王在良，畅皓皓，郭建志，苟明松，陈 鹏，许兆美

（1.江苏科圣化工机械有限公司，江苏 淮安223002；2.淮阴工学院机械与材料工程学院，江苏 淮安 223003）

一种用于有机硅流化床反应器的气体分布板的设计

王在良1，畅皓皓2，郭建志2，苟明松2，陈 鹏2，许兆美2

（1.江苏科圣化工机械有限公司，江苏 淮安223002；2.淮阴工学院机械与材料工程学院，江苏 淮安 223003）

针对有机硅流化床反应器中气体分布不均匀的问题，通过气体开孔率与各个参数关系的理论公式，设计了一种新型的气体分布板。依据理论计算，新型的分布板具有以下特点：分布锥角为145°，气体开孔率为15.32%，分布锥体上设置有多个呈上窄下宽的阶梯状的通气孔，通气孔内设置有喷头。通过调整喷头尺寸，改变反应气体通过通气孔后气速的大小。新型分布板的设计，有效地解决了气体分布不均匀的现状，大大提高了分布板的实用效率。

有机硅；流化床；分布板；开孔率

在有机硅流化床反应器中，气体分布板是使气流均匀分布的关键部件。它的作用是支撑固体颗粒物料，使固体颗粒物料受热均匀并处于流态化状态[1]。在现有设计的分布板，呈平板型，对于其上设置的通气孔均是按照以往生产经验设置，没有严谨的理论基础，开孔率不理想，使得气体与硅粉的反应效果差；而且通气孔为直孔，容易导致气流方向正对床层，易使床层形成沟流；另外，开孔率与分布板压降之间存在联系，从而使得分布板压降不理想，导致操作困难，且收率降低。

1 一种新型气体分布板的设计

本文通过设计一种新型的气体分布板，可以让反应器内的气体均匀分布，克服现有有机硅流化床反应器的瑕疵，新设计的气体分布板具有更合理的结构，高效率的传热和传质，接触面积大的氯甲烷气体和硅粉，在硅粉内部有均布的气体。由于有速度较低的气体从出气孔出来，硅粉与换热管之间的摩擦会因为气体扰动而减小，这将增强传热效果，提高设备寿命。

一种用于有机硅流化床反应器的气体分布板，包括分布锥体、贯穿所述分布锥体中心且与所述分布锥体固定的底座，所述分布锥体呈倒锥状，所述分布锥体上设置有多个通气孔，每个所述通气孔呈上窄下宽的阶梯状，所述底座沿轴向设置有贯穿孔，具体结构如图1、图2所示。

图1 一种新型气体分布板的结构示意图

图2 一种新型气体分布板的俯视图

分布锥体之间的分布锥角为140°，该角度的设置，一方面增加了通气孔的数量，增加了分布板的开孔率，大大提高了气体与固体颗粒的反应效果；另一方面，从制造安装的角度出发考虑，若倾角过大，则分布锥体中孔的加工难度增大，对于分布板的加工耗时耗力；若倾角过小，则不利用分布孔多数量的设置，对气体开孔率有一定的影响。

图4为喷头在分布锥体上安装的具体结构示意图。分布锥体中所要加工的孔为上窄下宽的阶梯孔，安装时，先将垫片从孔的下部放入，接着放入喷头，最后安装螺塞，达到对喷头的上下固定。图1中A局部放大视图如图3所示。

图3 图1中A局部放大视图

图4 喷头的具体结构图

设置喷头装置，虽然结构比传统分布板通孔的结构复杂，但是上窄下宽的通孔结构，一来可以防止硅粉从分布板上部大量的泄露，二来可以调整喷头的具体尺寸，改变气体通过喷头单位时间的通量，从而改变气体进去反应器内的气速，有效地影响有效压降，对反应过程起着至关重要的作用。

2 分布板设计的理论基础

分布板开孔率是孔内热空气的流速和通过分布板孔道阻力的主要影响因素，其计算式为[4]：

式中，ω为分布板开孔率；ξ为分布板阻力系数；u 为空塔速度 （m/s）；（△PD）SC为分布板临界压降（Pa）；umf为最小流化速度（m/s）；L 为床层高（m）；D为床层直径（m）；Lmf为反应固体硅粉颗粒料高（m）；εmf为最小流化速度时的孔隙率；ρS为反应固体硅粉颗粒密度（kg/m3）；ρg为氯甲烷气体密度（kg/m3）；μg为气相动力粘度（Pa·s）.

