纳米TiO2在环隙流化床中流动特性的实验研究

在环隙流化(AFB)床中,应用实验测量技术研究了床层压降和床层膨胀曲线以及最小流化速度的变化规律.研究结果显示,在升速流化时,随着气速增大,床层压降和床层膨胀比也随之增大,当气速超过一定值时,纳米TiO2颗粒完全流化,压降波动和床层膨胀比趋于平稳.最小流化速度随着纳米TiO2质量的增加而增大.     

组合约束型提升管出口气固分布器的压降

在一套组合约束型提升管冷态实验装置上,通过实验研究了不同操作条件下提升管出口气固分布器的压降,并与常规气体分布器压降进行了对比。实验结果表明,在零床层及有床层的操作模式下,气固分布器压降均随提升管内表观气速和颗粒循环强度的增加而增大,在颗粒循环强度较低时,气固分布器压降曲线变化的斜率随着表观气速的增加而增大,在颗粒循环强度较高时,气固分布器压降曲线变化的斜率随着表观气速的增加而减小;随着开孔率及上部流化床层压降增加,气固分布器压降呈降低趋势,当流化床层压降达到一定程度后,分布器各孔方可实现有效布气,此后气固分布器压降趋于近似不变;在相同表观气速及开孔率下,气固分布器压降大于常规气体分布器压降。     

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。     

组合约束型提升管出口气固分布器的压降

在一套组合约束型提升管冷态实验装置上,通过实验研究了不同操作条件下提升管出口气固分布器的压降,并与常规气体分布器压降进行了对比。实验结果表明,在零床层及有床层的操作模式下,气固分布器压降均随提升管内表观气速和颗粒循环强度的增加而增大,在颗粒循环强度较低时,气固分布器压降曲线变化的斜率随着表观气速的增加而增大,在颗粒循环强度较高时,气固分布器压降曲线变化的斜率随着表观气速的增加而减小;随着开孔率及上部流化床层压降增加,气固分布器压降呈降低趋势,当流化床层压降达到一定程度后,分布器各孔方可实现有效布气,此后气固分布器压降趋于近似不变;在相同表观气速及开孔率下,气固分布器压降大于常规气体分布器压降。     

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。     

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。     

采用改进的曳力模型模拟2D鼓泡流化床的流化特性

针对特定颗粒浓度范围颗粒团聚作用导致的曳力下降问题,基于传统曳力模型在不同颗粒浓度段的特性分析,选择适用于不同颗粒浓度区间的曳力模型,通过光滑函数得到改进的曳力模型,并耦合欧拉双流体模型对2D鼓泡流化床进行数值模拟. 结果表明,与Gidaspow和Syamlal-O'Brien模型相比,改进的曳力模型对床层局部压降的预测结果更好;随表观气速增加,改进的曳力模型能更准确地预测床层膨胀;当表观气速Ug=0.46 m/s时,改进的曳力模型对径向颗粒浓度分布的模拟结果明显好于Syamlal-O'Brien模型.     

Geldart A类颗粒节涌床气固流动特性的实验及模拟

针对气固节涌床,在实验基础上,基于欧拉?欧拉双流体模型结合颗粒动力学理论,考虑Geldart A类颗粒聚团对气固间曳力的影响,采用修正后的Gidaspow曳力模型对气固节涌床进行数值模拟。结果表明,通过与实验结果及经验公式进行对比,修正的模型可准确合理地模拟流化床内节涌特性。表观气速0.09 m/s≤Ug≤0.39 m/s时,床层内部压力脉动标准偏差随表观气速增加而增加,流型由鼓泡转变为节涌直至节涌程度最大,床内气固流动主要受轴对称栓运动特性影响,床内压降、床层膨胀比、气栓平均上升速度、最大轴对称栓长度随表观气速增加而增加,最大轴对称栓产生位置随表观气速增加而降低;Ug>0.39 m/s后,床内压力脉动标准偏差随表观气速增加而降低,节涌程度降低至向湍动流态化流型转变,床内气固流动主要受壁面栓运动特性影响,增加表观气速,节涌床内压降变化幅度较小,气栓平均上升速度增加幅度加大,床层膨胀比及最大轴对称栓长度降低,最大轴对称栓产生的位置略有升高。     

