提升管与气-固环流床层耦合反应器的流体力学特性及流动模型

针对催化汽油辅助反应器改质降烯烃技术,在一套提升管与气-固环流床层耦合反应器大型冷模实验装置上,研究了上部环流床层的流体力学特性。结果表明,在环流床层与提升管耦合操作的情况下,床层内颗粒环流存在两种推动力,分别为静压差推动力和颗粒喷射推动力;环隙与导流筒之间的整体平均固含率差随导流筒表观气速增加而增加,随颗粒外循环强度增加而降低;颗粒环流速度随导流筒表观气速和颗粒外循环强度增加而增加。通过对环流床层进行动量衡算,建立了提升管与环流床层耦合流动的数学模型,模型平均相对误差在15.95％以内。     

液固下喷自吸环流反应器流体力学特性

采用改进皮托管测定了液固下喷自吸环流反应器中的液体平均速度及液相湍流强度分布,采用PV4A颗粒浓度速度测量仪测定了固含率分布。试验结果表明:随着液体喷射流量的增大,液体平均速度、液相湍流强度及固含率均增大;在导流筒内液相平均速度近似管流分布,在环隙中的速度分布基本均匀;在导流筒和环隙内固含率沿径向分布均匀。该研究对于下喷环流反应器的放大与优化有重要指导意义。     

气固环流燃烧器内颗粒流动行为

针对石油焦及气化余焦的燃烧特点和流态化特性,提出了一种采用气固密相环流烧焦与快速床管式烧焦技术相组合的新型燃烧器结构。在不同操作条件(导流筒区表观气速0.772～1.674m.s-1,环隙区表观气速0.223～0.519m.s-1,装置系统的颗粒外循环强度40.8～229.4kg.m-2.s-1)及两类颗粒体系下,采用光纤测量仪对组合燃烧器环流段内颗粒流动特性进行了系统的实验研究。结果表明,两类颗粒体系的固含率和颗粒轴向速度在导流筒区、底部区和颗粒分流区床层内沿径向的分布规律为中心区小、边壁区大的环-核型分布,体现了气固流化床典型聚式流态化的非均一性特征;在环隙区,受环流段结构的影响,两类颗粒体系的固含率和颗粒轴向速度参数沿床层径向的分布相对较均匀;混合颗粒体系的固含率、颗粒轴向速度较单一石英砂颗粒体系的要小,细颗粒的加入在一定程度上能改善气固混合的均匀程度;两类颗粒体系在底部区和颗粒分流区的径向流动具有剪切破碎气泡的作用,有利于环流段内气固的充分混合接触。     

连续内环流三相反应器局部流动特性

在φ200 mm×2500 mm连续内环流三相反应器内，考察了空气 水 玻璃珠体系反应器内局部流动参数随操作条件的变化规律。结果表明，导流筒内截面平均气含率随表观气速的增大而增大，较之气液两相流，在低固含率时，加入固体对气含率影响不明显，而在较高固含率下，气含率有明显降低，但固体再增加时对气含率变化影响不大。在较低表观气速下，进料浆速对导流筒内气含率轴向分布趋势有一定的影响，但在较高表观气速下影响不大，导流筒内的气含率大于环隙内的气含率且随气速增大差别更加明显，浆相连续有利于气相分散并增大环隙内的气含率。导流筒内循环浆速径向分布呈抛物状，中心高、近壁处低，受进料浆速和入口固含率影响都不大。浆相循环强度最低为20，高可达180。固含率轴、径向分布受表观气速和进料浆速的影响，固含率轴、径向分布基本均匀，随进料浆速增加，反应器内固含率降低。     

多相气升式环流反应器局部相含率和环流速度

气升式环流反应器流动特性研究大多都局限于流动参数的平均特性研究,涉及气-液-固系统流动特性的研究也较少。在200×2500mm气升式环流反应器内,实验研究了空气-水两相及空气-水-玻璃珠三相体系中局部气、固相含率以及浆(液)相环流特性等随操作条件以及液、固相物性的变化规律。结果表明:1两相体系导流筒中截面平均气含率轴向分布有局部极大值,而固体和乙醇的加入使得气含率轴向分布平缓;2两相体系循环液速在导流筒中呈径向抛物分布,在环隙分布较均匀,加入固体和乙醇后对循环速度分布和大小影响不大;3三相体系中导流筒内固含率沿轴向升高呈增大趋势,环隙内轴向分布均匀;导流筒内、外固含率径向分布均不均匀,以近壁处为大;加入乙醇后对固含率分布影响不大。     

