基于沖蝕磨損理論的有機硅流化床硅粉與U型管的磨損分析

暢皓皓，許兆美，蔣素琴，王玲，顏彬，王海洋

（1.淮陰工學院機械與材料工程學院，江蘇淮安223003；2.江蘇科圣化工機械有限公司，江蘇淮安223002）

基于沖蝕磨損理論的有機硅流化床硅粉與U型管的磨損分析

暢皓皓1，2，許兆美1，蔣素琴1，王玲1，顏彬1，2，王海洋2

（1.淮陰工學院機械與材料工程學院，江蘇淮安223003；2.江蘇科圣化工機械有限公司，江蘇淮安223002）

針對有機硅流化床硅粉與U型管的磨損問題，通過沖蝕磨損理論，應用ANALYSIS中的CFD軟件，分析硅粉顆粒直徑、U型管高度、進氣速度和U型管磨損的相對關系，得到一組合理的設計參數(shù)。為有機硅流化床的設計提供了理論依據(jù)，更好的匹配了設計參數(shù)，便于使有機硅流化床在行業(yè)中得到推廣和應用。

有機硅流化床；U型管；磨損分析

以金屬硅和甲醇為主要原料的有機硅材料是一類性能優(yōu)異、功能獨特、用途極廣的新材料，是關系著技術革新、國防現(xiàn)代化、國民經(jīng)濟發(fā)展及人民生活水平提高的新材料，在國計民生中占有重要地位。利用氣體通過顆粒狀固體層而使固體顆粒處于懸浮運動狀態(tài)，并進行氣固相反應過程的反應器稱之為有機硅流化床[1]。有機硅流化床是有機硅生產(chǎn)的關鍵設備之一，在化工行業(yè)當中，有機硅流化床的發(fā)展比較緩慢。由于有機硅流化床運行時，硅粉與U型管的磨損很嚴重，這對有機硅的收率和有機硅流化床的壽命產(chǎn)生了很大的影響。針對于有機硅流化床硅粉與U型管的磨損問題，本文進行了詳細的分析。

1 有機硅流化床的原理與存在問題

有機硅流化床反應器包括殼體、上下封頭，在殼體的上、下分別安裝上封頭和下封頭構成一體的反應器。殼體內(nèi)安裝換熱管、氣體分布管、上柵格和下柵格，在殼體內(nèi)的上方和下方分別對應安裝上柵格和下柵格，在殼體內(nèi)位于上下柵格之間安裝數(shù)支U型管，U型管內(nèi)走冷卻介質，U型管之間安裝一定數(shù)量的氣體分布管，氣體分布管內(nèi)走原料氣氯甲烷氣體，氣體分布管的側面開有數(shù)個出氣孔，在下封頭內(nèi)安裝氣體分布盤，氣體分布盤連接氣體分布管，氣體分布盤連接原料氣進口接管，具體如圖1所示。

圖1 有機硅流化床反應器氣體分布管示意圖

當有機硅流化床工作時，硅粉由殼體的硅粉加料口一次性加入，原料氣經(jīng)過原料氣進口接管進入下封頭內(nèi)的氣體分布盤緩沖、分布，再進入氣體分布管，由于氣體分布管側面的出氣孔進入殼體腔內(nèi)與硅粉反應，反應生成的有機硅氣體由上封頭的成品氣出口去成品精制工段，反應生成的熱量由U型管中的冷卻介質帶走。

到目前為止，硅粉與U型管的摩擦問題研究比較少，還沒有理論公式去解決，硅粉與U型管的摩擦原理如圖2所示。其中，U型管是用普通碳鋼加工而成，壁厚為10 mm，在垂直管壁表面拋光打磨處理，在彎頭處噴丸處理。

圖2 硅粉與U型管的摩擦示意圖

2 基于沖蝕磨損理論下硅粉與U型管磨損分析與參數(shù)優(yōu)化

對于上述有機硅流化床硅粉和U型管的磨損問題，本文用沖蝕磨損理論，通過流體力學軟件Analysis中的CFD模塊對其進行優(yōu)化分析。在該理論中，要確定表1所述的幾方面參數(shù)：

表1 磨損量的影響因素

其中，顆粒采用離散單元進行求解，由顆粒的受力，用牛頓第二定律求顆粒速度，從而確定U型管磨損量[2]。表達式如下：

式中，m為顆粒質量；V為顆粒體積；v為顆粒速度；I為有效轉動慣量；g為重力加速度；ω為角速度；▽p為顆粒質心處的壓力梯度；Fn，ij、Fs，ij、Fd，i分別為顆粒與顆粒間法向接觸作用力、切向接觸作用力和氣相對顆粒i的曳力。

2.1 有機硅顆粒直徑和U型管磨損量之間的關系

從給料平均粒徑與磨損的關系的圖中（見圖3），可以明顯觀察到：當硅粉的當量直徑較小時，其與管壁間的磨損量較小。在0.3 mm及其以下的硅粉顆粒，與管壁間的摩擦量可以忽略不計。但當硅粉顆粒較小時，不利于反應有效的進行。雖然磨損量可以得到有效的控制，但是反應效率也得到了很大程度的抑制。當顆粒的當量直徑大于2.5 mm時，硅粉顆粒與管壁的磨損量急劇上升。這將會加重U型管的磨損，減小設備的使用壽命，加大生產(chǎn)所必須的經(jīng)濟使用成本。

