沸腾炉炉底形状对气固两相流动特性的影响

采用CFD模拟了沸腾炉内气-固相互作用的过程,分析了不同弧度炉底条件下,颗粒瞬时浓度分布、颗粒的速度大小和方向随时间变化、床层中心处压降随高度变化、颗粒在径向的浓度变化规律. 结果表明,当表观气速为0.24 m/s时,平底的中心气流较强,而弧形炉底可有效发展边壁气流,通过模拟得到弧形炉底炉内中心线上的压力在高度为350~450 mm处有突降过程,当炉底弧度为60o时,颗粒浓度分布较为均匀,增强了主反应段的内循环. 而炉底弧度为90o和0o时,颗粒浓度在中心或边壁处较大,分布不均匀,在主反应段不能有效形成内循环. 相对于炉底弧度为90o和0o,弧度为60o的气泡数量较多,且直径小于50 mm的气泡比率较大. 模拟结果通过与实体模型实验平台拍摄的气体-颗粒的流动图谱和检测数据的比较分析得到了验证. 60o弧度的炉底可以有效减少细颗粒的扬析量和提高流化质量.     

喷动流化床流动特性数值模拟

为了捕捉喷动流化床中微观层次上的颗粒运动信息,建立了基于CFD的二维非稳态喷动流化床欧拉-欧拉两相流模型。分析了不同流化气速对喷动流化床气固流动特性的影响,即不同工况下的炉内压力降、颗粒浓度、床内空隙率分布、气体速度分布和固体颗粒速度分布。数值模拟研究结果表明:随流化气速的增大,压降和炉内平均空隙率逐渐增大,密相床层高度逐渐增加,沿着轴向方向的气体流量增大,喷动气的射流深度逐渐增加,同时射流半径也逐渐增加。     

基于EMMS模型的气固鼓泡床的模拟及气泡特性的分析

基于EMMS曳力模型,采用双流体的方法对气固鼓泡床内的气固流动特性进行模拟,建立基于图像处理气泡特性的分析方法,重点研究了不同表观气速下气泡在床层内分布特性,包括气泡平均当量直径、气泡速度和气泡球形度的轴向分布,以及气泡的生命周期。研究结果表明,小气泡多集中在床层底部和壁面区域,而大气泡多集中在床层中间区域。随着表观气速的增加,床层高度不断增加,气泡的球形度降低,气泡的大小、出现频率、上升速度以及生命周期均增加;然而,当表观气速增大到一定程度,继续增加气速对气泡的上升速度影响不大。     

基于EMMS模型的气固鼓泡床的模拟及气泡特性的分析

基于EMMS曳力模型,采用双流体的方法对气固鼓泡床内的气固流动特性进行模拟,建立基于图像处理气泡特性的分析方法,重点研究了不同表观气速下气泡在床层内分布特性,包括气泡平均当量直径、气泡速度和气泡球形度的轴向分布,以及气泡的生命周期。研究结果表明,小气泡多集中在床层底部和壁面区域,而大气泡多集中在床层中间区域。随着表观气速的增加,床层高度不断增加,气泡的球形度降低,气泡的大小、出现频率、上升速度以及生命周期均增加;然而,当表观气速增大到一定程度,继续增加气速对气泡的上升速度影响不大。     

制氢转化炉内甲烷蒸汽重整模拟及影响因素分析

考虑40 000m~3/h顶烧式常压加热制氢转化炉的结构特点,建立了制氢转化炉辐射室流体的三维有限元模型,采用有限体积法计算辐射室温度场,得到了转化管外壁面轴向温度的分布规律,并以外壁面温度为边界条件,以多孔介质模型表征催化剂床层,模拟了催化剂床层在转化管内的甲烷蒸汽重整制氢过程,研究了不同入口速度、入口温度的变化对甲烷转化率的影响规律。结果表明:入口速度的下降和入口温度的增加都会提高甲烷转化率。     

倒置液固流化床内液固两相流动特性的数值模拟

基于欧拉-欧拉双流体模型,数值模拟倒置液固流化床内液固两相流动行为.数值模拟预测了床内颗粒的速度、浓度分布以及空隙率的变化.研究结果表明颗粒在床内分布呈现非均匀分布,床内形成局部高空隙率的流体团;随着床层高度增加,颗粒轴向速度增大:数值模拟床内空隙率与Renganthan等的实验结果相吻合.     

