高温鼓泡床内气固两相流动的数值模拟

针对高温鼓泡床内的气固两相流动,在热态鼓泡床中试装置的基础上建立了鼓泡床物理模型,采用团聚曳力模型对高温鼓泡床内气固两相流动进行模拟研究。模拟结果表明,当颗粒当量直径为235μm时,模拟得到的床层密度与实验值吻合较好;随温度的升高,气固曳力增大,使得床层密度有所降低;对颗粒体积分数的概率分布及压力脉动方差的分析表明,随温度的升高,固相中的颗粒减少,而气相中的颗粒增多,同时气泡尺寸有所增大,床层气固两相运动更加剧烈。     

稠密气-固流中介尺度结构的识别

在冷模气-固流化床实验装置中,研究了鼓泡床与湍流床内的介观两相流动结构。测量了床层内不同轴、径向位置处的瞬时固含率脉动信号,编写了Matlab软件对光纤信号进行解耦。采用三阶统计矩法(偏斜度法)确定了气泡相阈值,发现在床层中心区域,气泡相阈值在0.26~0.35内变化。气泡相与乳化相的平均固含率随气速的增大而减小,颗粒聚团的平均固含率在0.550~0.555之间变化,基本不受操作气速以及径向位置变化的影响,颗粒聚团的出现频率在0.5~3.2 Hz之间变化。     

曳力模型及镜面系数对鼓泡床气固流场的影响

为获悉曳力模型和镜面系数(ψ)对鼓泡床内流动特性的影响规律,利用颗粒动力学理论和欧拉双流体模型对鼓泡床内气固流场进行了数值模拟,考察了床层膨胀率、压降以及颗粒速度特性。实验结果表明,De Felice模型对于床层压降预测效果最好,Wen-Yu模型的固含率径向分布和颗粒速度矢量预测与实验值误差较大,Gidaspow与De Felice模型床层膨胀量接近,而De Felice模型的径向速率分布与实验值最接近;随着鼓泡床内表观气速的增加,De Felice模型对床层膨胀率的预测愈加接近实验值;随着ψ增大,壁面附近固含率较高,曲线波动梯度增大;当ψ=0.1时,固含率分布与实验值最接近,表明颗粒与壁面动量互换效果最好。     

鼓泡床、湍动床固含率的相似分布规律

在内径为４７４ｍｍ的流化床中，采用双光路光纤密度探头分别研究了流化床密相区、稀相区空隙率径向分布，发现无论是在密相区还是在稀相区，鼓泡床、湍动床中的固含率径向分布均比提升管均匀得多。鼓泡床、湍动床中的固含率径向分布符合相似分布规律，即局部固含率与截面平均固含率成正比，仅是径向位置的函数，与操作气速无直接关系。     

加压大型鼓泡床反应器中气泡上升速率的研究

在内径0 3m、高6 6m的加压鼓泡床反应器内采用床层塌落技术测量气泡上升速率。在液体粘度(1 43～3 54)×10-3Pa·s、液体表面张力(49 9～70 0)×10-3N/m、系统压力0 1～1 6MPa、表观气速0 06～0 28m/s范围内,考察了表面张力、粘度、压力、表观气速对大小气泡上升速率的影响。结果表明,大气泡上升速率随表观气速的上升而上升,而小气泡速率受表观气速的影响非常小。     

2种重油悬浮床加氢反应器流体力学特性的比较

以重油悬浮床加氢常用的鼓泡床和环流反应器为研究对象,选用欧拉两相流模型和RNG k ε 湍流模型对其在重油 氢气实际操作体系和工况下进行计算流体力学(CFD)模拟,考察不同表观气速下(001~01 m/s)2种反应器内整体气含率、气含率和液速径向分布的异同。结果表明,2种反应器内均形成了液相循环流动,但环流反应器的流动特性优于鼓泡床反应器,因此在模拟工况下环流反应器更适合重油悬浮床加氢工艺。     

喷管分布器大型浆态鼓泡床反应器气含率的研究

采用内径0 284m、高3m的浆态鼓泡反应器,研究液体流速、分布器形式、高径比、固体质量分数及颗粒粒径大小等因素对反应器内气含率及气泡大小的影响规律。实验结果表明,气含率随体系内固相浓度增加和颗粒粒径的增大而减小,大气泡含率随表观气速、固相浓度增加和颗粒粒径增大而增大,液体逆流、静液高度及分布器形式对气含率无影响。并得出气含率的关联式。     

