大型循环流化床流动结构分析

采用双光路光纤密度探头和激光多普勒测速仪测量了内径418mm,高18m的大型循环流化床提升管和下行床中的瞬态颗粒浓度信号和颗粒速度信号.对瞬态颗粒浓度和颗粒速度的概率密度分布分析表明,下行床中存在着和提升管中不同的微观流动结构,在提升管内流动结构存在明显的两相：即颗粒团相和空穴相,两相的固含率分别为接近1-ε_mf和0.01～0.02.而在下行床中,虽然在边壁也存在着颗粒的团聚行为,但不能形成稳定的、固含接近于起始流化状态固含值的颗粒团相.这种流动结构的区别揭示了下行床中气固顺重力场运动和提升管逆重力场运动在流动机制上的差异.     

气固下行流化床反应器Ⅱ气固两相的流动规律

气固下行流化床反应器气固两相流动过程是比较复杂的，沿轴向气固两相运动可分为第一加速、第二加速和恒速３个运动段，沿径向局部气体速度、颗粒速度和颗粒浓度都具有不同程度的不均匀性。而这种不均匀性是由气固两相顺重力场湍动运动所决定的。和循环床提升管相比，下行管反应器气固两相沿径向分布的不均匀性得到有效地改善，气固可以实现超短接触操作，因而是一种新型高效气固超短接触反应器     

气固顺逆重力场流态化特征分析

气固并行顺重力场与逆重力场流动形成了迥然不同的流态化机制 :下行床中 ,局部颗粒的聚集会使局部颗粒及气体速度增大 ,而局部气体速度的增大又会破坏颗粒的聚集 ;提升管中因气固逆重力场流动 ,颗粒的聚集会使局部气体及颗粒速度降低 ,而这种降低又会加重颗粒的聚集。与提升管相比 ,下行床具有气固速度和颗粒含率径向分布均匀和气固停留时间短以及返混小等特点 ,其流型更接近平推流     

环形截面提升管内颗粒的运动行为

采用PDPA(phase Doppler particle analyzer system)及磷光颗粒示踪技术对环形截面提升管中颗粒的运动行为进行了研究。与传统提升管相比，环形截面提升管中颗粒速度分布的均匀性有所改善，其最高速度与最低速度之差变小。环形截面提升管最大速度值出现在相对径向位置φ=0.3-0．4处。与传统提升管相似，环形截面提升管内颗粒的轴向返混较严重，停留时间分布曲线存在较明显的拖尾，其中颗粒的轴向Peclet数与传统提升管也处于同一数量级范围。提升管床结构的改变并未显著改变其中气固流动的微观相结构，稀相与密相颗粒团微观两相仍然存在，这种微观相结构是造成颗粒严重返混的决定性原因：稀相中的颗粒与密相颗粒团中的颗粒分别造成了颗粒停留时间分布曲线的前峰与拖尾峰。     

流动方向对循环流化床中颗粒混合行为的影响

对循环流化床提升管及下行床两种不同气固流动方式对颗粒混合行为的影响进行了较为深入的对比分析，发现在影响循环流化床颗粒混合的众多因素（如操作条件、床层直径、颗粒性质及床层内构件等）中，气固流动方向是影响颗粒轴向混合的最主要因素．当气固流动为顺重力场时（下行床），颗粒的轴向混合很小，流型接近平推流；当气固流动为逆重力场的提升管时，轴向颗粒混合将成倍增大，颗粒流动远离平推流流动．分析表明，下行床中颗粒混合仅为单一的弥散颗粒扩散，而提升管中则存在着两种颗粒混合机制：弥散颗粒扩散及颗粒团扩散．弥散颗粒的扩散基本以平推流的形式通过循环流化床，提升管中大量的颗粒轴向返混归因于颗粒团的严重返混并由此形成了提升管中颗粒停留时间的双峰分布．     

提升管和下行床在催化裂化过程中的比较

在综合考虑流动、反应、传质的基础上,建立了适用于模拟提升管和下行床反应器中催化裂化过程的二维返混模型,并利用正交配置法进行数值求解,得到了各产物在两种反应器内的不同浓度分布规律。这处结果源于两者流动结构和混合状况的差异。和提升管相比,由于下行床内的气固两相流动更接近平推流,气固速度和颗粒浓度径向分布均匀,气固轴向返混小,因而可得到更高的汽油收率。     

提升管与下行床颗粒团聚行为的离散颗粒模拟

从微观机理出发，采用计算流体力学和离散单元方法（CFD-DEM）结合的模型对二维提升管和下行床气固流动体系进行了数值模拟。模拟选用了粒径为520 μm、密度为2620 kg·m-3的球形颗粒和周期性边界条件，展示了气固并流逆重力场和顺重力场运动的颗粒聚团瞬态图像，定性或半定量地揭示了两个不同体系的颗粒微观聚集行为。提升管中颗粒聚团较为严重，且表现明显的颗粒返混现象；下行床中的颗粒聚团比较松散，且具有与宏观流动相同的流速方向，几乎无颗粒返混。通过统计分析获得宏观时均流体力学行为，包括两相的相分布和速度分布，并与文献报道的实验现象进行定性的比较。     

