工艺条件对费托铁基催化剂气固流化特性的影响

传统上浆态床费托合成铁基催化剂主要采用浆态床反应器进行还原,之后转移至费托合成反应器中进行反应。随着费托合成反应器规模的扩大,配套的浆态床还原技术显现出了生产能力小,还原周期长等不足。通过对费托合成铁基催化剂气固流化特性进行研究,开发产能大、还原周期短的气固流化床还原技术能够显著提高费托合成装置的经济效益。在分析了费托铁基催化剂物性参数的基础上,利用氢气和氮气的混合气模拟还原合成气,在能够升温加压的不锈钢气固流化床反应器内,研究了工艺条件对催化剂气固流化特性的影响,包括温度、压力条件对床层压差脉动幅值的影响,温度、表观气速对反应器床层内气固分布的影响,并结合数值模拟揭示了加压条件下表观气速和温度条件对反应器床层轴向和径向的颗粒体积分数分布、径向颗粒速度分布的影响规律,获得了加压条件下床层从鼓泡流化态到湍动流化态的转变速度并与常压结果进行了对比。实验结果表明,压力增加能够降低床层压差脉动幅值;床层气固分布变化规律及关联计算结果表明在3.0 MPa条件下床层由鼓泡流化态转变为湍动流化态的气速为0.26 m/s。床层不同高度的径向模拟结果表明,在不同表观气速下,反应器内颗粒体积分数都沿径向呈中心稀、边壁浓的"环-核结构",颗粒速度沿径向呈中心上行、边壁下行的流动趋势;温度升高会造成床层压差脉动幅值减小,但对颗粒体积分数和颗粒速度分布的影响并不显著。在气固流化床的工业运转中适当加大操作压力,利于湍动流化态的形成及流化质量的改善。     

基于机器学习的Geldart A类加重质流化床的床层膨胀特性研究

为了预测Geldart A类加重质的膨胀特征,通过床层塌落试验,研究了床层流化过程中的气泡相和乳化相的组成与操作因素之间的关联,构建了操作气速、静止床高以及床层膨胀高度的数据集,进行了数据统计分布和相关性分析,利用具有最佳超参数的GBDT模型成功模拟了膨胀高度和影响变量之间的非线性关系,分析了特征变量的敏感性。结果表明,随着气速的逐渐增加,乳化相与气泡相的膨胀呈现先增加并略有减小的规律。对于不同的初始床高与床层膨胀高度,气泡相组成不受其变化的影响且组成比例相对稳定。操作气速的重要性得分是0.68,是膨胀高度最敏感的变量。而静止床高的重要得分仅为0.32,表明此变量对床层膨胀的影响较小。此外,由部分相关性分析可知,床层的膨胀高度对操作气速的依赖性具有一定的敏感性区间。     

基于Euler-Euler模型的空气重介质流化床密度分布特性

以Geldart B类磁铁矿粉为主体加重质,采用试验测量与基于Euler-Euler多相流模型的数值计算相结合的方法,考察流化床沿床层高度方向和轴向的密度分布特性。结果表明：当操作气速控制在1.50 U mf ≤ U ≤2.20 U mf时,床层密度沿床层高度方向与轴向位置的分布范围分别为1.95~2.10 g/cm3与2.00~2.10 g/cm3,两者的密度标准差均小于0.20 g/cm3。其中,轴向密度稳定性要高于床高方向密度稳定性,因此在实际分选过程中要侧重保持沿床高方向的密度波动性最小,进而提高流化床三维空间内的密度均匀稳定性,试验测量与数值模拟结果基本吻合。     

