一种快速冷却超高温流体方法的数值模拟

在许多强吸热化学反应的化工过程中,常常需要对反应流体流出反应器时进行快速急冷来避免副反应或逆反应发生,以期最终获得可观的目标产物。在本实验室前期开展的热等离子体裂解二氧化碳实验研究中,采取在高温反应器出口加装收缩喷管将裂解气高速导入夹套水冷管的方法,实现了对高温裂解气的快速急冷,显著地避免了裂解气中CO与O的逆反应,获得了意想不到的CO_2高转化率。本文利用计算流体力学软件模拟这一过程,以期揭示这种新的冷却方法导致极快速冷却的机制。模拟结果表明,加装收缩喷嘴确实可以期待对高温射流产生10~7 K·s~(-1)量级的温降速率。深入分析表明,仅仅靠气体动力学效应不能完全解释如此快速的冷却速率。从喷管高速喷出的黏性流体在夹套水冷管内形成高速涡流,这种涡流一方面增强了主流体对周围气体的卷吸,另一方面加强了被卷吸流体在被卷入之前与夹套水冷管壁面的强制换热过程,是导致快速急冷的主要机制。     

一种新型裂解炉炉管强化传热数值模拟

利用计算流体动力学(computational fluid dynamic,CFD)方法对含新型内插件强化传热辐射炉管(fortified induced turbulence,FIT)进行了流体流动与传热特性的研究,采用RNG双方程模型求解了动量方程和能量方程,给出了FIT炉管内的流体流动和传热特性,包括速度场、湍动强度和温度场的分布;计算了FIT炉管的强化传热因子和压降。研究结果表明,FIT炉管内插件迫使流体流动由活塞流转变为旋转流,增强了流动湍流程度,符合流动-能量场协同理论,同时流体边界层由于FIT炉管的特殊结构而减薄。FIT炉管具有增强辐射传热、减薄边界层、增加比表面积和旋流增强等强化传热特性。相比于普通当量圆炉管,FIT强化传热炉管的整体传热能力提高了20%左右,证明该新型炉管强化传热效果显著,可以在工程实际中应用。     

急冷换热器裂解气流体分配CFD模拟

运用CFD软件对急冷换热器内管中的裂解气流体分配情况进行了模拟,得出了3种流道下的流体分配情况。模拟结果表明,通过增加流体分配器或者改变部分内管结构都可有效地改善内管中的流体分配情况。     

薄膜蒸发器内流体流动特性的数值模拟

建立了薄膜蒸发器的计算模型,采用大型计算流体力学(CFD)分析软件CFX4.4模拟了薄膜蒸发器内水及粘性料液的流动过程,得到了各种速度分布. 结果表明,刮板转速、进料量对流体流动状态影响显著. 提高刮板转速,可明显促进液膜和圈形波内流体的物质交换. 在任一转速下,各料液均存在同一最佳进料量,此时其圈形波截面内平均速度达到最大值. 对纯物质水,最佳进料量对应的流动边界层厚度与膜厚之比最小. 粘性料液和水的轴向速度分布存在差异,且在液膜厚度内未形成明显的流动边界层.     

提升管催化裂化反应过程数值模拟

在气固两相流体动力学模型的基础上.采用基于机理反应的FCC14集总模型.考虑了反应温度、局部固体浓度变化以及流动对反应的影响,建立了重油流化催化裂化流动一一反应耦合模型.模拟结果表明,重油裂化反应主要发生在喷嘴附近区域,在喷嘴附近已经有45%的重油转化为汽油和柴油.随着距离喷嘴位置的增加,汽油产率逐渐上升,但距离喷嘴位置12m以后,汽油产率基本保持不变.从汽油组成变化来看,在整个提升管内汽油中烯烃含量一直处于下降趋势,由喷嘴区域的60wt%降低到提升管出口位置的42wt%左右.汽油烷烃含量一直呈增加趋势,而汽油中环烷烃含量和芳烃含量变化较小.     

