提升管反应器中颗粒浓度径向分布的力学特性

采用空气动力学中的Kutta-Joukowski升力定理分析了提升管内颗粒的受力,得到了Kutta-Joukowski力FK-J的计算公式FK-J=ρg(vg,Z-vp,Z)(?vp,Z/?r)r.根据在大型冷模实验装置上由PV-6D型颗粒密度两用仪测量的局部固含率和颗粒速度径向分布的实验数据,计算了Kutta-Joukowski力在提升管内的分布特征,分析了颗粒循环量、表观气速、轴向位置对其径向分布的影响.结果表明,当无因次半径r/R=0时,FK-J=0,在r/R=0.85时,FK-J最大;FK-J随颗粒循环量增大而增大,表观气速对FK-J的径向分布没有显著影响;在提升管内的充分发展段FK-J的数值明显大于提升管加速区和出口约束区.由实验数据回归出了提升管内FK-J径向分布的经验关联式,计算值与理论值吻合较好.     

下行床内Kutta-Joukowski横向力与颗粒浓度径向分布

将空气动力学的理论和场论用于分析、量化气固下行床内颗粒浓度不均匀分布。通过理论分析,结合文献中所给出实验数据,获得了下行床内Kutta-Joukowski横向力的表达式F_(K-J)=-ρ_g(ν_p-ν_g)(?p/?r)r,并给出了Kutta-Joukowski横向力在下行床内的分布;分析了操作条件对Kutta-Joukowski横向力分布特性的影响。结果表明,局部Kutta-Joukowski横向力是下行床内颗粒浓度沿径向分布不均匀的主要原因,其作用方向由低密度区指向高密度区。根据分析结果,给出了下行床内F_(K-J)的经验关联式。     

耦合流化床提升管内固含率径向分布及沿轴向的发展

针对催化汽油辅助反应器改质降烯烃工艺,结合提升管与流化床的特点,建立了一套提升管与流化床耦合反应器大型冷态实验装置. 在不同操作条件下,采用PV-4A型光纤密度仪测定了提升管内固含率沿径向的分布规律. 结果表明,固含率径向分布整体上呈现中心小、边壁大的环-核结构分布特征;沿轴向向上,各径向位置上的固含率在颗粒加速区逐渐降低,在充分发展区趋于稳定,在颗粒约束返混区又有所升高;各径向位置上的固含率随表观气速增大或颗粒循环强度减小而减小,且均匀性变好;提升管上部流化床内颗粒静床高度只对颗粒约束返混区内固含率径向分布有影响,而对颗粒加速区和充分发展区的固含率径向分布影响较小;当表观气速较低或颗粒循环强度较大时,颗粒约束返混区上部局部固含率最大值出现在无因次半径f=r/R=0.7附近,此时局部无因次固含率es*=es/ 沿轴向在H>5.33 m时不再具有相似性;通过比较径向不均匀指数,得到轴向各区固含率径向分布趋于均匀的程度依次为：充分发展区>颗粒约束返混区>颗粒加速区. 利用实验数据回归出了局部固含率径向分布关联式,其平均相对误差在6%以内.     

内设/不设中心管两股催化剂混合预提升结构内的颗粒浓度分布

采用光纤探针分别考察了内设与不设中心管两种预提升结构内FCC催化剂颗粒浓度的分布,并引入径向不均匀指数RNI(ri)对颗粒浓度径向分布的不均匀性进行定量分析. 结果表明,在扩径区(中心管区),内设中心管的预提升结构内颗粒浓度梯度较大;而在提升管入口区,内设中心管的预提升结构内颗粒浓度分布更均匀;相比传统结构,无中心管的提升管入口区内RNI(ri)约减小65%,内设中心管时约减小75%;给出了内设中心管的预提升结构内平均固含率轴向分布的经验模型,计算值与实验值吻合较好,可供工程设计参考.     

