Na2SO4循环流化床蒸发器中的颗粒碰撞行为和传热性能

将流化床换热防垢节能技术和Na₂SO₄蒸发过程相结合,设计并构建了1套Na₂SO₄循环流化床蒸发装置。选用质量分数为20%的Na₂SO₄溶液作为液相工质,采用聚甲醛(POM)和碳化硅(SiC)颗粒作为惰性固体颗粒,考察了颗粒类型、颗粒加入量(1%～3%)、循环流速(0.37～1.78 m·s^-1)和热通量(7.29～12.14 kW·m^-2)等操作参数对于颗粒的碰撞行为和蒸发器传热性能的影响。研究结果表明,POM和SiC颗粒的加入均可以强化传热。实验范围内,POM和SiC颗粒的最大增强因子分别为9.5%和13.4%,所对应的操作参数分别为ε=1%,u=1.78 m·s^-1,q=7.29 kW·m^-2和ε=3%,u=0.37 m·s^-1,q=12.14 kW·m^-2。液相和固相碰撞加速度信号的特征频率范围分别为0～1 000 H...     

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。     

快速流化床颗粒团絮特征的MP-PIC数值模拟

为了研究快速流化床颗粒的团絮特征,建立了基于多相质点网格法的快速流化床气固多相流三维数理模型,气相场采用大涡湍流模型,通过求解牛顿运动方程得到颗粒相运动信息,气固间相互作用力采用Gidaspow曳力模型,固体间作用力通过计算颗粒应力梯度得到。基于该模型,对三维快速流化床上升管（H=3 m、d=0.1 m）气固流动开展了数值模拟,并与实验进行了校正,研究了在气速工况U_g=5.28 m·s^-1下的颗粒（ρ_p=2650 kg·m^-3、d_p=250 mm）团絮性质,实现了对上升管内颗粒团絮的基本类型（条形团絮、马鞍形团絮、U形团絮）的成功预测,并揭示了不同类型团絮在上升管内形成、发展、聚并直至破碎的演化规律。结果表明,上升管径向颗粒团絮的平均颗粒浓度分布呈现中间低两边高的环核结构,颗粒团絮速度的分布与其相反;随着轴向高度的增加,颗粒团絮的颗粒浓度逐渐降低而速度逐渐增加,但达到一定高度后变化减缓。     

基于动态平衡预测纳米颗粒流化床内聚团尺寸分布

准确预测纳米颗粒流化床内聚团尺寸对研究纳米颗粒流化具有重要意义。鉴于目前文献中主要根据力平衡模型得出聚团尺寸平均值,然而聚团尺寸实际呈宽筛分分布,本工作从动态平衡角度,采用分子动理论中麦克斯韦气体速率分布律类比流化床内聚团速度分布,建立基于微观作用力的聚团解聚—重聚模型,并用以预测纳米颗粒流化床内聚团尺寸分布。通过比较聚团间结合力和分离力的相对大小,判断聚团结合和破碎;在分离力中,碰撞力起着至关重要的作用,且与聚团相对运动速度关系密切。预测结果显示,纳米颗粒流化床内聚团尺寸呈现卡方分布。将模型预测值和文献中的实验数据进行对比,包括TiO_2、Ni、SiO_2等颗粒的团聚尺寸,发现大部分偏差在20%以内。     

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。     

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。     

密相提升管内颗粒速度与颗粒浓度分布及发展特性

为研究高密度提升管气固流动结构分布规律及其发展特性,在自建的18 m高循环流化床提升管系统中测定了不同气速和固体循环速率下的颗粒浓度分布.结果表明,在低颗粒循环速率(Gs)下颗粒浓度由底部浓相区单调降低并趋于稳定;在高Gs下颗粒浓度在底部浓相区内先增加后降低,沿提升管向上趋于稳定的发展趋势.径向上颗粒浓度分布呈现"中心...     

