冷氫化高溫管道絕熱層厚度的計(jì)算

楊 楠 詹水華 甘居富

(1.四川永祥股份有限公司，四川樂(lè)山，614800;2.江蘇雙良新能源裝備有限公司,江蘇江陰，214444)

在改良西門(mén)子法制備多晶硅的過(guò)程中，大量副產(chǎn)物SiCl4通過(guò)冷氫化反應(yīng)轉(zhuǎn)化成SiHCl3[1]。SiCl4和H2的混合氣體在進(jìn)入流化床反應(yīng)器之前通過(guò)電加熱器被加熱到在525℃-600℃左右。為減少高溫氣體在管道輸送過(guò)程中的熱損失，必須對(duì)此高溫管線(xiàn)進(jìn)行保溫。硅酸鋁纖維因其質(zhì)地柔軟，導(dǎo)熱系數(shù)低，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性[2]，是冷氫化工藝管線(xiàn)良好的保溫材料。硅酸鋁絕熱材料的厚度，不僅會(huì)影響SiCl4和H2的混合氣體的熱損失和流化床的入口工藝溫度，同時(shí)也會(huì)影響冷氫化裝置絕熱工程的造價(jià)。GB50264規(guī)定在無(wú)特殊工藝要求時(shí)，保溫厚度采用經(jīng)濟(jì)厚度法結(jié)合最大允許熱損失法進(jìn)行計(jì)算[3]。絕熱層內(nèi)、外表面溫度的算術(shù)平均值Tm作為硅酸鋁的導(dǎo)熱系數(shù)的定性溫度，但外表面溫度在計(jì)算初始是未知量，需要通過(guò)多次試差和迭代才能求出對(duì)應(yīng)的結(jié)果，使得計(jì)算過(guò)程較為繁瑣。本文應(yīng)用Ansys Workbench軟件，對(duì)SiCl4冷氫化工藝中電加熱器出口高溫管線(xiàn)硅酸鋁絕熱層進(jìn)行了有限元分析和參數(shù)設(shè)計(jì)，結(jié)果與GB50264采用最大允許熱損失法計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

1 計(jì)算模型

1.1 GB50264計(jì)算方法

GB50264最大允許熱損失法計(jì)算絕熱層厚度，如下式：

其中：

[Q]為絕熱層外表面積最大允許熱損失，W/m2。

硅酸鋁的導(dǎo)熱系數(shù)λ按下兩式進(jìn)行計(jì)算：

λL=λ0+0.0002(Tm-70)(Tm≤400℃)

λH=λL+0.00036(Tm-70)(Tm>400℃)

Tm為絕熱層內(nèi)、外表面溫度的算術(shù)平均值，為定值。

GB50264按下式計(jì)算絕熱層外表面溫度：

1.2 Workbench計(jì)算模型

SiCl4冷氫化工藝中電加熱器出口的高溫管線(xiàn)外徑為323.8mm，管壁溫度為580℃，絕熱層采用硅酸鋁纖維棉，絕熱層厚度170mm，絕熱層外表面對(duì)流傳熱膜系數(shù)為11.63W/m2·℃，環(huán)境溫度按年平均溫度6.3℃。

Workbench計(jì)算模型如圖1。

圖1 絕熱計(jì)算模型

硅酸鋁的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度而變化，在采用Ansys Workbench進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)，根據(jù)實(shí)際溫度作為硅酸鋁導(dǎo)熱系數(shù)的定性溫度Tm，即導(dǎo)熱系數(shù)非定值，隨溫度不同變化。并通過(guò)參數(shù)設(shè)計(jì)方法，對(duì)絕熱厚度分別為10mm-170mm時(shí)的熱損失與外表面溫度進(jìn)行了計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱損失

圖2為絕熱層外表面的熱損失與絕熱層厚度的變化情況。

從圖2可見(jiàn)，Workbench計(jì)算結(jié)果與按GB50264最大允許熱損失法計(jì)算結(jié)果非常接近，隨著絕熱層厚度的增加，外表面熱損失減小。當(dāng)絕熱厚度達(dá)160mm時(shí)，外表面熱損失分別為239.1W/m2和226.9W/m2，滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的在580℃時(shí)的最大允許熱損失量[Q]=266 W/m2。

圖2 不同絕熱厚度與熱損失

2.2 外表面溫度

外表面溫度如圖3。

圖3 不同絕熱厚度與外表面溫度

從圖3可見(jiàn)， Workbench計(jì)算結(jié)果與按GB50264計(jì)算的外表面溫度結(jié)果也非常接近，隨著絕熱層厚度的增加，外表面溫度越小。當(dāng)絕熱厚度達(dá)160mm時(shí)，外表面溫度分別為26.8℃和25.8℃。

2.3 溫度分布

圖4為Workbench計(jì)算當(dāng)絕熱層厚度為160mm時(shí)絕熱層橫截面溫度分布。

圖4 絕熱層橫截面溫度分布

圖5為絕熱層厚度方向溫度分布曲線(xiàn)，導(dǎo)熱系數(shù)按定值和非定值計(jì)算。定值時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)按GB50264內(nèi)、外溫度的平均值為定性溫度計(jì)算而得到。

可見(jiàn)，Ansys Workbench采用非定值導(dǎo)熱系數(shù)，絕熱層內(nèi)的溫度要高于按定值導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算結(jié)果，這也解釋了圖2和圖3中Workbench對(duì)熱損失和外表面溫度要稍高于GB50264的計(jì)算結(jié)果的原因。

圖5 絕熱層厚度方向溫度分布曲線(xiàn)

3 結(jié)論

利用Ansys Workbench軟件，可以較方便地計(jì)算SiCl4冷氫化工藝中的高溫管線(xiàn)的絕熱層厚度，結(jié)果與GB50264采用最大允許熱損失法計(jì)算的結(jié)果非常吻合。當(dāng)內(nèi)表面溫度為580℃時(shí)，計(jì)算得到絕熱厚度為160mm時(shí)外表面熱損失239.1W/m2，滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大允許熱損失值，同時(shí)外表面溫度26.8℃。