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沉浸管式流化床的多相流模拟与结构优化 摘要 本文针对大型流化床反应器存在进气不均、易产生大气泡和颗粒团聚体，对 于强放热或吸热反应须在流化床内设置管式内构件以及时取热或加热，出口气体 带出的固体颗粒量较大等弊端，进行了流场模拟与实验研究。内容包括： 设计了双锥导流式进气分布器，并利用f u e n t 软件对不同结构参数下分布器 的流场进行了数值模拟。模拟结果表明：外锥的设立，避免了不能使气体均布的 弊端；合理调整导流口的位置与尺寸能确保流体沿分布器内锥表面压力均布；分 布器内气体分布不均匀度随内锥开孔率的增加先减小后增大，并沿流体的流动方 向有降低的趋势；当内锥丌孔率为0 8 一l ，锥角采用6 0 0 时气体分布器的不均匀 度小、压降低。并且利用实验验证了上述模拟结果。 对三种不同外形的流化床进行了模拟。结果显示，流化床的扩大段对床内部 流场的影响显著。三种拥有扩大段的床形在降低密相床层高度、颗粒速度方面要 好于普通圆筒形流化床。圆锥形流化床，降低了颗粒扬析，但容易出现沟流；当 静床床面低于扩大段下端的流化床时，不适宜的结构尺寸会造成内部气泡尺寸较 大、易聚并发生节涌；对静床床面位于扩大段下端，床层尺寸比例设计合理时， 密相床层高度低，内部气泡尺寸较小、颗粒的扬析量少、流场稳定，与实验结果 吻合。 作者对加入垂直与水平两种沉浸管的流化床内部流场进行了研究。对垂直沉 浸管式流化床的模拟表明：垂直管上方与下方床层内的颗粒有从流化中心向边壁 运动的趋势，而垂直管区域内的颗粒沿轴向向上运动；垂直管的加入破碎了流化 床内的大气泡、减缓了气泡上升速度、减弱了气泡聚并；降低了垂直管上方床层 区域内的颗粒固含率，减少了颗粒的扬析；适当加大垂直管间距可以有效降低壁 面处的颗粒固含率及密相床层高度。对水平沉浸管式流化床的模拟发现：床内一 定数量的管道被“气穴”包围，且管间距减小后，“气穴增多；床内管束采用 正三角与正方形两种排列方式均能降低管束上方区域内的颗粒固含率；管束呈三 角形排列时密相床层高度较低，且颗粒在中心区域具有较高的轴向速度，有助于 减少“气穴现象。 关键词：双锥导流式进气分布器扩大段沉浸管式流化床数值模拟 m u l n p h a s ef l o ws i m u i 。久n o na n d s t r u c t u r a lo p t i m i z a n o no f i m m e r s e dt u b ef l u i d i z e db e d i nt h i sp a p e r , af l o wf e l ds i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a ls t u d yw e r er e s e a r c h e d b e c a u s co fu n e v e ni n t a k ea n de a s yt oh a v eab i gb u b b l ea n dp a r t i c l ea g g r e g a t e s ，s e t t i n g u pb a f f l ef o rt r a n s f e r r i n gh e a ta n dh e a t i n gi ns t r o n ge x o t h e r m i co re n d o t h e r m i c r e a c t i o n ，b r i n g i n go u tal a r g e rn u m b e ro fs o l i dp a r t i c l e sb ya i r - o u ti nt h ei n d u s t r i a l s y n t h e s i so fo r g a n i cs i l i c o nm o n o m e rr e a c t i o n t os o l v et h e a b o v ep r o b l e m ，t h e s p e c i f i cr e s e a r c ha sf o l l o w ： t h ew r i t e rd e s i g n e dt h ed o u b l ec o n ed i v e r s i o ni n l e td i s t r i b u t o ra n ds i m u l a t e d v a r i o u ss t r u c t u r a lp a r a m e t e r so ft h ef l o wf i e l dd i s t r i b u t i o nw i t hc f ds i m u l a t i o n s o f t w a r e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a to u t s i d ec o n ec o u l da v o i dt h ed r a w b a c k so f a s y m m e t r i cg a sd i s t r i b u t i