耦合流化床提升管内固含率径向分布及沿轴向的发展

针对催化汽油辅助反应器改质降烯烃工艺,结合提升管与流化床的特点,建立了一套提升管与流化床耦合反应器大型冷态实验装置. 在不同操作条件下,采用PV-4A型光纤密度仪测定了提升管内固含率沿径向的分布规律. 结果表明,固含率径向分布整体上呈现中心小、边壁大的环-核结构分布特征;沿轴向向上,各径向位置上的固含率在颗粒加速区逐渐降低,在充分发展区趋于稳定,在颗粒约束返混区又有所升高;各径向位置上的固含率随表观气速增大或颗粒循环强度减小而减小,且均匀性变好;提升管上部流化床内颗粒静床高度只对颗粒约束返混区内固含率径向分布有影响,而对颗粒加速区和充分发展区的固含率径向分布影响较小;当表观气速较低或颗粒循环强度较大时,颗粒约束返混区上部局部固含率最大值出现在无因次半径f=r/R=0.7附近,此时局部无因次固含率es*=es/ 沿轴向在H>5.33 m时不再具有相似性;通过比较径向不均匀指数,得到轴向各区固含率径向分布趋于均匀的程度依次为：充分发展区>颗粒约束返混区>颗粒加速区. 利用实验数据回归出了局部固含率径向分布关联式,其平均相对误差在6%以内.     

流化床-提升管耦合反应器内固含率的轴向分布及流动发展

在耦合流化床反应器大型冷模实验装置上,考察了不同表观气速下FCC颗粒在耦合流化床内截面平均密度的轴向分布. 结果表明,反应器轴向固含率可分为底部流化床区域和上部提升管区域. 前者的密相区平均固含率随表观气速增大而减小;后者的平均固含率随表观气速Ug增大而增大,Ug<0.58 m/s时固含率分布均匀,Ug=0.70~1.04 m/s时提升管出口出现约束返混区(>8.62 m),Ug>1.16 m/s时提升管底部出现密度重整区(3.82~4.57 m)、加速平稳区(4.57~8.62 m)和出口返混区(>8.62 m). 确定了耦合反应器内提升管区域截面平均固含率的影响参数,并利用实验数据回归了平均固含率的轴向分布经验模型,计算值与实验值吻合较好.     

液固环流反应器中固体流速及固含率分布

对液固环流反应器中固体的流动行为进行了考察。采用互相关技术测量固体的流速。通过实验得出了反应器内固体流动的完全分布状况。实验结果表明,在导流筒内,固体速度在轴向上有一个突变的区域,在径向呈"M"型分布;固体相含率在轴向上符合散式流态化的规律,在不同的径向位置固含率是不同的。在环隙中,固体速度和相含率的分布都比较均匀。     

新型气固环流反应器内颗粒流动的CFD模拟

采用基于结构的EMMS曳力模型,对一种新型气固环流反应器中的颗粒流动特性进行数值模拟。模拟的固含率与颗粒速率预测值与实验数据具有一致性,验证了模型的适用性。模拟结果表明：导流筒表观气速增加,导流筒中的床层固含率减小,向上的颗粒速率增加;反应器中存在多个颗粒逆流和错流混合区,促进了颗粒沿径向的混合;槽孔处,导流筒中的固含率以及颗粒速率分布更加均匀,而环隙中存在颗粒浓集区;进料区在0≤L≤0.058 m,0< r/R< 0.3的范围内固含率增加并且颗粒存在明显的径向流动。     

不同流型下组合约束型提升管出口段固含率分布

在一套组合约束型提升管冷态实验装置上,研究了气力输送和快速流态化两种流型下,出口段局部固含率分布规律及不同操作条件对固含率的影响。结果表明:局部固含率径向分布整体上呈中心小、边壁大的分布特征,并随分布器开孔率和表观气速的降低而增大,随上部流化床层压降和颗粒循环强度的降低而减小;在快速流态化操作下,局部固含率曲线分布形式与常规提升管类似,而在气力输送状态下,临近出口区域局部固含率最大值通常不出现在边壁处,其位置随表观气速和分布器开孔率增加以及颗粒循环强度和上部流化床层压降降低而远离边壁;两种流型下局部固含率径向分布的均匀性均随表观气速及分布器开孔率的增加而升高,随颗粒循环强度及流化床层压降的增加而降低。     

液固提升管-流化床组合反应器中流化床径向固含率分布的实验研究

在一套新型液固提升管-流化床组合反应器中，以水-玻璃珠为液-固体系，对f500 mm′4000 mm的液固流化床反应器内不同高度颗粒固含率的径向分布进行了实验，考察了表观液速和颗粒循环速率操作条件对颗粒固含率径向分布的影响. 实验表明，液固流化床内流动区域在轴向上可以划分为分布器影响区、过渡区和均匀流化区，径向上可以划分为中心区和环隙区. 这种分布特征主要取决于分布器的结构、尺寸及其流化介质. 本工作还对液固流化床与气固喷动床的三区流动结构进行了比较.     

