上行气固两相流充分发展段的颗粒浓度

在Ф100mm× 16m循环床提升管实验装置上测试了134组操作条件下提升管 12个截面位置的平均颗粒浓度 ,其中 113组操作条件下提升管中的气固两相流展现出明确的充分发展段 .结果表明 ,充分发展段的颗粒浓度εs 随颗粒循环量G_s 的增加而增大且具有显著的线性关系 ,ε_s 随表观气速U_g 的增加以幂函数关系减小 .所提出的实验关联式不仅较好地拟合了本文所获得的充分发展段的平均颗粒浓度数据 ,而且诠释了以往有关提升管稀相段出口颗粒浓度预测结果之间的差异 ,更明确地反映了充分发展段颗粒浓度与操作参数之间的定量关系     

气固两相上行流动中颗粒加速行为的研究

根据空气－FCC颗粒在16m高循环床提升管内的压力梯度实验数据,对提高升管颗粒加速区的平衡颗粒浓度、颗粒加速区长度以及操作条件的影响进行了系统的分析研究。颗粒的加速导致了颗粒表观浓度沿提升管轴向的不均匀分布,加速区截面上颗粒表观浓度随操作参数的变化明显不同于充分发展段;颗粒加速区长度受操作条件影响非常著,增加颗粒循环量或减小表观气速,都将延长颗粒加速过程,颗粒表观浓度也随之增加;特别地,当提升管底部有大量颗粒聚集和絮状物形成时,颗粒加速区将显著增长,甚至扩展到整个提升管高度。     

循环床提升管中粗重颗粒浓度的轴向分布

在10m高提升管中对空气-沙子体系的压力梯度进行系统测试,研究了粗重颗粒平均颗粒浓度云的轴向分布及操作条件对它的影响。结果表明,粗重颗粒的^εs在相同操作条件下显著低于FCC颗粒;随操作条件的不同,沙子颗粒表现出与FCC显著不同的轴向分布形态。高气速下粗重颗粒^εs的轴向分布与FCC相似表现为单调下降或直线形关系;但在表观气速Ug降低至某一临界值后,粗重颗粒^εs的轴向分布呈现出波动形式,表明沙子颗粒在提升管中的流动是一个加速-减速-再加速直至充分发展的过程。随Ug减小或Gs增大,提升管各截面上云升高;当^εs的轴向分布为波动形式时,提升管底部截面和中部颗粒聚集截面上^εs的变化较其它截面更为显著。     

提升管中气固两相流动行为的相似特性

在15.1 m高循环流化床实验装置上对提升管内的轴向压力梯度、局部颗粒浓度和颗粒速度进行了较系统的实验测试,研究了提升管中气固两相流充分发展段在不同操作条件下流动行为的相似特性.结果表明,在(G_s /ρ_p)^1.2/U^2.0_g相近的操作条件下,上行气固两相流充分发展段的颗粒浓度、下降颗粒时均速度、絮状物颗粒浓度和出现频率在空间的分布特征基本相同.对于同一提升管内的同一气固两相流系统,只要表观气速和颗粒循环速率按(G_s /ρ_p)^1.2/U^2.0_g同步变化,不同操作条件下的上行气固两相流在充分发展段就具有相似的宏观和微观流动行为.     

环隙下料式流化床?提升管耦合反应器内截面平均固含率的分布

在环隙下料式流化床-提升管耦合反应器大型冷模实验装置中,研究了提升管和环隙下料管内FCC颗粒截面平均固含率(εp)的轴向分布.结果表明,流化床区域内pe随操作气速增大而减小,提升管区域可分为充分发展区(3.91~6.81 m)和约束返混区(6.81~8.60 m),提升管区域内εp随操作气速增大而增大,操作气速小于0.7 m/s时,εp沿轴向分布均匀;其大于0.7 m/s时,约束返混区的pe明显增大.在环隙下料管内,由于受窜气的影响,颗粒沿重力场流动阻力增大.操作气速小于0.75 m/s时,环隙下料管内εp沿轴向分布较均匀;其大于0.75 m/s时,变径段出现脱空现象.总体上,εp沿轴向向下略有增加,颗粒可顺畅通过环隙下料管循环返回流化床内.确定了提升管区域内εp沿轴向分布的经验模型,计算值与实验值吻合较好.     

