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)對顆粒濃度分布的影響，該文采用CFD數(shù)值模擬和實驗的方法對流化床內(nèi)部流場進(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。實驗得出含指型管內(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

中圖分類號：TQ264.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：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，在各個工業(yè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用[1-2]。有機硅流化床反應(yīng)區(qū)內(nèi)氣固相流體分布不均勻、局部過熱結(jié)碳嚴(yán)重，這直接影響了反應(yīng)器的穩(wěn)定運行和產(chǎn)物品質(zhì)。因此，國內(nèi)的有機硅流化床通常采用指型管和U型管式換熱管束來移除反應(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流場狀態(tài)的影響，還會存在氣固兩相流體的不均勻分布和局部過熱現(xiàn)象[3]。在內(nèi)構(gòu)件的研究上，徐守民[4]對反應(yīng)器進(jìn)行了深入分析，并進(jìn)行了設(shè)計改進(jìn)，通過優(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]通過實驗考察脈沖反吹以及催化劑濃度對直接法反應(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]通過對氣體分布管的重新優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了均勻進(jìn)氣，有效改善了傳熱傳質(zhì)效率。針對有機硅流化床反應(yīng)器內(nèi)存在的氣泡引起的傳熱不均和床體晃動問題進(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)化過程的因素，分析換熱管內(nèi)構(gòu)件對流化床反應(yīng)器內(nèi)流場流化性能的影響，保證流化床流態(tài)化過程充分穩(wěn)定的實現(xiàn)，提高有機硅流化床的運行效率和穩(wěn)定性至關(guān)重要。本文采用實驗和數(shù)值模擬獲得了不同內(nèi)構(gòu)件結(jié)構(gòu)對流態(tài)化過程的影響規(guī)律。研究結(jié)果對于流化床反應(yīng)器的設(shè)計優(yōu)化與過程強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，基于計算流體力學(xué)（CFD）利用雙流體模型（TFM），對帶換熱管內(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)流場特點和顆粒運動，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個部分組成。為了減少計算量，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)。為了模擬真實情況，流化床的床壁采用了無滑移邊界條件，以盡可能減小邊界對流動的影響。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 模型驗證

利用軸向高度固含率實驗數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行了可靠性驗證。如圖2所示，發(fā)現(xiàn)在相對高度一致時，模擬得到的軸向濃度變化趨勢與實驗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)的流場模擬情況，模擬分析了開始前10 s的動態(tài)變化情況。

2.1 內(nèi)構(gòu)件結(jié)構(gòu)對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，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。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，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左右波動至h=200 mm后，下降至0.49左右波動至流化區(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左右波動至h=150 mm后，下降至0.47左右波動至流化區(qū)域結(jié)束。

2.2 內(nèi)構(gòu)件結(jié)構(gòu)對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?？沾步Y(jié)構(gòu)時，在h=100 mm時，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個部分。在h=200 mm時，固體顆粒截面面積占比僅為32.9%；在向上的過程中氣泡又發(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，氣體開始向四周擴散，與顆粒混合形成較好的流化形態(tài)。綜合來看，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 實驗研究

3.1 實驗裝置及流程

實驗采用由亞克力流化床反應(yīng)器、風(fēng)機、氣體流量計、收集裝置等搭建了實驗測量系統(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，整個床高650 mm，實驗流化床壁厚為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，開孔率21.6%。物系采用空氣與二氧化硅顆粒進(jìn)行實驗。氣相通過風(fēng)機連接氣體流量計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。本實驗旨在比較2種有機硅流化床在不同換熱管內(nèi)構(gòu)件下的性能差異。通過測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)件對流化床性能的影響。實驗流程如圖6所示，流化床中顆粒經(jīng)入口風(fēng)機調(diào)控達(dá)到合適的流化狀態(tài)后，在選取的不同位置處測量吸出的顆粒與氣體含量。流化床實驗設(shè)備實物圖如圖7所示。

3.2 實驗結(jié)果與分析

實驗測得的數(shù)據(jù)為流化床截面的一半位置，但每組實驗進(jìn)行了5次，每次2 min，所以在做徑向顆粒濃度分布時，進(jìn)行了修正，補全了對稱部分。

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。對含不同內(nèi)構(gòu)件結(jié)構(gòu)的流化床反應(yīng)器做出對比，在空床氣速為0.4 m/s時，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處與前兩個截面對比呈現(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)值模擬計算方法和實驗研究相結(jié)合的方式，為了研究流化床內(nèi)部結(jié)構(gòu)對氣固流化床兩相流動特性的影響，研究了內(nèi)構(gòu)件結(jié)構(gòu)對流態(tài)化過程的影響規(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，對同一氣速下空床、指型管、U型管3個結(jié)構(gòu)的顆粒濃度分布圖并對照分析，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實驗研究不同位置處的徑向顆粒濃度分布。對含不同內(nèi)構(gòu)件結(jié)構(gòu)的流化床反應(yīng)器做出對比，在空床氣速為0.4 m/s時，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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