磷石膏颗粒湍动流化特性实验及模拟

针对磷石膏颗粒湍动流化体系曳力变化的问题,在实验的基础上,考虑非均匀结构对曳力的影响,引入修正因子φ修正Gidaspow曳力模型,对2D流化床进行了数值模拟研究。通过将Gidaspow模型在不同φ值下的模拟结果与实验结果进行对比,研究φ值的改变对模拟结果的影响规律及一定气速范围内磷石膏颗粒湍动流化体系曳力变化特性。结果表明,Gidaspow模型高估了实验体系曳力,对体系流化特性的预测效果较差;适当φ值的引入能明显提高Gidaspow模型对床层膨胀、压降及体系非均匀度的模拟精度。模拟结果反映出φ值越小,床层膨胀高度越低,床内颗粒浓度分布越不均匀,床层压降波动性越大。随着气速的升高(0.144~0.240 m/s),颗粒沿水平方向上的聚集程度加剧,φ值呈非线性减小(0.31~0.24)。流化体系的非均匀度随着气速增加而增大,颗粒浓度沿径向存在较大梯度,两侧边壁处附近出现环-核结构且流场分布对称性较差。     

离心流化床动力学模拟

在前人研究的基础上,进一步地考虑了离心流化床在初始流化后气速增大引起的床层膨胀,通过引入气速与空隙率变化函数关系建立了离心力场气固流态化的动力学模型,得出了空隙率和床层膨胀关系式,从而得出床层压降的计算公式。理论预测的针对不同转速、不同颗粒的床层压降与临界速度的关系与实验数据吻合良好,能更准确地预测实验结果。     

离心流化床初始流化状态的研究(Ⅰ)基本理论

通过简化求解离心流化床连续介质模型基本控制方程,获得了初始流化速度、压力、空隙率、空隙气速、床层膨胀和床层压降的计算方程式。理论预报的临界流化速度和床层压降与实验结果吻合得很好。揭示了离心流化床随流速增大由表面逐层初始流化;流化后各半径处流化程度不同。理论分析还表明气体压缩性的影响随着床体转速的增大而增大。     

窄筛分颗粒气固流态化特性数值模拟研究

为更好地指导工业生产,了解不同粒径颗粒在气固流化床中的状态以及流化床中颗粒分布情况,针对气固流化床中窄筛分颗粒流态化特性进行数值模拟研究。通过流场模拟软件分析在相同流化床中不同粒径段的颗粒(46～80、106～113、185～221μm)和不同流化床进气速度条件下所能达到的体积分数和流化床层高度以及达到这一指标所需时间,并采用欧拉-欧拉模型和SIMPLE算法计算不同气速条件下的颗粒体积分数、速度分布。结果表明,在相同气速条件下,颗粒粒径增大,导致流化床内颗粒体积分数最高点与最低点的差距变大,颗粒分布不均匀性增加,同时床层整体高度下降,床层内颗粒密度上升,颗粒体积分数下降,流化效果降低;相同颗粒粒径情况下,增加气速可降低流化床内部颗粒的体积分数,增加气体与固体颗粒的接触面积,增强流化效果,但减少了流化床内部颗粒速度矢量分布达到均匀的时间,颗粒分布不均匀性更加明显。     

方形气固密相床中局部颗粒浓度分布的实验研究

在368mm×368mm方形气固流化床中采用FCC颗粒研究了局部颗粒浓度分布的基本行为,实验测试了不同高度床层截面上的局部颗粒浓度分布。结果表明:局部颗粒浓度在床层中心最小,向外逐渐增加,边壁处颗粒浓度急剧增加到最大;表观气速(Ug)较低时,床层截面内不同方向上颗粒浓度分布的差异较大;随表观气速增大,床层截面内不同方向上的颗粒浓度分布规律趋于一致。局部流动结构的转变首先发生于床层中心,然后再向边壁逐渐扩展。颗粒浓度概率密度分布曲线(PDD)表明在湍动流态化下稳定的两相流动结构已被打破。     

锥形流化床内碳纳米管的膨胀特性研究

流化床是碳纳米管宏量制备的一个关键设备,本文对100 mm管径无分布器式锥形流化床内的碳纳米管进行了床层膨胀研究的实验。通过对两种碳纳米管流化特性的观测分析,结果发现:对于垂直阵列管,存在分部流化的特性,对于聚团管,存在小颗粒迁移流化的特性。对初始床层高度为150,170,190 mm的流化床内的碳纳米管进行研究,在不同初始床层高度的情况下,不同种类的碳纳米管的膨胀行为和压力信号存在明显的差异,实验表明,在相同流速下,随着初始床层的增加,床层压降增加、初始流化风量和完全流化风量增加,膨胀率降低。     

