管式固定床反应器柱状颗粒床层流体流动模拟与实验研究

针对管式固定床反应器内管束数量多、规模大等特点,选取单个管束作为特征结构。对装填不同直径柱状颗粒的管束,采用程序坐标定位的方法,建立柱状颗粒床层的物理模型。采用DEM与CFD联合数值仿真方法,探究反应管内径与柱状颗粒的等比表面积球当量直径之比(管径比Di/dp)对柱状颗粒床层流体流动的影响,并建立单管固定床反应器试验台,采用差压测试方法进行实验研究。结果表明,当Di/dp由5.37增至12.75时,床层空隙率和流体分布均匀性均得到改善,壁面效应的影响由床层中心减弱到管壁。基于数值模拟及实验结果对Di/dp=12.75的柱状颗粒床层进行床层压降Ergun公式常系数修正,CFD模拟计算的结果与拟合公式吻合较好。研究结果能为固定床反应器压降预测提供参考。     

MTP固定床反应器床层-颗粒双尺度耦合数学模型

针对甲醇制丙烯(MTP)体系反应快,内扩散影响显著的特点,考察了催化剂颗粒大小对反应的影响,提出了床层-颗粒双尺度耦合模型。模型同时考虑了床层及颗粒内的流动、热量和物质传递、以及化学反应在不同尺度上的物理化学过程,较好反映了整个反应器床层不同位置处催化剂粒径对反应结果的影响规律。模拟结果表明,反应器的进料端甲醇浓度高,反应速率快,适合选用小尺寸催化剂颗粒,以减少内扩散的限制;而在反应器床层的中后段,大颗粒催化剂对提高丙烯的选择性更有利。据此提出了MTP反应器不同尺寸颗粒的催化剂组合填充方式。     

气体的温度和压力及颗粒形状对固定床压降的影响

本文在Ａ－Ｓ方程的基础上推导出气体流经固定床时的压降表达式。     

渐缩下料段对其上矩形移动床内床层颗粒流动的影响

本文从Ｎｅｄｄｅｒｍａｎ等人的颗粒流动学基本理论出发，结合Ｐｏｌｄｅｒｍａｎ等人对渐缩下料段同颗粒流动分布的研究结果，建立了矩形移动床床内颗粒流动速度分布的关系式，提出了渐缩下料段对其上床层颗粒流动影响临界高度的概念，并分析了改变渐缩下料段几何形状及颗粒与渐缩下料段壁面的摩擦角等因素对临界高度的影响，以期为有效利用移动床提供指导。     

采用床层压降检测反应器内催化剂的结焦量

分别检测了装填8种不同结焦量催化剂的固定床和流化床床层的整床压降,并建立了反应器内的催化剂结焦量与床层整床压降的关联模型。模型预测效果较好,通过预测模型求得的预测结焦量与真实结焦量的相关系数均大于0.990,平均相对误差均小于5%。该研究结果为反应器内催化剂结焦量的实时在线检测提供了可能。     

单组分颗粒振动流化床的流体力学研究（1）——起始流化时床层压降

国内外振动流化床流体力学的研究由于实验条件的限制，其结果尚存在着分歧，在此情况下，本文在内径为１４８ｍｍ的振动流化床下，研究Ｇｅｌｄａｒ‘ｓＡ，Ｂ，Ｃ类物料起始流化时的床层压降，分别研究了颗粒物性与振动特性对床压降的影响，并且根据上述因素的影响，关联了起始流化时床层压降的计算式，并与画外学者的关联式进行了比较。     

固定床电化学反应器研究(Ⅰ)床层内电势分布的实验测定

建立了测定固定床电化学反应器床层内电势分布的实验装置,由计算机采样测定了床层内的电势分布,并将实验结果与文献中的模型计算结果进行了比较,证明了文献所建立的反应器模型和模型方程求解方法的正确性.在不同操作模式下用实验方法考察了各因素对床层内电势分布的影响.     

