杜汕霖,呂國(guó)強(qiáng),馬文會(huì),顧光凱,付博強(qiáng)

(1.昆明理工大學(xué) 冶金與能源工程學(xué)院,云南 昆明 650093;2.昆明理工大學(xué) 復(fù)雜有色金屬資源清潔利用省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,云南 昆明 650093)

0 引 言

有機(jī)硅材料是近幾十年發(fā)展起來(lái)的新型化工材料,被賦予“科技發(fā)展的催化劑”和“工業(yè)味精”的雙重美譽(yù)[1-2].甲基氯硅烷是最重要也是用量最大的有機(jī)硅單體,是生產(chǎn)各類有機(jī)硅產(chǎn)品的基礎(chǔ)材料[3-5].目前工業(yè)上普遍采用羅喬開(kāi)發(fā)的“直接法”生產(chǎn)甲基氯硅烷[6-7],即使用硅粉和氯甲烷在流化床內(nèi)進(jìn)行反應(yīng),床內(nèi)氣固流態(tài)化質(zhì)量直接影響甲基氯硅烷的轉(zhuǎn)化率.目前,國(guó)內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)無(wú)論是轉(zhuǎn)化率還是選擇性均與國(guó)外存在差距,因此針對(duì)工業(yè)反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行氣固流態(tài)化研究是十分必要的[8-11].許如海等[12]運(yùn)用歐拉模型對(duì)變徑式流化床反應(yīng)器筒體內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行模擬;袁晨等[13-14]模擬了恒定氣速下三維的氣固流化床內(nèi)硅粉顆粒的流化特性,分析了氣泡生成、長(zhǎng)大和破裂的過(guò)程以及用歐拉氣固多相流模型和SIMPLE算法(Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations),模擬了三維帶底錐結(jié)構(gòu)的流化床內(nèi)硅粉顆粒氣固流化特性;王偉文等[15]模擬了二維氣固流化床內(nèi)不同粒級(jí)硅粉顆粒在不同恒定氣速下的氣固流化特性;王文軒[16]利用多尺度CFD模擬捕捉有機(jī)硅流化床內(nèi)的鼓泡流化特征;王春燕[17]運(yùn)用雙歐拉模型模擬帶底錐結(jié)構(gòu)的流化床內(nèi)不同粒級(jí)硅粉顆粒在不同操作條件下的流化特性.而在上述研究中,未考慮流化床存在氣體分布板時(shí)改變工藝條件對(duì)流化特性的影響.

本文采用雙流體模型,對(duì)帶氣體分布板的有機(jī)硅單體合成流化床進(jìn)行數(shù)值模擬研究,系統(tǒng)分析入口氣速、硅粉的粒徑以及分布板開(kāi)孔率對(duì)流化特性的影響.將流速不均勻系數(shù)、固含率相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差、固體顆粒分散系數(shù)作為判斷流化質(zhì)量的指標(biāo),從而找出合適的工藝參數(shù)及開(kāi)孔率以提高甲基氯硅烷的轉(zhuǎn)化率.

1 模型的建立

1.1 物理模型

流化床的幾何模型參數(shù)取自Zhang等[18]的實(shí)驗(yàn)探索.在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中,利用PC6M設(shè)備來(lái)測(cè)量氣體分布板上方 0.05 m 處的固體體積分?jǐn)?shù)分布.該實(shí)驗(yàn)的詳細(xì)描述可以在文獻(xiàn)[18-19]中觀察到.該模型的示意圖見(jiàn)圖1(a).該系統(tǒng)由一個(gè)床層反應(yīng)器、一個(gè)預(yù)氣分布器和一個(gè)氣體分布器組成.其幾何尺寸為:床直徑D=2R=0.026 m,床高為 0.308 m,氣體預(yù)分布器的厚度為 0.005 m,氣體分布板的厚度為 0.003 m.圖1(b)顯示了模擬的氣體分布板.該氣體分布板的開(kāi)孔率Φ分為0.25%、0.39%、0.53%、0.67%、0.81%共5種,開(kāi)孔個(gè)數(shù)n為19個(gè),通氣孔采取圓周排列.