多段分级转化流化床提升管中颗粒聚团特性的研究

采用PC6D型颗粒浓度测量仪,在多段分级转化流化床冷态实验装置上,测量了提升管中局部固体浓度,对颗粒聚团特性进行了实验研究。结果表明:径向上絮状物的时间分率Fc和絮状物内的颗粒浓度εsc在床层中心区(r/R0.6)较低,而在边壁区(r/R0.8)相对较高。提升管所有截面上各径向位置的Fc和εsc均随表观气速urg的减小和/或固体循环量Gs的增加而增加,轴向上操作条件对底部加速段Fc、εsc的影响明显高于对上部充分发展段Fc、εsc的影响;径向上操作条件对中心区Fc、εsc的影响显著高于对边壁区Fc、εsc的影响。在絮状物颗粒浓度0到εsmf范围内,得出絮状物内的颗粒浓度εsc与该处相应的局部颗粒浓度εs的变化关系式为εsc=3.33εs0.8。     

流化床-提升管耦合反应器内沥青颗粒的流动特性

针对重油残渣(沥青颗粒)气化制氢工艺,在流化床-提升管耦合反应器大型冷模实验装置上,考察了不同操作条件下沥青颗粒体系在耦合反应器内截面平均密度的轴向分布. 结果表明,对单组分沥青颗粒体系,耦合反应器适宜的操作条件为：提升管表观气速ug,r=0.70~1.76 m/s;与A类颗粒相比,沥青颗粒在耦合反应器内的流动特性呈现不同的特点,整个反应器沿轴向可分为底部流化床密相区、提升管底部低密度区、提升管颗粒密度重整区、提升管加速区、充分发展区和出口约束区6个区域;反应器内截面平均密度随颗粒质量流率增大而增大,随表观气速增大而减小;确定了耦合反应器内提升管区域截面平均固含率的影响参数为ep', Fr及H/Dr,并利用实验数据回归了平均固含率的轴向分布经验模型,其计算值与实验值吻合较好.     

耦合流化床提升管流动结构及边壁层厚度的研究

在射流流化床与提升管耦合的多段分级转化流化床冷态实验装置上,采用压力传感器和PV-6型颗粒速度测量仪,对提升管流动结构和边壁层厚度进行了系统研究。结果表明,一定的操作气速下,固体循环量增加使提升管中气固流动状态从稀相气力输送过渡到快速流态化区域。当提升管处于快速流态化区域时,一定固体循环量下,表观气速增加使提升管轴向各个位置的边壁层厚度减小;一定气速下,固体循环量增加使提升管各个截面的边壁层厚度增加,且低气速时提升管各个截面的边壁层厚度随固体循环量增加的程度明显高于高气速时。拟合得到了边壁层厚度与截面平均固体浓度的关系式,较好地预测了快速流态化区域内边壁层厚度随截面平均固体浓度的变化关系,该表达式的计算值和实验值吻合较好。     

16m高气固提升管中的压力梯度与流动行为研究

在较宽操作条件范围对16m高提升管中气－固两相流（空气－FCC颗粒）的压力梯度进行了实验测试,进一步揭示了快速流态化和密相气力输送这两种流动形态的动力学特征及其与操作参数的关系。结果表明,在表观气速增大的过程中气固提升管中的轴向压力梯度并非总是不断趋于均匀分布;提升管高度对快速流态化到密相气力输送状态的过渡有重要影响,对于给定的表观气速,提升管高度增加将使过渡点所应的颗粒循环量和床层颗粒浓度都减小。本实验条件下所有过滤点对应的床层颗粒浓度较为一致,平均为0．0104,并由此得到过渡点操作参数Ug与Gs的关联式。本文研究表明,在以往工作基础上进一步研究提升管高度对流动行为的影响极有必要。     

多段分级转化流化床提升管速度场的研究

针对流化床煤气化过程中需要长气固接触时间和高固体浓度,开发了耦合灰熔聚流化床和提升管的多段分级转化流化床。为了研究多段分级转化流化床提升管中局部颗粒速度的径向、轴向分布,在不同的操作条件下,采用PV-6型颗粒速度测量仪在冷态实验装置中系统测定提升管内局部颗粒速度。实验结果表明:提升管中任何径向、轴向位置的颗粒速度随着操作气速的增大而增大,随循环量的增加而减小。操作条件对中心区颗粒速度变化的影响明显高于边壁区。颗粒的加速首先发生在提升管中心区域,然后向边壁区域扩展。颗粒速度径向分布的不均匀性沿轴向逐渐增大,并且受操作气速影响比较大。     

A new correlation for predicting solids concentration in the fully developed zone of circulating fluidized bed risers

The present work focuses on developing a new comprehensive correlation for better prediction of the solids concentration in the fully developed region of co-current upward gas-solid flow in circulating fluidized bed (CFB) risers. Systematic experiments were carried out in two risers (15.1 m and 10.5 m high with the same 0.1 m i.d.) with FCC and sand particles. The results obtained from about 200 sets of operating conditions show that the average solids concentration in the fully developed region is more than just a function of the corresponding terminal solids concentration, as most previous correlations are based on. Operating conditions, particle properties and riser diameters also have significant effects on the solids concentrations in the fully developed region of CFB risers. Based on our experimental data and those reported in the open literature from CFB risers up to 0.4 m in diameter and 27 m in height with superficial gas velocities and solids circulation rates up to 11.5 m/s and 685 kg/m²·s, a new empirical correlation for predicting the average solids concentrations in the fully developed region of CFB risers is proposed. The correlation works well for a wide range of operating conditions, particle properties and riser diameters.     

