微型流化床内混合特性的数值模拟

微型流化床反应分析仪是中国科学院过程工程研究所研制的具有等温微分反应特性,且适合于气固反应分析的新仪器。细微样品与高温流化介质的瞬间混合是该仪器实现等温微分的必要条件。针对如何满足该要求,基于欧拉多流体模型对连接不同进样器的微型反应器本体进行了三维数值模拟,得到了不同喷口结构和位置下的流动图景及混合区浓度的相对标准偏差曲线,定量表征了各种进样器的混合质量。同时采用高速摄像手段获得了冷态实验中颗粒流动的快照,验证了模拟计算结果的可靠性。模拟结果对脉冲射流微量进样器结构的优化提出了如下建议：进样细管应避免采用弯角喷口,弯角结构会导致脉冲进样载流气喷出方向与流化气流相逆,使得细微颗粒试样堆积滞留,影响混合效果。     

高温加压微型流化床内脉冲气射流扰动的数值模拟

气固微型流化床反应分析仪由于其等温微分特性而被成功应用于反应动力学分析。目前该仪器多在常压条件下应用，在加压条件下的使用特性尚未明确。微型流化床为该仪器核心部件，通过计算流体力学方法深入研究其在高温加压条件下的脉冲进样行为有着重要意义，可揭示脉冲进样气对床层流化状态扰动的影响规律，进而为该仪器的高压使用与优化提供理论认识与指导。本工作基于双流体模型模拟床层流化，对加压条件下微型流化床的脉冲进样进行了三维数值模拟，并提出进样管结构改进方案。模拟结果表明，所建立的三维模型能够准确捕捉到微型流化床的压降，符合实验结果。温度与压力对脉冲进样气造成的床层扰动有着相反的影响规律，压力增大将引起脉冲进样气动能增加，进而导致对床层流化扰动加剧，而温度升高则会减弱对床层的扰动。通过对脉冲进样管进行轴向以及径向的扩张，可使扩张导致的气流速度减小效果强于无滑移壁面条件导致的气流速度增大效果，从而减小脉冲进样气末端速度，进而削弱其对床层的扰动。相比径向扩张，轴向扩张对扰动的削弱作用更为有效，因此脉冲进样管的改进应以轴向扩张为主。     

气-固微型流化床压降特性及最小流化速度的实验研究

在内径3~20 mm的4个气?固微型流化床中,分别考察了A类和B类两种类型颗粒的流化特性,同时研究了床几何结构、操作条件、物相性质等各因素对其最小流化速度的影响。结果表明,气?固微型流化床中的床层压降特性与颗粒类型密切相关,不同的流动状态下两种类型颗粒的流动特性存在显著地差异。在固定床阶段,与B类颗粒相比,A类颗粒与壁面间的相互作用更强,导致实验压降值偏离计算值更大;在流化床阶段,较大颗粒粒径和密度的B类颗粒在床层内表现出了更高的气泡聚并和破裂程度,加剧了颗粒间的碰撞,增加了能量损失,从而形成了较高的实验压降。气?固微型流化床的最小流化速度除了与操作条件和物相性质有关外,床内径与静态床层高度对其也会产生显著影响。随着床径减小及静态床高增加,最小流化速度逐渐增加。综合考察各影响的因素,提出了适用于实验考察范围内预测微型流化床最小流化速度的经验关联式。     

基于图像法喷动床内空隙率研究

利用图像二值化方法处理图片,并采用Matlab编程实现空隙率的测量,从微观层次分析空隙率对喷动流化床内流动状态的影响。研究了颗粒粒径、喷口数量和表观气速对空隙率分布的影响。结果表明,增大表观气速使床层底部的稀相区增大,床层膨胀高度增加,空隙率也随之增加。增大颗粒粒径会增大最小临界流化速率,所以在其达到流化状态后流化床内颗粒粒径增大,床内喷动区空隙率减小比较明显。在相同条件下,与单喷口相比双喷口在床层底部附近存在合并射流,同时颗粒能到达的高度显著增加,底部两侧停滞区面积减小。结合对空隙率的分析,提出一种新的表征流化床内流化状态的参数(流化指数),可以直观地表示流化床内颗粒的流化状态。     

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。     

新颖环形喷动床颗粒喷动特性实验研究

一种新颖的环形喷动床由内外两个不同内径、同心的垂立圆筒组成,在环形空间底部设置多个喷口,在喷口两侧布置倾斜的导流板.研究颗粒在这种喷动床内的流动特性,探讨喷口结构、颗粒种类以及床内载料量对环形喷动床颗粒喷动特性的影响.实验结果表明:颗粒在环形喷动床内分为三个明显不同的区域,即颗粒填充移动区、密相喷动流化区以及稀相夹带区.当颗粒出现分区喷动后,随床内载料量的增多,填充移动区的高度维持不变,始终等于导流板的高度,而密相喷动区的高度不断增加.风量和颗粒种类对床层最大喷动量、密相喷动高度以及床层压力分布规律有着十分重要的影响.采用不同的喷口结构时,在相同的载料量下,直向喷口的密相喷动区高度更大,而且床内各测点的平均压力大于采用斜向喷口时的相应测点压力.     