密相输运床的团聚物频率和持续时间

在内径0.102 m、高17 m的密相输运床冷态实验台上,以石英砂(属Geldart B类颗粒)作为循环物料,对光纤探针在表观气速8.2~11.2 m·s^-1,固体循环流率139~530 kg·m^-2·s^-1下获得的瞬态信号,采用小波分析的方法研究了团聚物频率、团聚物持续时间。结果表明:提升管边壁与底部区域更易形成大尺度团聚物,径向上团聚物频率中心高边壁低,而团聚物持续时间中心短边壁长。轴向上提升管底部团聚物频率低、持续时间长。团聚物频率随表现气速增大而增大,而团聚物持续时间随表现气速增大而缩短,提升管底部团聚物频率随固体循环流率增大而降低,团聚物持续时间随固体循环流率增大而变长。     

超细粉在声场导向管喷流床中的聚团尺寸预测模型

超细粉的流化性能与聚团尺寸密切相关。通过分析超细粉聚团在声场导向管喷流床中的形成过程,提出了高速射流的剪切作用和聚团间的碰撞作用是决定聚团尺寸的主要原因。在此基础上,结合聚团在射流剪切过程和聚团间碰撞过程中的力平衡分析,建立了声场导向管喷流床中聚团尺寸分布的预测模型;并运用这一模型成功预测了不同射流气速下,超细TiO₂颗粒在声场导向管喷流床中的聚团平均直径和聚团尺寸分布。     

高通量循环流化床提升管内Geldart B类颗粒团聚特性研究

在内径60 mm、高5.5 m的循环流化床提升管实验装置上,基于光纤探针所测颗粒浓度信号、采用小波分解方法,研究了高通量操作条件下Geldart B类颗粒(石英砂)的团聚特性(团聚物颗粒浓度、持续时间和频率等)。研究表明,团聚物在提升管轴径向分布不均匀,且与操作条件密切相关。在提升管中心区域,团聚物颗粒浓度小,持续时间短,出现频率较高;而在边壁区域则相反。团聚物颗粒浓度和持续时间随循环量的增加而增加,随气速的增加而减小;聚团频率的变化趋势相反,且在低气速下随着循环量的增加先增加后减小。     

在具有锥形料腿的循环流化床中流化CaCO3超细颗粒

根据粘附性颗粒在流化过程中形成的聚团具有较宽粒径分布并因此导致大聚团在流化床中沉积和死床的问题,提出了循环流化床的锥形回料系统设计. 该回料系统包括两部分：锥形料腿和带辅助进气的V型阀. 实验证明,锥形料腿通过提供变化的表观流化气速,克服了流化聚团沉积死床等现象;而V型阀的辅助进气,对于保证V型阀顺利输送粘附性颗粒具有关键性作用. 借助这种回料系统,实现了高粘附性超细CaCO3颗粒在循环流化床的稳定快速流化. 从提升管内部拍摄的照片显示,尽管提升管采用较高的流化气体速度,但超细CaCO3颗粒仍然是以聚团的形式被流化. 对在提升管不同高度采集的聚团分析表明,处于快速流化状态的CaCO3聚团的直径远小于传统流化床中聚团的直径,并且在提升管高度方向聚团直径没有较大的变化. 同时实验还显示,提升管轴向空隙率呈S型分布,而径向则体现环-核结构,具有典型的快速床特征.     

