鼓泡床中基于气泡结构的多相反应模型

气固鼓泡床是一个流动、传热/传质和反应多尺度时空耦合的复杂系统。其中介尺度流动结构(如气泡)对于气固相间传递起着关键性的作用。为了准确描述气固流态化系统中的"三传一反"行为,需要在合理物理简化的基础上建立介尺度模型。提出了基于气泡结构的多流体反应模型,考虑了介尺度非均匀结构对于鼓泡床内气固相间反应的影响;定义了基于气泡的反应非均匀因子修正双流体(TFM)传质反应模型,从而使模型更加易用。通过鼓泡床内的臭氧催化分解反应模拟,对模型进行了初步验证,模拟结果与文献结果相符。     

气固鼓泡床结构双流体模型及其模拟验证

气固鼓泡流化床因具有较好的传热传质特性已被广泛应用于工业生产,而气泡这类非均匀结构普遍存在于流化床中,它显著影响流化床内动量、能量和质量传递以及化学反应过程。合理描述非均匀结构与三传一反的定量关系对提高连续介质模型模拟的准确性至关重要。结构双流体模型在控制方程及本构关系方面均考虑气固系统内非均匀特性的影响,是一种逻辑自洽、完备地考虑了介尺度结构的全新连续介质模型;本研究拓展了结构双流体模型应用于鼓泡流化床的数值模拟,在构造控制方程时将系统划分成颗粒主导的乳化相和气体主导的气泡相这两类相互渗透的连续流体,同时构造本构关系时涉及的气泡直径、乳化相固含率及黏度等均考虑非均匀结构影响。模拟结果表明,结构双流体模型可成功预测鼓泡床系统内的气固流动特性,同时确定气泡直径影响稀/密相相间相互作用,对模拟结果影响显著。     

基于气泡和聚团的结构模型及其应用

综合考虑鼓泡流化床内气泡及聚团对床内细颗粒流动的影响,建立基于气泡和聚团的结构曳力模型及结构参数模型,同时,借助计算流体软件预测细颗粒在鼓泡床中流动状态。首先,基于细颗粒在鼓泡流化床的流动状态,在介观尺度上将床内气固流动结构划分为3个子结构,即气泡相、相间相及乳化相(聚团相)。然后,综合考虑细颗粒鼓泡流化床中气泡和聚团对气固流动的影响,根据力平衡、质量守恒建立基于气泡和聚团的结构参数模型及结构曳力模型。通过对结构参数模型封闭求解,得到11个结构参数值(f_b,U_b,d_b,U_(gb),f_i,U_(gi),ε_i,f_e,U_(ge),ε_e,d_c)。对结构参数计算结果进行分析,结构参数模型能够很好反映床内流动情况及床内各结构参数之间的关系,并能有效地预测颗粒聚团直径。此外借用非均匀因子,耦合结构曳力模型及结构参数模型到欧拉双流体模型对气固在床内流动行为进行数值模拟。模拟结果表明,使用基于气泡和聚团的结构曳力模型能够较好地预测细颗粒在鼓泡流化床中的流动行为。在对模拟结果中颗粒径向浓度比较时,可以发现,相对比基于气泡模型的结构曳力模型,使用基于气泡和聚团的结构曳力模型的模拟结果与实验结果更一致。     

静电效应对有无埋管气固鼓泡床内气泡特性的影响分析

采用基于双流体模型(TFM)耦合静电模型的方法,研究颗粒的静电对有无埋管气固鼓泡床内气固流动特性和气泡特性的影响。首先在无静电场存在的条件下,利用双流体模型对自由鼓泡床和埋管鼓泡床内的流动情况进行模拟并与实验结果进行对比;进一步耦合静电模型,考察静电对自由鼓泡床和埋管鼓泡床内床层的整体性质和气泡特性的影响。研究结果表明,在无静电场条件下采用双流体模型能较好地预测自由鼓泡床和埋管鼓泡床内的气固流动状况以及气泡的平均直径和气泡的上升速度。埋管的存在使鼓泡床内气固流动发生强烈扰动,并使气泡的平均直径和气泡的上升速度均呈振荡分布。静电的存在对自由鼓泡床和埋管鼓泡床内床层的平均固含率影响不大,但对气泡分布规律影响较大,使得自由鼓泡床内气泡数目减少,而埋管鼓泡床下部区域的气泡分布比较集中,上部有大气泡出现。     