一种新型浮选柱的数值模拟及性能研究

自主研制了一种新型多级规整填料浮选柱,应用计算流体力学软件FLUENT6.3.26进行数值模拟计算,对其内部的气液两相流动进行了考察,采用了欧拉-欧拉多相流模型,对气相的模拟采用单一气泡尺寸,液相湍流采用了标准k-ε模型,两相之间的动量传输仅考虑曳力作用。通过模拟,获得了不同实验条件下浮选柱内部的气液速度场分布、气含率分布等,对部分模拟结果进行了定量比较。结果表明随着气相流量的增大,浮选柱内部气含率增大,液体循环速度增大,从而气液之间混合更加充分,这对于提高浮选柱的分选效率和设备的放大有重要意义。在唐山钱家营开滦煤矿选煤厂进行了以其煤浆为原料的浮选性能的测试,在气体1.25 m³/h,进料0.05 L/h条件下20 min停留时间获得了精煤灰分10.28%,尾煤灰分43.39%,精煤产率52.53%的指标,与该厂浮选精煤灰分10.58%相接近。     

洗涤冷却环内液体冷态流动行为数值模拟

为了研究洗涤冷却环内冷却水流动的情况,借助计算流体力学软件Fluent建立了洗涤冷却环流体冷态流动的数学模型,同时为了验证模型的可靠性,对洗涤冷却环出口处的流动情况进行了实验研究,实验结果与模拟结果基本吻合。结果表明:因为洗涤冷却环的结构限制,其内部存在多处涡旋区域;内室入水口周向位置处的涡旋运动最为剧烈;受其影响,入水口周向位置的射流孔出口平均速度最小,两入水口之间周向位置的射流孔出口平均流速最大;槽缝出口的平均流速在周向上的分布与射流孔出口平均流速分布相同。     

基于CFD方法的烟气脱硝装置数值模拟

烟气脱硝是火力发电厂环保重要环节,脱硝装置内部流动特性直接影响其性能,为了分析还原剂喷射夹角对还原剂分布的影响.本文采用计算流体数值模拟的方式对脱硝装置内部流动过程进行模拟计算,可为今后CFB锅炉再脱硝环节的优化设计奠定基础。     

黄磷电炉数值模拟

计算流体力学技术(CFD)是进行流场计算、分析和预测的专用工具,在科学实验及工业中应用广泛。为了了解黄磷电炉内部流场温度分布、气体走向、炉体温度分布情况,应用CFD技术,对黄磷电炉进行分析、简化,选择合适的模型进行仿真模拟,实现电炉内部流场的重现,对黄磷电炉中的放大、改造、设计有指导意义。     

垃圾焚烧烟气喷雾干燥脱酸塔流场数值模拟

采用(RNG)k-ε湍流模型及颗粒轨道模型,运用计算流体力学软件Fluent对垃圾焚烧烟气喷雾干燥脱酸塔内流场进行数值模拟。结果表明,喷雾浆滴较大程度地影响了脱酸塔内的流场,局部区域内发生的强烈湍流流动,会促进塔内气液传质和化学反应过程。     

乙烯装置急冷系统设计及优化方法

急冷系统是乙烯装置中操作条件复杂、制约因素很多的单元。本文对急冷技术的特点进行了说明,强调裂解气组成的轻重对急冷流程设置非常关键。根据原料对急冷流程的影响不同,急冷流程可分为重质液体原料、轻质液体原料、气体原料（乙烷、丙烷）三种。本文针对液体原料急冷技术,提供了典型工艺流程图,并对轻重液体的急冷系统撤热循环进行了对比分析,提出了急冷系统的关键技术参数优化原则,特别说明了轻质液体急冷技术在热量分配、釜温控制的特点和确定方法。气体原料急冷技术特点突出,本文提出逐级除焦、分步净化的三种除焦技术,并对“气浮+聚结”组合净化技术进行了详细说明。本文在提供急冷系统设计和优化方法的同时,也阐述了轻质裂解原料急冷技术和乙烷裂解急冷技术的应用情况和效果。     

分子蒸馏过程的计算流体力学模拟

采用计算流体力学(CFD)方法,分析了蒸发器上液体负荷、刮膜器旋转速度对蒸发器上液膜厚度变化及液膜中速度矢量的影响。将CFD模拟结果与文献报道的计算值和实验值进行比较,发现具有较好的吻合性,同时可以用模拟计算结果解释一些实验现象。采用脉冲注射示踪剂法测定了蒸发器上流体的平均停留时间分布,与CFD模拟的在刮膜器作用下蒸发器上流体平均停留时间分布数据进行比较,二者的偏差在±8%以内,验证了CFD模拟的准确性。     

计算流体力学在化学工程中的应用

计算流体力学(CFD)用于求解固定几何形状设备内的流体的动量、热量和质量方程以及相关的其他方程,已成为研究化工领域中流体流动和传质的重要工具。本文概述了CFD的基本原理以及CFD在化学工程领域方面的应用,重点介绍了CFD在搅拌槽、换热器、蒸馏塔、薄膜蒸发器、燃烧等方面的应用。     