提升管内密相颗粒团的运动行为

引　言对提升管中的微观流动结构及气固微观流动行为的研究将有助于对提升管反应器特性的认识 ,并可为新型、高效流化床反应器的设计提供思路 .提升管反应器中颗粒存在严重的聚集现象 ,研究者发现[1～ 4 ] ,提升管中局部位置上固含率概率密度分布呈现双峰形式 ,双峰分别对应于低固含的稀相与颗粒密集的颗粒团 ,提升管中的微观相结构为稀相与密相颗粒团共存 .文献 [5 ]中对稀相中的颗粒的运动行为进行了定量的、详细的研究 ,作者通过对颗粒速度瞬时信号的分析 ,获得了颗粒速度概率密度分布 .提升管局部位置上颗粒速度的概率密度分布也呈现双…     

提升管内稀相中颗粒的运动行为

引　言很多研究已经发现[1～ 3] 提升管中存在稀相与密相颗粒团共存的微观两相 ,但以往的研究者多从固含率的角度分析提升管中的两相结构 ,而对于微观两相的运动行为尚缺乏足够的认识 .余皓[4 ] 及刘会娥[5] 的研究发现 ,提升管颗粒速度瞬时信号的概率密度分布呈现双峰形式 ,双     

提升管内气固两相双组分颗粒流动的离散颗粒硬球模型的模拟

基于离散颗粒(DPM)硬球模型，数值模拟提升管内双组分颗粒气固两相湍流流动行为。应用Vreman的亚格子尺度（SGS）模型模拟气体湍流，建立考虑不同颗粒加速度效应的两颗粒碰撞最小时间计算模型。数值模拟预测了大颗粒和小颗粒的速度和浓度分布。研究结果表明小颗粒具有高的轴向速度和脉动速度，而大颗粒具有低的轴向速度和脉动速度。在床中心区域，小颗粒轴向速度分布出现3个峰值，对于大颗粒轴向速度仅出现两个峰值。在壁面区域大颗粒和小颗粒速度均出现两个峰值。沿床径向方向呈现床中心颗粒浓度低、壁面区域颗粒浓度高的环核流动结果。随着表观气速的增大，颗粒浓度沿径向和床高分布趋于均匀。在床中心区域模拟计算轴向颗粒速度、颗粒浓度和RMS速度与文献实验结果相吻合。在提升管内气体湍流对小颗粒流动具有一定的影响，颗粒间碰撞作用对颗粒相流动的影响大于气相湍流的影响。     

A comparison of flow development in high density gas‐solids circulating fluidized bed downer and riser reactors

Comparison of flow development in high density downer and riser reactors is experimentally investigated using fluid catalytic cracking particles with very high solids circulation rate up to 700 kg/m²s for the first time. Results show that both axial and radial flow structures are more uniform in downers compared to riser reactors even at very high density conditions, although the solids distribution becomes less uniform in the high density downer. Solids acceleration is much faster in the downer compared to the riser reactor indicating a shorter length of flow development and residence time, which is beneficial to the chemical reactions requiring short contact time and high product selectivity. Slip velocity in risers and downers is also first compared at high density conditions. The slip velocity in the downer is much smaller than in the riser for the same solids holdup indicating less particle aggregation and better gas‐solids contacting in the downer reactors. © 2015 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 61: 1172–1183, 2015     

磷光颗粒示踪技术在循环流态化中的应用

<正> 1 引言 固体颗粒的停留时间分布(Residence Time Distribution简称RTD)在循环流态化研究中十分重要,它对于了解其两相流动特性、反应器的模拟计算和工程设计是必不可少的,对于流态化干燥过程及传热行为的研究也很重要。流化床中RTD的研究已有大量文献报道,发展了诸如染色颗粒、盐颗粒、磁性颗粒、放射性颗粒及热(冷)颗粒等众多的示踪方法,但是由于固体颗粒示踪本身存在着示踪剂的注入、在线检测、残留及示踪颗粒与床体物料一致性、示踪过程对床内流场的干扰等一系列技术上的困难,不但使实验操作繁琐,而且实验结果的可靠性、重复性均不理想,特别是在颗粒运动速度较快的循环流化床中,其颗粒示踪的难度更大。为了解决上述难题,本文参考了Jin Yong等和Yu Zhiqing及M.Kwauk在常规流化床中曾采用的磷光示踪方法,在循环流化床条件下进行了新的探索。     