o n ；r e a s o n a b l ea d j u s t m e n t st od i v e r s i o nt r e n c hl o c a t i o na n d s i z ec o u l de n s u r et h eu n i f o r mp r e s s u r ed i s t r i b u t i o na l o n gt h ei n n e rs u r f a c eo fi n n e r c o n e w h i l et h er a t i o so fa p e r t u r ei ni n n e rc o n ei n c r e a s e d ，g a sd i s t r i b u t i o nu n e v e n d i s t r i b u t i o ni n c r e a s e da f t e rt h ef i r s td e c r e a s e ；v i 0 1 1 e nt h ev a l u eo fr a t i o so fa p e r t u r e a n di n s i d ec o n ea n g l ew a s0 8 1 a n d6 0 0 , p r e s s u r ed r o pa n du n i f o r mg a sd i s t r i b u t i o n r e a c h e dp e r f e c t a b o v ea l la n a l o gv a l u ec o r r e s p o n d e dw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a t h ef l o wf i e l dd i s t r i b u t i o no ft h r e ed i f f e r e n te x t e r n a ls h a p ef l u i d i z e db e dw a s s i m u l a t e d a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，c o n i c a lf i u i d i z e db e dw a sp r o n et o c h a n n e l i n gf l o w , r e d u c i n gg a su t i l i z a t i o n ；t h ef l u i d i z e db e dt h a ts t a t i cb e dh e i g h ti s l o w e rt h a nt h eb o t t o mo ft h ee x p a n d i n gs e c t i o nt h a ti n t e r n a lf l o wf i e l dw a sv o l a t i l e ， w h e ni n a p p r o p r i a t es i z eo fi tw a se a s yt og r o wl a r g eb u b b l ea n dh a ds l u g g i n g p h e n o m e n o n ；t h ef l u i d i z e db e dt h a ts t a t i cb e dh e i g h ta tt h eb o t t o mo ft h ee x p a n d i n g s e c t i o nh a dl o w e r d e n s eb e dh e i g h t ，s m a l l e rb u b b l es i z e ，l e s se l u t r i a t i o n t h e s i m u l a t i o nr e s u l t sc o r r e s p o n d e dw i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t s a u t h o rs t u d i e dt h ef l o wf i e l do ff l u i d i z e db e dj o i n e dt h ev e r t i c a la n dh o r i z o n t a l i m m e r s e dt u b e s s i m u l a t i n gv e r t i c a li m m e r s e dt u b ef l u i d i z e db e ds h o w e d ：p a r t i c l e s f l o w e df r o mt h ec e n t e rt ot h ee d g eo fw a l li nt h et o pa n db o t t o mo fv e r t i c a lt u b e s ，a n d p a r t i c l e si nt h ev e r t i c a lt u b e sb a n kf l o w e da l o n gt h ea x i a lu