有機硅單體合成流化床的流化特性模擬研究

杜汕霖,呂國強,馬文會,顧光凱,付博強

(1.昆明理工大學 冶金與能源工程學院,云南 昆明 650093;2.昆明理工大學 復雜有色金屬資源清潔利用省部共建國家重點實驗室,云南 昆明 650093)

0 引 言

有機硅材料是近幾十年發展起來的新型化工材料,被賦予“科技發展的催化劑”和“工業味精”的雙重美譽[1-2].甲基氯硅烷是最重要也是用量最大的有機硅單體,是生產各類有機硅產品的基礎材料[3-5].目前工業上普遍采用羅喬開發的“直接法”生產甲基氯硅烷[6-7],即使用硅粉和氯甲烷在流化床內進行反應,床內氣固流態化質量直接影響甲基氯硅烷的轉化率.目前,國內工業生產無論是轉化率還是選擇性均與國外存在差距,因此針對工業反應過程進行氣固流態化研究是十分必要的[8-11].許如海等[12]運用歐拉模型對變徑式流化床反應器筒體內部流場進行模擬;袁晨等[13-14]模擬了恒定氣速下三維的氣固流化床內硅粉顆粒的流化特性,分析了氣泡生成、長大和破裂的過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構的流化床內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不同粒級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模擬捕捉有機硅流化床內的鼓泡流化特征;王春燕[17]運用雙歐拉模型模擬帶底錐結構的流化床內不同粒級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改變工藝條件對流化特性的影響.

本文采用雙流體模型,對帶氣體分布板的有機硅單體合成流化床進行數值模擬研究,系統分析入口氣速、硅粉的粒徑以及分布板開孔率對流化特性的影響.將流速不均勻系數、固含率相對標準誤差、固體顆粒分散系數作為判斷流化質量的指標,從而找出合適的工藝參數及開孔率以提高甲基氯硅烷的轉化率.

1 模型的建立

1.1 物理模型

流化床的幾何模型參數取自Zhang等[18]的實驗探索.在這個實驗中,利用PC6M設備來測量氣體分布板上方 0.05 m 處的固體體積分數分布.該實驗的詳細描述可以在文獻[18-19]中觀察到.該模型的示意圖見圖1(a).該系統由一個床層反應器、一個預氣分布器和一個氣體分布器組成.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.該氣體分布板的開孔率Φ分為0.25%、0.39%、0.53%、0.67%、0.81%共5種,開孔個數n為19個,通氣孔采取圓周排列.

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

1.2 數學模型

表1 歐拉-歐拉控制方程的總結

1.3 邊界條件

表2 材料特性和模擬參數的總結

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

1.4 模型準確性及網格獨立性驗證

圖2為硅粉粒徑為2×10-4m,入口氣速為1.56×10-2m,開孔率Φ=0.53%,n=19的氣體分布板在床高 0.058 m 時的固體體積分數.從圖中的結果可以看出,開孔率Φ為0.53%的氣體分布板在床高 0.058 m 時固體體積分數的模擬數據與Zhang等[18]的實驗數據吻合較好,從而驗證了模型的準確性.

為驗證不同網格數量對計算結果的無關性,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數為指標進行網格獨立性驗證.對3種不同網格間距下的模型進行模擬計算,不同網格下的固相體積分數相差較少,如圖3所示.因此本文模型劃分的網格具有獨立性,不同數量的網格對計算結果無影響.考慮到計算精度和時間,最終采用中等網格間距 0.001 m×0.001 m.

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

圖3 不同網格數下Φ=0.18%,n=19分布板 流化床在y=0.058 m的固體體積分數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 流化質量的評價方法

在氣固流化床中,氣固流態化效果與氣泡的形成和運動密切相關.對于非均勻的顆粒流體系統,空隙率隨氣固兩相結構及流域的變化而變化,通過空隙率的變化可描述氣泡行為和氣固接觸情況[20-21].氣固流化質量主要表現為氣體與顆粒的運動穩定性、固含率的分布、床層壓力波動等方面.流速不均勻系數、固含率相對標準偏差可以反映顆粒的流速均勻性、固含率分布的波動程度,從而評價氣固流化質量.本文以流速不均勻系數、固含率相對標準誤差、固體顆粒分散系數作為判斷流化質量的指標,具體內容如下:

(1)流速不均勻系數

流速不均勻系數η實質是衡量顆粒與氣體之間的運動穩定性.當速度不均勻系數η較小時,表明固體顆粒與氣體之間的運動相對穩定,固體顆粒的流速均勻性較好,對應的氣固流化質量較好;當速度不均勻系數η較大時,表明顆粒未被氣體充分流化,固體顆粒的流速分布波動較大,對應的氣固流化質量較差.η的表達式如下:

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.公式中的速度應使用此點的軸向速度,也即模型中y方向的速度,所以嚴格意義上講,這里的流速不均勻系數指的是在y方向上的流速不均勻系數.之所以選擇y方向的速度來計算流速不均勻系數,有以下兩點原因:1) 速度大小是標量,若選用其流速不均勻系數來表征分布情況,不能顯示速度方向對流速均勻性的影響;2) 氣體在通過氣體分布板后,向上流動的過程中,y方向的速度分量越來越大,逐漸起決定作用.而且,y方向速度也就是我們最關心的軸向速度.由以上分析可得,采用y方向速度的流速不均勻系數來表征流速的均勻性,其準確性最好.