蜂窝状催化剂中空结构对固定床反应器压降的影响

压降是衡量固定床反应器优劣的重要指标,直接影响了反应性能和综合能耗,催化剂颗粒的外形和尺寸是影响固定床反应器压降的关键因素。采用颗粒分辨计算流体力学模型,研究了工业上常用的蜂窝状催化剂颗粒上中空结构对固定床反应器压降的影响规律。首先,通过对比实验测量的催化剂床层空隙率和压降,验证了建立的颗粒分辨计算流体力学模型的合理性和准确性,其中模型计算获得的压降与实验值相差5%以内。接着,研究了蜂窝状催化剂颗粒开孔个数的影响,发现在催化剂颗粒体积和开孔体积相同的情况下,开孔个数不会显著影响催化剂床层的空隙率,但开孔个数增加会导致压降增大,这主要是由于孔径变小后增大了流体在孔内的动量损失。最后,考察了单孔柱催化剂颗粒尺寸的影响,发现可通过调变外圆柱半径、内孔半径和高度,进而大幅度改变催化剂床层空隙率和压降,当单孔柱壁面越薄时,空隙率越大,致使压降越低。研究结果可以为催化剂颗粒外形的优化设计提供强大的模型工具和一定的理论指导。     

固定床电化学反应器研究(Ⅰ)床层内电势分布的实验测定

建立了测定固定床电化学反应器床层内电势分布的实验装置,由计算机采样测定了床层内的电势分布,并将实验结果与文献中的模型计算结果进行了比较,证明了文献所建立的反应器模型和模型方程求解方法的正确性.在不同操作模式下用实验方法考察了各因素对床层内电势分布的影响.     

固定床内压降的CFD分析

采用CFD法分析填充单一粒径和不同粒径颗粒固定床内的压降。分别采用PFC3D和Fluent软件建立固定床模型和模拟计算压力场,床层内颗粒流动雷诺数Re_p介于1~2 200之间。将床层空隙率、压降等模拟结果分别与已发表文献中的半经验公式的计算结果进行了比较,发现当Re_p小于120左右时压降的模拟结果与半经验公式计算结果基本吻合;而当Re_p较高时,二者之间的偏差较大;大颗粒使床层内空隙率分布的峰位置向固定床中心移动,第1个峰的位置与固定床壁面之间的距离和颗粒的质量平均直径（d₄₃）值基本相同;采用d₄₃代替半经验公式中的粒径参数,得到的压降计算结果与模拟结果更加吻合。     

流化床与固定床耦合反应器中的颗粒磨损

在直径50mm的冷模流化床与固定床耦合反应器中,考察了活性炭颗粒在130～150℃及不同气速下的磨损情况,得到了不同气速下固定床中圆柱状颗粒的磨损率随时间的变化关系,同时分析了滞留在流化床、固定床及袋滤器中的细颗粒在不同气速下的粒径分布与质量分布.结果表明,颗粒在该耦合反应器中磨损严重,在0.212～0.424m/s气速下,固定床中颗粒质量损失可达3%～4%,流化床中颗粒平均粒径由200μm降至100μm以下.     

低浓度甲苯和对二甲苯在微纤包覆活性炭结构化固定床上的竞争吸附

通过湿法造纸技术制备了微纤包覆活性炭复合材料,研究了甲苯和对二甲苯在基于微纤复合材料结构化固定床上的吸附透过行为. 结果表明,颗粒活性炭被很好地包覆在烧结锁定的三维网络中,活性炭包覆前后的比表面积分别为976和955 m2/g,微孔体积分别为0.261和0.247 cm3/g;甲苯和对二甲苯在单一颗粒碳固定床和结构化固定床上的吸附均展示出竞争吸附特性,在两床层中均是甲苯先透过. 在5%透过浓度下,甲苯和对二甲苯在结构化固定床上的透过时间较在颗粒碳固定床上分别延长了20和30 min,甲苯和对二甲苯分离时间增加了10 min. 采用Yoon-Nelson模型对透过曲线进行拟合,相关系数R2>0.98,甲苯和对二甲苯在结构化固定床上的吸附速率常数分别为颗粒碳固定床的3和1.6倍.     