磁性纳米Fe_3O_4在刁润磁丽场协助作用下的流态化研究

磁性纳米Fe3O4的密度及黏性较大,透气性差,在传统流化床中很难实现"正常"流态化。实验采用外加磁场能的方法来改善这种状况,外加磁场、铁磁性大颗粒并与流化性能较好的非磁性物料混合流化。实验发现在一定磁场强度、添加质量分数及表观气速下,纳米Fe3O4的流化性能得到改善,其在流化床中形成的大聚团得到有效的破碎,床层膨胀增加,压降趋于一个稳定值,最小流化速度降低,床层可以实现比较均匀的流化。     

循环流化床脱硫反应器气固两相流动模拟

为加深对循环流化床脱硫反应器的流动特性的认识,本研究采用双流体模型,耦合非均匀曳力模型和颗粒动力学理论,使用非均匀的修正的Syamlal O?Brien曳力模型考虑颗粒团聚现象对气固流动的影响,对循环流化床脱硫反应器中的流体力学特性进行了数值模拟。模拟得到的时均颗粒浓度和压降值与实验数据具有较好的一致性,验证了模拟方法的可靠性。颗粒速度的时间序列和概率分布函数显示,在反应器壁面附近区域均存在颗粒的向上、向下运动,在床层内颗粒总体上向上运动,同时还存在微观的内循环运动。模拟结果为颗粒速度的径向非均一分布提供了合理的解释,较Gidaspow模型有更好的适用性。     

磁性纳米Fe3O4在磁场协助作用下的流态化研究

磁性纳米Fe3O4的密度及黏性较大,透气性差,在传统流化床中很难实现“正常”流态化。实验采用外加磁场能的方法来改善这种状况,外加磁场、铁磁性大颗粒并与流化性能较好的非磁性物料混合流化。实验发现在一定磁场强度、添加质量分数及表观气速下,纳米Fe3O4的流诧性能得到改善,其在流化床中形成的大聚团得到有效的破碎,床层膨胀增加,压降趋子一个稳定值,最小流化速度降低,床层可以实现比较均匀的流化。     

颗粒旋转对鼓泡流化床内气固两相流动特性影响的数值模拟

运用考虑颗粒自旋转流动对颗粒碰撞能量交换和耗散影响的颗粒动理学方法,建立鼓泡流化床气固两相Euler-Euler双流体模型,数值模拟流化床内气体颗粒两相流动特性。分析表明,颗粒平动温度与旋转温度之比是法向和切向颗粒弹性恢复系数和摩擦系数的函数。与不考虑颗粒旋转效应计算结果相比,考虑颗粒旋转效应后床内较容易形成气泡,颗粒自旋转运动将导致床内非均匀结构更明显。并且床层平均空隙率和床层膨胀高度增加,床中心区域颗粒轴向速度提高,床内颗粒平动温度下降。考虑颗粒旋转效应后预测的颗粒轴向速度和颗粒脉动速度与文献实验结果基本吻合。考虑颗粒旋转效应后获得的气泡直径更接近于前人经验关联式。     

二元颗粒在气固流化床中的轴向分布特性

通过大型冷模实验测量了二元混合颗粒在流化床内沿轴向的压力分布，考察了混合颗粒截面平均浓度沿轴向的变化特点。通过分析床层压差分布的转折点，确定了密相区与稀相区的相交界面高度，根据实验结果给出了经验关联式。通过压力信号标准差分析了流化床内混合颗粒流化性能与表观气速和颗粒混合比例的关系。实验结果表明，平均颗粒浓度沿流化床轴向呈下降趋势，且在密相区中随表观气速增加而减小，在稀相区中随表观气速增大而增大。二元颗粒中大颗粒比例x_l为0.685时，密相区总平均颗粒浓度存在最大值。密相区与稀相区相交界面高度随表观气速增大而提高。当0.225≤x_l≤0.479和0.561≤u_g≤1.122 m/s时，流化床内二元颗粒的流化性能和混合程度达到最佳。     

脉冲对流化床气-固流动特性的影响

运用双流体法建立了三维脉冲流化床模型,模拟了不同脉冲下流化床内的气固流动特性。通过床层压降与气体空隙率分布的比较和分析,发现：脉冲可明显地降低床层压降,减小气泡尺寸;脉冲频率越大,床层压降越大;脉冲气流中有稳定气流的床层压降比无稳定气流的床层压降更小;脉冲振幅的增强可适量增加气体空隙率,但床层压降也增大。