Collapse of dilute suspension in different circulating fluidized bed risers with respect to different particles

The collapse of dilute suspension was studied in three different circulating fluidized bed (CFB) risers with two types of particles. The risers had the same height of 3.0 m but different inner diameters of 66 mm, 97 mm and 150 mm, respectively. FCC particles (Geldart A) and silica sand particles (Geldart B) were used. It was found that the collapse of dilute suspension is characterized by rapid accumulation of particles at the riser bottom, independent of the riser diameter and the types of particles. In accordance with the observation, an approach was developed to determine the collapsing point from experimental measurements. Then, the dilute suspension collapse was found to be dominated by an identical differential pressure drop at the riser bottom. This critical pressure drop is independent of gas velocity and riser diameter, whereas varies with the properties of particles. Riser diameter has different influences for FCC and silica sand particles upon the saturation carrying capacity, the solids circulation rate at the dilute suspension collapse. Under a given gas velocity, the collapse in a larger riser is observed to take place at a larger solids circulation rate for FCC, but at a smaller solids circulation rate for silica sand. This diversified dependence on riser diameter of the saturation carrying capacity was identified as a result of the different influences of the riser diameter on the bed density for those two types of particles.     

循环流化床提升管中颗粒速度的径向分布及其沿轴向的发展

采用5光纤速度探头对f100mm?5.1m循环床提升管8个高度截面上11个径向位置的局部颗粒速度进行了实验测试,并采用径向不均匀指数(RNI)对颗粒速度径向分布的不均匀性及其沿轴向的变化进行了定量描述。研究结果表明:在高气速、高颗粒循环量操作时,操作条件对颗粒上升速度和下降速度的径向分布的影响在加速段和充分发展段呈现出不同的规律;颗粒上升速度和下降速度沿轴向的变化在核心区和边壁区也表现出不同的趋势。当颗粒循环速率大于200 kgm-2s-1时,颗粒的加速段长度大大延长,以至于大于提升管的高度(15.1m)。颗粒速度径向分布的不均匀性沿轴向是逐渐增大的,并且与截面平均颗粒速度存在很强的相关性。     

下行气固两相流与管内壁间的摩擦压降

在较宽的操作条件范围内系统测试了下行床床层压力降,获得气固两相流与管内壁间的摩擦压降,提出了下行气固两相流与管壁间摩擦压降的计算模型。结果表明,在下行床的充分发展段,气固两相流与管壁间的摩擦导致表观颗粒浓度显著小于真实颗粒浓度;当表观气速大于8 m·s^-1时,气固两相流与管壁间的摩擦压降接近甚至超过气固两相流重力产生的静压降。在采用压差法测试下行床中的平均颗粒浓度时,如忽略气固两相流与管壁间的摩擦,则可能导致显著的偏差。下行气固两相流与管内壁间的摩擦压降主要来自于颗粒与管壁间的摩擦。颗粒直径对气固两相流与管壁间摩擦压降的影响随着操作气速的提高逐渐减弱。采用提出的摩擦压降模型对表观颗粒浓度进行修正后,预测值与实验值吻合较好。     

Numerical and experimental studies on the flow multiplicity phenomenon for gas-solids two-phase flows in CFB risers

The flow multiplicity phenomenon in circulating fluidized bed (CFB) risers, i.e. under the same superficial gas velocity and solids circulation rate, the CFB risers may sometimes exhibit multiple flow structures, was numerically and experimentally investigated in this study. To investigate the flow multiplicity phenomenon, the experiments of gas-solids two-phase flows in a 2-D CFB riser with different flow profiles at the inlet of the CFB riser were conducted. Specially designed gas inlet distributors with add-ons are used to generate different flow profiles at the inlet of the CFB rise. The CFD model using Eulerian-Eulerian approach with k-ε turbulence model for each phase was employed to numerically analyze the flow multiplicity phenomenon. It is experimentally and numerically proved that for gas-solids two-phase flows, the flow profiles in the fully-developed region are dominated by the flow profiles at the inlet. The solids concentration profile is closely coupled with the velocity profile, and the inlet solids concentration and velocity profiles can largely influence the fully-developed solids concentration and velocity profiles.     

利用光导纤维表征并流下行流化床中颗粒聚凝体的动态特征(英文)

利用光导纤维来表征并流下行流化床中颗粒聚凝体的动态特征。下行床的直径为0.1m、床高10m,操作气速为3.5～10m·s-1,颗粒流率为50～200kg·m-2·s-1。所用颗粒为催化裂化FCC颗粒,直径67μm,密度为1500kg·m-3。研究中首先用灵敏度分析方法建立起确认颗粒聚凝体的最佳条件,由此从所测得的瞬时颗粒浓度数据来获得颗粒聚凝体的各种特性(频率、时间分率、存在时间及平均浓度)。研究发现颗粒聚凝体的性质明显地受到操作条件的影响(气体速度与颗粒流率)以及局部颗粒浓度的影响。颗粒聚凝体的性质亦沿着下行床的轴向与径向发生很大变化。在充分发展段,下行床中心比近壁处有着更强的形成颗粒聚凝体的趋势。靠近下行床的底部,颗粒聚凝体性质沿轴向分布的变化比较缓和。