焦炉气催化部分氧化的数值模拟

利用F luent中标准κ-ε模型和多孔介质模型对焦炉气催化部分氧化转化炉进行模拟计算。整个反应床层分为氧化反应区和转化区,氧化反应区主要发生燃烧反应;转化区则装填催化剂,发生甲烷重整反应。通过模拟计算给出了转化炉内温度分布、压力分布、组分摩尔分数分布。转化炉出口的温度与气体摩尔分数与Aspen P lus软件模拟结果相吻合。表明CFD模拟结果是准确的,可用于焦炉气催化部分氧化转化炉的工艺和结构设计中。     

上流式反应器气液相间传质特性的实验研究

上流式反应器设置在固定床渣油加氢反应器前有利于提高渣油原料适用性,延长装置运行时间。实验研究了上流式反应器气液相间传质,采用五齿柱形氧化铝催化剂模拟工业催化剂颗粒,水溶液模拟渣油,空气模拟氢气,采用无氧水物理吸收和亚硫酸钠化学吸收的方法,测定了在高气液比的条件下上流式反应器床层气液相间传质特性实验。考察了表观气速、表观液速、填料粒径、内构件、催化剂级配和床层高径比对液相体积传质系数和气液相界比表面积的影响规律。实验数据表明,液相体积传质系数随着气、液速的增大而增大;随填料颗粒增大而减小;在床层内安装合适的内构件或增大反应器高径比,能够促进气液相间传质。基于实验数据拟合了适合上流式反应器液相体积传质系数和气液相界比表面积的经验关联式,拟合误差最大分别为12%和24%;表明所建气液相间传质的经验关联式能更好地预测上流式反应器中的气液相间传质特性。     

气液固三相流化床层膨胀特性实验分析

为分析气液固三相流化床床层特性,选用两种粒径接近、密度不同的颗粒:塑料颗粒(湿堆积密度1 273 kg/m~3,平均直径750μm)和陶粒(湿堆积密度1 680 kg/m~3,平均直径800μm),以常温空气为气相、水为液相。实验装置内径0.13 m,全床高度4.75 m,实验液柱高度3.5 m,床内颗粒有足够的膨胀高度。分别测试了液速0—13 mm/s,气速0—12 mm/s条件下的床层高度,研究气液速对塑料颗粒和陶粒床层膨胀率的影响。研究结果显示液速较低时床层收缩,随着气速增加,收缩率增大;液速较高时,膨胀率大于0,随着表观气速的增加,膨胀率先降低,表观气速大于临界值后,膨胀率将增大;除高气速外,床层膨胀率总是随着液速的升高而增大。相同气速、液速条件下,大密度陶粒的床层膨胀(收缩)率大于塑料颗粒。     

上流式反应器气液相间传质特性的实验研究

上流式反应器设置在固定床渣油加氢反应器前有利于提高渣油原料适用性,延长装置运行时间。实验研究了上流式反应器气液相间传质,采用五齿柱形氧化铝催化剂模拟工业催化剂颗粒,水溶液模拟渣油,空气模拟氢气,采用无氧水物理吸收和亚硫酸钠化学吸收的方法,测定了在高气液比的条件下上流式反应器床层气液相间传质特性实验。考察了表观气速、表观液速、填料粒径、内构件、催化剂级配和床层高径比对液相体积传质系数和气液相界比表面积的影响规律。实验数据表明,液相体积传质系数随着气、液速的增大而增大;随填料颗粒增大而减小;在床层内安装合适的内构件或增大反应器高径比,能够促进气液相间传质。基于实验数据拟合了适合上流式反应器液相体积传质系数和气液相界比表面积的经验关联式,拟合误差最大分别为12%和24%;表明所建气液相间传质的经验关联式能更好地预测上流式反应器中的气液相间传质特性。     

