大型射流流化床混沌特性的研究

1 INTRODUCTIONJetting fluidized beds have been widely applied in suchprocesses as catalytic and flame reactions,combustionand gasification of coal,treatment of waste,cleaningof dusty gases,coating and granulation.The flowcharacteristics of jetting fluidized beds are relevant tothe stable gas jet and the high rates of heat transfer     

气固流化床中倾斜分布板上射流深度的研究

在二维流化床中,用摄像法研究了锥形分布板上射流。实验中发现,锥形分布板上射流可分为I类射流和II类射流,60°分布板上射流都是I类射流,45°分布板上观察到了II类射流,随着条件的变化射流类型也发生了改变。射流的类型与分布板角度、孔速、颗粒性质、孔的位置有关。相同气速下,0°(水平)分布板上的射流深度要大于45°和60°分布板。床层高度对射流深度的影响可以忽略。对实验数据进行拟合得到了锥形分布板上单孔射流深度关联式。     

气固流化床启动阶段挡板内构件受力特性的CFD-DEM模拟

流化床启动阶段内构件会受到较大的破坏性载荷冲击,为了保障流化床内构件的长周期可靠性,需要掌握这个阶段内构件在流化床内的受力特性。首先提出了一种统计内构件表面受力的方法,将微观颗粒-挡板作用信息转换为宏观挡板受力载荷信息。在此基础上采用CFD-DEM方法,统计分析了流化床启动阶段床层中水平挡板内构件的受力载荷特性。研究结果表明：CFD-DEM方法可半定量复现实验中启动阶段内构件表面受到的动态载荷信号,并复现了表观气速和颗粒粒径对挡板峰值载荷强度的影响规律。本研究证明了内构件表面受力载荷强度统计方法的正确性和CFD-DEM统计分析受力载荷的可行性。     

射流流化床中锥形分布板对流动的影响

给出了具有锥形分布板的射流流化床中浓密气固两相流动的多相流体力学基本方程组. 采用二维正交曲线坐标并生成了数值网格,用改进的IPSA方法求解二维正交曲线坐标中的多相流基本方程组,并编制了大型通用程序,流场可视化使用Tecplot软件. 对于给定的模拟计算,计算结果与实验值吻合. 模拟计算中改变了锥形筛板的角度、射流管的直径、床层高度、分布板开孔率的分布、射流气速、床层表观气速等,通过模拟得到床内的流动图像,考察了射流高度及颗粒循环的影响.     

气固流化床中侧向射流穿透深度的研究

本文以小米和两种硅胶为物料，在314×25mm的二维射流流化床中，用摄像法研究侧向射流穿透深度，并得到了关联式，误差小于25％．当射流倾角变化范围不大、并忽略射流位置的影响时，可以得到简化公式，误差小于40％使用基于对流体模型的计算机程序进行模拟，分析了射流产生的机理，研究了射流气速、直径、倾角和位置对射流穿透深度的影响．模拟值和实验值较吻合．     

电容层析成像技术在线测量气固流化床空隙率的研究

基于电容层析成像技术，提出了一种在线测量气固流化床空隙率的新方法。建立了相应的12电极电容层析成像气固流化床空隙率测量系统，可同时实现气固 流化床空隙率分布的在线显示和整体空隙率测量。选择加权反投影算法进行图像重建以保证空隙率分布显示的实时性和有效性。采用Tikhonov正则化原理和ART算法相结合的组合型新图像重建算法来实现整体空隙率的测量。Tikhonov正则化原理用于克服图像重建过程中的不适定问题，ART算法用于提高最终重建图像的质量。研究表明以上提出的空隙率测量新方法是有效的。空隙率分布在线测量的速度可达25幅／秒以上，整体空隙率测量的最大误差可小于5％。     

气固多相旋转射流的数值模拟研究

以气固多相旋转射流的偏微分方程组为基础,针对采用k-ε双方程湍流模型模拟旋转湍流场尚存的不足,本文通过对湍流耗散率方程修正的方法,数值模拟研究了气相湍流场、颗粒运动轨迹和轴向速度分布规律,开发研制出相应的通用计算软件,其预测结果与LDV实测值吻合较好.     

气固流化床反应器内多相流CFD的研究进展

流化床反应器因其优良的性能而广泛应用于化工、石油、冶金、农业和环保等诸多领域。传统的过程研究与设计方法需要耗费大量的人力和物力,且产业化周期较长。多相流CFD方法很好地解决了这些问题。随着数值计算方法和计算机软硬件技术的不断发展,多相流CFD方法必将会有更广阔的前景。     

气—固流化床颗粒的内循环流动

从多尺度范围考察了气－固流化床内尾涡颗粒流和乳化相颗粒流的运动规律,将分散的尾涡颗粒流和乳化相颗粒流连续介质化,从流变学角度定义了颗粒洗粘度,用流体力学方法建立了内循环流动结构的多尺度,连续介质流模型,较好地揭示了颗粒循环循环流动的规律。实验观测支持模型预测结果。     