固体颗粒的球形度与孔隙率有关，关系式为[3]：

式中，φS为固体颗粒的球形度。

根据氯甲烷与硅粉反应的工况，进口状态下，氯甲烷的温度设为 360℃，流速设为 1.25 m/s，则密度定为 1.029 kg/m3，粘度为 2.06 × 10-5Pa·s.硅粉固体颗粒是球形度为0.8的椭圆形，它的平均直径约为2 mm，密度为1 200 kg/m3，孔隙率为 40%.通过联立式（1）～（6），料高 Lmf=750 mm（静止时硅粉颗粒在反应器中的料高是 5～10 m），L=20 000 mm，D=2 200 mm，分布阻力系数ξ为1.5～2.5，计算得到ω为10.23%～15.32%.通过取 3种开孔率（10.23% 、12.54%、15.32%）确定最佳的开孔率。以3种开孔率10.23%、12.54%、15.32%对比，确定分布板上通气孔数目分别为 22、28、34、40、46、52、58、64、70、76、82、88、94、100、106、112、118 个，共计 1190 个，且通气孔在分布锥体2的同心圆上，随着通气孔6数目的逐渐增大，同心圆的直径逐渐增大，同心圆的直径依次为 φ380，φ480，φ580，φ680，φ780，φ880，φ980，φ1080，φ1180，φ1280，φ1380，φ1480，φ1580，φ1680，φ1780，φ1880，φ1980.

针对3种不同开孔率（10.23%、12.54%、15.32%）的气体分布板，对流速进行了数值模拟分析，如图5所示。由图5可以看出，氯甲烷的速度分布均匀稳定性随着开孔率越大而越好。当10.23%和12.54%开孔率的氯甲烷在上升中时，大量氯甲烷在床内的中心集中分布，明显的分界线在床内的壁面附近和中心区域产生，原因是在通过气体分布板时氯甲烷气流分布不均匀，导致硅粉颗粒不能均匀流化，形成了偏流或沟流。但当开孔率为15.84%时，在整个上升过程中氯甲烷形成了充分发展的湍流形态，减小了流速在流化床内的差异，从而在整个空间内形成稳定的气速。鉴于随着气体分布板逐渐增加的开孔率，氯甲烷气体的流通性增强，使聚集在局部区域的氯甲烷气体减少，氯甲烷气体的流动死区大大减小。因此，15.32%是有机硅流化床反应器气体分布板的最佳开孔率。

3 结束语

本文对于有机硅流化床气体进气不均匀的问题，从气体分布板的开孔率、锥形角、喷头结构等方面入手，设计了一种新型的气体分布板。结果表明：当分布锥角为145°，气体开孔率为15.32%，分布锥体上设置有多个呈上窄下宽的阶梯状的通气孔及通气孔内设置有喷头时，设计的气体分布板的效果最佳。新型分布板的设计，有效地解决了气体分布不均匀的现状，大大提高了分布板的实用效率。

[1]徐守民.大型有机硅流化床反应器的分析与设计[D].上海：华东理工大学，2010.

[2]刘 巍，汤文成.气体分布板开孔结构对流化床干燥性能的影响[J].中国工程科学，2006，8（2）：48-49.

[3]Wen C Y，Yu U H．A generalized method for predicting the inimum fluidization velocity[J].AICh E Journal，1966，12（3）：610-612.

[4]张健平，卢玉斌，王晓宏，等.油菜籽流化床气体分布板结构参数化[J].农业机械学报，2016，47（2）：238-240.

Design of a Gas Distribution Plate for a Silicone Fluidized bed Reactor

WANG Zai-liang1，CHANG Hao-hao2，GUO Jian-zhi2，GOU Ming-song2，CHEN Peng2，XU Zhao-mei2
（1.Jiangsu Keshen Chemical Machinery Co.，Ltd.，Huai’an Jiangsu 223002，China；2.Department of Chemical Engineering，Huai yin Institute of Technology，Huai’an Jiangsu 223003，China）

Aiming at the problem of nonuniform distribution of gas in the fluidized bed reactor，a new type of gas distribution plate was designed by the theoretical formula of the relationship between the gas opening rate and the parameters.According to the theoretical calculation，the new distribution plate has the following characteristics：the distribution cone angle is 145°；the gas opening rate is 15.32%；the distribution cone is provided with a plurality of stepped vent holes which are narrowly wide，inside the nozzle is set，by adjusting the nozzle size，change the reaction gas through the ventilation hole after the size of the gas.The new distribution board design，effectively solve the uneven distribution of the status of the gas，greatly improving the practical efficiency of the distribution board.

organic silicon；fluidized bed；distribution plate；opening rate

TQ050.2

A

1672-545X（2017）09-0152-03

2017-06-12

王在良（1972-），男，江苏淮安人，本科，高级工程师，研究方向：节能环保化工装备、压力容器产品。