微型流化床内混合特性的数值模拟

微型流化床反应分析仪是中国科学院过程工程研究所研制的具有等温微分反应特性,且适合于气固反应分析的新仪器。细微样品与高温流化介质的瞬间混合是该仪器实现等温微分的必要条件。针对如何满足该要求,基于欧拉多流体模型对连接不同进样器的微型反应器本体进行了三维数值模拟,得到了不同喷口结构和位置下的流动图景及混合区浓度的相对标准偏差曲线,定量表征了各种进样器的混合质量。同时采用高速摄像手段获得了冷态实验中颗粒流动的快照,验证了模拟计算结果的可靠性。模拟结果对脉冲射流微量进样器结构的优化提出了如下建议:进样细管应避免采用弯角喷口,弯角结构会导致脉冲进样载流气喷出方向与流化气流相逆,使得细微颗粒试样堆积滞留,影响混合效果。     

高温加压微型流化床内脉冲气射流扰动的数值模拟

气固微型流化床反应分析仪由于其等温微分特性而被成功应用于反应动力学分析。目前该仪器多在常压条件下应用,在加压条件下的使用特性尚未明确。微型流化床为该仪器核心部件,通过计算流体力学方法深入研究其在高温加压条件下的脉冲进样行为有着重要意义,可揭示脉冲进样气对床层流化状态扰动的影响规律,进而为该仪器的高压使用与优化提供理论认识与指导。本工作基于双流体模型模拟床层流化,对加压条件下微型流化床的脉冲进样进行了三维数值模拟,并提出进样管结构改进方案。模拟结果表明,所建立的三维模型能够准确捕捉到微型流化床的压降,符合实验结果。温度与压力对脉冲进样气造成的床层扰动有着相反的影响规律,压力增大将引起脉冲进样气动能增加,进而导致对床层流化扰动加剧,而温度升高则会减弱对床层的扰动。通过对脉冲进样管进行轴向以及径向的扩张,可使扩张导致的气流速度减小效果强于无滑移壁面条件导致的气流速度增大效果,从而减小脉冲进样气末端速度,进而削弱其对床层的扰动。相比径向扩张,轴向扩张对扰动的削弱作用更为有效,因此脉冲进样管的改进应以轴向扩张为主。     

气-固微型流化床压降特性及最小流化速度的实验研究

在内径3～20 mm的4个气-固微型流化床中,分别考察了A类和B类两种类型颗粒的流化特性,同时研究了床几何结构、操作条件、物相性质等各因素对其最小流化速度的影响.结果 表明,气-固微型流化床中的床层压降特性与颗粒类型密切相关,不同的流动状态下两种类型颗粒的流动特性存在显著地差异.在固定床阶段,与B类颗粒相比,A类颗粒与...     

循环流化床生物质颗粒掺混流动特性CPFD模拟

针对循环流化床(CFB)燃煤锅炉掺混生物质颗粒对床内颗粒流动特性的影响,文中基于计算颗粒流体动力学(CPFD)方法对CFB内煤炭颗粒掺混生物质颗粒的混合流动特性进行模拟研究,考察床层压降,并分析生物质掺混比以及不同的掺混方式对颗粒流动特性的影响。结果表明：掺混质量分数15%生物质的混合颗粒最小流化速度为0.7 m/s;生物质掺混比例的增加使最小流化速度有所提升,但提升程度不大;此外,2种颗粒的堆积方式对颗粒流动特性存在影响,当生物质堆积在煤炭上方时,会阻碍床层内颗粒的正常流化,出现节涌现象。     

基于图像法喷动床内空隙率研究

利用图像二值化方法处理图片,并采用Matlab编程实现空隙率的测量,从微观层次分析空隙率对喷动流化床内流动状态的影响。研究了颗粒粒径、喷口数量和表观气速对空隙率分布的影响。结果表明,增大表观气速使床层底部的稀相区增大,床层膨胀高度增加,空隙率也随之增加。增大颗粒粒径会增大最小临界流化速率,所以在其达到流化状态后流化床内颗粒粒径增大,床内喷动区空隙率减小比较明显。在相同条件下,与单喷口相比双喷口在床层底部附近存在合并射流,同时颗粒能到达的高度显著增加,底部两侧停滞区面积减小。结合对空隙率的分析,提出一种新的表征流化床内流化状态的参数(流化指数),可以直观地表示流化床内颗粒的流化状态。     