内设中心管的两股催化剂混合预提升管内颗粒速度的分布

采用PV-6D光纤速度仪考察了内设/不设中心管两种催化裂化提升管预提升段内FCC催化剂颗粒速度沿轴、径向的分布,引入径向不均匀指数RNI对颗粒速度的径向不均匀性进行定量分析,并与传统结构内的RNI进行了对比. 结果表明,设中心管的提升段内颗粒速度沿轴向分布更均匀,两种结构内颗粒速度沿径向分布均匀程度扩径区(中心管区)设中心管结构<无中心管结构,底部区及提升管入口区设中心管结构>无中心管结构;相比传统结构,无中心管提升段内RNI减小40%,设中心管减小60%. 给出了设中心管提升段内截面平均颗粒速度轴向分布的经验模型,计算值与实验值吻合较好,可供工程设计参考.     

密相输运床径向颗粒体积分数分布的研究

在提升管高17 m,内径0.102 m的密相输运床冷态实验装置中,采用B类石英砂颗粒,针对径向颗粒体积分数分布进行了研究。结果表明,径向颗粒体积分数分布不均匀:提升管中心至近壁面附近(r/R=0—0.7),颗粒体积分数较低且基本一致;近壁面处(r/R=0.7—0.9)颗粒体积分数显著升高;壁面附近(r/R=0.9—0.97)达到最大。增加固体循环流率或降低提升管气量,各径向位置颗粒体积分数都增加。其中壁面附近最为明显,提升管中心至近壁面附近变化较小。文中建立了径向颗粒体积分数分布描述关系式,对于A类颗粒和B类颗粒实验结果都能较好地预测。     

循环流化床提升管中颗粒速度的径向分布及其沿轴向的发展

采用5光纤速度探头对f100mm?5.1m循环床提升管8个高度截面上11个径向位置的局部颗粒速度进行了实验测试,并采用径向不均匀指数(RNI)对颗粒速度径向分布的不均匀性及其沿轴向的变化进行了定量描述。研究结果表明:在高气速、高颗粒循环量操作时,操作条件对颗粒上升速度和下降速度的径向分布的影响在加速段和充分发展段呈现出不同的规律;颗粒上升速度和下降速度沿轴向的变化在核心区和边壁区也表现出不同的趋势。当颗粒循环速率大于200 kgm-2s-1时,颗粒的加速段长度大大延长,以至于大于提升管的高度(15.1m)。颗粒速度径向分布的不均匀性沿轴向是逐渐增大的,并且与截面平均颗粒速度存在很强的相关性。     

快速流化床提升管中气固流动行为的非线性分析

对φ100mm×16m、FCC固体颗粒的快速流化床提升管内环-核流动区局部颗粒含量脉动行为进行了非线性分析,用Kolmogorov熵表征了其气固流动行为.结果表明,Kolmogorov熵沿提升管环-核流动区径向有3个显著变化区域,以此为依据将提升管环-核流动区的气固流动行为沿径向分成3个流域：单颗粒随机运动控制的核心流域;单颗粒混沌控制的过渡流域;边壁控制的环形流域.同时,从颗粒对垂直气固流动系统中气固湍动程度影响的角度,解释了Kolmogorov熵的径向分布特征及其与流动结构的关系.     

流化床-提升管耦合反应器内沥青颗粒的流动特性

针对重油残渣(沥青颗粒)气化制氢工艺,在流化床-提升管耦合反应器大型冷模实验装置上,考察了不同操作条件下沥青颗粒体系在耦合反应器内截面平均密度的轴向分布. 结果表明,对单组分沥青颗粒体系,耦合反应器适宜的操作条件为：提升管表观气速ug,r=0.70~1.76 m/s;与A类颗粒相比,沥青颗粒在耦合反应器内的流动特性呈现不同的特点,整个反应器沿轴向可分为底部流化床密相区、提升管底部低密度区、提升管颗粒密度重整区、提升管加速区、充分发展区和出口约束区6个区域;反应器内截面平均密度随颗粒质量流率增大而增大,随表观气速增大而减小;确定了耦合反应器内提升管区域截面平均固含率的影响参数为ep', Fr及H/Dr,并利用实验数据回归了平均固含率的轴向分布经验模型,其计算值与实验值吻合较好.     

