基于OpenFOAM无水氟化氢冷凝数值计算的研究

李 赛，李永涛，孙五洲，张雨嫣，董灿生

(云南氟磷电子科技有限公司，云南 昆明 650309)

无水氟化氢是一种重要的基础化工原料，可用于制备多种氟化合物。无论是采用氟硅酸制备无水氟化氢工艺中，还是六氟磷酸锂合成的尾气处理中，都需要采用冷凝过程对无水氟化氢进行分离。冷凝温度是冷凝过程重要的参数之一，合理的冷凝温度既能达到较好分离氟化氢的目的，又能降低能耗，节约成本。

采用计算流体力学(CFD)模拟冷凝过程的文献有很多。Mohammed[1]等人采用Fluent软件对丙酮的冷凝过程进行了模拟，得出温度控制和流动速率的控制对蒸汽吸收制冷系统很重要。Jun-De Li[2]采用Fluent软件对竖直圆管内水蒸气的冷凝进行了模拟，结果总体上与直接测量结果吻合较好。Yoon[3]等人对蒸汽-空气混合物的冷凝进行了模拟，得出对于冷凝界面，采用自由表面边界条件与传统的无滑移面边界条件相比预测结果有了改善。Kleiner[4]等人采用OpenFOAM软件分别对戊烷和水的冷凝进行了模拟，结果与实验吻合较好。Zeng[5]等人采用OpenFOAM软件对汽包的冷凝过程进行了模拟，得到了汽包变形，寿命，尺寸变化等过程。

由于方便，开源和免费，OpenFOAM吸引了越来越多研究者的兴趣。OpenFOAM采用高级C++编程界面，其库文件允许场，方程和算符离散化的补充。本文总结了采用OpenFOAM模拟无水氟化氢在不同温度条件下冷凝的情况。

1 计算方法和模型

1.1 控制方程

无水氟化氢的冷凝包含气态氟化氢和液化氟化氢两相。两相传递方程可表示为[6]：

(1)

质量守恒方程可表示为：

(2)

线性动量守恒方程可表示为：

(3)

式中，σ表示表面张力系数，k表面曲率。

能量守恒方程可表示为：

(4)

式中e为比能量，q为热通量。

1.2 模型

几何模型尺寸为 1 cm×0.2 cm 的二维模型，网格划分密度为70×60网格，如图(1)所示。边界条件为：AB恒温壁面，AD为出入口。无水氟化氢在饱和条件1.013×105Pa下的属性如表(1)所示。

图1 计算网格模型

表1 无水氟化氢在饱和条件下的属性

1.3 计算步骤

计算步骤为：首先对模型进行分网，然后设置边界条件和流体属性，其次求解模型，最后进行数据后处理。改变温度条件，依次计算从T=283.15 K 到T=223.15 K 条件下，无水氟化氢的凝结情况。

2 结果与讨论

2.1 无水氟化氢冷凝情况

在 283.15 K 温度条件下，无水氟化氢的冷凝现象如图2所示。图中黑色表示液相，灰色表示气相。当t=0.1 s 时，冷凝现象不明显；0.2 s 时，恒温壁面上出现两处凝结的液滴。0.3 s 时出现四处液滴，且液滴变大；0.4～1 s 液滴变多变大，没有看到液膜形成，这表明在 283.15 K 温度条件下无水氟化氢冷凝速度慢。

在 273.15 K 温度条件下，无水氟化氢的冷凝现象如图3所示。当t=0.1 s 时，冷凝现象不明显；0.2 s 时，恒温壁面上出现多处凝结的液滴；0.3 s 时液滴变大；0.4～1 s 液滴变大，向下移动，没有看到液膜形成，这表明在 273.15 K 温度条件下无水氟化氢冷凝速度慢。

图2 T=283.15 K时无水氟化氢冷凝情况

图3 T=273.15 K时无水氟化氢冷凝情况

在 263.15 K 温度条件下，无水氟化氢的冷凝现象如图4所示。当t=0.1 s 时，冷凝现象不明显；0.2 s 时；恒温壁面出现断线式凝结的液滴；0.3 s 时液膜形成；0.4～0.8 s 液相向下移动，底部液膜变厚；0.9 s 底部填满了液相。这表明在 263.15 K 温度条件下无水氟化氢冷凝速度变快。

