小型提升管反应器流动-反应耦合模拟

在提升管气固两相湍流流动模型和重油反应动力学集总模型的基础上,利用Fluent软件建立了催化裂化提升管反应器气固两相流动与反应耦合模型,对实验室小型提升管反应器进行了数值模拟,考察了气固两相的流动、传热、传质与反应过程。结果表明,提升管反应器内气固两相在轴向和径向的流动、传热与反应的分布不均匀。在入口附近。原料和催化剂温度变化显著,各组分的浓度变化剧烈,在提升管上部,变化平缓。反应器出口各组分质量分数的模拟值和实验值基本吻合。说明该模型对提升管反应器出口参数和反应结果具有较好的预测性。     

基于DEM模拟气固循环流化床提升管内颗粒聚团特性

采用CFD-DEM的方法对气固循环流化床提升管内的气固流动特性进行模拟,建立了基于图像处理的分析颗粒聚团的方法,重点研究了颗粒聚团在床层内的整体分布以及颗粒聚团的特性,包括颗粒聚团的倾角、球形度以及长短轴比的概率密度分布以及它们在床层内的轴向和径向上的分布特性。研究结果表明,聚团在床层内的分布较宽,较小的聚团居多,边壁区域附近易形成较大的聚团。聚团的数目沿床层高度方向先增加后减少。聚团倾向于以偏离球形聚团、较大的倾角形式存在,其长短轴比值在2～4之间。     

FCC提升管内气体流经颗粒聚团流动特性的模拟研究

对催化裂化提升管反应器内气体流经颗粒聚团的流体力学特性进行了数值模拟研究。研究结果表明,气体流经颗粒聚团时,由于聚团的阻力作用,进入聚团的气体流量较少,大部分气体从聚团两侧绕流过去,聚团内部不同位置的颗粒所受到的力不同。颗粒聚团性质对气体流经时的流体力学特性影响很大,聚团空隙率越大,穿过聚团的气体流量越大,聚团内颗粒所受到的力也越大;聚团尺寸越大,聚团内颗粒所受到的力越小。气体速度对其流经颗粒聚团时的流体力学特性影响不大。     

基于DEM模拟气固循环流化床提升管内颗粒聚团特性

采用CFD-DEM的方法对气固循环流化床提升管内的气固流动特性进行模拟,建立了基于图像处理的分析颗粒聚团的方法,重点研究了颗粒聚团在床层内的整体分布以及颗粒聚团的特性,包括颗粒聚团的倾角、球形度以及长短轴比的概率密度分布以及它们在床层内的轴向和径向上的分布特性。研究结果表明,聚团在床层内的分布较宽,较小的聚团居多,边壁区域附近易形成较大的聚团。聚团的数目沿床层高度方向先增加后减少。聚团倾向于以偏离球形聚团、较大的倾角形式存在,其长短轴比值在2~4之间。     

FCC提升管反应器中颗粒聚团对裂化反应的影响

在对气固流动体系颗粒聚团实验现象分析的基础上,以减压馏分油裂化反应为例,对反应器中最常见的球形和椭球形聚团上的流动、传热和反应过程进行了模拟计算,得到了聚团内外油气和催化剂颗粒的速度分布、温度分布、浓度分布以及反应速率分布。研究结果表明,催化剂颗粒聚团的存在阻碍了油气与催化剂颗粒的充分接触,进而造成系统内速度和温度的不均匀分布,影响了裂化反应的发生,使得有颗粒聚团时的一次反应速率明显低于无聚团时的反应速率,颗粒聚团显著影响了油气在颗粒上的反应时间,最终导致气体和焦炭产率升高,对裂化反应产品收率分布十分不利。     

循环流化床提升管内聚团速度的研究

聚团是气固循环流化床(CFB)中最常见的现象,对气固之间的热量和质量传递有重要影响。为了考察循环流化床内不同运动方向聚团速度的特性,采用高速相机对提升管内气固流动进行摄像,并利用Matlab图像处理程序,分离出颗粒聚团区域并计算颗粒的运动速度。采用拉格朗日(Lagrange)法计算聚团速度,并根据聚团运动方向对上行和下行聚团的速度分别研究。研究结果表明:采用拉格朗日法能准确地计算聚团速度,上行聚团速度略大于下行聚团速度,聚团速度主要分布在[?3,3] m?s?1且随表观气速的增加而增加;边壁区域下行聚团数量远大于上行聚团数量,中心区域上行聚团数量略大于下行聚团,下行聚团数量占聚团总数的60%～70%。聚团速度沿轴向高度略有增加,在顶部受出口的影响略有减小。聚团横向移动在边壁区域较小,中心区域较大。     

