气固超短接触反应系统中颗粒轴向及径向混合行为研究

气固超短接触反应系统中颗粒轴向及径向混合行为研究魏飞，陈卫，金涌，俞芷青（清华大学化工系，北京１０００８４）关键词：气固超短接触反应器，磷光示踪，颗粒混合１前言气－固并流下行循环流化床反应器是一种新型气固超短接触反应器￣［１］，与传统的提升管反应器相...     

气-固环流反应器内瞬态流体力学特性的数值模拟

采用双流体模型和颗粒动力学理论,并考虑颗粒团聚现象对气固相间曳力的影响,对气-固环流反应器内的流体力学特性进行了数值模拟。模拟的时均固含率和颗粒速度与实验数据具有较好一致性,验证了模拟方法的可靠性。模拟结果表明：气-固环流反应器内瞬态固含率的分布具有典型聚式流态化的非均匀特征;压力脉动沿床层轴向的分布在一定程度上定性反映了气泡运动的信息;颗粒速度的时间序列和概率密度分布函数表明,床层各径向位置均存在颗粒的向上、向下运动,颗粒主体在床层内向上运动的同时还存在微观的内循环运动,模拟值为颗粒时均速度的径向非均一性宏观分布提供了合理的微观解释。     

循环流态化：（Ⅱ）气—固流动规律

循环流态化气、固两相流动行为是比较复杂的,它不仅取决于气体速度、颗粒循环速率以及气、固物性;而且受设备条件(床层直径、床层高度、进、出口结构、内部构件等),操作温度和压力等因素的影响。循环流态化气、固流动的基本特征,表现在局部结构上是存在颗粒的聚集现象,表现在整体结构上为存在颗粒浓度、气体、固体运动速度等的轴、径向不均匀分布。这种局部和整体宏观上的不均匀性,相互影响,相互关联,是表征循环流态化气、固两相流动行为的重要因素,也是研究和改善循环流化床反应器的基本课题。     

气固环流燃烧器内颗粒流动行为

针对石油焦及气化余焦的燃烧特点和流态化特性,提出了一种采用气固密相环流烧焦与快速床管式烧焦技术相组合的新型燃烧器结构。在不同操作条件(导流筒区表观气速0.772～1.674m.s-1,环隙区表观气速0.223～0.519m.s-1,装置系统的颗粒外循环强度40.8～229.4kg.m-2.s-1)及两类颗粒体系下,采用光纤测量仪对组合燃烧器环流段内颗粒流动特性进行了系统的实验研究。结果表明,两类颗粒体系的固含率和颗粒轴向速度在导流筒区、底部区和颗粒分流区床层内沿径向的分布规律为中心区小、边壁区大的环-核型分布,体现了气固流化床典型聚式流态化的非均一性特征;在环隙区,受环流段结构的影响,两类颗粒体系的固含率和颗粒轴向速度参数沿床层径向的分布相对较均匀;混合颗粒体系的固含率、颗粒轴向速度较单一石英砂颗粒体系的要小,细颗粒的加入在一定程度上能改善气固混合的均匀程度;两类颗粒体系在底部区和颗粒分流区的径向流动具有剪切破碎气泡的作用,有利于环流段内气固的充分混合接触。     

提升管中气固相的局部滑移速度

引　言理论和实验研究表明 ,局部流动结构及径向整体流动结构的不均匀性是气固系统主要特征之一 .径向整体流动结构不均匀性主要表现为颗粒浓度、颗粒速度及气流速度沿径向存在着梯度分布[1] ,局部不均匀性则指密相团聚物与稀相共存[2 ,3 ] .由于稀相中颗粒以单体的形式存在 ,为均匀结构 ,所以局部不均匀性就表现为颗粒团尺寸沿径向存在不均匀性 .这种颗粒团尺寸的不均匀性导致了滑移速度沿径向也存在着梯度分布 .但由于测量手段的限制 ,人们很难得到其准确数值 ,而这对于研究动量、质量及热量传递至关重要 .Ｚａｋｉ等[4 ] 、Ｍａｓ ｔｅｎ…     

超短接触旋流反应器混合腔内气固混合特性的数值模拟

采用欧拉双流体模型对超短接触旋流反应器内的气固两相流场进行了数值模拟,主要研究了混合腔内固相的体积分数分布情况。计算结果表明：混合腔内的气流在切向进气的作用下得到了一定的混合加速效果,切向的高速射流有效地缩短了气固停留时间,保证短接触反应效果。通过对两种不同混合腔结构反应器的对比计算发现,在相同入口速度条件下结构2（切向进气管位于混合腔顶部）较结构1（切向进气管位于混合腔下部）气固停留时间短,由于切向气流的迅速作用,增加了混合腔内的湍动强度,使催化剂颗粒迅速有效扩散、增强气固接触效果而更有利于催化裂化反应的进行,更易实现短接触操作要求。计算结果与实验测量结果的比较表明模型能有效地描述超短接触旋流反应器内气固两相流动形态。     