新型循环流化床反应器研究进展

开发新型循环流化床反应器始终是流态化领域研究的热点。本文首先简介了循环流态化的基本原理以及床层内部流体动力学特性,然后从装置构型、操作工况、流动特性以及应用前景等方面综述了近年来新型循环流化床反应器技术的研究进展,并对其进行了系统分类:高密度循环流化床和循环湍动流化床在实现提升管增浓的基础上,极大地改善了流化床体系中明显的不均匀时空流动结构,但是各有弊端,例如高密度循环流化床(HDCFB)中颗粒沿径向混合有很大的梯度,循环湍动流化床(CTFB)中存在强烈的轴向返混以及颗粒停留时间较长,且两者整体偏低的颗粒浓度进一步限制了其在两段提升管催化裂解多产丙烯(TMP)等生产低碳烯烃工艺的应用;变径提升管反应器、内循环型提升管反应器以及多流型提升管反应器等新型反应器将提升管高效的气力输送特性与密相床内较高的颗粒浓度、高效的热质传递等优点相互耦合,在提升管内既能实现高密度输送又能形成均匀的流动结构,消除反应环境对产品分布的影响。最后指出,新型循环流化床的研究应从改善流动结构、发展优化组合技术以及建立统一流动模型3个方面着手。     

基于扁管的蒸发式冷凝器管外传热传质特性研究

强化蒸发式冷凝器管外传热传质可有效降低系统能耗，利用Fluent软件，结合自编译程序及组分输运模型对扁管蒸发式冷凝器管外传热传质过程建模，选取了等周长圆管模型进行比较，研究了二者传热传质性能的差异。通过研究管外液膜厚度及速度，以及管外温度分布和含湿量的变化规律，对比了扁管和圆管的平均表面传热系数，结果表明扁管的平均表面传热系数于圆管提升了9.04%。模拟了风速从1.5 m·s^-1变化至3 m·s^-1以及喷淋密度从0.15 kg·m^-1·s^-1增加至0.3 kg·m^-1·s^-1时对扁管式蒸发式冷凝器换热的影响，得到随着风速及喷淋密度的增加其平均表面传热系数分别增加了5.68%和30.26%。对扁管式蒸发式冷凝器管外的传热传质特性的研究为其应用提供了理论指导。     

新型催化裂化提升管进料段油、剂两相混合特性

通过大型冷模实验,引入射流相对浓度及颗粒相对浓度两个新参数,考察了油剂逆流接触新型提升管进料段内的油剂“匹配”状况。结果表明,喷嘴向下倾斜的进料方式能够强化油剂初始接触区域内两相混合,混合区高度可缩短约1/3。根据进料段内油剂匹配的特点,可将该新型进料段分为油剂初始接触区、气固扩散区和过渡恢复区3个部分。根据实验结果,得到了较佳的工况组合,分别为：喷嘴与轴向夹角α=30°,预提升气速U_r=4.1 m·s^-1,喷嘴气速U_j=64.2 m·s^-1。结合实验数据,对新型进料段中油剂匹配指数的轴向分布进行了拟合,结果可为油剂逆流接触提升管进料段的工业设计提供参考。     

高密度液固循环流化床流动特性研究及数值模拟

在φ80 mm×8000 mm的液固循环流化床提升管中,利用实心玻璃珠和常温水,采用实验和数值模拟相结合的方法对高密度液固循环流化床的流动特性进行了考察。实验发现,高密度液固提升管中,颗粒固含率和颗粒速度径向分布均为抛物线分布,轴向平均固含率分布总体上为下浓上稀的波动形式分布,颗粒在提升管中的流动表现出加速-减速-再加速直至充分发展的过程。这种分布特征与较高颗粒浓度、较高表观液速和颗粒循环速率及喷管式液体分布器的影响有关。液固提升管中固体颗粒的停留时间分布曲线均为尖而窄、较对称且没有明显拖尾的单峰分布,这表明颗粒基本是以弥散颗粒形式存在,颗粒停留时间分布较为均匀。通过将数值模拟结果与实验结果进行比较发现,模拟值与实验值吻合较好,说明所建立的数学模型较为合理,进一步通过数值模拟实验对颗粒密度和颗粒粒径对流动特性的影响规律进行了考察。     