湍流气固两相流动状况的数值模拟

应用已建立的提升管反应器固两相流动反应模型,对工业催化裂化提升管反应器内在有传热及裂化反应时的湍流气固两相流动进行了数值模拟,得到了气固两相湍充动状况的详细信息,揭示了提升管内部有反应和传热时气固两相湍流流动的基本特征。模拟结果表明,在轴向,径向和圆周方向都存在着流动,湍能与率剂颗粒浓度的不均匀分布,进料段内的流动是整个反应器最复杂的部分。工业提升管反应器内这一复杂的气固两相湍流流动必将对传热和裂     

催化裂化提升管反应器模型的建立

工业催化裂化提升管反应器内既存在着气固两相的湍流流动,又存在着传热和裂化反应,而且这些过程是相互影响,高度耦合在一起的。本文全面系统地考虑湍流气因两相流动,传质,传热及反应等复杂因素及其相互影响,建立了催化裂化提升管反应器三维气固两相流动反应模型,形成了相应的数值解法,编制了大型的模拟计算程序。由此可对工业催化裂化提升管反应器内湍流气固两相流动进行系统的数值模拟研究。     

提升管轴向流动和重油催化裂解反应过程数值模拟

基于欧拉-欧拉双流体模型,采用重油催化裂解的11集总模型,建立了实验室小型提升管重油催化裂解流动-反应的二维模型。比较了气-固两相冷态流场和有催化反应流场,以及二维流动反应模型和0.5维模型下的轴向产品分布。结果表明,冷态流场和有催化反应时流场轴向气固相速度和颗粒浓度都存在明显差异,说明一个完备的反应器模型必须充分考虑反应与流动、传递之间的相互影响;提升管内轴向非均匀性使得二维和0.5维模型下轴向重油转化率和产品收率分布存在明显差异,对于重油转化率,柴油和汽油产率,这种差异在提升管中下部更为显著,比较提升管出口产品组成发现,二维模型结果与实验结果吻合更好。     

基于不同亚格子尺度过滤模型下提升管内颗粒流动的数值模拟

固相亚格子尺度过滤模型是在高精度的网格下,系统地过滤了基于结合颗粒动理学的双流体模型的模拟结果而得到的曳力和固相应力等本构关系的计算模型。今分别采用固相亚格子尺度过滤模型(Filtered Model I)、壁面修正固相亚格子尺度过滤模型(Filtered Model II)和改进的固相亚格子尺度过滤模型(Filtered Model III)模拟NETL/PSRI挑战问题中的提升管内的颗粒流动特性,得到了时均气体压力梯度和时均轴向颗粒速度等分布。亚格子尺度模型和均匀流动模型(Huilin-Gidaspow model)的研究结果相比,改进的固相亚格子尺度过滤模型(Filtered Model III)与实验值更接近,尤其是对于高颗粒浓度流动。壁面修正可以提高压力梯度,从时均轴向颗粒速度分布曲线,可以看出在提升管内颗粒流动结构呈现更为明显的环核流动结构;同时,研究了提升管内气体压缩性、壁面修正和计算网格对模拟结果的影响,分析表明气体的可压缩性对提升管内轴向气体压力梯度有影响,在模拟计算时考虑气体的压缩性,可以提高计算精度。     

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.     

Numerical Simulation on Gas-Solid Two-Phase Turbulent Flow in FCC Riser Reactors(Ⅱ) Numerical Simulation on the Gas-Solid Two-Phase Turbulent Flow

Numerical simulation on the flow,heat transfer and cracking reactions in commercial fluid catalyticcracking(FCC)riser reactors were carried out employing the developed turbulent gas-solid two-phase flow-reac-tion model for FCC riser reactors given in Part Ⅰ of the present paper.Detailed information about the turbulentflow fields in the riser reactor obtained revealed the basic characteristics of the gas-solid two-phase turbulentflows when heat transfer and catalytic cracking reactions were co-existing in the riser.Results showed that thedistributions of the flow,the turbulence kinetic energy and the catalyst particle concentration are not uniform inthe axial,radial and tangential directions.The most complicated part of the riser reactor is the feed injectingzone.The complicated configuration of the turbulent gas-solid two-phase flows would exert a great influence onthe results of interphase heat transfer and cracking reactions.     

Numerical Simulation on Gas-Solid Two-Phase Turbulent Flow in FCC Riser Reactors(Ⅰ) Turbulent Gas-Solid Flow-Reaction Model

Gas-solid two-phase turbulent flows,mass transfer,heat transfer and catalytic cracking reactions areknown to exert interrelated influences in commercial fluid catalytic cracking(FCC)riser reactors.In the presentpaper,a three-dimensional turbulent gas-solid two-phase flow-reaction model for FCC riser reactors was devel-oped.The model took into account the gas-solid two-phase turbulent flows,inter-phase heat transfer,masstransfer,catalytic cracking reactions and their interrelated influence.The k-V-k_P two-phase turbulence modelwas employed and modified for the two-phase turbulent flow patterns with relatively high particle concentration.Boundary conditions for the flow-reaction model were given.Related numerical algorithm was formed and a nu-merical code was drawn up.Numerical modeling for commercial FCC riser reactors could be carried out with thepresented model.     