高翼螺旋钻杆内部气固两相流动数值分析

为了揭示高翼螺旋钻杆内部气固两相流动规律,采用Euler-Euler模型,对高翼片螺旋钻杆颗粒输运过程进行气固两相流数值计算,得到高翼片螺旋钻杆在不同转速下内部气体和颗粒两相的速度和压力分布规律。数值计算表明,在400 r/min时,截面内部速度分布和压力梯度均匀,转速为600 r/min时,在轴向中间截面产生压力不连续现象,截面内局部发生压力突变,此时内部流场分布紊乱。螺旋钻杆内部压强由进口到出口呈近似线性增长的趋势,转速越高,压力梯度越大,进出口压差也就越大,随着转速增大,螺旋钻杆中间截面速度依次增大,且静止域中速度明显高于旋转域的速度分布。随着转速增大,颗粒相速度依次增大,颗粒相的最大速度小于连续相最大速度。当转速为400 r/min时,颗粒相主要分布在静止域转筒壁面附近,螺旋钻杆内部颗粒分布较少,在惯性力作用下颗粒贴附在螺旋钻杆壁面螺旋推流,颗粒体积分数较为均匀,推流效率较高。当转速为600 r/min时,静止域内部中间位置转筒壁面附近颗粒体积分数较高,螺旋钻杆内部气固两相流动分布极不均匀,表现出显著的气固两相流动不稳定性。     

浓相气固高密度流化床内的气泡动力学行为特性

采用试验测量与数值模拟计算相结合的方法,对干法选煤采用的浓相气固高密度流化床内的气泡动力学行为进行研究。对影响床层稳定性和密度均匀分布的气泡尺寸与上升速度进行计算分析,结果表明：以Geldart B类高密度磁铁矿粉作为分选介质,在表观流化气速 1.5 U mf ≤ U ≤ 2.2 U mf的条件下,气泡沿床高方向与床体轴向的气泡平均直径分布为35 mm< D b <49 mm和 40 mm< D b <61 mm,气泡上升速度范围为40~65 cm/s,试验与模拟结果基本吻合;此时,流化床内各点的密度分布均匀稳定,密度分布标准偏差为0.016 8。因此,调节表观流化气速 1.5 U mf≤ U ≤2.2 U mf ,可以使气泡尺寸和上升速度都保持在合理的范围内,流化床处于最有利于煤炭分选的准散式流态化,分选效果最好。     

悬浮磁化焙烧炉四室还原腔气固流动特性试验研究

四室还原腔是悬浮磁化焙烧炉的核心部件,为探明四室还原腔内气固流动特性规律,搭建了四室还原 腔冷态试验系统,探究了流化风速、松动风速和给料速率对流化室内气固流动特性的影响规律。 结果表明,随着流化 风速、松动风速的增大,流化室内床层同一高度处,压强呈减小趋势;随着给料速率的增大,流化室内床层同一高度处, 压强呈增大趋势。 在不同操作条件下,流化室内颗粒浓度分布区间为 0. 40~ 0. 54,沿轴向均呈“ S”型分布。 床层同一 高度处颗粒浓度随着流化风速和松动风速的增大而减小,颗粒浓度随着给料速率的增大而提高。 研究结果对悬浮焙 烧炉四室还原腔的结构优化和参数调控具有一定的参考价值。     

高温铜渣颗粒流换热CFD模拟研究

采用CFD模拟技术研究了铜渣颗粒流余热回收颗粒塔工艺内冷却段气固传热性能和料层阻力特性，分析了颗粒塔内气固温度、压力、换热区间以及换热时间等工艺参数的变化规律。结果表明，冷却空气进入颗粒塔穿过球形铜渣时发生快速强制对流换热过程中，颗粒塔内压降梯度变化大于温度梯度变化；气速越大，换热区高度越小，10 m/s气流速度对应换热区高度仅为0.85 m, 4 m/s气流速度对应换热区高度为1.4 m;换热运行时间随气流速度增大而减小，10 m/s气速对应换热运行时间最短仅为30 s, 4 m/s气流速度对应换热运行时间最长为135 s;增大气流速度有利于强化颗粒塔内气固的换热效果，提高换热量，10 m/s气流速度对应的换热量最大为7.0×10⁷ W。     

