一種用于有機(jī)硅流化床反應(yīng)器的氣體分布板的設(shè)計(jì)

王在良，暢皓皓，郭建志，茍明松，陳 鵬，許兆美

（1.江蘇科圣化工機(jī)械有限公司，江蘇 淮安223002；2.淮陰工學(xué)院機(jī)械與材料工程學(xué)院，江蘇 淮安 223003）

一種用于有機(jī)硅流化床反應(yīng)器的氣體分布板的設(shè)計(jì)

王在良1，暢皓皓2，郭建志2，茍明松2，陳 鵬2，許兆美2

（1.江蘇科圣化工機(jī)械有限公司，江蘇 淮安223002；2.淮陰工學(xué)院機(jī)械與材料工程學(xué)院，江蘇 淮安 223003）

針對有機(jī)硅流化床反應(yīng)器中氣體分布不均勻的問題，通過氣體開孔率與各個(gè)參數(shù)關(guān)系的理論公式，設(shè)計(jì)了一種新型的氣體分布板。依據(jù)理論計(jì)算，新型的分布板具有以下特點(diǎn)：分布錐角為145°，氣體開孔率為15.32%，分布錐體上設(shè)置有多個(gè)呈上窄下寬的階梯狀的通氣孔，通氣孔內(nèi)設(shè)置有噴頭。通過調(diào)整噴頭尺寸，改變反應(yīng)氣體通過通氣孔后氣速的大小。新型分布板的設(shè)計(jì)，有效地解決了氣體分布不均勻的現(xiàn)狀，大大提高了分布板的實(shí)用效率。

有機(jī)硅；流化床；分布板；開孔率

在有機(jī)硅流化床反應(yīng)器中，氣體分布板是使氣流均勻分布的關(guān)鍵部件。它的作用是支撐固體顆粒物料，使固體顆粒物料受熱均勻并處于流態(tài)化狀態(tài)[1]。在現(xiàn)有設(shè)計(jì)的分布板，呈平板型，對于其上設(shè)置的通氣孔均是按照以往生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置，沒有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚摶A(chǔ)，開孔率不理想，使得氣體與硅粉的反應(yīng)效果差；而且通氣孔為直孔，容易導(dǎo)致氣流方向正對床層，易使床層形成溝流；另外，開孔率與分布板壓降之間存在聯(lián)系，從而使得分布板壓降不理想，導(dǎo)致操作困難，且收率降低。

1 一種新型氣體分布板的設(shè)計(jì)

本文通過設(shè)計(jì)一種新型的氣體分布板，可以讓反應(yīng)器內(nèi)的氣體均勻分布，克服現(xiàn)有有機(jī)硅流化床反應(yīng)器的瑕疵，新設(shè)計(jì)的氣體分布板具有更合理的結(jié)構(gòu)，高效率的傳熱和傳質(zhì)，接觸面積大的氯甲烷氣體和硅粉，在硅粉內(nèi)部有均布的氣體。由于有速度較低的氣體從出氣孔出來，硅粉與換熱管之間的摩擦?xí)驗(yàn)闅怏w擾動而減小，這將增強(qiáng)傳熱效果，提高設(shè)備壽命。

一種用于有機(jī)硅流化床反應(yīng)器的氣體分布板，包括分布錐體、貫穿所述分布錐體中心且與所述分布錐體固定的底座，所述分布錐體呈倒錐狀，所述分布錐體上設(shè)置有多個(gè)通氣孔，每個(gè)所述通氣孔呈上窄下寬的階梯狀，所述底座沿軸向設(shè)置有貫穿孔，具體結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。