基于DEM模拟的气固鼓泡床内流场间歇性及颗粒相干结构的分析

采用计算流体力学和离散元方法（CFD-DEM）对气固鼓泡床流动行为进行模拟研究,并基于模拟结果分析鼓泡床内气泡和颗粒微观运动特性。对颗粒速度的脉动能谱进行分析,发现鼓泡床流场中存在间歇性。通过对比鼓泡床不同轴、径向位置的颗粒脉动速度的平坦因子,发现鼓泡床内不同位置的流场间歇性不同,随着床层高度的增加,流场的间歇性减弱;在径向上,过渡区的流场间歇性明显大于边壁区和中心区。进一步采用连续小波分析方法揭示了相干结构（颗粒涡团）的分布以及演化过程,并分析了不同尺度下相干结构（颗粒涡团）的分布与鼓泡床内颗粒与气泡运动的关系。     

拟泡-乳曳力模型在大型高温费托流化床反应器中的CFD模拟研究

以带冷却盘管的大型高温费托流化床反应器为研究对象,开展三维计算流体力学模拟研究。传统双流体模型基于局部平均的假设,认为单位控制体内气固两相均匀分布,网格尺寸必须足够小才能正确揭示局部非均匀结构的所有细节。采用双流体模型模拟大型工业化流化床装置时,将导致网格数量过于庞大,远超现有计算能力。为提高计算效率的同时不损失模拟精度,提出了基于局部非均匀假设、适用于粗网格的拟泡-乳三相非均匀曳力(PBTD)模型。该模型将流化床分为乳化相气体、乳化相颗粒以及气泡三相,分别建立守恒方程,体现气泡的非均匀特性对气固曳力的影响。乳化相内气固曳力以及气泡相与乳化相内颗粒的曳力分开考虑。采用PBTD模型耦合传质和反应模型,建立基于局部非均匀假设的高温费托合成反应器三维流动-传递-反应模型,包括各相守恒控制方程、气泡尺寸模型、相间物质和动量交换模型、高温费托合成反应动力学模型以及初始和边界条件,预测反应器内的流场和组分浓度分布。研究结果表明:在粗网格条件下,非均匀曳力模型可以预测床层内相含率的分布情况,预测的床层膨胀高度与经验公式计算值接近,偏差为1.2%。反应器出口气体组分的质量分数与试验测量值相近,偏差在1.5%~16.0%。模拟结果证实,基于非均匀假设的PBTD模型适用于模拟工业规模的鼓泡流化床反应器,对其设计开发和工业运行具有指导价值。     

基于DEM模拟的气固鼓泡床内流场间歇性及颗粒相干结构的分析

采用计算流体力学和离散元方法(CFD-DEM)对气固鼓泡床流动行为进行模拟研究,并基于模拟结果分析鼓泡床内气泡和颗粒微观运动特性。对颗粒速度的脉动能谱进行分析,发现鼓泡床流场中存在间歇性。通过对比鼓泡床不同轴、径向位置的颗粒脉动速度的平坦因子,发现鼓泡床内不同位置的流场间歇性不同,随着床层高度的增加,流场的间歇性减弱;在径向上,过渡区的流场间歇性明显大于边壁区和中心区。进一步采用连续小波分析方法揭示了相干结构(颗粒涡团)的分布以及演化过程,并分析了不同尺度下相干结构(颗粒涡团)的分布与鼓泡床内颗粒与气泡运动的关系。     

流态化模拟:基于介尺度结构的多尺度CFD

介尺度结构是研究气固流态化多尺度行为的关键。传统的基于平均化处理方式的双流体模拟不能准确描述流化床中的多尺度流动和传递行为。相较而言,基于能量最小多尺度(EMMS)方法的结构多流体模型(SFM)基于局部空间(网格)内的非均匀介尺度结构流动特征,其宏观预测结果与网格分辨率基本无关,因而可以大幅降低模拟计算量。基于SFM模拟得到的流动结构,EMMS多尺度传质模型进一步成功解释了传统传质文献中的数据差异。集成上述模型,形成了一整套模拟流化床流动-传递-反应耦合过程的多尺度计算流体力学(CFD)方法,并将其应用于预测循环流化床中典型的S型轴向分布、揭示噎塞转变的机理以及流化床放大困难的原因。多尺度CFD使工业规模循环床的三维、全系统、动态流动-反应耦合过程的准确模拟成为可能,并为实现从模拟向实时虚拟过程转变的目标打下基础。     