p w a r d ；v e r t i c a lt u b e s b r o k e nt h el a r g eb u b b l e si nf l u i d i z e db e d ，r e d u c e dt h eb u b b l er i s ev e l o c i t y , w e a k e n e d b u b b l ec o a l e s c e n c e ，r e d u c e dp a r t i c l ec o n c e n t r a t i o na b o v et h ev e r t i c a lp i p er e g i o n ，8 0 p a r t i d ee l u t r i a t i o nd e c r e a s e d ；a p p r o p r i a t et oi n c r e a s et h es p a c i n gc a ne f f e c t i v e l y r e d u c e p a r t i c l ec o n c e n t r a t i o na l o n gt h ew a l la n dt h eh e i g h to fd e n s ep h a s eb e d s i m u l a t i n gh o r i z o n t a lt u b ef l u i d i z e db e ds h o w e d ：ac e r t a i nn u m b e ro fc h a n n e l sw e r e s u r r o u n d e db y “c a v i t a t i o n s ”，w h e nd e c r e a s i n gt h et u b e s s p a c i n g ，t h e n u m b e ro f c a v i t a t i o n si n c r e a s e d ；t h et u b e st h a ta r r a n g e db yt r i a n g u l a ra n ds q u a r ec o u l dr e d u c e p a r t i d ec o n c e n t r a t i o na tt h et o po ft h et u b eb a n d ；t h eb e dt h a tt u b e sw e r ea r r a n g e db y t r i a n g u l a rh a dt h el o w e rb e dh e i g h t ，a n dt h ep a r t i c l e si nt h ec e n t r a lr e g i o nh a dah i g h e r a x i a lv e l o c i t y , w h i c hc o u l dr e d u c et h e “c a v i t a t i o n s ”p h e n o m e n o n k e yw o r d s ：d o u b l ec o n ed i v e r s i o ni n l e td i s t r i b u t o r , e x p a n d i n gs e c t i o n ， b a f f l e df l u i d i z e db e d ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 英文字母 流化床横截面积，m 2 曳力系数 常数 流化床直径，朋 球体颗粒直径，m 颗粒平均直径，m 等体积当量直径，m 弹性回复系数 作用力， 重力加速度，彬 径向分布系数 乳相膨胀床层高度，m 最小流化速度下的床层高度，m 应力张量 床层扬析量，k g d s 相间交换系数 颗粒能量扩散系数，k g ( m 神 湍动能。矗f 矗 质量，磁 钆 “ d d 以丸 q f g 踟 k：， 墨k k m 希腊字母 时 pg 气体不均匀度 流化数 床层压降，p a 升速法中出现的最大床层压降，p a 分布器入口压力，p a 气体通过分布器后的压力，p a 初始流化条件下的雷诺数 颗粒雷诺数 颗粒的终端雷诺数 径向坐标，m 半径，m 时间，s 沉降分离高度，m 流体表观速度，m s 最小流化速度或临界流化速度，m s 颗粒终端速度，m s 初始流化条件下的床层空隙率 流化气体的粘度，p 口s m “ 町 p 0 厶 ， m 卸 饥 厶 睇照 尸 r f | 蓦 u 哳 i l l 颗粒黏度，p a s 流化气体的密度，k g m 3 进气固体密度，k g m 3 碰撞能量损失，k g ( j 训 扩散系数，k g m 颗粒温度，舻舻 颗粒的球形度 动力学黏度，k g ( s 州 运动粘度，c m 2 s q 湍流强度影响因子 湍动能耗散率，m w 分布器开孔率 堆积 碰撞 最大压降 最小流态化 摩擦 气相 纵 乃 砟 l 吼 叱 矾 d 名 占 口 蓬 6 耐 一 步 g i v 动能 固相 最终的( 如。