圖1 一種新型氣體分布板的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 一種新型氣體分布板的俯視圖

分布錐體之間的分布錐角為140°，該角度的設(shè)置，一方面增加了通氣孔的數(shù)量，增加了分布板的開孔率，大大提高了氣體與固體顆粒的反應(yīng)效果；另一方面，從制造安裝的角度出發(fā)考慮，若傾角過大，則分布錐體中孔的加工難度增大，對于分布板的加工耗時(shí)耗力；若傾角過小，則不利用分布孔多數(shù)量的設(shè)置，對氣體開孔率有一定的影響。

圖4為噴頭在分布錐體上安裝的具體結(jié)構(gòu)示意圖。分布錐體中所要加工的孔為上窄下寬的階梯孔，安裝時(shí)，先將墊片從孔的下部放入，接著放入噴頭，最后安裝螺塞，達(dá)到對噴頭的上下固定。圖1中A局部放大視圖如圖3所示。

圖3 圖1中A局部放大視圖

圖4 噴頭的具體結(jié)構(gòu)圖

設(shè)置噴頭裝置，雖然結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)分布板通孔的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但是上窄下寬的通孔結(jié)構(gòu)，一來可以防止硅粉從分布板上部大量的泄露，二來可以調(diào)整噴頭的具體尺寸，改變氣體通過噴頭單位時(shí)間的通量，從而改變氣體進(jìn)去反應(yīng)器內(nèi)的氣速，有效地影響有效壓降，對反應(yīng)過程起著至關(guān)重要的作用。

2 分布板設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)

分布板開孔率是孔內(nèi)熱空氣的流速和通過分布板孔道阻力的主要影響因素，其計(jì)算式為[4]：

式中，ω為分布板開孔率；ξ為分布板阻力系數(shù)；u 為空塔速度 （m/s）；（△PD）SC為分布板臨界壓降（Pa）；umf為最小流化速度（m/s）；L 為床層高（m）；D為床層直徑（m）；Lmf為反應(yīng)固體硅粉顆粒料高（m）；εmf為最小流化速度時(shí)的孔隙率；ρS為反應(yīng)固體硅粉顆粒密度（kg/m3）；ρg為氯甲烷氣體密度（kg/m3）；μg為氣相動力粘度（Pa·s）.

固體顆粒的球形度與孔隙率有關(guān)，關(guān)系式為[3]：

式中，φS為固體顆粒的球形度。

根據(jù)氯甲烷與硅粉反應(yīng)的工況，進(jìn)口狀態(tài)下，氯甲烷的溫度設(shè)為 360℃，流速設(shè)為 1.25 m/s，則密度定為 1.029 kg/m3，粘度為 2.06 × 10-5Pa·s.硅粉固體顆粒是球形度為0.8的橢圓形，它的平均直徑約為2 mm，密度為1 200 kg/m3，孔隙率為 40%.通過聯(lián)立式（1）～（6），料高 Lmf=750 mm（靜止時(shí)硅粉顆粒在反應(yīng)器中的料高是 5～10 m），L=20 000 mm，D=2 200 mm，分布阻力系數(shù)ξ為1.5～2.5，計(jì)算得到ω為10.23%～15.32%.通過取 3種開孔率（10.23% 、12.54%、15.32%）確定最佳的開孔率。以3種開孔率10.23%、12.54%、15.32%對比，確定分布板上通氣孔數(shù)目分別為 22、28、34、40、46、52、58、64、70、76、82、88、94、100、106、112、118 個(gè)，共計(jì) 1190 個(gè)，且通氣孔在分布錐體2的同心圓上，隨著通氣孔6數(shù)目的逐漸增大，同心圓的直徑逐漸增大，同心圓的直徑依次為 φ380，φ480，φ580，φ680，φ780，φ880，φ980，φ1080，φ1180，φ1280，φ1380，φ1480，φ1580，φ1680，φ1780，φ1880，φ1980.