环隙气升式气固环流反应器内流体力学特性的理论分析

环流反应器的研究与应用一直局限于气液与气液固体系,将环流反应器移植到气固体系是一个具有独创性的探索。针对工业化中气固环流反应器的缺陷,提出了一种新型的环隙气升式气固环流反应器。并对床层空隙率、颗粒流动速度进行了实验研究与理论分析。建立了环隙区床层空隙率模型,发现环隙区床层空隙率随着环隙区表观气速的增加而增加;环隙区靠近导流筒外壁一侧颗粒流动速度明显大于靠近反应器内壁一侧,导流筒区颗粒流动速度沿径向的分布受气体分布器结构影响较大;环隙区颗粒流动速度基本不随轴向位置的变化而变化,导流筒区颗粒的流动属于密相输送,颗粒环流所受到的阻力主要集中在底部区域,其次为气固分离区,底部区域阻力大小由床层流化质量和导流筒下端距反应器底部的间隙所决定;建立了颗粒环流速度模型,发现环流速度随环隙区表观气速的增加而增加。     

气固逆流下行流化床中颗粒速度的径向与轴向分布

在内径90 mm、高7 m的逆流下行床冷态实验装置中,研究了气固逆流下行床中循环锅炉灰(dp=300 mm)颗粒速度的径向分布及其沿轴向发展. 结果表明,局部颗粒速度沿径向分布是不均匀的,在完全发展区,颗粒速度中心和边壁低、在r/R=0.85附近颗粒速度最大. 由大量实验数据回归出预测充分发展段局部颗粒速度的关联式,该公式计算值与实验值的平均相对偏差小于±11%. 不同径向位置的局部颗粒速度沿轴向的变化趋势不同,边壁区域(r/R>0.622)颗粒速度沿轴向单调递增,而中心区域(0相似文献   

循环流态化：（Ⅳ）气,固混合

气、固混合过程的研究与预测,是循环流化床反应器设计和模型化的关键之一。本文分析了循环流化床内气、固混合的机理。表明由于颗粒的聚集与解体以及气固两相在床内轴径向流动的不均匀性,因此在循环流化床内气固两相无论在局部,还是在整体上均存在着明显的混合。目前,在循环流化床基础研究中,气、固混合的研究是一个比较薄弱的环节。已有的研究结果之间尚存在不够统一、甚至相互矛盾的问题,需要进一步大量系统地工作。     

耦合流化床提升管内固含率径向分布及沿轴向的发展

针对催化汽油辅助反应器改质降烯烃工艺,结合提升管与流化床的特点,建立了一套提升管与流化床耦合反应器大型冷态实验装置. 在不同操作条件下,采用PV-4A型光纤密度仪测定了提升管内固含率沿径向的分布规律. 结果表明,固含率径向分布整体上呈现中心小、边壁大的环-核结构分布特征;沿轴向向上,各径向位置上的固含率在颗粒加速区逐渐降低,在充分发展区趋于稳定,在颗粒约束返混区又有所升高;各径向位置上的固含率随表观气速增大或颗粒循环强度减小而减小,且均匀性变好;提升管上部流化床内颗粒静床高度只对颗粒约束返混区内固含率径向分布有影响,而对颗粒加速区和充分发展区的固含率径向分布影响较小;当表观气速较低或颗粒循环强度较大时,颗粒约束返混区上部局部固含率最大值出现在无因次半径f=r/R=0.7附近,此时局部无因次固含率es*=es/ 沿轴向在H>5.33 m时不再具有相似性;通过比较径向不均匀指数,得到轴向各区固含率径向分布趋于均匀的程度依次为：充分发展区>颗粒约束返混区>颗粒加速区. 利用实验数据回归出了局部固含率径向分布关联式,其平均相对误差在6%以内.     

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     

等离子体裂解煤反应器内气固混合行为的三维模拟

采用FLUENT对2 MW和5 MW等离子体裂解煤反应器内气固混合行为进行了三维数值模拟.结果表明,2 MW反应器内的煤粉颗粒能够射入气流中心,气固两相混合均匀,而5 MW反应器内的煤粉颗粒不能穿透射流,主要集中在壁面附近,反应器放大效应明显,所得模拟结果与热态试验结果吻合较好.进而应用此模型对不同粒径和入射速度进行了模拟计算,结果表明适当地增大粒径和颗粒入射速度都有利于提高气固两相的混合效率.     