基于颗粒直径大小对环形空间携屑影响的数值模拟

钻井是开发石油资源一个非常重要的环节和技术手段,井中岩屑易在井眼底部形成岩屑床,导致下钻遇阻、蹩泵甚至卡钻,因此岩屑运移机理的研究对钻井作业来说至关重要。通过对现场实际情况的调研,得到井下上返颗粒的直径范围,进行数值模拟。运用Solid Works对井下环形空间进行建模与装配,得到井下环形空间的三维模型。使用软件建立井下环形空间的简化模型,通过应用FLUENT中动网格部分的UDF编写成功地实现了钻杆的旋转。运用FLUENT数字模拟软件,通过对流体非定常流的数值模拟,对岩屑在环形空间的运移规律进行研究,模拟条件更加接近实际情况,结果更加精确,可以为钻井井眼清洁工作提供科学参考。     

Computational fluid dynamics simulation of a novel bioreactor for sophorolipid production

This paper describes three-dimensional computational fluid dynamics(CFD) simulations of gas–liquid flow in a novel laboratory-scale bioreactor contained dual ventilation-pipe and double sieve-plate bioreactor(DVDSB)used for sophorolipid(SL) production. To evaluate the role of hydrodynamics in reactor design, the comparisons between conventional fed-batch fermenter and DVDSB on the hydrodynamic behavior are predicted by the CFD methods. Important hydrodynamic parameters of the gas–liquid two-phase system such as the liquid phase velocity field, turbulent kinetic energy and volume-averaged overall and time-averaged local gas holdups were simulated and analyzed in detail. The numerical results were also validated by experimental measurements of overall gas holdups. The yield of sophorolipids was significantly improved to 484 g·L~(-1)with a 320 h fermentation period in the new reactor.     

翼形桨搅拌槽内混合过程的数值模拟

采用FLUENT软件的多重参考系(MRF)及标准k-ε模型,将速度场与浓度场方程分开进行求解,对单层轴流式三叶CBY翼形桨搅拌槽内的混合过程进行了数值模拟,所得的混合时间的模拟结果与实验值相吻合。同时采用数值模拟的方法研究了不同的示踪剂加料点、监测点位置及操作条件对混合时间的影响规律;模拟结果表明,混合过程主要由搅拌槽内的流体流动所控制,混合时间与示踪剂加料点及监测点位置密切相关。上述的研究结果对于工业搅拌反应器的优化具有一定的参考意义。     

基于热短路问题的仿生地埋管换热器模拟

抑制相邻地埋管热短路问题是提升其换热性能和保持可持续运行的关键。针对地埋管换热器运行过程中相邻管路热短路问题,借鉴构型理论与仿生学理论,提出新型仿生树状结构地埋管换热器。利用Fluent模拟仿生树状地埋管换热器的换热和综合性能,并与传统蛇形地埋管换热器性能对比,分析仿生树状地埋管换热器对于解决相邻地埋管热干扰问题和提高系统效能的可行性。研究结果表明：新型仿生树状地埋管换热器可有效改善相邻埋管热短路问题,避免局部热量堆积,提高土壤温度的均匀性。同时,在进口流速0.4～1.2 m/s范围内,仿生树状地埋管换热器的综合性能明显优于蛇形管地埋管换热器,高33.4%～38.3%。     

浮式生产储卸油装置自动清洗中喷嘴射流的模拟分析

介绍了利用高压水射流对浮式生产储卸油装置中的储油舱进行清洗的工作原理,并将锥形喷嘴和锥直形喷嘴作了比较,着重对矩形出口喷嘴进行了数值模拟研究。该方法的应用将降低工作人员劳动强度,改善工作环境,有效缓解清洗过程中污染物排放引起的海洋环境污染问题,减少新鲜水的消耗量,降低清洗废水后续处理成本,彻底解决了传统工艺能耗高、清洗效果差、污染环境以及效率低等问题。     

Attenuation of concentration fluctuations after a quench to a temperature in the single-phase region

Attenuation of concentration fluctuations in a polystyrene/poly(2-chlorostyrene) blend after a quench from a temperature in the spinodal region to one in the single-phase region was studied by using the time-resolved light scattering technique and a scanning electron microscope. The characteristic wave number q_m, where the maximum of the scattered light intensity was located, move towards smaller values during the attenuation process. The corresponding growth of the wave length of the dominant concentration fluctuation was clearly observed by the electron microscope. The scattered light intensities at small wave numbers were found to increase before they attenuated. In the later period the power-law behavior q_m∼t^−0.3 was observed. The exponent was smaller than the value (0.5) obtained on the basis of the non-linear theory by Akcasu and collaborators.