气固下行流化床反应器 Ⅲ气、固混合

与气固并流上行提升管反应器相比，气固并流下行管反应器的轴向气固返混明显降低，而径向气固混和仍然相当大，因而有利于提高气固快速反应的转化率及选择性。本文在分析下行流化床反应器内气、固混合机理的基础上，比较了有关气、固混合的研究方法及结果，并比较了提升管和下行管的不同混合现象，旨在促进对这一课题更加深入系统地研究，以适应循环床下行管反应器设计、放大和模型化的迫切要求。     

Flow behaviors in the downer of a large-scale triple-bed combined circulating fluidized bed system with high solids mass fluxes

The flow behaviors in the downer of a large-scale triple-bed circulating fluidized bed (TBCFB) gasifier cold model, which is composed of a downer (Φ 0.1 m×6.5 m), a bubbling fluidized bed (BFB, 0.75×0.27×3.4 m³), a riser (Φ 0.1 m×16.6 m) and a gas-sealing bed (GSB, Φ 0.158 m×5 m), were investigated. Sand particles with a density of 2600 kg/m³ and an average particle size of 128 μm were used as bed materials. Solids mass fluxes were in the range 113–524 kg/m² s. Average solids holdup in the developed region of the downer increased with increasing solids mass flux. The gas seal between the riser and the downer had a large effect on the solids holdup distribution in the downer. Compared with the solids holdup in the riser, a relatively low solids holdup was formed in the downer even at high solids loadings. A pressure balance model was set up to predict the solids mass flux for this TBCFB system. It was found that the static bed height in the GSB had a great effect on the solids mass flux. The possibilities of achieving a high density solids holdup in a downer were discussed.     

Computer Simulation of the Performance of a Downer‐Regenerator CFB for the Partial Oxidation of n‐Butane to Maleic Anhydride

A reactor model for a downer‐regenerator circulating fluidized‐bed (CFB) during the partial oxidation of n‐butane to maleic anhydride is presented. Upflow reactors (risers) suffer from severe solids back mixing and gas‐solids‐separation, in comparison down flow reactors exhibit a more uniform gas‐solids flow and reduced backmixing, resulting in narrower residence time distributions. Due to the sensitivity of the VPO catalyst to over‐reduction, downer reactors present an interesting alternative to riser reactors. The reactor models for the downer and the regenerator fluidized‐bed are coupled with reduction and oxidation kinetics for the catalyst, respectively. The influence of the solids residence time distributions for the combined system of both reactors on the oxidation state of the catalyst is explored by a novel newly developed oxygen loading distribution. Simulation results suggest the limited solids‐flux in downers restrict the maximum butane concentrations, while the scale‐up is predicted to be uncritical.     

A CFD-DEM study of the cluster behavior in riser and downer reactors

This paper presents a numerical study of the particle cluster behavior in a riser/downer reactor by means of combined computational fluid dynamics (CFD) and discrete element method (DEM), in which the motion of discrete particles is obtained by solving Newton's equations of motion and the flow of continuum gas by the Navier-Stokes equations. It is shown that the existence of particle clusters, unique to the solid flow behavior in such a reactor, can be predicted from this first principle approach. The results demonstrate that there are two types of clusters in a riser and downer: one is in the near wall region where the velocities of particles are low; the other is in the center region where the velocities of particles are high. While the extent of particle aggregation appears to be similar, the duration time for the first type in a downer is shorter than in a riser. Furthermore, it is demonstrated that the formation of clusters is affected by a range of variables related to operational conditions, particle properties, and bed properties and geometry. The increase of solid volume fraction, sliding and rolling friction between particles or between particles and wall, or damping coefficient can enhance the formation of clusters. The use of multi-sized particles can also promote the formation of clusters. But the increase of gas velocity or use of a wider bed can suppress the formation of clusters. The van der Waals force may enhance the formation of clusters when solid concentration is high but suppress the formation of clusters near the wall region when solid concentration is low.     

下行床内提高颗粒浓度及改善颗粒分布研究进展

重质油高效转化和优化利用是国民经济发展的重大需求,具有十分重要的现实意义和战略意义。提升管催化裂化一直是重油轻质化的重要手段,但提升管的不均匀环核结构及气固返混特性降低了重油转化率和产品选择性。相对于提升管,下行床具有近平推流流型及气固短停留时间的优点,处理重油具有潜在优势。但下行床内颗粒浓度过低且气固初始接触较差限制其推广及应用。本文综述了提高下行床颗粒浓度及改善颗粒初始分布的相关文章,指出了深入研究下行床的颗粒增浓机制及气固初始混合可以丰富下行床的基础研究并推动其工业应用。     

下行床反应器热试装置设计与开发

气固并行向下流动的下行床反应器比提升管具有气固接触时间短、气固速度及浓度径向分布更为均匀、气固轴向返混大大减少、易实现高固气比操作等特点。在下行床反应器小型热试装置开发过程中,为发挥下行床的技术优势,重点研究和解决了反应器出入口结构、原料雾化、高温高流通量下固体循环量测量与控制等几个关键性的工程问题,为下行床反应器的热试研究和应用开发提供了基础。