提升管-下行床耦合反应器内颗粒混合行为

引　言循环流化床中气固两相的流动有两种不同的方式 :提升管中为气固并流上行的逆重力场运动 ,下行床中为气固并流下行的顺重力场运动 .其差异表现为提升管内颗粒浓度、速度以及气体速度在径向上严重的不均匀 ,颗粒浓度概率密度分布以及速度的瞬时信号都表明了颗粒团 -空穴两相结构的存在[1] ,一些研究[2 ,3] 还发现提升管中颗粒的停留时间分布 (ＲＴＤ)曲线存在较大的拖尾甚至出现双峰 ,研究者认为提升管内存在弥散颗粒和颗粒团两种不同的混合机理 ;下行床则比提升管大大改善 ,气固速度、颗粒浓度沿径向分布要均匀得多 ,颗粒的ＲＴＤ曲线…     

气固垂直并流向上两相流流体动力学模型

运用能量最小多尺度 (EMMS)模型 ,推导出滑移速度及颗粒速度的径向分布 ,并进一步计算了径向空隙率、流体速度、团聚物直径、流体对颗粒的悬浮输送能量和颗粒的质量流率等相关的动力学参数 .模型计算结果反映了气固垂直两相流的径向不均匀性 (稀、密两相共存 )及环 /核结构的存在 .计算值与实验结果相吻合 .滑移速度的计算结果表明在核心区内也存在着团聚物 ,并不是呈现单一颗粒运动形态 ,这与实验现象一致 .该模型不仅克服了原有EMMS模型求解困难的问题 ,而且其计算不依赖于核心区半径等任何待定参数 ,只需物性参数、床层截面平均空隙率和操作参数即可 ,方便了实际应用 .     

循环流化床脱硫器气固两相流动的数值模拟

以双流体模型为基础,结合颗粒动力学理论,对下部装有文丘里气体分布器的新型循环流化床脱硫反应器内气固两相流动特性进行了数值模拟.为全面描述气固两相的相互作用以及固相的出现对气相湍流作用的影响,模型中引入了物理意义上更加合理的源项公式,并与实验值进行了比较,模拟计算值与实验值吻合良好,验证了双流体模型方程的适用性.计算结果表明:由于文丘里管特殊结构的影响,流化床提升管内颗粒浓度分布非常不均匀,颗粒速度沿提升管高度发生强烈变化,流动非常复杂,研究结果为进一步优化循环流化床脱硫反应器入口结构打下了基础.     

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。     

气固下行床超短接触反应器催化技术及其发展

介绍了超短接触反应器的工业应用及其发展现状,指出气固下行床超短接触反应是一项新的催化工艺,它将过去气固上行逆重力场运动改变成气固下行顺重力场运动,从而减少了返混、缩短停留时间,能大幅度提高轻油收率。该反应系统也比较容易实现提升管催化裂化、催化裂解装置的改造,有利于降低装置建、改造成本。     

循环流态化：（Ⅲ）气,固流动模型

根据气、固两相流动的基本特征,循环流态化气、固两相流动模型可分为局部流动结构模型及整体流动结构模型两类。局部流动结构模型主要描述床内稀相及絮状物相的局部分布及变化,而整体流动结构模型主要描述床中空隙率。颗粒速度以及气体速度轴、径向分布及变化,其中根据实用层次不同,整体流动结构模型可分为一维、一维两区及两维模型。本文对循环流态化气、固流动模型进行了分类评述,供循环流化床反应器设计时参考。     

亚格子湍动能模型及循环流化床气固湍流特性分析

以气相大涡-颗粒相二阶矩双流体模型为框架,基于单相流亚格子湍动能推导方法,考虑固相影响推导气相亚格子湍动能方程,建立了适用于气固两相流动的气相亚格子湍动能模型;同时考虑气相亚格子湍动能与颗粒相速度脉动二阶矩之间的脉动能量传递,补充了气固相间脉动能量作用模型。模拟了循环流化床内气固两相湍流流动过程,模拟结果与实验数据吻合较好,并较未考虑湍流模型的模拟结果更接近实验值。比较了不同亚格子湍流模型对颗粒运动的影响,与Smagorinsky亚格子涡黏模型相比,亚格子湍动能模型能够更好地模拟两相流的湍流特性。分析了气体表观速度对湍流作用的影响。研究表明,随着气体表观速度的增加,气相亚格子湍动能和亚格子能量耗散逐渐增加,径向分布的非均匀性增强。     

新型气固环流反应器内颗粒流动的CFD模拟

采用基于结构的EMMS曳力模型,对一种新型气固环流反应器中的颗粒流动特性进行数值模拟。模拟的固含率与颗粒速率预测值与实验数据具有一致性,验证了模型的适用性。模拟结果表明：导流筒表观气速增加,导流筒中的床层固含率减小,向上的颗粒速率增加;反应器中存在多个颗粒逆流和错流混合区,促进了颗粒沿径向的混合;槽孔处,导流筒中的固含率以及颗粒速率分布更加均匀,而环隙中存在颗粒浓集区;进料区在0≤L≤0.058 m,0< r/R< 0.3的范围内固含率增加并且颗粒存在明显的径向流动。