环隙气升式气固环流反应器内流体力学特性的理论分析

环流反应器的研究与应用一直局限于气液与气液固体系,将环流反应器移植到气固体系是一个具有独创性的探索。针对工业化中气固环流反应器的缺陷,提出了一种新型的环隙气升式气固环流反应器。并对床层空隙率、颗粒流动速度进行了实验研究与理论分析。建立了环隙区床层空隙率模型,发现环隙区床层空隙率随着环隙区表观气速的增加而增加;环隙区靠近导流筒外壁一侧颗粒流动速度明显大于靠近反应器内壁一侧,导流筒区颗粒流动速度沿径向的分布受气体分布器结构影响较大;环隙区颗粒流动速度基本不随轴向位置的变化而变化,导流筒区颗粒的流动属于密相输送,颗粒环流所受到的阻力主要集中在底部区域,其次为气固分离区,底部区域阻力大小由床层流化质量和导流筒下端距反应器底部的间隙所决定;建立了颗粒环流速度模型,发现环流速度随环隙区表观气速的增加而增加。     

环隙气升式气固环流反应器内颗粒速度特性

针对中心气升式气固环流反应器在工业化中暴露出来的问题,提出了一种新型的环隙气升式气固环流反应器,并建立了一套大型的冷态实验装置（装置总高4．56m,环流反应器筒体外径300mm）来考察环隙气升式气固环流反应器内颗粒速度特性。操作条件为环隙区表观气速0.10-0.54m／s,导流筒区表观气速0.059-0.200m／s。分别测量了环流反应器环流段内颗粒的密度和速度,基于实验数据对催化剂颗粒的运动速度和环流推动力进行系统分析。结果表明,环隙区颗粒分布形式为“中心稀两边浓”;环隙气升式气固环流反应器内,颗粒环流速度随着环隙区表观气速的增大而增大,而环流速度梯度逐步减小。随着导流筒高径比H／D的增大,环隙气升式气固环流反应器的环流推动力增大而颗粒环流速度减小。     

环隙气升式气固环流反应器内床层密度的实验研究

针对工业化中气-固环流反应器存在的缺陷,提出了一种新型的环隙气升式气固环流反应器. 在一套冷模装置内系统地考察了局部床层密度分布. 实验中实现了稳定、连续的环隙气升式环流,环流推动力随着环隙区表观气速的增加而增加,随着导流筒区表观气速的增加而减小,当导流筒区表观气速为0.2 m/s时,颗粒环流方向改变为中心气升式. 受结构特性的影响,催化剂密度在导流筒区和环隙区沿径向的分布具有一定的不均匀性,在底部r/R≤0.47区域颗粒未能充分流化,床层密度接近820 kg/m3,在底部0.47≤r/R≤1.0区域颗粒流化较好,床层密度小于450 kg/m3;随着环隙区表观气速由0.2 m/s增加至0.54 m/s,环隙区、导流筒区平均密度分别降低约70和33 kg/m3,随着导流筒区表观气速由0.06 m/s增加至0.2 m/s,环隙区平均密度增加约90 kg/m3,导流筒区平均密度降低约33 kg/m3.     

三相强制外循环环流反应器内的局部气泡行为

为适应新兴的工艺过程，提出一种带有强制外循环的中心气升式内环流反应器。根据结构特点及流动状态不同，将强制外循环环流反应器分为6个流动区域，即环流反应器底部区、气体分布器影响区、浆液进料影响区、导流筒上行区、气液分离区和环隙区。研究了不同流动区域内的局部气泡特性。发现不同流动区域内气泡直径沿径向的分布有较大差异，倒锥形底部结构显著影响了环流气泡的数量与直径。推导出了不同流动区域内平均气泡直径的理论模型，模型结果与实验数据吻合较好。     

导流筒分布器位置对环隙气升式气固环流反应器流体力学性能的影响

环流反应器的研究绝大多数都局限于气液、气液固系统,涉及气固环流反应器的研究较为稀少,且大多针对气升式气固环流反应器和喷动床。本文研究了一种处理A类粒子的环隙气升式气固环流反应器,考察了操作条件和导流筒分布器位置对床层密度分布、环流速度和质量流率的影响。发现将分布器位置下移后可以有效地改善区域的流化质量、减小滑移区,床层密度沿径向的分布得到了明显改善,颗粒环流质量流率有了明显提高;进气位置以上r/R<0.367的床层得到了良好的流化,但是0.367相似文献   

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。     

气升式三相内环流生物反应器内流体力学和传质性能的实验研究

本文通过实验研究了气升式三相内环流反应器在非牛顿流体中的流体动力学特性和传质性能.考察了表观气速、导流筒与反应器截面积之比、固体粒子加入量及CMC溶液浓度等操作条件对气升式三相内环流生物反应器中导流筒与环隙内液体循环速度、气含率、固含率及气-液体积传质系数等流动与传质特性参数的影响.     