基于动态双重网格下喷动床滞止区流动特性CFD-DEM数值模拟

基于Fortran语言自行开发了基于动态双重网格方法下的喷动床内气固两相流动的CFD-DEM方法,同时开展了喷动床内径向混合实验与模拟研究,又结合单网格方法对喷动床内0~2.0 s内的滞止区特性进行对比分析,验证了动态双网格方法计算结果的准确性。然后利用动态双网格方法对不同进口气速下和不同初始堆积高度下的喷动床进行数值模拟研究,对滞止区颗粒流动过程进行追踪,结果表明：径向混合实验结果与数值模拟结果有很好一致性;在喷动床内存在一定的滞止区,滞止区内的颗粒流动性较差;初始堆积高度不变,随着进口速度的增加,滞止区高度下降速率和向喷口延伸速度无明显变化;进口速度不变,随着初始堆积高度的增加,滞止区颗粒下降速度随之增加,但其向喷口延伸速度逐渐变慢。     

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。     

循环流化床多组分颗粒气固两相流动模型和数值模拟

基于稠密气体分子运动论和颗粒动力学,考虑多组分颗粒中颗粒组分与颗粒组分、颗粒组分内颗粒之间的相互作用以及气体与颗粒之间的相互作用,提出多组分颗粒非等温颗粒气固两相流动模型.以颗粒压力、径向分布函数、黏度、颗粒碰撞耗散等耦合各颗粒组分间和颗粒间的相间作用.采用大涡模拟方法模拟气相湍流流动.提出了多组分颗粒的径向分布函数计算方法.对循环流化床上升管中双组分颗粒气固两相流动特性进行了数值模拟,模拟结果揭示了上升管中双组分颗粒气固两相流动的环-核流动结构,得到了平均颗粒粒径的轴向和径向分布规律,计算结果与文献中实验结果相吻合.     

三维整体式喷动-流化床结构优化与流动数值模拟

为了对环隙区内的颗粒堆积层产生局部流化作用,提出了一种在喷动床锥体处开一定数量侧喷嘴的整体式多喷嘴喷动-流化床结构,并采用双流体模型(TFM)对三维整体式多喷嘴喷动-流化床内的气固两相流动行为进行了数值模拟。通过计算流体力学(CFD)模拟获得了喷动床内颗粒体积分数、颗粒速度及流场均匀度分布情况,并将模拟结果与传统喷动床进行了对比,同时对锥体处开孔直径等关键参数进行了优化分析。结果表明:与常规喷动床相比,三维整体式多喷嘴喷动-流化床结构能有效增强喷动床环隙区与喷射区颗粒的径向混合,特别是流化了喷动床环隙区底部颗粒的流动死区。颗粒流场均匀度(CV)值随着床层高度的增加而上升,表明多喷嘴对颗粒流场的均匀化效应主要体现在喷动床柱锥区,当A_i/A_z=0.67时,侧喷嘴对喷动-流化床内整体的颗粒流化作用达到最佳。     

A类颗粒流化床特性的DEM-CFD模拟

采用离散元方法-计算流体力学(DEM-CFD)对耦合边界下A类颗粒流化床特性进行模拟。讨论了在床底的表观速度取决于流场情况下,不同进口流速时该类颗粒的流化状态。分析了流动与颗粒运动的相互作用,及其对最小流化速度和最小气泡速度的影响。发现与均匀床底的表观速度相比,当床底的流动速度取决于流动与颗粒运动耦合时,床体的稳定性变差,床底的速度分布呈现不均匀,局部更早出现气泡,并沿着该位置的轴向向床顶面发展,形成沟流,而此时其它部位会产生死区。     

石英砂二元混合颗粒初始流化过程的研究

在一套Φ300 mm×3000 mm的有机玻璃冷模流化床实验装置上,考察了石英砂二元混合颗粒的初始流化特性。所有二元混合颗粒均由颗粒密度相同但粒径不同的A、B、C、D四类颗粒组分两两按照一定质量分数混合而成。采用FXC-Ⅱ/32型压力巡检仪测得了不同轴向位置床层的压降曲线,得到了不同二元混合颗粒的起始流化过程特性曲线和起始流化速度。实验结果表明,两种颗粒组分平均粒径大小和差异及其组分质量分率对二元混合颗粒的起始流化特性具有显著影响。A类颗粒加入可显著改善B、C和D类颗粒的流化质量;C类颗粒加入量过大会使混合颗粒在流化过程中出现严重的沟流现象;当浮升组分(小颗粒)质量分数为0.4时,组分粒径差异较大的二元混合颗粒在流化过程中最容易发生完全分级现象;对于粒径差别较大的二元颗粒组分,床层最小流化速度随小颗粒组分的增多而下降,而对于具有较强颗粒间作用力组分的二元颗粒组分,床层最小流化速度则随小颗粒组分的增多而增大。根据实验数据对等密度BD二元混合颗粒的起始流化速度预测公式进行了修正,发现实验值与计算值吻合较好。     