为终端速度) 应力张量 常数，i ：1 , 2 , 3 分别代表x ，y ，z 三个方向 常数，- ，= 1 , 2 , 3 分别代表x ，y ，z 三个方向 常数，k - 1 , 2 , 3 分别代表x ，y ，z 三个方向 坐标轴方向 z 万 匕 砌 s 矿 r ， 歹 后 矾 沉浸管式流化床的多相流模拟与结构优化 声明 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请 的论文或成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了 明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 日期：年月 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解青岛科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人离校后发表或使用 学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为青岛科技大 学。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 本学位论文属于： 本人签名： 导师签名： 保密 不保密 因 在年解密后适用于本声明。 囱 ( 请在以上方框内打“ ) 日期：年 月日 日期：年月日 青岛科技大学研究生学位论文 i - - j l 刖舌 有机硅材料是近几十年发展起来的新型化工材料，因其优异的性能而得到了 广泛的应用。在化工行业，虽然有机硅材料按其消费量计算所占比例不大，但在 国民经济中发挥着不可替代的重要作用。有机硅材料的开发应用，促进了许多技 术领域的变革和发展。制备有机硅材料离不开有机硅单体，甲基氯硅烷是最重要 也是用量最大的单体，是整个有机硅工业的基础和支柱。直接法合成甲基氯硅烷 的反应器经历了固定床、搅拌床向流化床发展的过程。固定床仅在实验室中评价 催化剂时使用，搅拌床主要用在规模较小的装置上。由于反应物料在流化床反应 器中具有良好的气固接触氛围、传热性能、高固含率及较低的轴向返混等优点， 所以甲基氯硅烷的大规模生产均采用流化床反应器。 但是目前合成有机硅单体的流化床反应器中，采用的气体分布器难以使气体 实现较好的均布，造成床内流化条件不一，产生偏流；床内的大气泡和颗粒团聚 体没有得到有效控制，常出现局部过热现象；没能考虑如何减少反应物料和催化 剂带出及被带出的催化剂的及时回床，造成床层内的催化剂量不恒定，反应工况 参数波动较大，从而使操作控制存在难度、产品质量不稳定。 本论文研究的内容是设计一种新型的气体分布器，以消除大型流化床反应器 进气不均匀的弊端：模拟不同的结构外形的流化床反应器，重点考察了流化床上 部扩大段对反应器内部流场的影响，以使进入自由空域的粗颗粒能及时回床，减 少催化剂带出量；考察了流化床下部反应剧烈区增设垂直与水平两种传热内构件 后，床内气泡及颗粒团聚体的行为。即采用c f d 技术考察固体颗粒经过内构件作 用时，床内颗粒固含率、速度等的分布，并对内构件在不同间距、排列方式对流 场的影响进行了分析。作者亦设计搭建了流化床实验台，通过实验验证了模拟结 果的可靠性。 沉浸管式流化床的多相流模拟与结构优化 1 文献综述 1 1 引言 有机硅是一类品种众多、性能优异和应用广阔的新型化工产品。当前各类硅 烷、硅氧烷中问体以及由其制得的硅油、硅树脂、硅橡胶等产品，已经广泛应用 于电子电气、建筑、汽车、纺织、轻化、化妆品、医疗、食品等行业，并发挥了 积极的作用。结构新型的有机硅材料成为高新技术领域、国防工业和国民经济领 域不可或缺的关键材料，对高科技和产业结构优化升级发挥着r 益重要的作用【1 1 。 甲基氯硅烷是最重要也是用量最大的有机硅单体，是整个有机硅工业的基础 和支柱。目前有机硅单体甲基氯硅烷的生产装置越来越表现出大型化、高度自动 化和注重规模经济的发展趋势。产品收率和质量进一步提高，而且产品繁多，每 年都开辟出一批有机硅应用的新领域。预计2 0 1 0 年我国有机硅单体以甲基氯硅烷 计，总合成能力将超过1 5 0 万伽，成为全球最大的有机硅单体生产国。尽管近年 来我国有机硅产量增长很快，但仍不能满足国内迅速增长的需求。据统计，目前 我国有机硅单体大约6 0 依靠进口f 2 】。虽然国内有机硅单体的生产能力已具有了 一定的规模，并且单套装置的生产能力也达到了国外的先进水平，但是主要的技 术指标与国际先进水平相比仍然存在一定的差距，例如，氯甲烷单耗指标国际先 进水平可达o 7 9 价，而国内先进水平则为0 8 5t t1 2 】。 1 2 有机硅单体的合成 1 2 1 工业合成甲基氯硅烷的研究 现代有机硅和有机硅工业的产生始于格利雅反应。1 9 0 4 年e s t a n l e yk i p p i n g 署1 d i l t h e y l 3 l 通过格利雅反应合成了有机硅化合物，这是有机硅发展史上的一大飞 跃，迄今它仍是实验室合成含s i c 化合物的重要方法。虽然格利雅试剂可以形成 很多种不同的s i c 键，但在现代有机硅工业中，它己经被更为有效的方法所替代， 最著名的就是具有原料易得、工序简单、不用溶剂、时空产率高，且易于实现连 续化大生产的直接合成法。