不同进料形式鼓泡床反应器流动特性的模拟研究

选用欧拉-欧拉多相流模型和RNG k-ε湍流模型对不同进料形式鼓泡床反应器进行了三维全尺寸模拟,分析并比较了采用不同形式进料的反应器内气含率和轴向液速的异同。结果表明：不同进料形式的鼓泡床反应器内均形成了循环流动;文丘里喷嘴和多喷嘴的性能优于单喷嘴;环管分布器和排管分布器能提供均匀的气含率分布和大尺度的液相循环流动,性能优于3种喷嘴进料形式。     

导向挡板布置方式与结构参数对细颗粒湍动流化床流动特性的影响

在500mm×30mm×6000mm的大型二维流化床冷模装置中详细研究了导向挡板布置方式和结构参数对细颗粒湍动流化床流动特性的影响。研究结果表明，挡板的加入会对气泡产生破碎作用，同时对颗粒的轴向返混也会产生抑制作用，但不同的挡板布置方式和结构参数会产生不同程度的影响。挡板设置在床层中部对气泡的破碎效果最佳；挡板层数的增加有助于强化对气泡的破碎效果，同时还增强对颗粒轴向返混的抑制作用；较小的叶片间距将有助于破碎气泡，也有助于抑制颗粒轴向的返混；较小的叶片倾角将有助于抑制颗粒轴向的返混，但对气泡破碎的影响不大。     

组合气-固环流床与常规气-固环流床流动特性的比较

针对石油炼制装备中所涉及的组合气-固环流床和常规气-固环流床,通过大型冷模实验对二者整体流动特性和局部流动特性进行了对比研究。结果表明：在导流筒区表观气速、环隙区表观气速和床层内颗粒静床高度相同的条件下,组合气-固环流床和常规气-固环流床的导流筒区整体平均固含率、环隙区整体平均固含率及两区整体平均固含率差差别较小,组合气-固环流床内的颗粒环流速度较大。在床层各区域局部流动特性上,在分布器区和导流筒区下部,组合气-固环流床的局部固含率和颗粒速度均较大;在导流筒区中部,二者的局部固含率和颗粒速度均差别较小;在导流筒区上部和气固分离区,组合气-固环流床的局部固含率较小,颗粒速度较大;在环隙区,二者的局部固含率差别较小,而组合气-固环流床的颗粒速度较小。     

流化床脊形内构件

提出了一种新型内构件——脊形构件。在冷模实验台上对其流体力学行为进行了研究。采用了塌落技术、参数的计算机在线分析等手段,从床层膨胀、床层均匀性、流型转变和乳相行为等方面与其它类型的构件进行了比较。实验结果表明,脊形构件具有良好的抑制床内气泡长大、改善流化质量和使床层提早进入湍动流态化的能力,是一种很有希望的新型构件。文中还提出了流化床广义内构件的概念.     

甲醇制烯烃SHMTO工艺反应器的大型冷模实验研究

采用?376mm×3000mm的大型流化床冷模实验装置,对比了甲醇制烯烃SHMTO工艺反应器中设置格栅内构件前后流动规律的差异。结果表明,反应器内设置格栅内构件后,床层平均颗粒质量浓度降低,压力脉动显著降低,表明格栅可以有效地破碎气泡、改善气-固接触传质和提高床层操作的稳定性。增设格栅后反应器内气-固流动更趋均匀,还可以强烈抑制固体颗粒以及气体的轴向返混。借鉴已有流化床放大效应的研究可以推测,工业SHMTO反应器设置格栅后有利于稳定床层操作、改善气-固接触效果和防止气体返混,有利于改善反应产物的分布和产品选择性。但现有的格栅结构仍需进一步优化,以满足工艺和工程设计的需要。     

CFD simulation of pressure fluctuation characteristics in the gas-solid fluidized bed: Comparisons with experiments

A simple hydrodynamic model based on two-fluid theory,taking into account the effect of discrete particles on both the gas-and solid-phase momentum equations,was used to numerically investigate the pressure fluctuation characteristics in a gas-solid fluidized bed with the aid of CFX 4.4,a commercial CFD software package,by adding user-defined Fortran subroutines.Numerical simulations together with typical experimental measurements show that pressure fluctuations originate above the distributor when a gas pulse is injected into the fluidized bed.The pressure above the bubble gradually increases due to the presence of a rising bubble.When the bubble passes through the bed surface,the pressure near the bed surface gradually decreases to a lower value.Moreover,the pressure signals in the bubbling fluidized beds show obviously periodic characteristics.The major frequency of pressure fluctuations at the same vertical position is affected slightly by the operating gas velocity,and the amplitude of pressure fluctuations is related to both the operating gas velocity and the vertical height.In this study,the influence of the operating gas velocity on the pressure wave propagation velocity can be ignored,and only two peak frequencies in the power spectrum of the pressure fluctuations are observed which are associated with the bubble formation above the distributor and its eruption at the bed surface.     

