SiCl4冷氫化反應器床層密度的計算

楊 楠 李壽琴 程茂林 陳紹林 賈琳蔚 甘居富

(四川永祥股份有限公司，四川樂山，614800)

在SiCl4冷氫化工藝中，金屬級硅粉顆粒、SiCl4和H2在流化床反應器內發生化學反應生成SiHCl3。冷氫化反應器屬于典型的氣-固流化床反應器。硅粉在流化床內進行聚式流化。床層內同時存在氣泡相和乳化相，氣泡相和乳化相之間的氣體不斷進行交換。氣泡在上升過程中不斷聚合并增大，當上升到床層表面即崩裂，同時向上濺起若干固體顆粒。其中細顆粒被氣流帶到床層上部形成稀相區，粗顆粒返回床層內與床層中的顆粒形成密相區。在稀相區與密相區之間，具有一個清晰的界面。密相區作為流化床內SiCl4冷氫化反應發生的主要區域，其密度對床層內硅粉的流化狀態、氣泡相與乳化相之間的傳質和傳熱、床層壓降等有顯著影響，同時也是影響氣體停留時間、SiHCl3收率以及整個流化床高度的的關鍵參數。本文通過理論計算臨界流化速度umf和床層空隙率εe，求取了不同硅粉粒徑和表觀氣速條件下的床層密度，并與實際值進行了對比，二者吻合較好。結果和方法可在SiCl4冷氫化反應器高度設計時提供參考，也可在實際運行過程中為流化床的操作參數優化提供依據。

1 床層密度的計算

式中，

εe：流化床層空隙率，

ρs：顆粒密度，kg/m3，

ρg：氣體密度，kg/m3。

對于小顆粒(Geldart A和Geldart B)，空隙率εe與氣體表觀速度ue有如下相關性[1]：

式中，

umf：臨界流化速度，

εmf：臨界流化時的空隙率。

根據簡單的兩相(氣泡相和乳化相)理論，乳化相中的氣體是在臨界流化空隙率εmf時，以umf的速度通過床層，而多余的氣體則以氣泡形式通過床層。

按Geldart(1973)顆粒分類法，硅粉屬于B類顆粒，具有較好的流態化性能。硅粉類似于銳邊砂，球形度φs=0.67。根據文獻[1]銳邊砂臨界流化空隙率εmf與粒徑dp曲線，如圖1。

擬合可得到不同粒徑硅粉的臨界流化空隙率εmf計算公式：

根據Ergun公式[2]，對于小粒徑固體顆粒，臨界流化速度umf可按下式進行計算：

式中，

μ：氣體粘度，Pa·s。

圖2為以空氣為介質，計算得到不同粒徑硅粉的umf與文獻[3]在冷模條件下實測值的對比?？梢?，umf計算結果與文獻實測值的吻合度好，Ergun公式具有較高的可靠度。

圖2 umf計算值與實測值對比

2 結果與分析

2.1 床層密度的計算

SiCl4冷氫化流化床，反應溫度550℃，反應壓力3.0MPa，反應氣體ρg=24.23kg/m3，氣體黏度μ=2.96×10-5Pa·S。通過計算可得不同粒徑硅粉在不同表觀氣速條件下，理論床層密度如圖3。

圖3 床層密度

氣速越大，床層密度越??；粒徑越大，床層密度越大。當粒徑在40目-120目(0.42mm-0.125mm)，表觀氣速0.06-0.18m/s時，床層密度在1261kg/m3-475kg/m3左右。

2.2 床層密度的校核

SiCl4冷氫化所用金屬級硅粉粒徑分布如圖4，硅粉平均粒徑dp=57目(0.2693mm)。經計算臨界流化速度umf=0.045m/s，其中Rep,mf<20。

圖4 硅粉粒徑分布

SiCl4冷氫化流化床，自下而上分別在距分布板0.3m，3.3m，5.6m，7.6m高度位置安裝壓力表測量床層壓降。隨機選擇不同時刻對應表觀氣速時上、中和下三段床層所對應的床層壓降實測值，如圖5。

在表觀氣速ue=0.06m/s～0.09m/s范圍內，通過計算得到床層密度與實際密度(實際密度根據床層上、中和下三段的實測壓降與對應的高度計算而得到)對比如圖6。

從圖6可見，床層平均密度變化較小，在實際工況條件下其大小在1019kg/m3-1030kg/m3左右，理論計算的床層密度與實際密度的吻合性較好。另外也可看到，在相同表觀氣速下，床層上、中和下三段的密度基本相同。由于在生產過程中，上段床層與稀相段界面起伏變化較大，使得實測的密度較中、下段波動幅度更大。

圖5 床層壓降實測值 圖6 床層密度對比

3 結論

通過計算臨界流化速度umf，空隙率εe，可得到不同粒徑dp和表觀氣速ue條件下的流化床的理論床層密度其大小在1019kg/m3-1030kg/m3左右。粒徑越大，床層密度越大；表觀氣速越大，床層密度越小。理論計算的床層密度與實際密度的吻合性較好，床層密度沿高度方向變化較小。