中心气升式气固环流反应器中的颗粒速度分布

在一套连续进料的中心气升式气-固环流反应器装置上,考察了不同操作条件下各分区颗粒上行运动速度、下行运动速度及时均速度沿径向的分布规律,并与间歇操作时颗粒速度沿径向的分布规律进行了对比。研究发现,随着导流筒表观气速的增加,底部区域、导流筒中不同轴向截面处颗粒的上行运动速度和时均速度增加,下行运动速度减小,颗粒的环流速度增加。在相同的表观气速下,与间歇操作相比,连续操作时底部区域环隙下方颗粒的时均速度增加,主体向下流动;导流筒进料影响区颗粒的时均速度减小,返混增强;颗粒的环流速度增加。     

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。     

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,0r/R0.3的范围内固含率增加并且颗粒存在明显的径向流动。     

中心气升式气-固环流反应器与自由流化床流动特性对比

对中心气升式气固环流反应器和自由床流化反应器的流动特性进行了对比. 结果表明,在同样的操作条件下,在轴向高度h=112~512 mm范围内,环流反应器导流筒区的径向不均匀指数RNI比自由床的RNI减小27%~36%;与自由床相比,环流反应器导流筒区的局部不均匀指数减小20%~59%,整体不均匀指数减小17%~43%,环流反应器的流化质量较高;环流反应器导流筒区和自由床内均存在气体返混现象,导流筒区各采样点示踪气体的浓度和轴向扩散系数Da,g比自由床均有所降低,在表观气速0.2~0.4 m/s范围内,导流筒区Peclet准数的绝对值比自由床增大12%~58%,说明导流筒区气体返混程度小于自由床,气-固两相流向上的宏观流动可有效抑制气体的轴向返混.     

Bed density and circulation mass flowrate in a novel annulus-lifted gas–solid air loop reactor

Air loop reactors (ALR) have been widely used as promising and high-efficiency gas–liquid and gas–liquid–solid reactors. Extensive research on ALR has been conducted, but mostly limited to gas–liquid and gas–liquid–solid systems. Work associated with gas–solid systems has been rare and mainly focused on draft tube-lifted spouted bed treating coarse Geldart B, D particles. The present paper proposed a novel gas–solid air-loop reactor treating fine Geldart A particles and operating in a new annulus-lifted mode, with bubbling or turbulent bed upward flow in the annulus in parallel with bubbling bed downward flow in the draft tube. In view of these differences, distinct hydrodynamic behaviour can be anticipated for the gas–solid annulus-lifted air-loop reactor. The influence of operating conditions and geometric configuration on the distribution of bed density is discussed in a cold model annulus-lifted air loop reactor. A mechanistic model for the circulation mass flowrate is established based on an energy balance and resistance analysis. Nearly 50% and 30% of the energy dissipation rate occurs in the bottom and top regions, respectively. With increasing draft tube height, the energy dissipation rate increases in the annulus and draft tube regions, while it decreases in the top and bottom regions. The circulation mass flowrate decreases with increasing draft tube height. Analysis of the distribution of bed density and energy dissipation rate leads to suggestions regarding optimization of the design and axial location of the ring distributor and gap height.     

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%。     

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。     

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.     

三相下喷式环流反应器的传质性能

在三相非牛顿型流体体系中，对下喷式环流反应器传质特性进行了实验研究。讨论了表观气速、能量耗散速率、导流筒直径与反应器直径比、喷嘴直径、导流筒下端距反应器底部的距离、固体装填量、羧甲基纤维素钠（ＣＭＣ）溶液浓度及其流变特性对它的影响。实验结果表明，容积传质系数随表观气速和能量耗散速率的增加有所增加，在实验条件下，发现最优的导流筒直径与反应器直径比在０．４～０．４５这一范围、固体装填量大约为３％（体积百分比）、导流筒下端距反应器底部的距离为０．０８ｍ左右。同时提出了容积传质系数的经验关联式。     

气升式气-固环流汽提器的流体力学行为

In this paper, the principles of airlift loop reactor in gas-liquid and gas-liquid-solid systems are extended to gas-solid system. The models on bed average voidage in draft tube and the particle circulation velocity in a gas-solid loop reactor are deduced. The experiments are also conducted on a Φ600 mm×7000 mm reactor. The catalyst voidage and catalyst circulation velocity are measured at different radial and axial positions in draft tube and annulus, respectively. The experimental data are analyzed systemically and represented satisfactorily by the proposed models.