提升管反应器介尺度结构影响规律的数值模拟研究

提升管反应器存在典型的颗粒聚团介尺度结构,其分布特性对气固流动、反应有重要影响,对介尺度结构影响规律进行分析有助于为反应器的设计与优化操作提供基础信息。采用基于能量最小多尺度（EMMS）方法的曳力模型建立了提升管气固两相流动模型,考虑了颗粒聚团对气固相间动量传递的影响。此外,进一步通过考虑颗粒聚团的存在以及颗粒聚团的非均匀性对化学反应的影响,提出了描述介尺度结构对反应速率影响的修正因子,与气固流动模型进行耦合,建立了基于介尺度结构的流动-反应综合数学模型,并进行了模型验证。进一步应用该模型,对工业催化裂化提升管反应器的流动-反应特性进行了模拟分析。结果表明,该模型可以合理描述提升管气固相互作用,能够预测出壁面附近存在较多介尺度结构的分布特性,由于聚团的存在使得重油组分难以与催化剂充分接触,生成汽柴油的反应速率较低,转化较慢,聚团的分布特性导致靠近边壁处的重油组分浓度较高,汽柴油组分浓度较低;汽柴油在聚团内部的流动阻力较大,在聚团内发生过量的二次反应生成较多焦炭,导致壁面处焦炭浓度较高。与传统基于平均化而未考虑聚团影响的模型相比,基于介尺度结构的模型所预测的汽油收率最佳值与工业实际相接近。因此,基于介尺度结构的流动-反应综合数学模型可以合理描述提升管内进行的流动-反应耦合特性,并能揭示介尺度结构对催化裂化反应过程的影响,有望为工业提升管装置反应终止剂技术的开发提供重要的基础信息。     

基于EMMS介尺度模型的双分散鼓泡流化床的模拟

双分散气固鼓泡流化床中颗粒通常具有不同粒径或密度,导致产生颗粒偏析等现象,影响传递和反应行为。颗粒分离和混合与气泡运动密不可分,其中相间曳力起关键作用。最近Ahmad等提出了一种基于气泡结构的双分散介尺度曳力模型,能成功预测双分散鼓泡流化床的床层膨胀系数。本研究耦合该曳力模型与连续介质方法,模拟了两种不同的双分散鼓泡流化床,通过分析不同流化状态下的气泡运动、颗粒浓度比的轴向分布等参数,进一步检验模型的适用性。研究表明,当双分散颗粒处于完全流化状态时,耦合双分散介尺度曳力模型可合理预测不同颗粒的分离现象;而其处于过渡流化状态时,新曳力模型和传统模型均无法获得合理结果,此时调节固固曳力可改进模拟结果。     

气固流化床外取热器内流动和换热特性分析

外取热器是维持催化裂化反应-再生系统热平衡和保持装置平稳运行的关键设备之一。外取热器的优化设计和合理调控，要求深入理解外取热器内的流动特性、换热特性及两者之间关系。在一套大型冷模热态实验装置上，分别考察了表观气速、颗粒质量流率对换热管附近的局部固含率和气泡频率、床层与换热管间传热系数的影响。结果表明：增加表观气速可以降低局部固含率、增加局部气泡频率、强化床层与换热管间换热；随着颗粒质量流率增加，局部固含率和局部气泡频率均增加；在较低表观气速下，增加颗粒质量流率不利于换热，而在较高表观气速下，传热系数随颗粒质量流率逐渐增加。不同流型下，气固流动特性对换热特性的影响不同。在鼓泡床流型下，过高的局部固含率不利于颗粒在换热表面的更新，增加换热管附近的局部气泡频率可以明显强化换热；而在湍流床流型下，换热管附近的局部固含率和气泡频率的增加，均使传热系数逐渐增大。建立了针对不同流型的换热经验关联式，预测值与实验值的平均相对偏差分别为6.9%和1.3%。     

气固两相流强化传热研究进展

在气流中加入颗粒,形成气固两相流。根据气流速度的不同,气固两相流分为鼓泡流态化、快速流态化、气力输送等形式。不同的流动形态,两相流内颗粒浓度及颗粒的运动规律不同,其传热特点也存在差异。通过回顾几种多相流流态的传热特点,总结了多相流与传热面换热的影响因素、气固两相流的传热机理与模型。气固两相流中颗粒浓度、颗粒运动对其传热起决定性作用,而操作参数（气流速度、床层压力、床层温度等）则主要通过改变颗粒浓度和颗粒运动影响传热。此外,通过气固两相流强化传热的应用实例--气固两相流与填充床的热交换,分析了颗粒在对流换热中所起的作用,并进一步提出了今后研究方向和难点所在。     