气液固流化床流动介尺度模型研究进展

气液固流化床是一类重要的多相反应器,在化工及相关过程工业中有着广泛的应用。然而,由于对该类反应器内复杂的多相流动结构的定量描述十分有限,目前其设计和放大仍主要依赖经验,致使放大成功率低,反应结果达不到预期效果。因此,建立和完善气液固流化床内的三相流动机理模型,是实现该类反应器科学设计和放大的关键环节。对气液固流化床内的三相流动机理模型的研究进展进行了分析,着重总结了三相流动介尺度机理模型研究的新进展,并指出了存在的问题和进一步研究的方向,希望为该类反应器的基础研究和工业应用提供参考。     

气固搅拌流化床中压力脉动特性

气固搅拌流化床反应器可用于黏结性聚合物颗粒的流态化过程,流化床中通气湍动与搅拌的相互作用关系仍不明确。通过压力脉动的统计分析、功率谱分析和小波分析,考察了搅拌桨型式和搅拌转速对流态化特性的影响规律。实验发现,搅拌转速和搅拌桨型式对床层压力影响较小,但对压力脉动影响显著。搅拌流化床中搅拌与通气湍动对流态化共同作用,双层锚式桨、框式桨等小桨叶面积的搅拌桨在较高转速条件下能强化流态化过程,与普通流化床相比具有更小的气泡尺寸和压力脉动,搅拌可抑制气泡聚并、破碎气泡,维持床层均匀流态化;而新型具有大桨叶面积的自清洁桨的搅拌作用强烈,在较高的转速下易形成桨叶前方的颗粒堆积和桨叶后方的气体短路等非正常流化现象,适宜于中等转速的操作条件。     

Geldart-B类颗粒在气固流化床中的床层膨胀与流型转变

采用理论推导和经验公式相结合方法,建立了Geldart-B类颗粒在流化床中流化过程的床层膨胀比(R)的通式,并在全取值范围内构建了床层膨胀比的收敛迭代公式。采用不同颗粒的流化实验数据对上述通式(模型)进行了验证,结果表明该模型很好地预测了床层膨胀比。进一步讨论了床层膨胀比与鼓泡流化流型变化之间的关系,给出了临界膨胀比的取值规律。有关床层膨胀比的研究结果一定程度上可有效改善流化床的监控,优化操作条件选取。     

循环流化床流体动力特性研究

循环流化床的设计和放大需要对其流动特性进行细致地研究,文章采用RSM模型对新型的双外循环流化床流场进行了三维的数值模拟,得到了在不同入射速度下的流化床主、副床的三维的速度分布、压强分布及湍流强度分布等,给出了主床在典型位置x方向的上分布图,并与实验结果进行了对比。结果表明,在不同入射速度下RSM模型数值模拟结果与实验结果符合均较好,模拟计算可以很好地反映流化床中真实的流动状况,可以用于反应过程的性能评价,为设备优化设计和相似放大提供依据。     

双组分大差异颗粒在气固流化床内混合/分离特性

实验考察了FCC催化剂(d_p=90 μm)和分子筛(d_p=1875 μm)构成的双组分大差异颗粒体系在流化床内的混合/分离特性。结果表明,在密相床层,随着大颗粒初始比例X₀逐渐增加,床层稀密相界面处的单位高度压降逐渐上升。双组分混合颗粒完全流化时密相床层内大颗粒质量分数在径向上总体分布均匀,但随着表观气速的增加大颗粒在径向上呈现出边壁高中心低的“U”形分布。全床混合均匀性在X₀<20.0%时较佳,且均匀性会随着表观气速u_g增加和X₀的增加而逐渐减小。在稀相空间,被夹带到稀相空间的大颗粒随着表观气速u_g增加逐渐增大,随着X₀的增大先增大后减小,当X₀=68.5%时夹带量最大。稀相空间内大颗粒质量分数在径向上呈“M”形分布,并且随着轴向高度的增加逐渐由“M”形分布转变为倒“U”形分布。基于实验结果,给出了计算完全混合高度和分级效率的经验关联式。     

射流预氧化流化床气化炉中黏结性煤的反应特性

针对现有流化床气化技术难以处理黏结性、高含灰洗中煤的问题, 中国科学院过程工程研究所开发了可处理黏结性碎煤的射流预氧化流化床气化技术, 该技术利用含氧气体将煤颗粒快速喷射送入预氧化区内破除其黏结性, 形成的半焦进入气化区内发生气化反应, 进而实现对黏结性煤的利用。本工作采用小型流化床射流预氧化反应装置研究较强黏结性煤预氧化破黏后的产物分布、半焦结构与活性变化, 并考察气化操作条件(温度、当量空气系数、水煤比等)对半焦气化行为的影响。结果表明:当预氧化区温度为950℃、当量空气系数为0.13时, 黏结性煤生成半焦的孔结构和气化活性较好;当半焦气化区温度为1000℃、当量空气系数为0.17、水蒸气与煤质量比为0.09时, 生成燃气的品质较好, 而且生成焦油中的轻质组分最多, 有利于焦油被进一步脱除。研究结果可为射流预氧化气化技术的设计放大提供基础数据。     