超临界二氧化碳管道腐蚀特性研究

超临界CO₂在输送过程中会腐蚀管道内壁，研究其腐蚀特性可指导管道完整性管理。针对X70钢材管道，建立了超临界CO₂管道腐蚀模型，分析了不同工况下超临界CO₂对管道的腐蚀行为。结果表明，超临界态CO₂对X70钢的腐蚀程度高于气态CO₂。随着温度的升高，腐蚀速率先快速升高，达到80℃后腐蚀速率反而下降，建议输送温度低于40℃。随着流速的升高，腐蚀速率升高缓慢，达到2.5m·s^-1后腐蚀速率快速升高，达到4m·s^-1后腐蚀速率升高再次变缓，建议输送速度低于2.5m·s^-1。     

电石渣喷淋吸收烟气二氧化硫工艺及动力学

在喷淋吸收装置中对电石渣浆液吸收SO₂进行了系统研究。研究结果表明：脱硫效率随烟气SO₂浓度的增加先升高,然后下降;随体系pH的增加而升高,pH从3升到13时,脱硫效率由52.3%升到94.7%;增加浆液电石渣浓度和减小电石渣粒径均有利于SO₂的吸收去除;液气比从10 L·m^-3增加到50 L·m^-3时,脱硫效率提高了59.9%;以电石渣烟气脱硫的化学反应为基础,建立电石渣烟气脱硫反应动力学模型,总反应级数n=α+β=1.67,反应活化能E_a=51396.59 J·mol^-1,频率因子k₀=0.37894×10⁶(mol·m^-3)^-0.67·s^-1。     

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.     

石墨烯水凝胶光蒸馏装置的性能研究

本研究通过简单的水热法制备得到了自组装石墨烯水凝胶(SGH),并对其蒸发性能和实际应用潜力展开研究。实验结果表明,SGH孔隙丰富,全光谱吸收率>95%,具有优良的蒸发性能和脱盐能力。在一个标准太阳光下,SGH的净蒸发速率可达1.93kg·m^-2·h^-1,光热转化效率为87%,而且盐浓度对蒸发速率的抑制作用不明显。同时,本研究自制了一个阶梯式太阳能蒸馏器,根据实验室和户外条件下的蒸馏实验结果,当光强相对稳定时,该蒸馏器的时平均产水速率最高可达1.65 kg·m^-2·h^-1,而且出水水质满足饮用要求。因而,本研究开发的石墨烯水凝胶光蒸馏装置是具有实际应用价值的。     

提升管反应器介尺度结构影响规律的数值模拟研究

提升管反应器存在典型的颗粒聚团介尺度结构,其分布特性对气固流动、反应有重要影响,对介尺度结构影响规律进行分析有助于为反应器的设计与优化操作提供基础信息。采用基于能量最小多尺度（EMMS）方法的曳力模型建立了提升管气固两相流动模型,考虑了颗粒聚团对气固相间动量传递的影响。此外,进一步通过考虑颗粒聚团的存在以及颗粒聚团的非均匀性对化学反应的影响,提出了描述介尺度结构对反应速率影响的修正因子,与气固流动模型进行耦合,建立了基于介尺度结构的流动-反应综合数学模型,并进行了模型验证。进一步应用该模型,对工业催化裂化提升管反应器的流动-反应特性进行了模拟分析。结果表明,该模型可以合理描述提升管气固相互作用,能够预测出壁面附近存在较多介尺度结构的分布特性,由于聚团的存在使得重油组分难以与催化剂充分接触,生成汽柴油的反应速率较低,转化较慢,聚团的分布特性导致靠近边壁处的重油组分浓度较高,汽柴油组分浓度较低;汽柴油在聚团内部的流动阻力较大,在聚团内发生过量的二次反应生成较多焦炭,导致壁面处焦炭浓度较高。与传统基于平均化而未考虑聚团影响的模型相比,基于介尺度结构的模型所预测的汽油收率最佳值与工业实际相接近。因此,基于介尺度结构的流动-反应综合数学模型可以合理描述提升管内进行的流动-反应耦合特性,并能揭示介尺度结构对催化裂化反应过程的影响,有望为工业提升管装置反应终止剂技术的开发提供重要的基础信息。