基于冲蚀磨损理论的有机硅流化床硅粉与U型管的磨损分析

畅皓皓，许兆美，蒋素琴，王玲，颜彬，王海洋

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

基于冲蚀磨损理论的有机硅流化床硅粉与U型管的磨损分析

畅皓皓1，2，许兆美1，蒋素琴1，王玲1，颜彬1，2，王海洋2

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

针对有机硅流化床硅粉与U型管的磨损问题，通过冲蚀磨损理论，应用ANALYSIS中的CFD软件，分析硅粉颗粒直径、U型管高度、进气速度和U型管磨损的相对关系，得到一组合理的设计参数。为有机硅流化床的设计提供了理论依据，更好的匹配了设计参数，便于使有机硅流化床在行业中得到推广和应用。

有机硅流化床；U型管；磨损分析

以金属硅和甲醇为主要原料的有机硅材料是一类性能优异、功能独特、用途极广的新材料，是关系着技术革新、国防现代化、国民经济发展及人民生活水平提高的新材料，在国计民生中占有重要地位。利用气体通过颗粒状固体层而使固体颗粒处于悬浮运动状态，并进行气固相反应过程的反应器称之为有机硅流化床[1]。有机硅流化床是有机硅生产的关键设备之一，在化工行业当中，有机硅流化床的发展比较缓慢。由于有机硅流化床运行时，硅粉与U型管的磨损很严重，这对有机硅的收率和有机硅流化床的寿命产生了很大的影响。针对于有机硅流化床硅粉与U型管的磨损问题，本文进行了详细的分析。

1 有机硅流化床的原理与存在问题

有机硅流化床反应器包括壳体、上下封头，在壳体的上、下分别安装上封头和下封头构成一体的反应器。壳体内安装换热管、气体分布管、上栅格和下栅格，在壳体内的上方和下方分别对应安装上栅格和下栅格，在壳体内位于上下栅格之间安装数支U型管，U型管内走冷却介质，U型管之间安装一定数量的气体分布管，气体分布管内走原料气氯甲烷气体，气体分布管的侧面开有数个出气孔，在下封头内安装气体分布盘，气体分布盘连接气体分布管，气体分布盘连接原料气进口接管，具体如图1所示。

图1 有机硅流化床反应器气体分布管示意图

当有机硅流化床工作时，硅粉由壳体的硅粉加料口一次性加入，原料气经过原料气进口接管进入下封头内的气体分布盘缓冲、分布，再进入气体分布管，由于气体分布管侧面的出气孔进入壳体腔内与硅粉反应，反应生成的有机硅气体由上封头的成品气出口去成品精制工段，反应生成的热量由U型管中的冷却介质带走。

到目前为止，硅粉与U型管的摩擦问题研究比较少，还没有理论公式去解决，硅粉与U型管的摩擦原理如图2所示。其中，U型管是用普通碳钢加工而成，壁厚为10 mm，在垂直管壁表面抛光打磨处理，在弯头处喷丸处理。

图2 硅粉与U型管的摩擦示意图

2 基于冲蚀磨损理论下硅粉与U型管磨损分析与参数优化

对于上述有机硅流化床硅粉和U型管的磨损问题，本文用冲蚀磨损理论，通过流体力学软件Analysis中的CFD模块对其进行优化分析。在该理论中，要确定表1所述的几方面参数：

表1 磨损量的影响因素

其中，颗粒采用离散单元进行求解，由颗粒的受力，用牛顿第二定律求颗粒速度，从而确定U型管磨损量[2]。表达式如下：

式中，m为颗粒质量；V为颗粒体积；v为颗粒速度；I为有效转动惯量；g为重力加速度；ω为角速度；▽p为颗粒质心处的压力梯度；Fn，ij、Fs，ij、Fd，i分别为颗粒与颗粒间法向接触作用力、切向接触作用力和气相对颗粒i的曳力。