流化床气体分布板结构对流化特性的影响

In the present paper, the experimental method and computational fluid dynamics (CFD) method were used to investigate the effect of gas distributors with different orifice size and orifice pitch on fluidization characteristics in gas-solid fluidized bed. The distributor pressure drop, bubble evolution, bed pressure drop and the distribution profile of solid volume fraction were investigated with using the four types of gas distributor plates. Euler- Euler two fluid model(TFM) approach based on the kinetic theory of granular flow (KTGF) and Standard k-epsilon turbulence model were employed in the numerical simulation with using ANSYS Fluent 15.0. The results showed that the orifice size and orifice pitch of gas distributor plate have the significant influence on the flow characteristics in gas-solid fluidized bed. With decreasing orifice size and orifice pitch of gas distributor plates under the same opening area, the distributor pressure drop, the initial bubble size and height of dead zone just above distributor was decreased, and the bed pressure drop was more increased than that of the larger orifice size and orifice pitch of distributors, the distribution of solid volume fraction was also more homogeneous for the small orifice size.     

上流式反应器中分布器气泡发生性能研究

气液分布器是上流式液相加氢反应器重要的内构件,一般为带有多组气液上升管的多孔板分布器。在上流式三维床冷态实验装置中,采用高速摄像法研究了单个圆柱形上升管和文丘里上升管的气泡发生性能,并考察了气速和液速对文丘里上升管气泡发生性能的影响。结果表明,在相同操作条件下,与圆柱形上升管相比,文丘里上升管产生的气泡数量更多,气泡平均尺寸更小,更有利于气体的均匀分布,其气泡发生性能更好。在相同液速下,随着气速增大,微气泡分率略有增大,气泡Satuer平均直径变大,气泡尺寸分布变宽;在相同气速下,随着液速增大,微气泡分率增大,气泡Satuer平均直径变小,气泡尺寸分布变窄。     

折流式外取热器内传热强化特性

为解决流化催化裂化(FCC)外取热器的取热负荷不足问题,提出了一种新型折流式外取热器,即在工业常用的下流式外取热器的基础上,沿催化剂流动方向增设若干折流板。通过大型冷模实验分别测量了下流式和折流式外取热器密相区和稀相区的传热系数,结果表明：在密相区和稀相区,折流式外取热器的传热系数均大于下流式外取热器,其中密相区和稀相区的传热系数的相对增长量分别为26.9%~267.9%和31.6%~152.5%。在折流式外取热器的密相区,传热系数得到强化,主要是因为颗粒径向流动的增加、密相床层的轴向混合的增强和气泡尺寸的变小;在稀相区,主要是由于颗粒流沿折流板以“折流”形式流动,增长了颗粒的过流路径,同时折流板上的开孔使催化剂分布更加均匀,提高了颗粒与换热管的接触分率。由于下流式和折流式外取热器内密相区传热系数均远大于稀相区,因此密相区为主要换热区域。建立了2种外取热器的密相区传热系数关联式,其计算值与预测值间相对误差小于20%。     

丁烯氧化脱氢制丁二烯细颗粒湍流床的研究

报道丁烯氧化脱氢制丁二烯细颗粒湍流流化床反应器及构件的设计和８００小时的稳定性试验结果。稳定性试验证实：床层温度分布均匀，系统循环正常，操作方便，易于控制，丁二烯收率比挡板流化床提高６—７个单位。开发设计的三级外旋风分离器、下料管及气动阀分离、回收效果好，适宜于细颗粒湍流床丁烯氧化脱氢制丁二烯中试工艺开发过程，同时亦为工业放大提供设计参数     

双循环流化床化学链燃烧反应器冷态实验研究

针对化学链燃烧反应器,特别设计了双循环流化床反应器。提出“鼓泡流化床/湍动流化床+提升管”的设计,通过提升管提供颗粒循环的动力,调整2个流化床反应器(空气反应器和燃料反应器)的流化气速以分别控制反应器的固体循环流量;提出双向流动密封阀的设计,形成对固体循环流量和床料量分布的柔性控制。建立了全尺寸双循环流化床冷态实验装置,并进行了连续稳定的冷态运行,实验研究了不同运行操作条件对反应器性能的影响。实验结果表明,流动密封阀内压力差范围在955~1834 Pa,固体循环流量范围在0.27~0.38 kg/s,双循环流化床之间的气体泄漏率为0.10%~0.22%。冷态实验提供了流体动力学参量,并验证了设计的可行性。