(2)固含率相對標準偏差

固含率相對標準偏差Ss反應1個數據的離散程度[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Ss值越小,表明顆粒分散越均勻[23],軸向固含率的分布波動越小,氣固流化質量越好.Ss的表達式如下:

(2)

式中:

(3)

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

(3)固體顆粒分散系數

固體顆粒分散系數Cv用來衡量流化床內部顆粒分布情況,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,氣固流化質量越好.Cv的表達式如下:

(4)

式中,Ss,i為第i平面內固含率相對標準偏差.

2 結果與分析

2.1 氣速對流化特性的影響

圖4顯示分布板Φ=0.53%,n=19時,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,且當氣速在 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定.以上現象是由于當氣速較低時,床層底部區域產生的氣泡數量與體積均增大.如氣速進一步增大,氣泡體積增大到一定尺寸后,氣泡合并占主導地位.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,粒徑為2×10-4m 的硅粉在不同氣速下流速不均勻系數η隨流化床軸向高度變化曲線.從圖5看出,當氣速在0.01～0.02 m/s 間η呈先增后減的趨勢,說明隨著氣體進入流化床,氣體和顆粒開始混合,由于氣泡的產生,氣固接觸不良導致氣體速度分布不均勻,同時由于氣速較小,氣體未完全穿透床層,因此流化床上部η較小,且 0.02 m/s 時的η相比 0.01 m/s 的大;當氣速在 0.03 m/s 之后η呈先減后增的趨勢,相比其他氣速,0.03 m/s 時中上部區域的η較小,說明氣體完全穿透床層后中上部固體顆粒與氣體之間的運動相對穩定;當氣速為0.04～0.05 m/s 時,η介于2.16～2.19 之間,η波動范圍最小.綜合考慮,0.03 m/s 時的η總體上小于其他4個氣速,氣體速度分布更加均勻,顆粒流態更加穩定,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 硅粉粒徑對流化特性的影響

王春燕[17]為了系統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個粒度.本文選取其中3個粒度進行流化特性研究,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,3種硅粉在氣速為1.56×10-2m/s 下瞬時體積數云圖.氣體從氣體分布板的孔流入流化床內并裹挾顆粒向上運動.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,從而導致內部流化狀態不同.從圖中可以看出,3種粒徑的硅粉流化過程中未出現較大氣泡,并且有少量顆粒落在預分布器中;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,說明硅粉流化不充分.綜合可以看出,分布板開孔率及氣速相同條件下,硅粉粒徑越小,氣體流化作用越強,顆粒在床內分布越分散,平均體積分數越小.所以在實際生產中,在保持分布板結構及氣速不變的情況下,使用較細的硅粉可以使得床內硅粉的流化和混合更加劇烈,對床內反應觸體的生成有一定的促進作用.

(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時的體積數云圖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,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域內粒徑為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 氣體分布板的開孔率對流化特性的影響

圖8顯示不同粒徑的硅粉在氣速為1.56×10-2m/s 下的固含率相對標準偏差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%時的Ss變化更加平穩.且相比其他3種開孔率,Φ=0.8%時整體的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%時相比其他3種開孔率,其Ss值的變化曲線波動較小,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,隨著開孔率的增大Ss變化更加平穩,而整體的Ss值增大,顆粒分散不均勻,流化質量變差.

(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Cv隨分布板開孔率的變化情況.從圖9可以看出,對于粒徑為4.67×10-5m 的硅粉,隨著開孔率的增大Cv逐漸減小,即Φ=0.81%時Cv最小,硅粉在流化床分布較均勻,流化質量較好;對于粒徑為1.65×10-4m 的硅粉,隨著開孔率的增大Cv先減小后增大,即Φ=0.67%時Cv最小,硅粉在流化床分布較均勻,流化質量較好;對于粒徑為3×10-4m 的硅粉,隨著開孔率的增大Cv先增大后減小,即Φ=0.25%時Cv最小,硅粉在流化床分布較均勻,流化質量較好.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化率,在流化較小粒徑的硅粉時,建議分布板開孔率采取高開孔率;在流化較大粒徑的硅粉時,建議分布板開孔率采取低開孔率.

3 結 論

有機硅單體合成流化床基于雙流體模型進行模擬計算.模擬完成后流化床分布板上方 0.05 m 處固體體積分數的模擬數據與實驗數據吻合較好,從而驗證了模型的準確性;對網格間距分別為 0.000 9 m×0.000 9 m、0.001 m×0.001 m、0.002 m×0.002 m 的流化床進行模擬計算,不同網格下的固相體積分數相差較少,從而驗證了網格的獨立性.

1)隨著氣速的增加,床層空隙率增大,且氣速達到 1.1Umf之后空隙率變化趨于平穩.除此之外,當氣速小于 1.1Umf時,隨著流化床軸向高度的增加,η先增大后減小;而氣速達到 1.1Umf后,隨著流化床軸向高度的增加,η先減小后增大;當氣速為 1.1Umf時η最小.在實際生產中,推薦流化床入口氣速選擇 1.1Umf,顆粒流態更加穩定,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,顆粒在床內分布越分散,平均體積分數越小.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,說明小粒徑硅粉氣固之間充分接觸,有利于提高產率.在實際生產中,推薦使用較細的硅粉可以使得床內硅粉的流化和混合更加劇烈,對床內反應觸體的生成有一定的促進作用.

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