(a)3D有機(jī)硅流化床反應(yīng)器 (b)氣體分布板圖1 模型 Fig.1 Models

1.2 數(shù)學(xué)模型

表1 歐拉-歐拉控制方程的總結(jié)

1.3 邊界條件

表2 材料特性和模擬參數(shù)的總結(jié)

氣體從底部進(jìn)入流化床,通過(guò)氣體分布器到達(dá)氣體出口.因此,底部設(shè)置為速度入口,氣體出口設(shè)置為大氣壓下的壓力出口.床壁采用無(wú)滑移邊界條件.本文使用的材料特性和模擬參數(shù)如表2所示.

1.4 模型準(zhǔn)確性及網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

圖2為硅粉粒徑為2×10-4m,入口氣速為1.56×10-2m,開(kāi)孔率Φ=0.53%,n=19的氣體分布板在床高 0.058 m 時(shí)的固體體積分?jǐn)?shù).從圖中的結(jié)果可以看出,開(kāi)孔率Φ為0.53%的氣體分布板在床高 0.058 m 時(shí)固體體積分?jǐn)?shù)的模擬數(shù)據(jù)與Zhang等[18]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好,從而驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性.

為驗(yàn)證不同網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果的無(wú)關(guān)性,采用Φ=0.53%,n=19的氣體分布板在 0.058 m 床高處的固相體積分?jǐn)?shù)為指標(biāo)進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證.對(duì)3種不同網(wǎng)格間距下的模型進(jìn)行模擬計(jì)算,不同網(wǎng)格下的固相體積分?jǐn)?shù)相差較少,如圖3所示.因此本文模型劃分的網(wǎng)格具有獨(dú)立性,不同數(shù)量的網(wǎng)格對(duì)計(jì)算結(jié)果無(wú)影響.考慮到計(jì)算精度和時(shí)間,最終采用中等網(wǎng)格間距 0.001 m×0.001 m.

圖2 Φ=0.18%,n=19分布板流化床 在y=0.058 m的固體體積分?jǐn)?shù)Fig. 2 Solid volume fraction of Φ=0.18%, n=19 distributor fluidized bed at y=0.058 m

圖3 不同網(wǎng)格數(shù)下Φ=0.18%,n=19分布板 流化床在y=0.058 m的固體體積分?jǐn)?shù)Fig.3 Solid volume fraction of Φ=0.18%,n=19 distributor fluidized bed at y=0.058 m under different grid numbers

1.5 流化質(zhì)量的評(píng)價(jià)方法

在氣固流化床中,氣固流態(tài)化效果與氣泡的形成和運(yùn)動(dòng)密切相關(guān).對(duì)于非均勻的顆粒流體系統(tǒng),空隙率隨氣固兩相結(jié)構(gòu)及流域的變化而變化,通過(guò)空隙率的變化可描述氣泡行為和氣固接觸情況[20-21].氣固流化質(zhì)量主要表現(xiàn)為氣體與顆粒的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性、固含率的分布、床層壓力波動(dòng)等方面.流速不均勻系數(shù)、固含率相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差可以反映顆粒的流速均勻性、固含率分布的波動(dòng)程度,從而評(píng)價(jià)氣固流化質(zhì)量.本文以流速不均勻系數(shù)、固含率相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差、固體顆粒分散系數(shù)作為判斷流化質(zhì)量的指標(biāo),具體內(nèi)容如下:

(1)流速不均勻系數(shù)

流速不均勻系數(shù)η實(shí)質(zhì)是衡量顆粒與氣體之間的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性.當(dāng)速度不均勻系數(shù)η較小時(shí),表明固體顆粒與氣體之間的運(yùn)動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定,固體顆粒的流速均勻性較好,對(duì)應(yīng)的氣固流化質(zhì)量較好;當(dāng)速度不均勻系數(shù)η較大時(shí),表明顆粒未被氣體充分流化,固體顆粒的流速分布波動(dòng)較大,對(duì)應(yīng)的氣固流化質(zhì)量較差.η的表達(dá)式如下:

