內(nèi)構(gòu)件結(jié)構(gòu)對(duì)顆粒分布的影響規(guī)律研究

摘 要：為研究流化床反應(yīng)器空床結(jié)構(gòu)、指型管床結(jié)構(gòu)和U型管床結(jié)構(gòu)對(duì)顆粒濃度分布的影響，該文采用CFD數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)流化床內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行研究。結(jié)果表明，模擬下含指型管內(nèi)構(gòu)件的流化床與含U型管內(nèi)構(gòu)件的流化床都在一定程度上增強(qiáng)了流化狀態(tài)，兩者相比之下含指型管內(nèi)構(gòu)件的流化床流化狀態(tài)要優(yōu)于含U型管內(nèi)構(gòu)件的流化床。實(shí)驗(yàn)得出含指型管內(nèi)構(gòu)件的流化床保持四周顆粒濃度高，中心低的分布，含U型管內(nèi)構(gòu)件的流化床顆粒濃度更加穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：有機(jī)硅；流態(tài)化；流化床反應(yīng)器；內(nèi)構(gòu)件；顆粒分布

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ264.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）31-0059-04

Abstract： In order to investigate the effects of the empty bed structure， finger tube bed structure and U-shaped tube bed structure on the particle concentration distribution of fluidized bed reactor， this paper investigates the internal flow field of the fluidized bed using CFD numerical simulation and experimental methods. The results show that both the fluidized bed with finger-shaped tubular components and the fluidized bed with U-shaped tubular components have enhanced the fluidization state to a certain extent under the simulation， and the fluidization state of the fluidized bed with finger-shaped tubular components is better than that of the fluidized bed with U-shaped tubular components in comparison with the two. The experiments concluded that the fluidized bed with finger-shaped inner members maintains a high concentration of particles around the periphery and a low distribution in the center， while the fluidized bed with U-shaped inner members has a more stable concentration of particles.

Keywords： silicone; fluidization; fluidized bed reactor; internals; particle distribution

流態(tài)化技術(shù)是固體顆粒在氣體或液體的作用下呈現(xiàn)出流體的行為，在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用[1-2]。有機(jī)硅流化床反應(yīng)區(qū)內(nèi)氣固相流體分布不均勻、局部過(guò)熱結(jié)碳嚴(yán)重，這直接影響了反應(yīng)器的穩(wěn)定運(yùn)行和產(chǎn)物品質(zhì)。因此，國(guó)內(nèi)的有機(jī)硅流化床通常采用指型管和U型管式換熱管束來(lái)移除反應(yīng)熱并控制反應(yīng)溫度。然而，這些換熱管束的布局與密度往往未能充分考慮到對(duì)流場(chǎng)狀態(tài)的影響，還會(huì)存在氣固兩相流體的不均勻分布和局部過(guò)熱現(xiàn)象[3]。在內(nèi)構(gòu)件的研究上，徐守民[4]對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行了深入分析，并進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)，通過(guò)優(yōu)化床體構(gòu)造、進(jìn)氣結(jié)構(gòu)、換熱指型管及指型管支架等，有效提高了反應(yīng)效率。邢衛(wèi)紅等[5-6]通過(guò)實(shí)驗(yàn)考察脈沖反吹以及催化劑濃度對(duì)直接法反應(yīng)速率和膜分離性的影響，得出了在不同催化劑濃度下二甲選擇性的結(jié)果。李建隆等[7]提出了一種具有均勻分布篩孔的內(nèi)構(gòu)件，使床層流化狀態(tài)更接近散式流態(tài)化。王寧等[8]擴(kuò)展流化床反應(yīng)器出口段，并將導(dǎo)熱管帶翅片，減弱出口速度，降低顆粒的攜帶率。袁芳等[9-10]通過(guò)對(duì)氣體分布管的重新優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了均勻進(jìn)氣，有效改善了傳熱傳質(zhì)效率。針對(duì)有機(jī)硅流化床反應(yīng)器內(nèi)存在的氣泡引起的傳熱不均和床體晃動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行了研究，并提出了一種新型的格柵制造方法。這種格柵不僅可以有效地穩(wěn)定了床體，還能夠使床內(nèi)溫度分布更加均勻。

研究流化床反應(yīng)器影響流態(tài)化過(guò)程的因素，分析換熱管內(nèi)構(gòu)件對(duì)流化床反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)流化性能的影響，保證流化床流態(tài)化過(guò)程充分穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)，提高有機(jī)硅流化床的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性至關(guān)重要。本文采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬獲得了不同內(nèi)構(gòu)件結(jié)構(gòu)對(duì)流態(tài)化過(guò)程的影響規(guī)律。研究結(jié)果對(duì)于流化床反應(yīng)器的設(shè)計(jì)優(yōu)化與過(guò)程強(qiáng)化具有重要的理論指導(dǎo)意義。