微型流化床反应分析的方法基础与应用研究

准确测试气-固反应特性、求算动力学参数和推导反应机理是能源、化工、冶金等过程工程领域的重要研究课题。通过分析现有气-固反应分析测试方法与测试仪器优缺点,本文作者提出了利用微型流化床(MFB,micro fluidized bed)实现低扩散、快速升温条件下的反应微分化和等温分析的测试方法,系统研究了反应器内的流体力学特性,研制了微型流化床反应分析仪(MFBRA,micro fluidized bed reaction analyzer),验证和展示了其对热解、燃烧(氧化)、气化、还原、催化、吸收等典型气-固反应的应用,充分揭示了微型流化床反应分析仪强化传热传质、降低扩散抑制、实现实时在线微分分析的特性,尤其为快速复杂反应提供了有效的研究分析手段,并且拓展了水蒸气气氛、在线颗粒采样、串联反应解耦等系列气-固反应研究与表征功能,形成了与热重分析互补的气-固反应分析方法和分析仪。     

不同入口结构下行床内气固流动及混合行为的CFD-DEM模拟

采用计算流体力学和离散单元模型（CFD-DEM）耦合一种简单的气固催化反应模型对具有不同入口结构的二维下行床内的气粒流动和混合行为进行全床数值模拟。模拟得到了不同入口结构下行床内的多尺度气固运动状态、全床的固含、速度及反应生成物浓度分布，以及气体和颗粒在下行床内的停留时间分布，发现入口结构对反应器内的流动、混合和气固接触效率起着关键性的作用，入口气体和颗粒的不均匀分布将导致下行床内气体停留时间的宽分布以及气固接触效果的恶劣。     

喷入颗粒与气相快速混合数值模拟

为解决化工领域内气固反应器入口2相混合不均造成反应效率较低的问题,设计了1种气固相快速混合的装置,并通过FLUENT软件,采用RNG k-epsilon模型、simple算法,模拟了该装置应用于循环硫化床反应器时的非稳态气固相混合效果,并将模拟结果和已有实验或模拟研究结论进行了对比。结果发现,颗粒沿锥型钝体下滑,可快速布散在整个截面,实现气固相快速混合;整流罩外测流动有利于加强壁面气流流速,破坏流化床内的环核流动,提高颗粒轴向混合;整流罩内侧流动绕流钝体加速气固相扰动,增强气固相传质。     

U形流化床流体动力学特性

用内置隔板将流化床内反应空间分为左右两个反应室,并通过下部通道使两室连通,反应颗粒从一室连续供入、反应后颗粒从另一室连续排出,将在反应器结构和颗粒流动路径两方面均呈现"U"形特征的新型结构反应器称为U形流化床(UFB)。该反应器适合于高水分含量生物质的解耦气化。通过FLUENT模拟和二维冷态U形流化床实验相结合的方式,研究了U形流化床的流体动力学特性。结果表明:U形流化床左右两室的颗粒均能被充分流化,实现颗粒自一室向另一室的流动,且通过优化分隔板的结构及布置方式,使自一室流向另一室的气体可在流入反应室中较均匀分布。确立了实现上述流动特征的U形流化床的操作条件范围及其控制因素。颗粒停留时间的测试分析进一步阐明了颗粒经过U形流化床的停留时间分布特征及其与全混流模型的接近度。     

连续测温法研究催化精馏过程宏观动力学

为甲缩醛合成流化催化精馏塔设计需要 ,建立了原颗粒催化剂宏观动力学快速测定法——连续测温法及其装置 ,测定了不同粒径催化剂上甲缩醛合成反应的宏观动力学数据 ,采用二级可逆反应球型等温催化剂有效因子的近似解析解 ,估计了有效扩散系数。     

振动流化床双组分颗粒的混合与分离

研究了振动流化床中颗粒的轴向浓度分布及最小流化速度,根据不同操作条件下最小流化速度的实验值,定义了最小流化速度的计算式;同时考察双组分颗粒混合与分离情况,根据实验结果,修正了Ｎｉｅｎｏｗ定义的双组分颗粒的转变气速,并与实验值相符。     

液固导向管喷动流化床中颗粒流动特性的数值模拟

为获得优化床层结构及操作条件,采用双流体模型对导向管喷动流化床进行了数值模拟。研究考察了进口喷动液流速和流化液流速对颗粒流动规律的影响,结果表明:喷动液流速对颗粒的浓度分布及速度分布影响较小,只能使颗粒在环隙区与导向管内的循环加快;流化液流速对颗粒的浓度分布及速度分布影响较大,随着流化液速度的增大,颗粒在环隙区分布更均匀,浓度降低,颗粒更容易被卷吸进入导向管内,颗粒循环速度加快。     

气固流化床内宽筛分硅粉颗粒流化特性的数值模拟

为了探索气固流化床内宽筛分硅粉颗粒的流化特性,作者利用计算流体力学CFD软件,采用Eulerian气固多相流模型及SIMPLE算法,模拟了二维气固流化床内不同粒级硅粉颗粒在不同操作件下的气固流化特性;分析了气泡生成、长大和破裂的过程,研究了床内气固两相的流动特性.结果表明:模拟计算值与实验值吻合较好,最大相对误差为10...