新型提升管进料段内压力脉动强度分布的影响因素

通过大型冷模实验,考察了油剂逆流接触提升管进料段内压力脉动强度的轴、径向分布,并结合射流气浓度分布、预提升气浓度分布和颗粒浓度分布分析了气固间作用特征及其对流动的影响. 结果表明,根据喷嘴射流、预提升气及颗粒相对压力脉动的贡献,可将新型提升管进料段沿轴向由下而上分为喷嘴进气上游影响区(H=?0.375~?0.1 m)、喷嘴进气控制区(H=?0.1~0.375 m)及喷嘴进气下游影响区(H=0.375~0.675 m). 进料段内压力脉动相对标准偏差径向分布的模拟值与实验值吻合较好.     

催化裂化提升管进料段内多相流动及其结构优化

催化裂化提升管进料段内油、剂两相的流动-混合状况对目标产品的收率具有重要的影响。早期研究多属于“探索性”的结构优化。近年来,通过大型冷模实验,结合理论分析和数值模拟,发现在传统结构进料段中,对油、剂混合流场起重要作用的是Kutta-Joukowski横向力引起的原料射流“二次流”。对二次流“用其利、抑其弊”是优化传统结构进料段的关键,目前已取得广泛的工业应用。而近期Kutta-Joukowski横向力分析以及冷模实验、数值模拟的结果表明,油剂逆流接触新型进料段可更有效地促进油剂混合,使两相接触更为均匀;较传统形式进料段结构具有更明显的优势。     

Liquid Radial Dispersion in Liquid-solid Circulating Fluidized Beds with Viscous Liquid Medium

Liquid dispersion in the radial direction was investigated in the riser of a viscous liquid-solid fluidized bed 0.102 m in diameter and 3.5 m in height. Pressure fluctuations in the riser were also measured and analyzed to examine the behavior of fluidized particles. Effects of liquid velocity (0.15–0.45 m/s), solid circulation rate (2–8 kg/m²s), particle size (1–3 mm), and liquid viscosity (0.96–38 mPas) on pressure fluctuations and the liquid radial dispersion coefficient were determined. The infinite space model was employed to obtain the radial dispersion coefficient from the radial concentration profiles of the tracer. The pressure fluctuations were analyzed by means of autocorrelation coefficient as well as power spectral density function. The dominant frequency obtained from the autocorrelation coefficient or power spectral density function of pressure fluctuations decreases with increasing liquid viscosity or liquid velocity, but it increases with increasing particle size. The liquid radial dispersion coefficient decreases with increasing liquid velocity or viscosity, but it increases as the solid circulation rate or particle size increases. The liquid radial dispersion coefficient is related closely to the resultant behavior of fluidized particles. The radial dispersion coefficient has been well correlated with operating variables in terms of dimensionless groups.     

催化裂化提升管进料段喷嘴射流运动-扩散特性的分析

针对催化裂化提升管反应器进料混合区域内的复杂流场，提出将连续喷嘴进料射流“分块”，利用动量守恒定律，从介观角度分析喷嘴射流与催化剂颗粒之间的混合接触机理；解释了“二次流”从射流主流分离出来的原因。利用空气动力学中的Kutta-Joukowski升力理论，阐明了在提升管内喷嘴射流二次流动后期的发展和扩大过程，实现了对进料射流二次流动全周期演变过程的理论描述。结合附壁射流理论与Kutta-Joukowski升力理论，建立了用于描述提升管内射流二次流动中心流线的模型方程。与实验结果对比，模型曲线与实验中二次流发展趋势有着较高的吻合度，表明该模型能够用于预测提升管内二次流的流动特性。     