1 模型的建立

本文采用三維模型，基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）利用雙流體模型（TFM），對(duì)帶換熱管內(nèi)構(gòu)件的流化床進(jìn)行數(shù)值模擬研究，研究不同內(nèi)構(gòu)件下流化床內(nèi)流場(chǎng)特點(diǎn)和顆粒運(yùn)動(dòng)，為探究流化床在不同內(nèi)構(gòu)件下的最佳流態(tài)化提供理論依據(jù)。

1.1 數(shù)學(xué)模型

氣體（g）和固體（s）相的連續(xù)性方程

氣體和固體的動(dòng)量守恒方程

式中：α為體積分?jǐn)?shù)，ρ為密度（kg/m3），為速度（m/s），τ為氣相或固相的剪切應(yīng)力（Pa），Ksg為相固體在相氣體中的曳力系數(shù)（kg/（m3·s）），μ為黏度（kg/（m·s）），λ為體積黏度（kg/（m·s）），為單位張量。

1.2 物理模型

選擇了錐形流化床反應(yīng)器作為研究對(duì)象。主要由流化床床體、換熱管內(nèi)構(gòu)件、進(jìn)氣口和出氣口3個(gè)部分組成。為了減少計(jì)算量，僅考慮裝置的流化段部分，省略床體的其他零部件。利用SW繪制了流化床反應(yīng)器模型。模擬分別考察了空床、指型管床與U型管床（圖1）。

1.3 模型參數(shù)設(shè)置

氣體從底部進(jìn)入流化床，通過(guò)氣體分布器均勻分布到流化床內(nèi)部，并最終從氣體出口排出。因此，底部被設(shè)定為速度入口，以確保氣體可以以適當(dāng)?shù)乃俣冗M(jìn)入流化床，氣體出口設(shè)置為大氣壓下的壓力出口，以確保流化床內(nèi)的氣體能夠被順利排出系統(tǒng)。為了模擬真實(shí)情況，流化床的床壁采用了無(wú)滑移邊界條件，以盡可能減小邊界對(duì)流動(dòng)的影響。本次模擬采用硅粉顆粒作為流化床內(nèi)固體相，粒徑為1×10-4 m，進(jìn)入裝置的氣體為空氣，氣速為0.4 m/s。

1.4 模型驗(yàn)證

利用軸向高度固含率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了可靠性驗(yàn)證。如圖2所示，發(fā)現(xiàn)在相對(duì)高度一致時(shí)，模擬得到的軸向濃度變化趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)收集顆粒得出的固含率是保持一致的。證明本文建立的數(shù)值模擬平臺(tái)是合理的，數(shù)值模擬是可靠的。

2 數(shù)值模擬研究

考察了指型管和U型管2種內(nèi)構(gòu)件氣固流化床內(nèi)的流場(chǎng)模擬情況，模擬分析了開(kāi)始前10 s的動(dòng)態(tài)變化情況。

2.1 內(nèi)構(gòu)件結(jié)構(gòu)對(duì)軸向顆粒濃度分布的影響規(guī)律

圖3給出了空床的流化床反應(yīng)器軸向顆粒濃度分布云圖，在空床氣速為0.4 m/s時(shí)，固含率最大值為0.53，在h=250 mm的位置處，固含率呈現(xiàn)先減小后增加再減小的趨勢(shì)。圖4給出了含內(nèi)構(gòu)件的軸向顆粒濃度分布云圖，在此氣速時(shí)，含指型管的流化床固含率最大值為0.53，在h=150 mm的位置處，固含率先在0.53左右波動(dòng)至h=200 mm后，下降至0.49左右波動(dòng)至流化區(qū)域結(jié)束。含U型管的流化床。固含率最大值為0.55，在h=150 mm的位置處，固含率先在0.53～0.55左右波動(dòng)至h=150 mm后，下降至0.47左右波動(dòng)至流化區(qū)域結(jié)束。

2.2 內(nèi)構(gòu)件結(jié)構(gòu)對(duì)徑向顆粒濃度分布的影響規(guī)律

圖5分別給出了3種結(jié)構(gòu)的流化床反應(yīng)器，在不同高度下的徑向顆粒濃度分布。空床結(jié)構(gòu)時(shí)，在h=100 mm時(shí)，氣體由底部上升，在中間形成大氣泡，隨著高度的上升，氣泡發(fā)生圓環(huán)狀聚并，將顆粒分隔成2個(gè)部分。在h=200 mm時(shí)，固體顆粒截面面積占比僅為32.9%；在向上的過(guò)程中氣泡又發(fā)生聚并，形成循環(huán)。

