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      SiCl4冷氫化反應器床層密度的計算

      2020-05-20 10:46:42李壽琴程茂林陳紹林賈琳蔚甘居富
      四川化工 2020年2期
      關鍵詞:氣速硅粉流化

      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(nèi)發(fā)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(nèi)進行聚式流化。床層內(nèi)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(qū),粗顆粒返回床層內(nèi)與床層中的顆粒形成密相區(qū)。在稀相區(qū)與密相區(qū)之間,具有一個清晰的界面。密相區(qū)作為流化床內(nèi)SiCl4冷氫化反應發(fā)生的主要區(qū)域,其密度對床層內(nèi)硅粉的流化狀態(tài)、氣泡相與乳化相之間的傳質(zhì)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(shù)。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(jié)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(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。

      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(jù)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(tài)化性能。硅粉類似于銳邊砂,球形度φs=0.67。根據(jù)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(jù)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(zhì),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(jié)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(jié)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(jīng)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(nèi),通過計算得到床層密度與實際密度(實際密度根據(jù)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(chǎn)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(jié)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。

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