Hydrodynamics in airlift loop section of petroleum coke combustor

Based on the combustion characteristics of petroleum coke, a coupled gas-solid fluidized bed combustor is proposed in this work. The overall circulating system of the fluidized bed mainly consists of a dense-phase airlift loop section and a dilute-phase riser section. In different operating conditions, the particle flow behaviors in the airlift loop section were investigated systematically by using optical fiber probe. The experimental results show that the airlift loop section can be divided into four regions, namely, the draft tube, the annulus, the bottom region and the particle diffluence region, in which the average cross-sectional solids fraction and the particle velocity are different. The overall solids fraction difference between the draft tube and the annulus provides a driving force for particle circulation flow in the airlift loop section, and the driving force increases with increasing the superficial gas velocity in the draft tube. The ratio of the particle mass flux in the annulus to that in the riser ranges from 8 to 16. The particle circular velocity in the annulus also increases with increasing the superficial gas velocity in the draft tube. Moreover, a model about the particle circular velocity is established on the basis of energy equilibrium principle.     

气固环流反应器的研究进展

气固环流反应器是将气液环流理论与稠密气固流态化理论进行合理移植、耦合而形成的一种新型气固流化床反应器。对近年来国内外学者在该领域的研究进行了回顾,参考了内循环流化床的一些研究结果,对操作条件、几何结构对气固环流反应器内两相流体力学行为的影响规律进行了总结和分析,并对进一步的研究进行了展望。     

A novel three‐phase airlift reactor without circulation of solids

A novel configuration of a three‐phase internal loop airlift reactor is proposed. The draft is divided in two sections: (top) gas–liquid contact section; (bottom) liquid–solid contact section. Solids particles are fluidized in the bottom section by liquid circulation. The main advantage compared with classic airlift or three‐phase fluidized bed is the reduced stress on particles as interference with bubbles is prevented. Experiments with silica sand (325 µm diameter) were carried out to characterise the hydrodynamics of the airlift. The influence of superficial gas velocity, overall solids hold‐up and sparger height were assessed. A theoretical analysis was proposed to derive simple design criteria.     

Modeling of Shallow Fluidized Bed Reactors: I. analytic solution of a simplified model

A fairly general dynamic model for shallow fluidized bed reactors is developed, and analytic solutions for the governing equations of the model are obtained after some simplification. The bubble size, the lateral dispersion coefficient of solids, the level of the excess fluid reactant and the structure of the bed are examined to determine their effects on the conversion of solids. It has been shown that the conversion of solids is influenced profoundly by the bubble size and that it is advantageous to employ a shallow fluidized bed reactor if a high conversion of solids is required.     

大颗粒三相环隙气升式环流反应器流体力学行为

研究了大颗粒体系气升式环流反应器的流体力学行为,考察了表观气速和颗粒质量分数对床层膨胀高度、循环液速和固含率分布的影响。实验结果表明,按颗粒的运动状态不同可以将反应器内的流动分为3个区域,即固定床区域、膨胀床区域和循环床区域,各流动区域内的流动行为存在显著差异。随着颗粒质量浓度的增大,起始流化气速和最小循环气速均显著增大。基于三相流化床的流化模型和环流反应器的特点建立了相应的数学模型,对大颗粒三相气升式环流反应器的起始流化气速和最小循环气速进行了预测,模型预测值与实验测量值吻合良好。     

导流筒高度对气固环流反应器流动特性的影响

为了研究导流筒高度对环流反应器内流动特性的影响,基于欧拉-欧拉方法,采用基于多尺度结构的EMMS曳力模型,结合颗粒动力学理论,建立了环流反应器内气固两相流动模型,通过对比实验数据,确定了合适的模型参数。采用已建立的流动模型,对导流筒高度进行了优化研究,考察了导流筒高度变化对平均床层密度、质量流率和环流速率等参数的影响。结果表明,导流筒优化高度为1.4 m时,环流效果较好,其平均质量流率比原装置(HD为1.2 m)提高了36.17%。     

流化床与固定床耦合反应器中的颗粒磨损

在直径50mm的冷模流化床与固定床耦合反应器中,考察了活性炭颗粒在130～150℃及不同气速下的磨损情况,得到了不同气速下固定床中圆柱状颗粒的磨损率随时间的变化关系,同时分析了滞留在流化床、固定床及袋滤器中的细颗粒在不同气速下的粒径分布与质量分布.结果表明,颗粒在该耦合反应器中磨损严重,在0.212～0.424m/s气速下,固定床中颗粒质量损失可达3%～4%,流化床中颗粒平均粒径由200μm降至100μm以下.