基于EMMS介尺度模型的双分散鼓泡流化床的模拟

双分散气固鼓泡流化床中颗粒通常具有不同粒径或密度,导致产生颗粒偏析等现象,影响传递和反应行为。颗粒分离和混合与气泡运动密不可分,其中相间曳力起关键作用。最近Ahmad等提出了一种基于气泡结构的双分散介尺度曳力模型,能成功预测双分散鼓泡流化床的床层膨胀系数。本研究耦合该曳力模型与连续介质方法,模拟了两种不同的双分散鼓泡流化床,通过分析不同流化状态下的气泡运动、颗粒浓度比的轴向分布等参数,进一步检验模型的适用性。研究表明,当双分散颗粒处于完全流化状态时,耦合双分散介尺度曳力模型可合理预测不同颗粒的分离现象;而其处于过渡流化状态时,新曳力模型和传统模型均无法获得合理结果,此时调节固固曳力可改进模拟结果。     

新颖环形喷动床颗粒喷动特性实验研究

一种新颖的环形喷动床由内外两个不同内径、同心的垂立圆筒组成,在环形空间底部设置多个喷口,在喷口两侧布置倾斜的导流板.研究颗粒在这种喷动床内的流动特性,探讨喷口结构、颗粒种类以及床内载料量对环形喷动床颗粒喷动特性的影响.实验结果表明:颗粒在环形喷动床内分为三个明显不同的区域,即颗粒填充移动区、密相喷动流化区以及稀相夹带区.当颗粒出现分区喷动后,随床内载料量的增多,填充移动区的高度维持不变,始终等于导流板的高度,而密相喷动区的高度不断增加.风量和颗粒种类对床层最大喷动量、密相喷动高度以及床层压力分布规律有着十分重要的影响.采用不同的喷口结构时,在相同的载料量下,直向喷口的密相喷动区高度更大,而且床内各测点的平均压力大于采用斜向喷口时的相应测点压力.     

基于动态双重网格下喷动床滞止区流动特性CFD-DEM数值模拟

基于Fortran语言自行开发了基于动态双重网格方法下的喷动床内气固两相流动的CFD-DEM方法,同时开展了喷动床内径向混合实验与模拟研究,又结合单网格方法对喷动床内0~2.0 s内的滞止区特性进行对比分析,验证了动态双网格方法计算结果的准确性。然后利用动态双网格方法对不同进口气速下和不同初始堆积高度下的喷动床进行数值模拟研究,对滞止区颗粒流动过程进行追踪,结果表明：径向混合实验结果与数值模拟结果有很好一致性;在喷动床内存在一定的滞止区,滞止区内的颗粒流动性较差;初始堆积高度不变,随着进口速度的增加,滞止区高度下降速率和向喷口延伸速度无明显变化;进口速度不变,随着初始堆积高度的增加,滞止区颗粒下降速度随之增加,但其向喷口延伸速度逐渐变慢。     

基于EMMS介尺度模型的双分散鼓泡流化床的模拟

双分散气固鼓泡流化床中颗粒通常具有不同粒径或密度,导致产生颗粒偏析等现象,影响传递和反应行为。颗粒分离和混合与气泡运动密不可分,其中相间曳力起关键作用。最近Ahmad等提出了一种基于气泡结构的双分散介尺度曳力模型,能成功预测双分散鼓泡流化床的床层膨胀系数。本研究耦合该曳力模型与连续介质方法,模拟了两种不同的双分散鼓泡流化床,通过分析不同流化状态下的气泡运动、颗粒浓度比的轴向分布等参数,进一步检验模型的适用性。研究表明,当双分散颗粒处于完全流化状态时,耦合双分散介尺度曳力模型可合理预测不同颗粒的分离现象;而其处于过渡流化状态时,新曳力模型和传统模型均无法获得合理结果,此时调节固固曳力可改进模拟结果。     

三维整体式喷动-流化床结构优化与流动数值模拟

为了对环隙区内的颗粒堆积层产生局部流化作用,提出了一种在喷动床锥体处开一定数量侧喷嘴的整体式多喷嘴喷动-流化床结构,并采用双流体模型(TFM)对三维整体式多喷嘴喷动-流化床内的气固两相流动行为进行了数值模拟。通过计算流体力学(CFD)模拟获得了喷动床内颗粒体积分数、颗粒速度及流场均匀度分布情况,并将模拟结果与传统喷动床进行了对比,同时对锥体处开孔直径等关键参数进行了优化分析。结果表明:与常规喷动床相比,三维整体式多喷嘴喷动-流化床结构能有效增强喷动床环隙区与喷射区颗粒的径向混合,特别是流化了喷动床环隙区底部颗粒的流动死区。颗粒流场均匀度(CV)值随着床层高度的增加而上升,表明多喷嘴对颗粒流场的均匀化效应主要体现在喷动床柱锥区,当A_i/A_z=0.67时,侧喷嘴对喷动-流化床内整体的颗粒流化作用达到最佳。     