圖3 給料平均粒徑與磨損的關系

因此，嚴格控制硅粉的直徑范圍，對于提高反應效率，延長流化床的使用壽命，起著至關重要的作用。從實驗數(shù)據(jù)可以得出，當控制硅粉的直徑范圍在1.0~2.5 mm時，所產(chǎn)生的效果是最理想的。

2.2 U型管高度與U型管磨損量之間的關系

從圖4可以看出來，U型管的高度達到一定的條件時，可以有效控制硅粉與管壁的磨損量。當U型管的管壁長度小于3 m時，磨損量較大，并且磨損量是隨著管壁長度的增加呈現(xiàn)逐漸遞減的規(guī)律。當U型管的管壁長度達到5 m左右時，U型管的磨損量趨于穩(wěn)定。當再增加U型管的長度時，磨損量幾乎保持不變。因此，在流化床工作時，U型管的長度應大于等于5 m，才能確保硅粉與U型管的摩擦磨損在較小的范圍內(nèi)。

圖4 U型管高度與磨損的關系

2.3 進氣速度大小與U型管的磨損量之間的關系

在低氣速及顆粒自然堆積狀態(tài)下，顆粒的質量損失均隨磨損時間增加而上升，如圖4所示。但隨氣速提高，曲線的斜率明顯增大，說明固定床中顆粒的磨損加劇[3]。當0.053 m/s氣速下磨損10 h，顆粒的質量磨損達到0.6%；在0.159 m/s氣速下磨損10 h，顆粒的質量損失已達1.6%，非常嚴重。此時，顆粒的損失使原本壓實的固定床床層出現(xiàn)松動，有可能出現(xiàn)偏流，局部區(qū)域氣速變大，有可能導致顆粒磨損加劇。

因此，控制好氣速的大小，對于硅粉與U型管的摩擦磨損問題同樣很重要。當氣速過低時，硅粉在流化床中不能很好地進行反應；當氣速過高時，硅粉與管壁的磨損會急劇增加，縮短設備的使用壽命[4]。研究表明，當氣速控制在0.1 m/s時，所達到的效果是最理想的，如圖5所示。

圖5 固定床中不同氣速下自然堆積的顆粒隨時間的磨損規(guī)律

3 結束語

本文對于有機硅流化床和U型管的磨損問題，從硅粉顆粒的直徑、U型管的高度和進氣速度三方面進行分析，研究其與U型管管壁磨損量的關系。結果表明：當顆粒直徑在1.0~2.5 mm，U型管的高度大于等于5 m；進氣速度在0.1 m/s時，硅粉與U型管的磨損量會較小。該研究分析對有機硅流化床硅粉與U型管的磨損提供了理論依據(jù)，對于延長有機硅流化床的壽命有指導性的意義。

[1]徐守民.大型有機硅流化床反應器的分析與設計[D].上海：華東理工大學，2010，8-12.

[2]周陵生，姜秀民，劉建國，等.石英砂流化床床料磨損的數(shù)學模型[J].化工學報，2007，58（11）：2776-2781.

[3]中國石化集團上海工程有限公司.化工工藝設計手冊（上冊）[M].4版.北京：化學工業(yè)出版社，2009.

[4]朱有庭，曲文海，于浦義.化工設備設計手冊上卷[M].北京：化學工業(yè)出版社，2005.

Abrasion Analysis of Silicon Powder and U-pipe of Organic Silicon Fluidized Bed based on the Theory of Erosion Abrasion

CHANG Hao-hao1，2，XU Zhao-mei1，JIANG Su-qin1，WANG Ling1，YAN Bin1，2，WANG Hai-yang2
（1.Department of Chemical Engineering，Huaiyin Institute of Technology，Huai’an Jiangsu 223003，China；2.Jiangsu Keshen Chemical Machinery Co.，Ltd.，Huai’an Jiangsu 223002，China）

For the abrasion problem between silicon powder and U-pipe of organic silicon fluidized bed，based on the theory of erosion abrasion and the application of CFD ANALYSIS software，the article analyzes the relative relationship between the silicon powder particle diameter，height of U-pipe，air inlet velocity and U-pipe abrasion，in order to get a set of reasonable design parameters.This paper provides the theory for organic silicon fluidized bed design.It better matches the design parameters，and will make organic silicon fluidized bed get promotion and application in the industry.

organic silicon fluidized bed；u-pipe；analysis for abrasion

TQ051

：A

：1672-545X（2017）01-0040-03

2016-10-03

項目編號：江蘇省教育廳省高校重大基礎研究項目（編號：13KJA460001）；江蘇省普通高校研究生實踐創(chuàng)新計劃項目（編號：HGYK201606）

暢皓皓（1991-），男，山西翼城人，研究生，研究方向：化工裝備設計與制造。