置：CN209322485U［P］.2019-08-30.

［9］ 溫顯峰，王金華，李金輝，等.一種余熱可充分利用的三氯化鋁反應爐：CN214399839U［P］.2021-10-15.

［10］ 楊漢功，趙小杰，徐海祥.一種三氯化鋁熔化爐恒溫冷卻裝置：CN208026050U［P］.2018-10-30.

［11］ 王曉波，王峰，賀智勇，等.高導熱碳化硅陶瓷的研究進展［J］.機械工程材料，2021，45（9）：8-12.

［12］ 方書起，祝春進，吳勇，等.強化傳熱技術與新型高效換熱器研究進展［J］.化工機械，2004，31（4）：249-253.

［13］ 席文宣，蔡軍，淮秀蘭.ADS二回路鉛鉍合金-氦氣換熱器傳熱特性研究［J］.工程熱物理學報，2019，40（9）：2094-2101.

［14］ 吳倩倩，董金善，胡國呈.余熱回收器換熱管與管板脹接過程殘余接觸應力及密封性能研究［J］.化工機械，2021，48（2）：229-235；301.

（收稿日期：2022-04-26，修回日期：2023-03-15）

Research on Heat Transfer Characteristics of Waste Heat Recovery?Unit of Aluminum Trichloride Reactor Based on SiC?He

TIAN Yi?hao， YU Bin， LI Jia?hao， XU Lei， WANG Feng?lu

（School of Mechanical and Power Engineering， Nanjing Tech University）

Abstract? ? Aiming at reaction heat accumulation in the reactor， a SiC?He?based new waste heat recovery device for the aluminum trichloride reactor was designed， including having the numerical simulation method used to compare the different arrangement schemes of the inlet of heat exchange tubes， and the staggered inlet of upper and lower tubes adopted to significantly improve the uneven temperature distribution of the reactor; having the influence of the transverse and longitudinal spacing of heat exchange tubes on the temperature field of the reactor investigated， and the value range of the longitudinal tube spacing determined to be 200?300 mm， as well as the value range of the transverse tube spacing to be 250?300 mm. The analysis and comparison of orthogonal test show that， the wind speed in the first column of heat exchanger tube has the greatest influence on temperature difference， followed by the third column ones， and the wind speed in the second column ones has the least influence on temperature difference.

Key words? ? aluminium trichloride reactor， silicon carbide， helium， numerical simulation， orthogonal test

作者簡介：田一皓（1996-），碩士研究生，從事新型高效傳熱傳質設備的研究，tianyihao_96@qq.com。

引用本文：田一皓，虞斌，李佳豪，等.基于SiC?He的三氯化鋁反應爐余熱回收裝置傳熱特性研究［J］.化工機械，2023，50（2）：198-204.