1 9 4 1 年，罗乔( e g r o c h o w ) 首先提出了直接法合成 有机氯硅烷。次年，穆勒( r m u l l e r ) 也取得了专利。 r o e h o w m u l l e r 直接合成法： 2 青岛科技人学研究生学位论文 m e s i c l 3 c h 3 c z + 箜业堑讹2 s i c l 2( 1 - 1 ) m e 3 s 记l 氢化硅烷化反应： r c h - c h 2 + h s i c l 3 r c h 2 c h 2 s i c l 3 ( 1 - 2 ) 但从r o c h o w 的首次成功的实验放大到真正的工业上的大规模的生产却是一 个漫长的过程，先后有很多科学家致力于这个项目的研究【3 1 。对于综合性生产厂 来说，直接法是必不可少的，但还需辅以其他方法，方能满足生产需要和降低生 产成本的要求。基于当前使用的有机卤硅烷的生产方法普遍存在能耗高、产物分 离困难及腐蚀性强的缺点，各国均在探索合成有机硅的新方法，包括元素硅与醚 直接合成烷氧基硅烷，由二氧化硅或硅酸出发制备有机硅单体或有机硅氧烷等【4 1 。 1 2 2 直接法合成有机硅单体的原理 在理想情况下，由硅与氯甲烷出发的直接法反应，可简单用下式表示： 2 c h 3 c z + 屿( c 日3 ) 2 彤a 2 ( 1 - 3 ) 但实际过程比较复杂，还要伴随发生以下一系列副反应： 4 c h 3 c l + 2 肼( c 日3 ) 3s i c l + c 日3 彤a 3 3 c h 3 c l + 研一2 c h 3 + c 日3 吼 2 c h 3 一c h 3 c h 3 2 c h 3 c z c 日2 ；c h 2 + 2 h c lt( 1 - 4 ) c h 3 c 1 + h c i + 叫c h 3 s i h c l 2 3 c h 3 c 1 + 研一( c h 3 ) 3 s i c i + a 2 2 c 1 2 + s _ s f c 反应过程中还可能发生热分解、歧化以及氯硅烷水解( 原料带进的水分) 等 副反应，致使反应产物变得更为复杂，甲基氯硅烷产物组分可多达4 1 个【4 】。 在实验室条件下，直接法合成产物中m e 2 s i c l 2 的含量可以高达9 0 以上。但 在工业生产中却不易实现。当前，随着严格控制硅粉及氯甲烷杂质含量，使用高 活性铜粉催化剂及多组分助催化剂，及随着流化床结构及流态化技术的进展，产 3 沉浸管式流化床的多相流模拟与结构优化 物中m e 2 s i c l 2 的含量已获得大幅度提高【4 】。 1 2 3 流态化技术 1 2 3 1 流态化概述 固体颗粒象流体一样进行流动的现象称为流态化。流态化是一门强化颗粒与 流体( 气体或流体) 之间接触和传递的工程技术。按流态化类型可分为三类，散 式流态化、聚式流态化和三相流态化。在液固系统中，当流速增大时，床层逐渐 膨胀而没有气泡产生，颗粒彼此分开，颗粒问的平均距离或床层中各处的空隙率 均匀增大，床层高度上升，并有一稳定的界面。通常两相密度差小的系统趋向散 式流态化，故大多数液一固流化属于“散式流化。散式流态化状态的特点是固 体颗粒均匀的分散在流化介质中，故又称均匀流态化：对于密度差较大的气固系 统，则趋向于另一种流化形式一聚式流态化。床层内存在着显著的不均匀性和不 稳定性，在低气速下，气体凝聚为气泡，成为不稳定性的主要特征。而在高气速 下，颗粒聚集为不断形成而又不断崩溃的团聚体，且在流场中分布不均匀，因而 将气固流态化称之为聚式流态化；对于气液固共存的三相系统，因具有散式流态 化和聚式流态化的双重特征，称为三相流态化【5 l 。 1 2 3 2 流化床合成工艺的优点 流化床是依靠气体或液体的流动带动固体颗粒像流体一样运动，同时在粒子 与流体之间进行反应的装置，其特点是其内部的颗粒处于运动状态且容器内床层 又具有明显的界面。按照流动体系不同，可分为气固相流化床、液固相流化床及 气液固流化床。与固定床、移动床相比有以下优点【5 l ： 1 ) 生产能力大、结构简单、紧凑，符合现代大生产的需要。 劲流化床可以用较细的颗粒，由于细颗粒具有很大的比表面积，有利于气固或 液固相的接触，使传热、传质和化学反应速率都能有很大提高。 3 1 床层与内浸换热表面间的传热系数高，对强放热反应的反应热的移出有极大 的优越性。由于气泡的搅动和颗粒的快速流动，使颗粒在全床内的温度和浓 度均匀一致，能使全床维持在一个很窄的温度范围内。床内的热容量大，热 稳定性高，有利于强放热反应的等温操作。 钟流化床内的颗粒群有类似流体的性质，可以大量的从装置中引入、移出，有 利于使生产过程连续化与自动化，便于进行催化剂的连续再生和循环操作。 5 ) 由于体系内空隙率的变化引起颗粒曳力系数的大幅度变化，以致在很宽的范 围内均能形成较浓密的床层，所以操作弹性大。 4 青岛科技大学研究生学位论文 1 2 4 流化床反应器技术现状 1 2 4 1 反应器的结构 有关流化床的具体结构，综合文献报道，共有柱型流化床、柱锥形流化床、 带脉冲喷流的下锥式流化床、异径流化床、带扩大顶部的下锥流化床，在合成甲 基氯硅烷中获得应用【4 j 。 