方形流化床内转变速度的研究

采用压差传感器在方形流化床中测试了多个床层截面的压力波动,研究了从鼓泡流态化到湍动流态化条件下气固方形床中截面平均压力梯度及其波动标准差的变化行为,获得了转变速度Uc,结合不同形式的圆形流化床关联式,采用当量直径方法对此流化床进行了转变速度的计算。比较分析的结果表明:通过当量直径的计算方法得出的转变速度与在相同操作条件下首先发生转变的床层上部的转变速度接近,说明用当量直径的方法是可行的。同时,发现床内流型的转变不是同时发生于整个床层的瞬时行为,而是由床层上部逐层向下扩展的递进行为,表明转变速度与床体尺寸及床层截面高度有关。     

带射流方腔内气固流动实验与模拟

使用PIV实验和数值计算研究了壁面射流下主流中的100μm颗粒运动分布。在气固两相主流中引入一股不含尘气流,能够影响颗粒在流道内的分布,形成沿流动方向和高度方向的不均匀分布。结果显示:射流速度越高,流场中心低浓度颗粒区域越大,射流孔后位置越远,流场中心低浓度颗粒区域越大,但壁面附近浓度增加。改善小颗粒的主动流动控制手段,为设计出高效的惯性粒子分离器提供依据。     

气流式雾化喷嘴在甲醇制丙烯反应器内的应用研究

为了实现双通道气流式雾化喷嘴在工业化MTP多段激冷固定床内的应用,将其配置于固定床进料分布器组中,在直径12 m反应器第四级床层开展工业适应性研究,分析了不同运行周期内侧线反应物料、反应器床层出入口温度、不同位置处床层温度等变化规律。结果表明:诱导期内,液相物料进料量达1 297 kg/h,气相物料进料量为10 070 m3/h,对应床层入口温度和出口温度分别为460℃和485℃;稳定期内,液相物料进料量降至1 069 kg/h,气相物料进料量增至10 811 m3/h,对应床层入口温度和出口温度分别为459℃和490℃;失活期内,气相物料进料量略微降低,达10 006 m3/h,而液相物料进料量增至1 302 kg/h,此时床层入口和出口温度依次为466℃和490℃,双通道气流式雾化喷嘴较鲁奇公司的喷嘴更易调控反应器床层温度。     

浆态床反应器压力信号混沌分析及预测

运用混沌分析的方法对浆态床反应器压力信号进行了分析,结果表明,浆态床反应器在不同操作条件下都具有混沌性,并且当固含率为20％时反应器中混沌性较强,而在15％和30％固含率时反应器中混沌性较弱,在操作气速较低（1～2 cm/s）和较高（8～10 cm/s）的情况下,床层轴向上各处混沌性较为均匀;气速在4～6 cm/s下,床层轴向上各处混沌性相差较大,床层中部混沌性最为显著.采用了基于最大Lyapunov指数的预测法对压力时间序列进行逐步预测,预测值与实测值符合的很好,误差基本上在1％以内.     

基于CFD气固密相循环流化床湍动特性分析

基于欧拉-欧拉双流体模型,对新型密相循环湍动流化床进行了研究。采用SSTk-w模拟气相湍动,KTGT模拟固相颗粒脉动,用Gidaspow模型分段描述密相湍动区和稀相循环输送区气固相间耦合作用,获得了密相循环流化床气固湍动特性。CFD的模拟结果表明,密相提升管在较低气速下进入湍动状态,中心区域轴向压力均匀变化,颗粒浓度高达30%以上,轴向气穴与颗粒相间隙絮状分布,近似均匀流动,轴向颗粒速度存在一个先减小再增大的过程。在边壁区颗粒浓度高,存在强烈的气固反混。     