催化裂化提升管反应器中颗粒聚团裂化反应的数值模拟

Behavior of catalytic cracking reactions of particle cluster in fluid catalytic cracking (FCC) riser reactors was numerically analyzed using a four-lump mathematical model. Effects of the cluster porosity, inlet gas velocity and temperature, and coke deposition on cracking reactions of the cluster were investigated. Distributions of temperature, gases, and gasoline from both catalyst particle cluster and an isolated catalyst particle are presented. The reaction rates from vacuum gas oil (VGO) to gasoline, gas and coke of individual particle in the cluster are higher than those of the isolated particle, but it reverses for the reaction rates from gasoline to gas and coke. Less gasoline is produced by particle clustering. Simulated results show that the produced mass fluxes of gas and gasoline increase with the operating temperature and molar concentration of VGO, and decrease due to the formation of coke.     

基于重置温度方法的双参数介尺度气固传热模型构建

颗粒聚团等介尺度结构在气固两相流中普遍存在,这些介尺度非均匀结构直接影响气固流动特性及气固接触效率,进而影响气固相间传热、传质及化学反应过程。在更适合工业大尺度气固传热模拟的粗网格方法中缺乏准确度高、简单易用且可以考虑介尺度非均匀结构影响的传热模型。采用计算流体力学-离散单元法（CFD-DEM）研究了气固两相流相间传热,为了保证气固相间持续传热,采用了两种维持气固相间传热温差的方法,并讨论了两种方法的优缺点。方法一：给气相能量方程添加热源项;方法二：每间隔一段时间重置气相温度,重置温度后气固两相自由传热,两种方法中均保持固相温度不变。结果表明聚团界面位置的局部单位体积气固传热量最大,重置温度方法在稀相和界面位置的局部单位体积传热量与总单位体积传热量之比大于热源项方法,而在浓相位置的局部单位体积传热量与总单位体积传热量之比小于热源项方法。通过过滤CFD-DEM计算数据,为重置温度方法构建了双参数（过滤固含率、过滤尺度）传热系数修正因子模型,通过先验分析评价了模型的表现,研究表明所构建模型在过滤网格尺度为5~40倍颗粒直径范围内优于文献中已有的双参数模型。     

用颗粒流的动力学理论模拟提升管反应器流动特征

引　言大量实验结果[1～ 3]表明 ,循环流化床内气相和颗粒相的两相流体系中 ,颗粒浓度在提升管的横截面上存在显著的非均匀分布 .颗粒在某些条件下聚集于管壁 ,在某些条件下也可能聚集于管中央[4 ].颗粒浓度分布的非均匀性可以分为两种类型 ,一是颗粒层 (Ｐａｒｔｉｃｌｅ -Ｌａｙｅｒｉｎｇ) [5 ],其微观结构近似颗粒固定床 ,颗粒在沿平均速度方向上有排列成床的趋势 ,但仍保持流体特性 ;另为颗粒群(Ｐａｒｔｉｃｌｅ -Ｐａｃｋｅｔｓ) [6 ],颗粒群在流化床中的行为如同单相湍流中的流体涡团 ,作无规则运动 ,不断地形成、分解 .催化裂化提…     

A CFD-DEM study of the cluster behavior in riser and downer reactors

This paper presents a numerical study of the particle cluster behavior in a riser/downer reactor by means of combined computational fluid dynamics (CFD) and discrete element method (DEM), in which the motion of discrete particles is obtained by solving Newton's equations of motion and the flow of continuum gas by the Navier-Stokes equations. It is shown that the existence of particle clusters, unique to the solid flow behavior in such a reactor, can be predicted from this first principle approach. The results demonstrate that there are two types of clusters in a riser and downer: one is in the near wall region where the velocities of particles are low; the other is in the center region where the velocities of particles are high. While the extent of particle aggregation appears to be similar, the duration time for the first type in a downer is shorter than in a riser. Furthermore, it is demonstrated that the formation of clusters is affected by a range of variables related to operational conditions, particle properties, and bed properties and geometry. The increase of solid volume fraction, sliding and rolling friction between particles or between particles and wall, or damping coefficient can enhance the formation of clusters. The use of multi-sized particles can also promote the formation of clusters. But the increase of gas velocity or use of a wider bed can suppress the formation of clusters. The van der Waals force may enhance the formation of clusters when solid concentration is high but suppress the formation of clusters near the wall region when solid concentration is low.