1 、柱型流化床 该型流化床内部附有换热用的管束，在流化床的中、下部还分别装有内旋风 分离器料腿及触体表面更新装置。操作过程中，通过连续向床内补加相同比例的 触体以维持床层的高度。产物中m ( m e s i c l 3 ) m ( m e 2 s i c l 2 ) 比低于0 2 ，硅利用率 约8 7 ( 质量分数) 。 2 、柱锥形流化床 该型流化床的下部采用倒锥结构，下锥体长度占床高的1 1 0 ，锥度为1 0 0 。 锥下部装有气体分布板，截面积约为床层截面积的1 4 。床内附有换热管及旋风 分离器料腿。采用锥形结构，可大大强化流化床下部的流化质量，对防止和减少 床下部结块及分布板堵塞有好处。产物中m e 2 s i c l 2 含量为7 4 ( 质量分数) 。反应 结束后，床内无结块，分布板不堵塞。 3 、带脉冲喷流的下锥式流化床 它区别于普通下锥床的是，在进料口附加一个为流化床截面积1 巧的单孔 或多孔式脉冲装置，并定时或不定时地向床内吹入大流量的m e c i ，以消除可能 产生的过热点。产物中m ( m e s i c l 3 ) m ( m e 2 s i a 2 ) 比低于o 2 7 ，m e 2 s i c l 2 含量约为 6 5 ( 质量分数) 。 4 、异径流化床 该型流化床由三段不同直径的圆筒管连成，上大下小。下部取小直径可提高 该区域的流化质量；上部取大直径可减少s i c u 触体的带出量。床内不同高度上 装有多个换热器，简体外壁还附有换热夹套。反应时，s i c u 触体由浓相区进料， 在补料口补料以维持床层高度。同时备有上部排渣口以定时或不定时的排除过细 的触体及沉积炭。产物中m e 2 s i c l 2 含量约为6 5 ( 质量分数) 。 5 、带扩大顶部的下锥流化床 该型流化床内附有指管型换热管，简体外附有换热用的夹套。反应中不断由 浓相区补入新触体，可连续反应5 0 0 一1 0 0 0 h ，产物中m e 2 s i c l 2 含量约为 6 5 。8 0 ( 质量分数) 。 5 沉浸管式流化床的多相流模拟与结构优化 c a ) 下键潍仡廉国) 黪经流纯床e 橇镶形瀛纯藏 图1 - 1 _ z - 业_ e i l 种常用的流化床的结构图【6 1 f i g 1 - 1 t h es t r u c t u r eo fs e v e r a lc o m m o n l yi n d u s t r i a lf l u i d i z c db e d s 1 2 4 2 流化床内构件 在流化床内部设置若干层水平挡板、挡网或垂直管束，便构成了内部构件。 其作用是抑制气泡成长并破碎大气泡，改善气体在床层中的停留时间分布，减少 气体返混和强化两相间的接触。常见的内部构件可分为两类： 一类为横向( 水平) 构件，如多孔挡板、挡网、百叶窗挡板( 又称斜片或导 向挡板) 、波纹挡板等，见图1 2 。当气速较低时采用挡网，它一般由金属丝网做 成；我国目前挡板常采用百叶窗式的斜片，这种挡板大致分为单旋挡板与多旋挡 板两种类型。单旋挡板是使气流只有一个旋转中心。根据气流旋转方向的不同， 又可分为内旋挡板及外旋挡板。若气流通过多旋挡板，将产生多个旋转气流，使 气固相充分接触与混合，粒子的径向温度趋于均匀。挡板也具有不利的一面，它 障碍了颗粒的纵向混合，使颗粒沿床层高度按其粒径大小产生分级现象，也使床 层的纵向温差变大，因而恶化了流化质量。颗粒沿四周环隙下降，然后再被气流 通过各层挡板吹上去，从而构成一个使颗粒可以循环的通道。环隙越大，颗粒循 环量就越大。环隙的大小还应视过程的特点而异，颗粒作为载热体时，环隙宜大； 颗粒作为催化剂时，环隙宜d d 7 1 。 另一类为纵向( 垂直) 构件，如简单垂直管束、翅片管束等，见图1 3 。简 单垂直管束在制造和使用上比较方便。翅片管束的作用与简单管束相似，附设翅 6 青岛科技大学研究生学位论文 片的目的在于增进传热1 7 1 。 垂直管束具有延缓气泡在床内上升速度、增进气固之间接触、减少气粒带出 与减少放大效应等优点，另外垂直管束不会造成床层内的纵向温度梯度。北京化 工研究院同在二维床中研究了垂直构件对气泡现象的影响，认为垂直构件在细颗 粒床中的主要功能在于传热，而对粗颗粒床则对气泡起一定的限制作用，但需适 当控制构件直径与气泡直径的比例。流化床内垂直管的特征通常用“当量直径 d 。来表示。 见借量直径) = 鑫箫淼( 1 - 5 ) ( 筛嘲 ：岭溉涮- ， ) 干骑w 惭网( ：波绀i 橛 图1 - 2 水平构件示意图 f i g 1 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h el e v e lc o m p o n e n t 图卜3 垂直构件示意图 f i g 1 - 3s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ev e r t i c a lc o m p o n e n t 第三类为横向构件和纵向构件相结合的方案，如塔型立式构件、脊形构件f 5 】。 目前，流化床反应器内部换热均采用指管结构，指管内部的导热油作为冷却 介质取出反应热。同时，指管及支架构成纵向构件，以避免床层内产生过大的气 泡和颗粒团聚体。