當(dāng)存在內(nèi)構(gòu)件之后，顆粒行為明顯發(fā)生變化。在h=100 mm，顆粒圍繞換熱管成明顯的圓環(huán)，隨著高度的上升，氣體開(kāi)始向四周擴(kuò)散，與顆?；旌闲纬奢^好的流化形態(tài)。綜合來(lái)看，含指型管內(nèi)構(gòu)件的流化床與含U型管內(nèi)構(gòu)件的流化床都在一定程度上減弱了流化狀態(tài)，兩者相比之下含指型管內(nèi)構(gòu)件的流化床流化狀態(tài)要優(yōu)于含U型管內(nèi)構(gòu)件的流化床。

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置及流程

實(shí)驗(yàn)采用由亞克力流化床反應(yīng)器、風(fēng)機(jī)、氣體流量計(jì)、收集裝置等搭建了實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)。流化床反應(yīng)器內(nèi)徑為200 mm，錐體下端進(jìn)氣口內(nèi)徑為150 mm，整個(gè)床高650 mm，實(shí)驗(yàn)流化床壁厚為0.5 mm，模型參數(shù)與換熱管布置方式和模擬模型一致，進(jìn)氣方式為流化床底部進(jìn)氣，氣體分布器為正三角形排布規(guī)律排列，孔徑10 mm，開(kāi)孔率21.6%。物系采用空氣與二氧化硅顆粒進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。氣相通過(guò)風(fēng)機(jī)連接氣體流量計(jì)由底部注入流化床反應(yīng)器，顆粒在反應(yīng)器內(nèi)厚度為400 mm。本實(shí)驗(yàn)旨在比較2種有機(jī)硅流化床在不同換熱管內(nèi)構(gòu)件下的性能差異。通過(guò)測(cè)量不同位置處的固體顆粒含量和吸出氣體量，探究不同內(nèi)構(gòu)件對(duì)流化床性能的影響。實(shí)驗(yàn)流程如圖6所示，流化床中顆粒經(jīng)入口風(fēng)機(jī)調(diào)控達(dá)到合適的流化狀態(tài)后，在選取的不同位置處測(cè)量吸出的顆粒與氣體含量。流化床實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)物圖如圖7所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)為流化床截面的一半位置，但每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了5次，每次2 min，所以在做徑向顆粒濃度分布時(shí)，進(jìn)行了修正，補(bǔ)全了對(duì)稱(chēng)部分。

圖8展示了在空床氣速為0.4 m/s下，不同位置處的徑向顆粒濃度分布。對(duì)含不同內(nèi)構(gòu)件結(jié)構(gòu)的流化床反應(yīng)器做出對(duì)比，在空床氣速為0.4 m/s時(shí)，含U型管內(nèi)構(gòu)件的流化床在h=1/2D和h=D處呈現(xiàn)中間低，四周高的分布，在h=3/2D處與前兩個(gè)截面對(duì)比呈現(xiàn)倒分布；含指型管內(nèi)構(gòu)件的流化床在h=1/2D和h=D與含U型管反應(yīng)器類(lèi)似，隨著軸向高度的增加，含指型管內(nèi)構(gòu)件的流化床保持四周顆粒濃度高，中心低的分布。在此氣速下含U型管內(nèi)構(gòu)件的流化床顆粒濃度更加穩(wěn)定。

綜合來(lái)看，含指型管內(nèi)構(gòu)件的流化床在縱向上較為均衡，由于指型管的存在，打破了內(nèi)部的大氣泡，使內(nèi)部流化狀態(tài)更好，使得顆粒濃度保持在一個(gè)良好的區(qū)間內(nèi)；含U型管內(nèi)構(gòu)件的流化床由于自身結(jié)構(gòu)在錐體位置堆積顆粒，致使底部流化被阻礙。

4 結(jié)論

本文采用CFD數(shù)值模擬計(jì)算方法和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方式，為了研究流化床內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)氣固流化床兩相流動(dòng)特性的影響，研究了內(nèi)構(gòu)件結(jié)構(gòu)對(duì)流態(tài)化過(guò)程的影響規(guī)律，主要結(jié)論如下：①研究了內(nèi)構(gòu)件結(jié)構(gòu)對(duì)顆粒濃度分布的影響規(guī)律，考慮了流化床反應(yīng)器軸向以及徑向顆粒濃度分布，對(duì)同一氣速下空床、指型管、U型管3個(gè)結(jié)構(gòu)的顆粒濃度分布圖并對(duì)照分析，得出不同內(nèi)構(gòu)件結(jié)構(gòu)下流態(tài)化的分布規(guī)律。在同一氣速下含指型管結(jié)構(gòu)的流化床流態(tài)化分布更為均勻。②實(shí)驗(yàn)研究不同位置處的徑向顆粒濃度分布。對(duì)含不同內(nèi)構(gòu)件結(jié)構(gòu)的流化床反應(yīng)器做出對(duì)比，在空床氣速為0.4 m/s時(shí)，指型管床床內(nèi)顆粒濃度分布呈現(xiàn)四周高，中心低，U型管床顆粒濃度更穩(wěn)定。

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