Simulation and experimental studies on fluidization properties in a pressurized jetting fluidized bed

The influence of pressure on the bubble size and average bed voidage has been investigated experimentally and computationally in a circular three-dimensional cold-flow model of pressurized jetting fluidized bed of 0.2 m i.d. and 0.6 m in height with a central jet and a conical distributor, which roughly stands for the ash-agglomerating fluidized bed coal gasifier. The pressurized average bed voidage and bubble size in the jetting fluidized bed were investigated by using electrical capacitance tomography (ECT) technique. The time-averaged cross-sectional solids concentration distribution in the fluidized bed was recorded. The influence of pressure on the size of bubble and the average bed voidage in a pressurized fluidized bed was studied. Both experimental and theoretical results clearly indicate that there is, at the lower pressure, a small initial increase in bubble size decided by voidage and then a decrease with a further increase in pressure, which proves the conclusion of Cai et.al. [P. Cai, M. Schiavetti, G. De Michele, G.C. Grazzini, M. Miccio, Quantitative estimation of bubble size in PFBC, Powder Technology 80 (1994) 99-109]. At higher pressure, bubbles become smaller and smaller because of splitting. The average bed voidage increases gradually with the pressure at the same gas velocity. However, there is a disagreement between the experimental results and simulation results in the average bed voidage at the higher gas velocity, especially at the higher pressure. It suggests that the increase in density of gas with pressure may result in the drag increase and the drag model needs to be improved and revised at higher pressure.     

四边形外循环膜生物流化床内液相涡结构特性

针对研究开发的四边形外循环膜生物流化床,构建了气固液三相流可视化平台,应用激光粒子图像测速（PIV）技术分析了曝气强度对流化床液相流场特性的影响,结合涡量法和旋涡强度法分析了旋涡结构特性,初步剖析了流化床多相流运动形成的机理。结果表明,流化床液相速度随曝气强度的增加而增加,流化床形成的环流有助于控制和降低气泡的附壁效应,曝气量分布和气液掺混效果更好,提高了气含率并降低了能耗,最终提高了污水处理效果。由于流化床降流区和升流区的冲击,使整个流化床形成了大量的小尺度涡;填料在整个床体中长期和稳定的流化机理为大量的小尺度涡把受作用下沉的颗粒托浮起来;冲击使得气泡与气泡的碰撞、破碎及合并概率增大,进而增加气液传质效率;固液接触面摩擦增强,进而造成载体生物膜细胞传质浓度边界层趋向不稳定,进而增加了固液的传质效率;气固液三相冲刷膜组件有助于抑制膜污染。四边形外循环膜生物流化床在传质、流化和抑制膜污染上具有独特的优势,是高负荷有机废水好氧生物处理的开发方向。     

气固流化床流型空间图像信息多重分形特征分析

以无色小粒径玻璃珠和空气为实验介质,利用高速摄影系统在气固流化床实验装置上拍摄,并获取到气固流化床5种典型流型的空间图像信息。采用多重分形谱参数分层次地刻画了流型空间信息内部的精细结构,突出了异常局部变化特征,从复杂的流型图像数据中选出具有明显个性特征,与分形盒维数结合表征流型。结果表明,多重分形谱比简单的分形盒维数能提供更多的流型特征的信息,且流型特征的提取结果更符合实际情况,可被有效地用于气固流化床流型识别和运动机理分析的过程中。     

快速流化床颗粒团絮特征的MP-PIC数值模拟

为了研究快速流化床颗粒的团絮特征,建立了基于多相质点网格法的快速流化床气固多相流三维数理模型,气相场采用大涡湍流模型,通过求解牛顿运动方程得到颗粒相运动信息,气固间相互作用力采用Gidaspow曳力模型,固体间作用力通过计算颗粒应力梯度得到。基于该模型,对三维快速流化床上升管（H=3 m、d=0.1 m）气固流动开展了数值模拟,并与实验进行了校正,研究了在气速工况U_g=5.28 m·s^-1下的颗粒（ρ_p=2650 kg·m^-3、d_p=250 mm）团絮性质,实现了对上升管内颗粒团絮的基本类型（条形团絮、马鞍形团絮、U形团絮）的成功预测,并揭示了不同类型团絮在上升管内形成、发展、聚并直至破碎的演化规律。结果表明,上升管径向颗粒团絮的平均颗粒浓度分布呈现中间低两边高的环核结构,颗粒团絮速度的分布与其相反;随着轴向高度的增加,颗粒团絮的颗粒浓度逐渐降低而速度逐渐增加,但达到一定高度后变化减缓。