微型流化床反应分析的方法基础与应用研究

准确测试气-固反应特性、求算动力学参数和推导反应机理是能源、化工、冶金等过程工程领域的重要研究课题。通过分析现有气-固反应分析测试方法与测试仪器优缺点,本文作者提出了利用微型流化床(MFB,micro fluidized bed)实现低扩散、快速升温条件下的反应微分化和等温分析的测试方法,系统研究了反应器内的流体力学特性,研制了微型流化床反应分析仪(MFBRA,micro fluidized bed reaction analyzer),验证和展示了其对热解、燃烧(氧化)、气化、还原、催化、吸收等典型气-固反应的应用,充分揭示了微型流化床反应分析仪强化传热传质、降低扩散抑制、实现实时在线微分分析的特性,尤其为快速复杂反应提供了有效的研究分析手段,并且拓展了水蒸气气氛、在线颗粒采样、串联反应解耦等系列气-固反应研究与表征功能,形成了与热重分析互补的气-固反应分析方法和分析仪。     

新型流化床内流体重构的流体力学特性变化及其数值模拟

针对前期研究开发的新型三重环流与多重环流流化床,构建气液两相流的二维数值模型,分析微观流场、液体运动速度和气相含率,剖析环流数对流化床流体力学特性的影响和对内循环过程的改善,寻找反应器运行过程节能的结构与优化的操作条件。通过数值模拟发现:基于单重环流,多重环流作用主要改变流体在上升区和下降区之间的相互混合和交汇,增大环流数可缩短流体运动的循环路程和时间,有利于加强相际之间的混合,但床内整体流态仍接近推流,微循环的存在所占比例较小;多重环流流化床的流体力学性能优于三重环流,随着环流次数的增多,液速在径向和轴向上分布更均匀,气泡逆流进入下降区,有利于反应器整体氧传质效率的提高。通过流化床结构改变实现的流体重构支持流体力学性能的改善,是高负荷有机废水好氧生物处理期待选择的开发方向。     

返混对气-固反应特性测试和活化能表征的影响

采用冷态研究和高温反应相结合的方法,探究了气-固反应过程中返混对反应特性和动力学的影响。首先利用脉冲示踪法考察微型流化床内的气体停留时间分布规律和气体返混特性,揭示床内径D、表观气速U_g、介质颗粒粒径d_p对床内气体返混程度的影响,并分析气体流动偏离平推流的程度,得到其最大程度接近平推流的操作范围。进而,选取活性焦燃烧这一典型气-固反应,分析微型流化床反应分析仪中不同程度的返混状态下等温燃烧的反应行为和活化能演变,再现了D、U_g、d_p对反应测试结果的影响,即：随着床径减小及表观气速和介质颗粒粒径的增大,反应器内产物气体经历的返混程度减小,使得产物气体近平推流的输出并被即时检测,获得更好揭示反应本质特性的反应活化能。活化能数值随返混程度的减少而增大,且更易达到稳定反应状态。     

Cold flow model and computer simulation studies of a circulating fluidized bed reactor for the oxidative coupling of methane

A circulating fluidized bed configuration has been developed for application in the oxidative coupling process. The configuration comprises a bottom turbulent fluidized bed, wherein the oxidative coupling reaction is conducted, followed by a reduced-diameter top fast bed for catalyst entrainment and hydrocarbon cracking. The hydrodynamic characteristics of this configuration have been investigated in a pilot-plant cold flow unit. Detailed experimental results on the turbulent bed flow structure and the gas phase residence time distribution are presented and discussed. The performanceofthe proposed reactor is analyzed by computer simulation studies based on a published oxidative coupling kinetic model. It is shown that improved hydrocarbon yields can be obtained by optimizing the hydrodynamic structure and the mixing characteristics of the turbulent bed.     

A simplified mathematical modeling for thermo-catalytic decomposition of methane over carbon black catalyst in a fluidized bed reactor

A mathematical model for thermo-catalytic decomposition of methane over carbon black catalysts in a fluidized bed was proposed. The simplified isothermal, uniform flow model was considered and implemented into a computer code to predict the reactor performance. The experiment of methane decomposition into hydrogen and carbon was carried out in a fluidized bed of I.D of 0.055 m and height of 1.0 m. The range of reaction temperature was 850–900 °C, gas velocity was 1.0–3.0 U _mf , and catalyst loading was 50–200 g. The reaction parameters for model equation were determined from the curve fittings and the comparison of experimental data with simulation results showed good agreement for fluidized bed reactor system. From the simulation results, the fluidized bed performance with different operating conditions were obtained, and this simple model can be used to predict the performance of a larger scale fluidized bed reactor and also in determining the optimum operating conditions.     