利用Fluent软件对N_2O催化分解反应器数值模拟

为了设计N_2O催化分解反应器,运用Fluent软件对整体式分子筛催化剂进行数值模拟,考察孔密度和操作条件对整体式分子筛催化剂转化率的影响。结果表明,在相同温度下,N_2O的转化率随着催化剂孔密度的减小而降低。在反应器轴向距离120 mm处,气体反应最快;提高入口温度、浓度或降低空速,均有利于在较短的轴向距离内达到较高的N_2O转化率。在固定床反应器中,比较棒状催化剂和整体式催化剂中床层温度、反应转化率及轴向压降的变化规律,为整体式分子筛催化剂工业化设计提供理论基础。     

三维上流式反应器床层流动和返混特性

采用内径为280 mm的上流式反应器,以空气模拟气相、甘油和水混合溶液模拟渣油。用3种不同粒径的氧化铝球形工业催化剂颗粒为填充颗粒,考察了不同模拟物系的颗粒粒径、颗粒密度、液相黏度、不同床层的高径比和不同操作条件对上流式反应器内床层压降及其波动、床层轴向返混的影响规律。得到模拟工业运行物系和操作条件的上流式反应器床层总压降关联式,相对误差在12%以内。床层总压降均随床层高径比、颗粒密度和液相黏度增加而增大,但随颗粒粒径的增大而减小,床层压降波动随表观气速增加而增大。填充颗粒粒径越小、颗粒密度越小、高径比越大,床层内轴向返混越严重;床层内压降和轴向返混均随表观气速的增加而增大。     

径向流固定床反应器的流动特性研究及结构参数的合理选择

径向流固定床反应器的操作状态和反应效果在很大程度上取决于反应器内穿越催化剂床层径向气流沿反应器轴向分布的均匀程度，亦即床层内催化剂负荷的均布程度。本文对此类反应器内的流动特性进行了研究，对立了描述反应器内流动规律的基本运动方程。研究结果表明，径向气流的轴向分布情况与反应器的流动结构型式、反应器内分流流道与合流流道截面积的比值、催化剂床层的阻力系数以及反应器的高径比等参数有关。并提出了如何合理选择反     

固定床反应器内气体预分布器研究

研究了直径1 000 mm,高3 000 mm的固定床冷模装置中气体预分布器对反应器内气流分布的影响。结果表明:气体分布器可改变床层内气流流形并使径向气流的速度分布趋于均匀;随着表观气速的增加,反应器内气流的不均匀程度增加;分布器的环隙高度在一定的范围可使反应器内气流的不均匀程度相对较好。应用计算流体力学软件CFX对固定床反应器内的流场进行模拟计算,并与大型冷模试验测试结果进行比较,模型计算值和冷模试验测量值吻合较好。     

On the influence of particle shape and process conditions in the pressure drop and hydrodynamics in a wall-effect fixed bed

A low tube-to-particle diameter ratio (d_t/d_e,p) fixed bed, packed with spherical and nonspherical catalyst supports, was used to investigate pressure drop at varying temperature (298–673?K) and inlet pressure (245–294?kPa). The d_t/d_e,p ranged from 3 to 6, namely, a large wall-effect fixed bed, with an average void fraction between 0.38 and 0.61. These conditions pertain to multitubular fixed-bed reactors used for exothermic reactions. The pressure drop was notably influenced by the particle size and morphology as well as temperature. The use of particles with d_t/d_e,p?0.55) appeared suitable for pressure drop control. The fluid velocity profiles were calculated by applying the Navier–Stokes–Darcy–Forchheimer equation computing the respective permeability parameters with refitted state-of-the-art pressure drop correlations. The fluid flow exhibited different velocity zones across the fixed bed, the highest velocity zone being located near the reactor wall. The axial velocity component was influenced by the catalyst morphology, as well as temperature and inlet pressure.     