針對3種不同開孔率（10.23%、12.54%、15.32%）的氣體分布板，對流速進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，如圖5所示。由圖5可以看出，氯甲烷的速度分布均勻穩(wěn)定性隨著開孔率越大而越好。當(dāng)10.23%和12.54%開孔率的氯甲烷在上升中時(shí)，大量氯甲烷在床內(nèi)的中心集中分布，明顯的分界線在床內(nèi)的壁面附近和中心區(qū)域產(chǎn)生，原因是在通過氣體分布板時(shí)氯甲烷氣流分布不均勻，導(dǎo)致硅粉顆粒不能均勻流化，形成了偏流或溝流。但當(dāng)開孔率為15.84%時(shí)，在整個(gè)上升過程中氯甲烷形成了充分發(fā)展的湍流形態(tài)，減小了流速在流化床內(nèi)的差異，從而在整個(gè)空間內(nèi)形成穩(wěn)定的氣速。鑒于隨著氣體分布板逐漸增加的開孔率，氯甲烷氣體的流通性增強(qiáng)，使聚集在局部區(qū)域的氯甲烷氣體減少，氯甲烷氣體的流動死區(qū)大大減小。因此，15.32%是有機(jī)硅流化床反應(yīng)器氣體分布板的最佳開孔率。

3 結(jié)束語

本文對于有機(jī)硅流化床氣體進(jìn)氣不均勻的問題，從氣體分布板的開孔率、錐形角、噴頭結(jié)構(gòu)等方面入手，設(shè)計(jì)了一種新型的氣體分布板。結(jié)果表明：當(dāng)分布錐角為145°，氣體開孔率為15.32%，分布錐體上設(shè)置有多個(gè)呈上窄下寬的階梯狀的通氣孔及通氣孔內(nèi)設(shè)置有噴頭時(shí)，設(shè)計(jì)的氣體分布板的效果最佳。新型分布板的設(shè)計(jì)，有效地解決了氣體分布不均勻的現(xiàn)狀，大大提高了分布板的實(shí)用效率。

[1]徐守民.大型有機(jī)硅流化床反應(yīng)器的分析與設(shè)計(jì)[D].上海：華東理工大學(xué)，2010.

[2]劉 巍，湯文成.氣體分布板開孔結(jié)構(gòu)對流化床干燥性能的影響[J].中國工程科學(xué)，2006，8（2）：48-49.

[3]Wen C Y，Yu U H．A generalized method for predicting the inimum fluidization velocity[J].AICh E Journal，1966，12（3）：610-612.

[4]張健平，盧玉斌，王曉宏，等.油菜籽流化床氣體分布板結(jié)構(gòu)參數(shù)化[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016，47（2）：238-240.

Design of a Gas Distribution Plate for a Silicone Fluidized bed Reactor

WANG Zai-liang1，CHANG Hao-hao2，GUO Jian-zhi2，GOU Ming-song2，CHEN Peng2，XU Zhao-mei2
（1.Jiangsu Keshen Chemical Machinery Co.，Ltd.，Huai’an Jiangsu 223002，China；2.Department of Chemical Engineering，Huai yin Institute of Technology，Huai’an Jiangsu 223003，China）

Aiming at the problem of nonuniform distribution of gas in the fluidized bed reactor，a new type of gas distribution plate was designed by the theoretical formula of the relationship between the gas opening rate and the parameters.According to the theoretical calculation，the new distribution plate has the following characteristics：the distribution cone angle is 145°；the gas opening rate is 15.32%；the distribution cone is provided with a plurality of stepped vent holes which are narrowly wide，inside the nozzle is set，by adjusting the nozzle size，change the reaction gas through the ventilation hole after the size of the gas.The new distribution board design，effectively solve the uneven distribution of the status of the gas，greatly improving the practical efficiency of the distribution board.

organic silicon；fluidized bed；distribution plate；opening rate

TQ050.2

A

1672-545X（2017）09-0152-03

2017-06-12

王在良（1972-），男，江蘇淮安人，本科，高級工程師，研究方向：節(jié)能環(huán)?；ぱb備、壓力容器產(chǎn)品。