微型流化床内气体返混

微型流化床基础和应用在近几年受到越来越多的关注。针对微型流化床对气固反应分析的应用要求,利用脉冲示踪法研究了内径10 mm和21 mm两种尺寸微型流化床中的气体返混特性,具体考察了管内径、颗粒静床高度、床料颗粒粒径和气体表观流速对气体返混程度的影响。结果表明:随着床内径、颗粒静床高度和表观气速的减小和床料颗粒粒径的增大,气体在床内的返混程度减小。使用粒径约270 μm粗颗粒时,两种床径的浅层微型流化床中的气体返混程度都较小,对应的Peclet数在27以上,证明了床内气体流动接近平推流,从而为利用微型流化床最小化气体返混对反应测试的影响,获得近本征反应动力学参数提供了流动特性的保障。     

Experimental and numerical analysis of oil shale drying in fluidized bed

The main objective of this work was to experimentally and numerically investigate the Liu Shu River oil shale drying by the means of flue gas in a fluidized bed dryer. Several experiments were performed under different temperatures conditions. The moisture content of oil shale was measured during the experiments. The two-stage drying model was incorporated in computational fluid dynamics (CFD) package FLUENT via user-defined functions (UDF) and utilized for simulation of heat and mass transfer of oil shale drying in the fluidized bed dryer. The simulation results for solid moisture content agreed well with experimental data. The effects of the temperature and velocity of flue gas, initial bed height, and the particle size on the drying characteristics were predicted and analyzed. It is shown that the gas temperature and velocity are the important parameters in the whole drying process. The particle size has more obvious influence in the falling drying period than the constant drying period. The temperatures of gas and solid phases were monitored. It is shown that the so-called “near gas distributor zone” is the most effective heat transfer zone, which agrees well with the calculated value. The system quickly reached thermal equilibrium, characterizing a nearly isothermal bed. The developed model provides a very good demonstration to describe the oil shale drying in the fluidized bed dryer, and may provide important information for design, optimization of operation conditions.     

气固流化床外取热器内流动和换热特性分析

外取热器是维持催化裂化反应-再生系统热平衡和保持装置平稳运行的关键设备之一。外取热器的优化设计和合理调控,要求深入理解外取热器内的流动特性、换热特性及两者之间关系。在一套大型冷模热态实验装置上,分别考察了表观气速、颗粒质量流率对换热管附近的局部固含率和气泡频率、床层与换热管间传热系数的影响。结果表明:增加表观气速可以降低局部固含率、增加局部气泡频率、强化床层与换热管间换热;随着颗粒质量流率增加,局部固含率和局部气泡频率均增加;在较低表观气速下,增加颗粒质量流率不利于换热,而在较高表观气速下,传热系数随颗粒质量流率逐渐增加。不同流型下,气固流动特性对换热特性的影响不同。在鼓泡床流型下,过高的局部固含率不利于颗粒在换热表面的更新,增加换热管附近的局部气泡频率可以明显强化换热;而在湍流床流型下,换热管附近的局部固含率和气泡频率的增加,均使传热系数逐渐增大。建立了针对不同流型的换热经验关联式,预测值与实验值的平均相对偏差分别为6.9%和1.3%。     

Numerical simulation of local and global mixing/segregation characteristics in a gas–solid fluidized bed

Researches on solids mixing and segregation are of great significance for the operation and design of fluidized bed reactors. In this paper, the local and global mixing and segregation characteristics of binary mixtures were investigated in a gas–solid fluidized bed by computational fluid dynamics-discrete element method (CFD-DEM) coupled approach. A methodology based on solids mixing entropy was developed to quantitatively calculate the mixing degree and time of the bed. The mixing curves of global mixing entropy were acquired, and the distribution maps of local mixing entropy and mixing time were also obtained. By comparing different operating conditions, the effects of superficial gas velocity, particle density ratio and size ratio on mixing/segregation behavior were discussed. Results showed that for the partial mixing state, the fluidized bed can be divided into three parts along the bed height: complete segregation area, transition area and stable mixing area. These areas showed different mixing/segregation processes. Increasing gas velocity promoted the local and global mixing of binary mixtures. The increase in particle density ratio and size ratio enlarged the complete segregation area, reduced the mixing degree and increased the mixing time in the stable mixing area.