在床层横截面上，指管可呈三角形或正方形排列。具体指管结 构如图1 4 所示。 7 沉浸管式流化床的多相流模拟与结构优化 1 一 渺 图4 a 指形管串联的形式图4 b 花板形式 图1 4 指形管结构示意图 f 远1 _ 4s c h e m a t i cd i a g r a mo ft u b e - s h a p e ds t r u c t u r e 1 2 5 对现有有机硅单体合成流化床反应器的分析 现有有机硅单体流化床反应器均采用指管式换热，但出料方式有顶部侧向出 料和顶部封头中心出料两种。但运行中存在以下问题： 指管多级串联的优点是顶部不设花板，气流携带粉尘可直接穿过顶部指管架 从反应器顶部封头中心流出，避免了侧向出气易产生气体偏流、流动死区，导致 局部过热，催化剂烧结失活，反应效率降低等问题。缺点是，多级串联后形成多 管程传热，排列在i j 的指管中导热油温度低，排列在后的导热油温度高，即不同 管程的指管外管表面温度相差较大，各指管表面与反应流体换热不均匀，导致床 内温度不均一，出现副反应加剧和局部过热等现象，影响目的产物的实际收率。 采用花板分布指管的反应器的优点是，可实现单管程传热，使各指管表面与 反应流体之间换热相对均匀，径向和轴向温度梯度较小，移热速率相对恒定。但 其缺点是必须采用侧向出料，易导致气体偏流，而且因无法设置顶部集气缓冲区， 较大粒径的催化剂亦会随气体流出，若催化剂不能及时返回流化床反应器，仍采 用问歇集中补料，会使床层内催化剂的总质量( 或总体积) 波动很大，从而影响 反应速率和反应热效应，导致稳态操作点的变化，引起温度等操作参数的较大变 化增加操控的难度，对产品的质量控制和产率均存在不利影响。 8 v 青岛科技大学研究生学位论文 固体颗粒的流化质量与反应器底部气体分布器的设计密切相关，一般要求进 气沿整个塔截面均布，且不产生“大气泡”。国内现有流化床气体分布器大致有 两种，一是锥体筛板型，其结构见图1 5 a 。锥体侧壁开有一系列均匀布置的筛孔， 开孔直径与孔数可根据工艺要求的气体流量与流速确定。锥底接催化剂导入管， 催化剂加入时，由惰性气体或循环气通过锥底接管喷入床层。采用锥形结构，可 大大强化流化床下部的流化质量，对防止和减少床下部结块及分布板堵塞有利。 气体分布板亦有泡罩平板型( 见图1 - s b ) ，但应独立设置添加催化剂给料装置。 气体 图5 a 锥体筛板型气体分布器图5 b 泡罩平板型气体分布器 图1 - 5 两常用气体分布器结构示意图 f i g 1 - 5t w oc o m m o n l yu s e ds t r u c t u r eo fg a sd i s t r i b u t o r 国内开发的有机硅单体流化床反应器，在反应器上部的设计( 例如扩径等) 没能考虑如何减少s i c u 反应物料和催化剂的带出量、避免反应产物产率及含量 等指标的波动等问题，如对于反应器出口气体所带催化剂均采用器外分离集存， 集中补加的方式返回反应器，造成反应床层内的催化剂量不恒定，反应工况参数 波动较大，从而使操作控制存在难度及产品质量不稳定。 国内设计的有机硅单体合成流化床反应器，使用时指管下段管壁上有结炭现 象，其主要原因是：新补加的催化剂首先进入该区域，因催化剂活性高，物料反 应剧烈；若气体分布不均，且有大气泡和颗粒团聚体存在时，在此区域出现局部 过热；指管取热不及时，且不均匀，导致局部过热结炭。 综上所述，国内现有有机硅单体流化床反应器，虽基本能实现连续运行，但 存在诸多弊端，如换热不均、反应收率低、能耗及催化剂单耗高。新开发设计的 反应器，应围绕上述问题的解决优化设备结构，提高反应收率。 1 3 气体分布器的研究现状 从上世纪八十年代开始，随着填料塔的大型化与新型填料的开发，流体在塔 9 沉浸管式流化床的多相流模拟j 结构优化 内的均匀分布同益受到国内外学者的重视。气体分布器和液体分布器作为大型填 料塔重要的塔内件，其性能的优劣，对全塔效率的发挥乃至产品的质量往往起关 键性的影响。国内外学多学者对流体在塔内的均布程度对塔整体性能的影响进行 了大量的研究工作【8 - 9 】。 o t e r o a r 和m u n o z 1 0 】通过对流化床内泡罩分布器的分析，研究了分布器对流 化质量及压降的影响。另外，m o r is 和w e nc y 【儿1 对各种分布器因形成的初始气 泡的不同，而导致的流化床内颗粒流动特性的变化规律进行考察。气体分布不均 可能会引起液泛，破坏全塔正常操作。k o u r irj 【1 2 】通过在妒8 0 0 m m 的塔中做实验， 研究了气液分布器对填料层内的气液分布的影响，发现气流初始分布不均，导 致液流分布变差，塔内的擘流和沟流现象严重，严重影响气液传质与分离效率。 良好的进气结构应具有下列主要特点： 1 ) 入塔的气流经过进气结构分布后能均匀流入塔器； 2 ) 流动阻力小；雾沫夹带少。 3 、) 占空间少，结构简单，安装方便。 1 3 1 进口管结构研究 无论哪一种进气结构，进口管的结构形式以及尺寸大小均会影响气体的均 布。进口管结构对管子出口射流的速度分布影响显著，从而影响到塔内速度分布。 