铅锌尾矿在旋流器超重力环境内分离特性研究

通过对颗粒分离理论、铅锌尾矿分选处理工艺等进行分析,提出适用于铅锌尾矿分选的反向流化结构旋流器,利用锥面反向流化作用,快速分离具有密度差异的铅锌尾矿。结果表明,轴向压力值在不同径向截面处对应的值不同,整体上随轴向距离的增大而降低,且在圆锥段获得最大压力值;轴向速度分布呈对称分布,不同轴向截面处的轴向速度增减趋势有区别,颗粒分布主要集中在锥段;随着反向流化速度的增加,PbO矿粒从主要集中分布于旋流器器壁逐渐扩散至整个旋流器流场范围内,大密度PbO颗粒在器壁富集量先增加后降低;当反向流化速度为0.01m/s、进料速度为4m/s时,PbO颗粒达到最大回收率86.7%和富集比22.5,铅锌尾矿颗粒间的分离性能最佳。该研究成果为国内外铅锌尾矿的回收利用提供依据与借鉴。     

甲醇制烯烃固定流化床反应器设计

甲醇制烯烃成型催化剂开发需采用固定流化床反应器对催化性能进行评价.在确定操作条件(反应温度为450℃、压力为0.12MPa)和反应器内催化剂密相段直径(63mm)的情况下,计算了反应器操作气速、催化剂装填量、反应器高度、扩大段直径等设备主体尺寸,说明了气体分布器、气固分离和催化剂加卸料口的设置.固定流化床的试验结果将用于甲醇制烯烃成型催化剂的筛选,并为工艺参数优化提供依据.     

基于LBM-DEM耦合模型的多孔射流喷动床内流动特性

研究喷动床内颗粒的流动特性对于喷动床的设计和优化具有重要意义。基于格子Boltzmann方法 (LBM)-离散单元法(DEM)的数学模型,综合考虑固体运动对流场的影响,气相采用修正后的格子Boltzmann方程计算,颗粒-颗粒以及颗粒-壁面之间的碰撞采用离散单元法软球模型,颗粒所受气体曳力采用Gidaspow曳力模型,流固耦合基于牛顿第三定律,从介观角度深入剖析了多孔射流稠密气固流化床内流动机理。采用Fortran语言编程对上述模型进行求解,通过复现气泡在鼓泡床中的演化过程,有效验证了LBM-DEM耦合模型的准确性。研究了单喷口系统与多喷口系统在不同射流速度下的空隙率、颗粒拟温度、床层膨胀高度以及颗粒动能与势能等典型参数变化。结果表明:单喷口射流气速增加时,气体对颗粒的携带能力增强,喷泉区扩大,床内空隙率分布增大,速度脉动变大,颗粒拟温度升高,床层膨胀高度提高;而在多喷口系统中,相邻喷口间存在较强的横向扰动,在床层底部喷泉区出现明显射流合并,位于中心射流区域的颗粒获得较高动量,喷口数的增加使得床层膨胀高度提高27.50%,时均空隙率范围扩大,颗粒拟温度升高,且射流合并高度随喷口数量的增加而降低28.57%,颗粒势能增加66.07%,动能减少48.48%。以上分析结果表明基于修正格子Boltzmann方法与离散单元法相结合的耦合模型可以作为分析稠密气固两相流内在机理的有效工具。     