不同曳力模型对鼓泡床内气固两相流的模拟研究

基于双流体模型,应用Fluent商业软件包对带有单喷嘴的二维鼓泡床中气固两相流进行模拟研究。采用三种基于不同机理的曳力模型;半经验的Gidaspow模型、由格子波尔兹曼方法导出的Koch-Hill模型与修正的半经验的McKeen模型,通过模拟气泡的形成、上升及破裂过程,气泡形状和颗粒运动特征,计算气体泄漏率、气泡直径及气泡上升速度,对不同曳力模型进行比较研究,其中编程实现了Koch-Hill和McKeen曳力模型模块。通过与文献中的实验结果进行对比发现,Gidaspow模型对气泡形状的模拟效果较好,与实验数据的误差介于其他两种模型之间;Koch-Hill模型捕捉到的气泡特征最逼真,且床层膨胀效果明显,但定量计算的误差最大;而McKeen模型与实验数据的误差最小,但对气泡形状的模拟效果较差。     

颗粒旋转对鼓泡流化床内气固两相流动特性影响的数值模拟

运用考虑颗粒自旋转流动对颗粒碰撞能量交换和耗散影响的颗粒动理学方法，建立鼓泡流化床气固两相Euler-Euler双流体模型，数值模拟流化床内气体颗粒两相流动特性。分析表明，颗粒平动温度与旋转温度之比是法向和切向颗粒弹性恢复系数和摩擦系数的函数。与不考虑颗粒旋转效应计算结果相比，考虑颗粒旋转效应后床内较容易形成气泡，颗粒自旋转运动将导致床内非均匀结构更明显。并且床层平均空隙率和床层膨胀高度增加，床中心区域颗粒轴向速度提高，床内颗粒平动温度下降。考虑颗粒旋转效应后预测的颗粒轴向速度和颗粒脉动速度与文献实验结果基本吻合。考虑颗粒旋转效应后获得的气泡直径更接近于前人经验关联式。     

Heat transfer between an isolated bubble and the dense phase in a fluidized bed

Heat transfer between the bubble and dense phases of a bubbling fluidized bed plays a very important role in the system performance, especially for applications involving solids drying and gas‐phase combustion. However, very few experimental data are available on this subject in the literature. An experimental and modelling investigation on the heat transfer behaviour of isolated bubbles injected into an incipiently fluidized bed is reported in this paper. A new single‐thermocouple technique was developed to measure the heat transfer coefficient. The effects of bed particle type and size, and bubble size on the heat transfer coefficient were examined. The heat transfer coefficient was found to exhibit a maximum as the bubble size increased in the bubble size range investigated. The bed particle size had a comparatively small effect on the heat transfer coefficient. A simple mathematical model was developed which provides good agreement with experimental data.     

乙烯氧氯化工业反应器的模型化

针对乙烯氧氯化反应过程所用的挡板流化床反应器的结构和操作特点，建立了一个比较完整和实用的能反映中、高气速下，较大开孔率挡板流化床的气固流动的多釜串联模型，并进行了模型的数学推导和求解。该模型能较好地模拟工业反应器内轴向的气体浓度分布和床层温度分布规律。研究结果表明，在本反应体系中，因乙烯和氧的过量，导致反应过程的后期ＨＣｌ转化率为相间传质控制，强化相间传质效果是保证ＨＣｌ高转化率的有效手段。     

鼓泡流化床内高灰煤气化过程的颗粒尺度特性研究

基于多相流体质点网格方法(MP-PIC)对高灰煤在三维鼓泡流化床气化过程进行了数值模拟研究。在欧拉-拉格朗日框架下将气相和固相分别视作连续介质和离散相处理。首先,将模拟得到的出口处气体组分结果与实验数据进行对比,实验数据与模拟结果具有良好的一致性。其次,研究了煤颗粒在气化炉内的温度、传热系数、速度和停留时间,从颗粒尺度揭示了鼓泡流化床气化炉内的颗粒分布特性和气固流动特征。结果表明:在气化炉入口附近煤颗粒与床层温差最大,传热系数最大;由于流化床内强非线性的气固流动,床中煤温度和传热系数的空间分布不均匀;煤颗粒和床料的瞬时速度具有稳定的波动幅度,其中垂直方向速度波动最明显,且煤颗粒的瞬时速度比床料的瞬时速度略大;由于颗粒间的剧烈碰撞,延长了煤颗粒停留时间。此外,对鼓泡流化床中煤气化过程颗粒尺度的研究,有助于深入了解固体颗粒的流动行为以及气固相相互作用特性,对鼓泡流化床反应器的设计优化具有重要意义。