微细粉体振动流化床的流体力学行为研究

本文利用一种振动流化床装置实现了对Ｇｅｌｄａｒｔ２分类中Ｃ类粉体的正常流化，研究了不同振动参数对床膨胀，最小流化等流化行为的影响，提出了振动条件下最小流化速度的经验关联式。     

规整丝网填料旋转填充床的气相压降特性及脱硫性能

采用空气-水体系,对装有4种不同规格规整丝网填料的旋转填充床的压降特性进行了实验研究,考察了转速、气体流量、液体流量等操作参数及填料特性对气相压降的影响规律,并与传统不锈钢波纹丝网填料旋转填充床压降进行了比较. 结果表明,装有规整丝网填料的旋转填充床压降可降低35%~70%. 进一步采用压降较低的规整丝网填料以(NH4)2SO3为吸收剂进行氨法脱硫性能研究,结果表明,随转子转速和(NH4)2SO3浓度增大,SO2脱除率升高;随进气口SO2浓度升高及气液比增大,SO2脱除率降低;SO2脱除率最高可达97%,可满足国家排放标准.     

对二甲苯在活性炭固定床上的吸附动力学

研究了对二甲苯在活性炭固定床上的吸附动力学。考察了初始浓度、气体流量、床层长度等因素对吸附透过曲线的影响。同时,采用Yoon—Nelson模型对吸附透过曲线进行线性回归分析。实验结果表明,随着初始浓度的增大,透过时间缩短,吸附量增大：气体流最对透过曲线的形状影响不大：床层长度基本不影响透过曲线;Yoon-Nelson模型可以较好的模拟固定床吸附过程。     

循环流化床蒸发器中的压降与颗粒分布的研究

为研究汽-液-固三相多管循环流化床蒸发器中的压降和颗粒分布特性,设计并构建了汽-液-固多管循环流化床蒸发系统。利用压力传感器、CCD图像采集和数据处理系统,研究了液体循环流量、热通量、颗粒加入量等参数对于加热管束中压降和颗粒分布的影响。结果表明：随着液体循环流量和颗粒加入量的增加,颗粒分布的不均匀度明显降低,管束压降变大;随着热通量的增大,颗粒分布的不均匀度降低,管束压降呈现波动状态,但管束压降值始终小于加热功率为0时的值。     

Liquid Holdup and Pressure Drop Determination in Structured Packing with CFD Simulations

It is discussed how Computational Fluid Dynamics (CFD) can be used for hydrodynamics calculations within structured packings. Three dimensional (3D) simulations, in which the influence of mesh size and turbulence models were tested, have been carried out for dry pressure drop determination. Two dimensional (2D) Volume of Fluid gas‐liquid flow simulations have been used for liquid holdup determination. Numerical results are compared to tomographic liquid holdup measurements. Then, a comparison with data from a gas treatment pilot plant shows that wet pressure drop can be predicted by combining these two types of information (dry pressure drop and liquid holdup).     

双喷嘴矩形喷动床压降的实验研究

在双喷嘴矩形喷动床内,以空气为喷动气体,研究了最大喷动压降与操作压降的变化规律和影响因素。实验表明：双喷嘴矩形喷动床的最大喷动压降和操作压降与颗粒粒径、床层高度及表观气速有关,而操作压降还与床体结构有关。在综合考虑各影响因素的基础上,得出了双喷嘴矩形喷动床最大喷动压降的经验关联式。     

气固搅拌流化床的床层压降

通过测定搅拌流化床的压降与表观气速的关系，研究了搅拌转速和桨叶形式对流化状态的影响。发现水平搅拌桨叶更有利于破碎气泡，增强气固接触；垂直桨叶则趋于诱导气泡的产生与长大。在流态化阶段，床层压降保持定值，该定值与搅拌转速和叶片形式没有关系。