式中:Vmax為斷面上最大流速,m/s;Vmin為斷面上最小流速,m/s;Vave為斷面上平均流速,m/s.公式中的速度應(yīng)使用此點(diǎn)的軸向速度,也即模型中y方向的速度,所以嚴(yán)格意義上講,這里的流速不均勻系數(shù)指的是在y方向上的流速不均勻系數(shù).之所以選擇y方向的速度來(lái)計(jì)算流速不均勻系數(shù),有以下兩點(diǎn)原因:1) 速度大小是標(biāo)量,若選用其流速不均勻系數(shù)來(lái)表征分布情況,不能顯示速度方向?qū)α魉倬鶆蛐缘挠绊?2) 氣體在通過(guò)氣體分布板后,向上流動(dòng)的過(guò)程中,y方向的速度分量越來(lái)越大,逐漸起決定作用.而且,y方向速度也就是我們最關(guān)心的軸向速度.由以上分析可得,采用y方向速度的流速不均勻系數(shù)來(lái)表征流速的均勻性,其準(zhǔn)確性最好.

(2)固含率相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差

固含率相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差Ss反應(yīng)1個(gè)數(shù)據(jù)的離散程度[22],文中表示同一軸向平面固含率與平均固含率的離散程度.當(dāng)Ss值越小,表明顆粒分散越均勻[23],軸向固含率的分布波動(dòng)越小,氣固流化質(zhì)量越好.Ss的表達(dá)式如下:

(2)

式中:

(3)

式(2)～式(3)中:n為截面取值個(gè)數(shù),εs,i為同一平面第i個(gè)固含率,εs,i為固含率平均值.

(3)固體顆粒分散系數(shù)

固體顆粒分散系數(shù)Cv用來(lái)衡量流化床內(nèi)部顆粒分布情況,Cv值越小,表明固體顆粒在流化床分布越均勻[23],顆粒被氣體流化的越充分,氣固流化質(zhì)量越好.Cv的表達(dá)式如下:

(4)

式中,Ss,i為第i平面內(nèi)固含率相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差.

2 結(jié)果與分析

2.1 氣速對(duì)流化特性的影響

圖4顯示分布板Φ=0.53%,n=19時(shí),粒徑為2×10-4m 的硅粉在不同氣速下床層空隙率的變化.從圖4可以看出,硅粉隨著氣速的增大空隙率約呈直線上升的趨勢(shì),且當(dāng)氣速在 0.03 m/s(約為1.1最小流化速度Umf)之后空隙率變化趨于穩(wěn)定.以上現(xiàn)象是由于當(dāng)氣速較低時(shí),床層底部區(qū)域產(chǎn)生的氣泡數(shù)量與體積均增大.如氣速進(jìn)一步增大,氣泡體積增大到一定尺寸后,氣泡合并占主導(dǎo)地位.合并后氣泡體積受到流化床直徑的限制,床層空隙率增加緩慢.

圖5顯示分布板Φ=0.53%,n=19時(shí),粒徑為2×10-4m 的硅粉在不同氣速下流速不均勻系數(shù)η隨流化床軸向高度變化曲線.從圖5看出,當(dāng)氣速在0.01～0.02 m/s 間η呈先增后減的趨勢(shì),說(shuō)明隨著氣體進(jìn)入流化床,氣體和顆粒開(kāi)始混合,由于氣泡的產(chǎn)生,氣固接觸不良導(dǎo)致氣體速度分布不均勻,同時(shí)由于氣速較小,氣體未完全穿透床層,因此流化床上部η較小,且 0.02 m/s 時(shí)的η相比 0.01 m/s 的大;當(dāng)氣速在 0.03 m/s 之后η呈先減后增的趨勢(shì),相比其他氣速,0.03 m/s 時(shí)中上部區(qū)域的η較小,說(shuō)明氣體完全穿透床層后中上部固體顆粒與氣體之間的運(yùn)動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定;當(dāng)氣速為0.04～0.05 m/s 時(shí),η介于2.16～2.19 之間,η波動(dòng)范圍最小.綜合考慮,0.03 m/s 時(shí)的η總體上小于其他4個(gè)氣速,氣體速度分布更加均勻,顆粒流態(tài)更加穩(wěn)定,有助于氣固二者間的混摻.