异形催化剂床层中Sabatier反应的微-介尺度模拟

采用离散元方法（DEM）建立随机堆积球形、柱形催化剂床层,计算流体力学（CFD）方法模拟Sabatier反应床层介尺度和催化剂微尺度的温度和物质浓度分布,并探讨了催化剂形状、壁温和入口条件对反应特征的影响。结果表明：床层中会出现球形热点区,并随反应进行向出口移动,催化剂外层反应物浓度比内层高且呈环状分布。柱形催化剂单颗粒中心CO₂转化率较球形高,但棱角和床层壁面会出现低转化率区,床层流体会出现回流、滞留和沟流现象,最终导致CO₂转化率为球形>柱形（径高比=1.3）>柱形（径高比=1）。球形催化剂床层中,时间t=200s时,CO₂转化率达到峰值26%,若此时将壁温降低50K,时间t=500s时,较降温前CO₂转化率增大2%、热点温度降低10K;增加惰性球层、减小入口流速和温度,能提高催化剂内CO₂转化率。     

Liquid flow texture analysis in trickle bed reactors using high-resolution gamma ray tomography

Trickle bed reactor performance and safety may suffer from radial and axial liquid maldistribution and thus from non-uniform utilization of the catalyst packing. Therefore, experimental analysis and fluid dynamic simulation of liquid–gas flow in trickle bed reactors is an important topic in chemical engineering. In the present study for the first time a truly high-resolution gamma ray tomography technique was applied to the quantitative analysis of the liquid flow texture in a laboratory cold flow trickle bed reactor of 90 mm diameter. The objective of this study was to present the comparative analysis of the liquid flow dynamics for two different initial liquid distributions and two different types of reactor configurations. Thus, the hydrodynamic behavior of a glass bead packing was compared to a porous Al₂O₃ catalyst particle packing using inlet flow from a commercial spray nozzle (uniform initial liquid distribution) and inlet flow from a central point source (strongly non-uniform initial liquid distribution), respectively. The column was operated in downflow mode at a gas flow rate of 180 L h⁻¹ and at liquid flow rates of 15 and 25 L h⁻¹.     

Motion of solids in spouted beds

Solids movement in a spouted bed has been investigated by means of a radioactively marked particle technique, using a scintillation counter as a detector. The average particle velocity in the spout was found to depend on gas flow rate, gas inlet geometry, axial elevation, bed height, and column diameter. The solids circulation rate is shown to be proportional to the gas flow rate and, further, a function of column and gas inlet geometry, density of fluidising gas and particle diameter. Empirical correlations for both the particle velocity in the spout and the solids circulation rate as a function of axial elevation, are presented.     

两段炉内的压降以及速度分布

化学热回收两段组合式气化炉有效地提高了高温合成气的显热回收。为进一步了解该新型两段炉内气体的流动规律,在自行搭建的冷模实验装置上,考察了该组合式两段炉内的二段床层压降以及速度分布情况。研究表明,采用Montiller经验公式能够准确预测二段固定床的床层压降,当气体达到二段床层表面时,将产生一个冲击区。拟合得到单喷嘴顶喷的轴向速度衰减公式以及四喷嘴撞击后的向下径向射流速度衰减公式。轴向速度的径向分布中,中心气速最大并且衰减最快,采用四喷嘴对喷的形式达到管流区所需的轴向距离较单喷嘴顶喷小1.8D。     

Simulation of Secondary Reformer in Industrial Ammonia Plant

In order to develop a reactor design model for the secondary reformer in the industrial ammonia plant, the effectiveness factor and convection heat transfer coefficient between gas and catalyst surface have been studied. The temperature and composition of inlet gas to the catalyst bed are predicted using the kinetic equations of 32 radical reactions. The effect of oxygen content in air on the product synthesis gas composition and the ratio of synthesis gas to nitrogen have been studied. The effectiveness factor has been calculated with the assumption that the steam methane reforming reaction is first order in methane partial pressure. The catalyst shape is assumed to be spherical with an equivalent volumetric diameter. The temperature and composition profiles along the axial distance are predicted using a one‐dimensional heterogeneous catalytic reaction model. The temperatures of both gas and catalyst surface decreased with the axial distance from the top of the bed, while the reactions took place. The temperature difference between gas and catalyst surface also decreased along the axial distance. The predicted temperature and composition by the proposed simulation method have been verified with the data from the industrial plant.