2.1 有机硅颗粒直径和U型管磨损量之间的关系

从给料平均粒径与磨损的关系的图中（见图3），可以明显观察到：当硅粉的当量直径较小时，其与管壁间的磨损量较小。在0.3 mm及其以下的硅粉颗粒，与管壁间的摩擦量可以忽略不计。但当硅粉颗粒较小时，不利于反应有效的进行。虽然磨损量可以得到有效的控制，但是反应效率也得到了很大程度的抑制。当颗粒的当量直径大于2.5 mm时，硅粉颗粒与管壁的磨损量急剧上升。这将会加重U型管的磨损，减小设备的使用寿命，加大生产所必须的经济使用成本。

图3 给料平均粒径与磨损的关系

因此，严格控制硅粉的直径范围，对于提高反应效率，延长流化床的使用寿命，起着至关重要的作用。从实验数据可以得出，当控制硅粉的直径范围在1.0~2.5 mm时，所产生的效果是最理想的。

2.2 U型管高度与U型管磨损量之间的关系

从图4可以看出来，U型管的高度达到一定的条件时，可以有效控制硅粉与管壁的磨损量。当U型管的管壁长度小于3 m时，磨损量较大，并且磨损量是随着管壁长度的增加呈现逐渐递减的规律。当U型管的管壁长度达到5 m左右时，U型管的磨损量趋于稳定。当再增加U型管的长度时，磨损量几乎保持不变。因此，在流化床工作时，U型管的长度应大于等于5 m，才能确保硅粉与U型管的摩擦磨损在较小的范围内。

图4 U型管高度与磨损的关系

2.3 进气速度大小与U型管的磨损量之间的关系

在低气速及颗粒自然堆积状态下，颗粒的质量损失均随磨损时间增加而上升，如图4所示。但随气速提高，曲线的斜率明显增大，说明固定床中颗粒的磨损加剧[3]。当0.053 m/s气速下磨损10 h，颗粒的质量磨损达到0.6%；在0.159 m/s气速下磨损10 h，颗粒的质量损失已达1.6%，非常严重。此时，颗粒的损失使原本压实的固定床床层出现松动，有可能出现偏流，局部区域气速变大，有可能导致颗粒磨损加剧。

因此，控制好气速的大小，对于硅粉与U型管的摩擦磨损问题同样很重要。当气速过低时，硅粉在流化床中不能很好地进行反应；当气速过高时，硅粉与管壁的磨损会急剧增加，缩短设备的使用寿命[4]。研究表明，当气速控制在0.1 m/s时，所达到的效果是最理想的，如图5所示。

图5 固定床中不同气速下自然堆积的颗粒随时间的磨损规律

3 结束语

本文对于有机硅流化床和U型管的磨损问题，从硅粉颗粒的直径、U型管的高度和进气速度三方面进行分析，研究其与U型管管壁磨损量的关系。结果表明：当颗粒直径在1.0~2.5 mm，U型管的高度大于等于5 m；进气速度在0.1 m/s时，硅粉与U型管的磨损量会较小。该研究分析对有机硅流化床硅粉与U型管的磨损提供了理论依据，对于延长有机硅流化床的寿命有指导性的意义。

[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，2010，8-12.

[2]周陵生，姜秀民，刘建国，等.石英砂流化床床料磨损的数学模型[J].化工学报，2007，58（11）：2776-2781.

[3]中国石化集团上海工程有限公司.化工工艺设计手册（上册）[M].4版.北京：化学工业出版社，2009.

[4]朱有庭，曲文海，于浦义.化工设备设计手册上卷[M].北京：化学工业出版社，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

项目编号：江苏省教育厅省高校重大基础研究项目（编号：13KJA460001）；江苏省普通高校研究生实践创新计划项目（编号：HGYK201606）

畅皓皓（1991-），男，山西翼城人，研究生，研究方向：化工装备设计与制造。