下图1 - 6 为主要的6 种进气管结构形式【1 3 】： 疆b cd 9 坷蜘蜘蝴蜘蜘 图i - 6 六种进气结构 f i g 1 6t h es t r u c t u r eo ft h es i xi n l e t s ( a ) 水平直管；( b ) 9 0 0 弯管；( c ) 弯管后接扩散管；( d ) 1 3 5 0 弯管； ( e ) 直角弯管，在弯管处加有整流隔板；弯管后接有带整流隔板的扩散管。 1 3 2 气体预分布器的结构型式 气体预分布器是指当气体进入分布器之i j f ，先将气体进行预分布，这样可改 善气体的分布，由此可增加分布板的临界丌孔率，减少了气体通过分布板的动力 1 0 青岛科技大学研究生学位论文 消耗。国内一般常采用的气体预分布器的主要形式有【1 4 】：弯管式、开口式、同心 圆锥壳式、锥底填充式等。弯管式预分布器( 图1 - 7 a ) 结构简单，应用最广。开 口式预分布器( 图1 7 b ) 与弯管式预分布器有相同的作用，属于同一类型。同心 圆锥壳预分布器( 图1 - 7 c ) 的优点是结构简单，阻力小，效果好，它和分布板联 合使用可大大减少气体分布装置的临界压降，另外应使气体通过任意截面的阻力 相等，达到气体预分布的目的。另一种形式为锥底填充预分布器( 图1 - 7 d ) ，这 种预分布器可大大改善气体的径向分布，但阻力较大。气体预分布器都安装在反 应器的锥底部分，且锥角多取6 0 。 l 、 。 、lo 1 3 3 分布板的结构型式 l 1 | 。一p | 卜1 殆7 c慰 图1 - 7 气体预分布器 f i g 1 7g a sp r e - d i s t r i b u t i o ns t r u c t u r e 分布板的结构形式繁多，主要有直流式、侧流式、填充式、短管式、多管式 以及无分布板的旋流式【1 4 1 。图1 8 给出了部分常用的分布板的示意图。 1 、直流式分布板( 图a 、b 、c 、d ) 结构简单，易于设计、制造。a 为单层直 孔式多孔板、气流方向正对床层，易使床层形成沟流，且小孔易堵塞，多用于实 验室。b 是用两层错迭的多层板，它可以克服单层直孔板的缺点，这种型式分布 板在工业上操作方便，它不但保留了单板易设计、加工的优点，而且具有良好的 气体分布性。弧形板( 图c 、d ) 多用在颗粒的负荷较重，采用平分布板易受压弯 曲，大直径床中。这种分布板能经得住热应力，凹形筛板可抵消气体易从床中心 处偏流的倾向、强度也较高，能承受热膨胀，筛板虽有可能漏料和在板上出现死 区，但如颗粒流动性能好，筛孔气速足够高，而且压降适当，是最简单适用的型 式。a 如周围的孔数比中心多，也能使流体分布均匀，但c 、d 型式的分布板制作 比较困难。 1 1 沉浸管式流化床的多相流模拟与结构优化 国+ 。 国 国p 、 国国 ， 国国， d ， 国 l 一 、 ，衙 翥f 飘i 雾一i 1 嚣划 ，1 ，* ：i i q 1 f 【、 j 7 j j l ： | 修眵 图1 - 8 常用的气体分布器的示意图 f i g 1 - 8t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fc o m m o n l yu s e dg a sd i s t r i b u t o r 2 、侧流式分布板( c 、f 、g ) 。分布板的孔中装有锥形风帽，气流从锥帽底部的 侧缝或四周的侧孔吹出，其中e 、f 为侧流式分布板，e 为侧缝式锥帽分布板，f 侧孔式锥帽分布板，它们在我国流态化催化反应器中应用最广，效果也较好。其 优点是风帽做成锥形，固体颗粒不会在风帽顶部形成死床，以及气体紧贴分布板 面吹出，可消除在分布板面形成的死区，另外每三个风帽之间又形成一个小锥型 床，许多小锥形床的形成有利于床层流化质量的改善。喷嘴型式f 与泡帽分布板 g ，可防止颗粒通过分布板下落，尽管其结构复杂，但目前工业上还广泛采用。g 为泡帽分布板，气孔有水平也有下斜的，帽顶要有一定角度，防止物料堆积其上。 3 、填充式分布板( 图h ) 是在多孔板上铺上金属丝网，在间隔地铺上卵石、 石英砂，最上层用金属丝网压紧。但操作时，固体颗粒一旦进入填充层就很难被 吹出，容易烧结，长期使用后常常松动，移位，使布气均匀度降低。因此此型板 目前很少采用。 4 、管式分布器( 图i ) 是近年来发展起来的新型分布器，它在整个分布板上 均匀设置了若干根短管，每根短管下部有个气体流入的小孔，由于气体向下射 出，可消除床层死区，也没有固体泄漏问题，还可以根据工艺要求进行设计，以 国椤、憩羚斤 梦隧匿愁翻国 青岛科技大学研究生学位论文 达到均匀布气或非均匀布气的要求，另外分布器本身不同时支掌床层的重量，因 此分布器可做成薄型结构型。 5 、无分布板的旋流式喷嘴( 图j ) 常用于流态化煤气发生炉。气体通过六个 向上倾斜1 0 。的喷嘴喷出，中部的二次空气喷嘴均偏离径向2 0 。以5 。，造成向上旋 转的气流。这种型式分布器多用于对产品要求不严的粗粒流化床中。 1 3 4 填料塔气体分布器的开发 为满足新型填料塔和塔的大型化对气体良好初始分布的要求，近十几年来， 国内外许多学者致力于这方面的研究，开发出来了多种形式的，功能齐全的气体 分布器【1 5 l ，其中较为成熟的是双切向环流式与轴径向进料分布器。 9 a 双切向环流式 9 b