圖4 不同氣速下的床層空隙率Fig.4 Bed porosity at different gas velocities

圖5 不同氣速下η隨流化床軸向高度變化曲線Fig.5 Variation curve of η with the axial height of fluidized bed at different gas velocities

2.2 硅粉粒徑對(duì)流化特性的影響

王春燕[17]為了系統(tǒng)研究不同粒徑及不同粒徑分布的硅粉的流化特性,將硅粉分為5個(gè)粒度.本文選取其中3個(gè)粒度進(jìn)行流化特性研究,即硅顆粒粒徑分別為4.67×10-5m、1.65×10-4m、3×10-4m.圖6顯示分布板Φ=0.53%,n=19時(shí),3種硅粉在氣速為1.56×10-2m/s 下瞬時(shí)體積數(shù)云圖.氣體從氣體分布板的孔流入流化床內(nèi)并裹挾顆粒向上運(yùn)動(dòng).由于3種硅粉粒徑不同,因此3種硅粉的最小流化速度不同,從而導(dǎo)致內(nèi)部流化狀態(tài)不同.從圖中可以看出,3種粒徑的硅粉流化過(guò)程中未出現(xiàn)較大氣泡,并且有少量顆粒落在預(yù)分布器中;粒徑為3×10-4m 的硅粉與其他兩種硅粉相比流化床中下部硅粉濃度較大,說(shuō)明硅粉流化不充分.綜合可以看出,分布板開(kāi)孔率及氣速相同條件下,硅粉粒徑越小,氣體流化作用越強(qiáng),顆粒在床內(nèi)分布越分散,平均體積分?jǐn)?shù)越小.所以在實(shí)際生產(chǎn)中,在保持分布板結(jié)構(gòu)及氣速不變的情況下,使用較細(xì)的硅粉可以使得床內(nèi)硅粉的流化和混合更加劇烈,對(duì)床內(nèi)反應(yīng)觸體的生成有一定的促進(jìn)作用.

(a)硅粉粒徑為4.67×10-5 m (b)硅粉粒徑為1.65×10-4 m (c)硅粉粒徑為3×10-4 m圖6 不同顆粒t=10 s時(shí)的體積數(shù)云圖Fig.6 Volume fraction cloud diagram of different particles at t=10 s

圖7顯示分布板Φ=0.53%,n=19時(shí),3種硅粉在氣速為1.56×10-2m/s 下隨流化床軸向高度0.05～0.175 m 的速度等高線變化曲線.從圖7可以看出,在不同的床層高度區(qū)域內(nèi)粒徑為4.67×10-5m 的硅粉相較于其他兩種硅粉其速度等高線分布均勻,說(shuō)明硅粉粒徑越小,氣固混合越劇烈,顆粒速度分布越均勻,氣固之間充分接觸,有利于提高產(chǎn)率.

(a) (b) (c)

(d) (e) (f)

(g) (h) (i)(a～c) 硅粉粒徑為4.67×10-5 m,(b～f)硅粉粒徑為1.65×10-4 m;(g～i)硅粉粒徑為3×10-4 m圖7 不同顆粒隨流化床軸向高度0.05～0.175 m的速度等高線變化曲線Fig.7 Velocity contour curves of different particles with axial height of fluidized bed of 0.05～0.175 m

2.3 氣體分布板的開(kāi)孔率對(duì)流化特性的影響

圖8顯示不同粒徑的硅粉在氣速為1.56×10-2m/s 下的固含率相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差Ss隨流化床軸向高度的變化曲線.圖8(a)顯示粒徑為4.67×10-5m 的硅粉在Φ=0.25%、0.39%、0.67%、0.81%的Ss.從圖8(a)可以看出,隨著Φ的增大,Φ=0.8%時(shí)的Ss變化更加平穩(wěn).且相比其他3種開(kāi)孔率,Φ=0.8%時(shí)整體的Ss值變小,顆粒分散更加均勻;圖8(b)顯示粒徑為1.65×10-4m 的硅粉在Φ=0.25%、0.39%、0.67%、0.81%的Ss.從圖可以看出,Φ=67%時(shí)相比其他3種開(kāi)孔率,其Ss值的變化曲線波動(dòng)較小,整體的Ss值較小;圖8(c)顯示粒徑為3×10-4m 的硅粉在Φ=0.25%、0.39%、0.67%、0.81%的Ss.從圖可以看出,隨著開(kāi)孔率的增大Ss變化更加平穩(wěn),而整體的Ss值增大,顆粒分散不均勻,流化質(zhì)量變差.