Liquid Radial Dispersion in Liquid-solid Circulating Fluidized Beds with Viscous Liquid Medium

Liquid dispersion in the radial direction was investigated in the riser of a viscous liquid-solid fluidized bed 0.102 m in diameter and 3.5 m in height. Pressure fluctuations in the riser were also measured and analyzed to examine the behavior of fluidized particles. Effects of liquid velocity (0.15-0.45 m/s), solid circulation rate (2-8 kg/m²s), particle size (1-3 mm), and liquid viscosity (0.96-38 mPas) on pressure fluctuations and the liquid radial dispersion coefficient were determined. The infinite space model was employed to obtain the radial dispersion coefficient from the radial concentration profiles of the tracer. The pressure fluctuations were analyzed by means of autocorrelation coefficient as well as power spectral density function. The dominant frequency obtained from the autocorrelation coefficient or power spectral density function of pressure fluctuations decreases with increasing liquid viscosity or liquid velocity, but it increases with increasing particle size. The liquid radial dispersion coefficient decreases with increasing liquid velocity or viscosity, but it increases as the solid circulation rate or particle size increases. The liquid radial dispersion coefficient is related closely to the resultant behavior of fluidized particles. The radial dispersion coefficient has been well correlated with operating variables in terms of dimensionless groups.     

Comparative Study of Flow Structure in Circulating Fluidized Bed Risers with FCC and Sand Particles

The combined influences of particle properties and nozzle gas distributor design on the axial and radial flow structure in two 100 mm i.d., 15.1 m and 10.5 m long risers with FCC and sand particles were investigated by measuring the axial pressure gradient profiles, and the axial and radial profiles of solids concentration. The results show that the nozzle gas distributor design has significant effects on the axial and radial flow structure for the FCC and sand particles. At lower superficial gas velocity of less than 8.0 m/s, the upward gas‐solid flow of the sand particles decelerates in various degrees with the disappearing of the nozzle gas distributor effect. The upward gas‐solid flow of the FCC particles, however, occurs without noticeable deceleration within the range of this study. In the acceleration section, the radial distributions of the local solids concentration of the FCC particles are more uniform than those of sand particles under the same operating conditions; while in the fully developed zone, the sand particles have a more uniform radial distribution than the FCC particles. The gas‐solid flow is first developed in the center region, and then extends towards the wall. The overall flow development in the riser mainly depends on the local gas‐solid flow in the wall region.     

60米高循环流化床内物料浓度分布的冷态试验

利用电厂循环流化床锅炉现有的结构和设备, 搭建提升管高度60m、内径400mm的超高循环流化床冷态实验台, 重点研究了流化风速和颗粒密度对提升管内轴向和径向空隙率分布的影响。实验结果表明:空隙率分布形式与流化风速和物料密度密切相关, 对于一定的床料高度, 在底部密相区一直有床料堆积的情况下, 随着流化风速的增加, 提升管底部密相区空隙率增大, 上部稀相区的空隙率减小并且其在径向的分布变得更加不均匀;在一定的流化风速下, 密度较小的物料将更多的被带入上部稀相区, 上部稀相区的空隙率减小, 其在径向分布将变得更加不均匀。     

Studies on the patterning effect of copper deposits in magnetic gradient fields

Electrochemical Cu deposition was performed from electrolytes containing 0.1-1 M CuSO₄ in a well-defined magnetic gradient field. Patterned deposits resulted in all cases showing a strong correlation to this gradient field. It was observed that with increasing Cu²⁺ concentration the structuring effect decreases in terms of differences in topography and morphology. An explanation of this effect is presented based on local convection induced by the magnetic field gradient force which is dependent on the concentration gradient established during the deposition. Superimposed effects of Lorentz force driven convection were observed for high Cu²⁺ concentrations, and their influence on the deposition process was discussed.     

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。