图4 T=263.15 K时无水氟化氢冷凝情况

在 253.15 K 温度条件下，无水氟化氢的冷凝现象如图5所示。当t=0.1 s 时，形成较薄的液膜；0.2 s 时，液膜开始变厚；0.3～0.5 s 液相向下移动，底部液膜变厚；0.6 s 底部填满了液相。0.7～1 s 冷凝的液柱高度逐渐上升。这表明在 253.15 K 温度条件下无水氟化氢冷凝速度更快。

图5 T=253.15 K时无水氟化氢冷凝情况

在 243.15 K 温度条件下，无水氟化氢的冷凝现象如图6所示。当t=0.1 s 时，形成较薄的液膜；0.2～0.3 s 液相向下移动，底部液膜变厚；0.4 s 底部填满了液相；0.5～1 s 冷凝的液柱高度逐渐上升。这表明在 243.15 K 温度条件下无水氟化氢冷凝速度更快。

图6 T=243.15 K时无水氟化氢冷凝情况

在 233.15 K 温度条件下，无水氟化氢的冷凝现象如图7所示。当t=0.1 s时，形成较薄的液膜，底部液膜稍厚；0.2液相向下移动，底部液膜变厚；0.3 s 底部填满了液相；0.4～1 s 冷凝的液柱高度逐渐上升。这表明在 233.15 K 温度条件下无水氟化氢冷凝速度更快。

图7 T=233.15 K时无水氟化氢冷凝情况

在 223.15 K 温度条件下，无水氟化氢的冷凝现象如图8所示。当t=0.1 s 时，形成较薄的液膜，底部液膜稍厚；0.2 s 底部填满了液相；0.3～1 s 冷凝的液柱高度逐渐上升。这表明在 223.15 K 温度条件下无水氟化氢冷凝速度更快。

图8 T=223.15 K时无水氟化氢冷凝情况

2.2 液相体积分数变化规律

各温度下液相体积分数随时间的变化情况如图9所示。从图中可看出，液相体积分数随时间逐渐增加，温度越低液相体积分数增加越快。

图9 各温度下液相体积分数随时间的变化情况

各温度下液相体积分数随温度的变化情况如图10所示。从图中可看出，液相体积分数随温度升高逐渐降低，在T=263.15 K 有个转折点，表明在常压下，无水氟化氢合适的冷凝温度为低于 263.15 K。

图10 液相体积分数随温度的变化情况

2.3 验证

工业上无水氟化氢的冷凝是一个多级分离过程。由氟化氢和不可冷凝气体或相对纯净的氟化氢组成的进气混合物由管线输送到洗涤釜，洗涤釜起到冷却进入的气体混合物和冷凝高沸点液体的作用。洗涤釜将进入的气体逆流至液体氟化氢，实现液体和气体的直接接触和紧密混合。使用足够数量的液体氟化氢来冷却进入的气体，从而将气体温度降低到大约氟化氢的冷凝温度，例如 19.5 ℃ 或更低，液态氟化氢的蒸发也有利于降低气流的温度。

含有在冷却进入气体时汽化的额外氟化氢量的气体混合物，通过管路到压缩机。那里的气体被压缩到大约5到15个大气压。压缩气体通过管路进入冷却器，在那里(压缩过程中产生的)热量被除去。冷却器使用普通冷却水或其他方式除去压缩气体的热量并将温度从大约 10 ℃ 降低到大约 50 ℃。通常情况下，温度不会降到与进入压缩机的气体温度一样低，冷却的气体中含有大量液化形式的氟化氢。

随后，混合物由管线输送到分离器，用于分离液化氟化氢，液化氟化氢通过管线输送到液体无水氟化氢罐。在热交换器中，气体混合物的温度进一步降低，导致额外数量的液氟化氢的冷凝。该液体在分离器中分离，并由管线输送至液体无水氟化氢罐。仍处于压力下的非冷凝气体混合物由管线输送到膨胀和冷却区，膨胀和冷却程序利用膨胀和膨胀的气体混合物来冷却进入的压缩气体。在进一步冷却后，进入的气体通过节流阀释放压力并返回到大气压力，从而实现进一步冷却。进一步的冷却凝结了气体混合物中剩余的大部分氟化氢，通过节流阀的旁路冷却和膨胀导致温度降低到约 -10 ℃。

3 结语

无水氟化氢冷凝过程是其分离的重要过程，温度控制具有重要意义。本文采用OpenFOAM对影响无水氟化氢冷凝速率的因素展开了分析，并由此得到温度控制的一般性指导结论：采用较低的温度，冷凝效率更高，适宜的温度范围为低于 263.15 K(-10 ℃)。