(a)硅粉粒徑為4.67×10-5 m (b)硅粉粒徑為1.65×10-4 m (c)硅粉粒徑為3×10-4 m圖8 不同顆粒的Ss隨流化床軸向高度的變化曲線 Fig.8 Variation curve of Ss versus axial height of fluidized bed for different particles

圖9 不同顆粒的Cv隨分布板開(kāi)孔率的變化情況Fig.9 Change of Cv of different particles with the opening rate of the distribution plate

圖9顯示不同粒徑的硅粉在氣速為1.56×10-2m/s 下的固體顆粒分散系數(shù)Cv隨分布板開(kāi)孔率的變化情況.從圖9可以看出,對(duì)于粒徑為4.67×10-5m 的硅粉,隨著開(kāi)孔率的增大Cv逐漸減小,即Φ=0.81%時(shí)Cv最小,硅粉在流化床分布較均勻,流化質(zhì)量較好;對(duì)于粒徑為1.65×10-4m 的硅粉,隨著開(kāi)孔率的增大Cv先減小后增大,即Φ=0.67%時(shí)Cv最小,硅粉在流化床分布較均勻,流化質(zhì)量較好;對(duì)于粒徑為3×10-4m 的硅粉,隨著開(kāi)孔率的增大Cv先增大后減小,即Φ=0.25%時(shí)Cv最小,硅粉在流化床分布較均勻,流化質(zhì)量較好.綜合圖8可以看出,為使氣固混合均勻,提高二甲基二氯硅烷的轉(zhuǎn)化率,在流化較小粒徑的硅粉時(shí),建議分布板開(kāi)孔率采取高開(kāi)孔率;在流化較大粒徑的硅粉時(shí),建議分布板開(kāi)孔率采取低開(kāi)孔率.

3 結(jié) 論

有機(jī)硅單體合成流化床基于雙流體模型進(jìn)行模擬計(jì)算.模擬完成后流化床分布板上方 0.05 m 處固體體積分?jǐn)?shù)的模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好,從而驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性;對(duì)網(wǎng)格間距分別為 0.000 9 m×0.000 9 m、0.001 m×0.001 m、0.002 m×0.002 m 的流化床進(jìn)行模擬計(jì)算,不同網(wǎng)格下的固相體積分?jǐn)?shù)相差較少,從而驗(yàn)證了網(wǎng)格的獨(dú)立性.

1)隨著氣速的增加,床層空隙率增大,且氣速達(dá)到 1.1Umf之后空隙率變化趨于平穩(wěn).除此之外,當(dāng)氣速小于 1.1Umf時(shí),隨著流化床軸向高度的增加,η先增大后減小;而氣速達(dá)到 1.1Umf后,隨著流化床軸向高度的增加,η先減小后增大;當(dāng)氣速為 1.1Umf時(shí)η最小.在實(shí)際生產(chǎn)中,推薦流化床入口氣速選擇 1.1Umf,顆粒流態(tài)更加穩(wěn)定,有助于氣固二者間的混摻.

2)小粒徑硅粉相比大粒徑硅粉氣體流化作用越強(qiáng),顆粒在床內(nèi)分布越分散,平均體積分?jǐn)?shù)越小.且小粒徑硅粉相比大粒徑硅粉其顆粒速度等高線分布均勻,說(shuō)明小粒徑硅粉氣固之間充分接觸,有利于提高產(chǎn)率.在實(shí)際生產(chǎn)中,推薦使用較細(xì)的硅粉可以使得床內(nèi)硅粉的流化和混合更加劇烈,對(duì)床內(nèi)反應(yīng)觸體的生成有一定的促進(jìn)作用.

3)當(dāng)粒徑分別為 4.67×10-5m,1.65×10-4m,3×10-4m 的硅粉,分布板開(kāi)孔率Φ分別選取0.81%、0.67%、0.25%時(shí)3種硅粉的Ss及Cv最小.因此,在選取分布板開(kāi)孔率時(shí),為使氣固混合均勻,提高流化質(zhì)量,推薦采取低開(kāi)孔率的分布板流化較大粒徑的硅粉,高開(kāi)孔率的分布板流化較小粒徑的硅粉.