振动流化床流化特性与细粒煤干法分选

将振动能量引入气固分选流化床,形成振动分选流化床,将煤粉和磁铁矿粉混合作为二元复合加重质,利用微差压传感器在线采集床层压力信号,并采用信号时频分析方法将信号进行划尺度分解,从微观角度分析振动流化床分选过程中的流化行为特性,研究振动能量对分选流化床流化质量的作用,并利用床层压力信号能量量化研究压力波动与不同流化现象的响应;基于对6～1 mm细粒煤分选试验结果的研究,结合床层中气泡行为的演变规律,提出了细粒煤分选效果的颗粒混合熵评价方法,研究了6～1 mm细粒煤在振动流化床中的分选特性及气泡运动行为对细粒煤离析分层效果的影响。结果表明,气泡引起压降信号的能量随着气速的增加,呈先增加后降低的趋势,随着振幅和频率的增加,气泡引起的压降信号能量逐渐增大,但床层压降信号的总能量随着气速、振动频率和振幅的增大逐渐增加。此外,通过对精煤和矸石组分的颗粒混合熵判定2组分的离析程度发现,随气速的增大,颗粒混合熵的变化趋势先降低后升高,随着振动频率和振幅的增加,精煤和矸石的颗粒混合熵逐渐增大,且在振幅A=2 mm,频率f=20 Hz,流化气速v=12 cm/s条件下,床层压力波动的能量和颗粒混合熵最低,床层压降波动平稳,床层密度分布均匀,对6～1 mm细粒煤具有最佳分选效果,其分选精度E值为0.095 g/cm~3,精煤灰分为9.59%。     

浆液外循环过滤分离费托合成浆态床反应器研究开发

通过对低温浆态床费托合成反应工艺特性和反应器性能要求的分析,为有利于蜡抽出系统的设计和维护、催化剂和反应温度在反应器床层的均匀分布,提出了浆液自行外循环固液分离浆态床反应器设想。通过气速对催化剂颗粒沉降、携带的影响,气体分布器对气含率的影响,浆液自行外循环推动力等因素分析,采用流体动力学、传热模型和宏观费托合成反应动力学模拟计算,确定了浆态床反应器的尺寸,以及进料分布器、内取热列管等内构件结构以及气固分离设备的结构,开发出了应用于低温费托合成外循环浆态反应器。     

底部粗重颗粒层对流化床流化特性的影响

研究床层底部粗重颗粒层对气固流化床流化特性的影响。以0~0.300 mm磁铁矿粉为加重质,不同粒度的玻璃球模拟粗重颗粒层,对比不同粗重颗粒层条件下的床层流化特性、压降变化特性。结果表明:底部粗重颗粒层堆积会减小流化床的临界流化气速,使床层提前进入稳定流化状态,影响流化床的分层特性。当玻璃球粒度为12 mm,层数为2层,流化床的分层作用最弱,床层的垂直压降波动标准差为2.55 Pa,流化效果良好。     

α 型旋风分离器放大效应的数值分析

旋风分离器放大效应显著,是影响其分离效率和压降的重要因素。利用ANSYS软件,对经过几何相似放大的筒体直径分别为80、150、240、320、450和1 000 mm的α型旋风分离器进行数值模拟,气相采用RSM模型,颗粒相采用DPM模型。结果表明:旋风分离器尺寸按几何相似放大后,在相同进口气速下,随着旋风分离器筒径的增大,切向速度、静压和湍动能均呈增大趋势;轴向速度分布由倒V形变为倒W形,不利于颗粒的分离。颗粒运动数值模拟与分离效率试验结果均表明:α型旋风分离器经过几何相似放大,筒体直径越大,颗粒运动轨迹更加紊乱,分离效率越低;旋风分离器放大效应对直径20μm以上颗粒分离效率的影响不大,对直径10μm以下颗粒的分离效率影响显著。     

磷矿颗粒在振动场及添加SiO2的流化特性研究

以平均粒径为60μm、密度为2316kg/m3的磷矿颗粒为物料,采用引入振动场及添加SiO2的方法,在内径为42mm的流化床中,考察了不同振幅、SiO2添加量的情况下,磷矿颗粒的流化性能。实验结果表明:振动场与SiO2均可有效消除活塞流、抑制沟流、减小颗粒间的粘性力,显著改善磷矿颗粒的流化质量。在硅钙摩尔比为3.0时,床层膨胀比最大,临界流化速度最低;此外,随着SiO2添加量进一步的增加或降低,改善效果减弱,流化质量下降。但振幅对临界流化速度影响很小,且床层膨胀比随振幅的增加逐渐增大。采用Richardson-Zaki方程进一步对磷矿-SiO2体系分析的结果与实验现象相符。