管式固定床反应器柱状颗粒床层流体流动模拟与实验研究

针对管式固定床反应器内管束数量多、规模大等特点,选取单个管束作为特征结构。对装填不同直径柱状颗粒的管束,采用程序坐标定位的方法,建立柱状颗粒床层的物理模型。采用DEM与CFD联合数值仿真方法,探究反应管内径与柱状颗粒的等比表面积球当量直径之比(管径比Di/dp)对柱状颗粒床层流体流动的影响,并建立单管固定床反应器试验台,采用差压测试方法进行实验研究。结果表明,当Di/dp由5.37增至12.75时,床层空隙率和流体分布均匀性均得到改善,壁面效应的影响由床层中心减弱到管壁。基于数值模拟及实验结果对Di/dp=12.75的柱状颗粒床层进行床层压降Ergun公式常系数修正,CFD模拟计算的结果与拟合公式吻合较好。研究结果能为固定床反应器压降预测提供参考。     

基于CFD-DEM的柱形颗粒固定床反应器流场特性数值模拟

采用计算流体动力学-离散单元耦合法(CFD-DEM),研究了柱形颗粒随机堆积固定床床层的流场流动特性。建立更接近柱形催化剂实体形状的颗粒模型,采用颗粒随机堆积法建立了固定床床层,通过对床层内部的流动特性数值模拟,得到床层内部空隙分布云图及压力场和速度场的分布规律。改变管径和粒径的比值(N,简称直径比),建立N为3,5,10和20的反应器固定床床层,分析了直径比对流场特性的影响。结果表明,当N为5时,床层堆积较为密实均匀,压降较大,速率变化幅度较小,故此管径比下固定床反应器内柱状催化剂床层有较好的流场特性。     

固定床内压降的CFD分析

采用CFD法分析填充单一粒径和不同粒径颗粒固定床内的压降。分别采用PFC3D和Fluent软件建立固定床模型和模拟计算压力场,床层内颗粒流动雷诺数Re_p介于1~2 200之间。将床层空隙率、压降等模拟结果分别与已发表文献中的半经验公式的计算结果进行了比较,发现当Re_p小于120左右时压降的模拟结果与半经验公式计算结果基本吻合;而当Re_p较高时,二者之间的偏差较大;大颗粒使床层内空隙率分布的峰位置向固定床中心移动,第1个峰的位置与固定床壁面之间的距离和颗粒的质量平均直径（d₄₃）值基本相同;采用d₄₃代替半经验公式中的粒径参数,得到的压降计算结果与模拟结果更加吻合。     

基于Chimera网格的固定床反应器内局部流动模拟

采用基于三维Chimera网格的有限体积方法对球形颗粒随机填充的固定床内部小Reynolds数（9～50）下的局部流动进行了数值模拟。为了考察固定床内局部流动特点,本文模拟的固定床反应器的填充颗粒的数目较大,分别为120和500,直径比（固定床内径与填充颗粒直径之比）分别为7和10。由于计算量巨大,采用了基于PVM的分布式并行计算。模拟结果提供了固定床内局部流动的详细流场信息,显示了流动的不均匀性、壁面效应和沟流的存在。为固定床内进一步的流动与传热及反应耦合研究奠定了基础。     

床层与颗粒直径比小的固定床反应器径向空隙率分布

采用旋转法测定了床径比小的固定床反应器中的径向空隙率分布。填充颗粒为球形、圆柱形。填充形式为紧密填充。通过对实际数据的拟合建立了描述其径向空隙率分布的数学模型。     

脉冲对流化床气-固流动特性的影响

运用双流体法建立了三维脉冲流化床模型,模拟了不同脉冲下流化床内的气固流动特性。通过床层压降与气体空隙率分布的比较和分析,发现：脉冲可明显地降低床层压降,减小气泡尺寸;脉冲频率越大,床层压降越大;脉冲气流中有稳定气流的床层压降比无稳定气流的床层压降更小;脉冲振幅的增强可适量增加气体空隙率,但床层压降也增大。     

烯烃催化裂解反应器局部颗粒堆积结构的颗粒解析模拟

烯烃催化裂解固定床工艺中的反应过程对压力敏感,深入研究催化剂堆积颗粒结构中的流动及压力分布对优化固定床结构及操作参数有重要意义。颗粒解析模拟方法广泛用于固定床内堆积结构的模拟,可以准确描述堆积结构中的流体力学行为,但对于复杂堆积结构网格生成困难。采用基于多孔介质模型的浸入边界法(PMM-IBM)结合网格自适应,实现了对固定床堆积结构的颗粒解析模拟,既解决了网格划分困难的问题,又节省了计算资源。采用网格自适应技术后,与均匀网格相比,堆积结构的网格总数减少大约80%。通过与贴体网格法的单颗粒表面受力分析对比,确定了此浸入边界法的关键模拟参数。随后模拟预测了三种床层与颗粒直径比值条件下堆积结构的空隙率及其内部的压力及流动分布。研究表明,堆积结构空隙中的局部轴向速度的最大值可以达到入口速度的10倍以上,轴向平均速度的径向分布与轴向平均空隙率分布一致,均成震荡衰减趋势。除此之外,预测的床层压降与Reichelt经验关联式结果较为吻合。在此基础上,耦合单颗粒内扩散和烯烃裂解的主反应,预测了反应物随孔径和孔隙率的变化,为进一步考虑外流场的变化奠定了方法基础。     

低流量下微细颗粒固定床的温度分布及有效传热参数研究

为探索微小型热生物传感器中反应器内部的传热特性,研究了恒壁温(60℃)条件下,低流量(5,3和1 mL·min-1)和微细颗粒直径(平均直径分别为1,0.75和0.45 mm)对固定床内部温度分布的影响,并结合二维均相传热理论模型,获得了有效径向导热系数和有效壁面传热系数等重要参数。研究结果表明,即使在流量非常小(如1 mL·min-1)的情况下,固定床入口段温度分布也很不均匀,存在明显的"入口段效应",但随着床层的增高,这种效应快速减弱;实验所采用树脂颗粒的导热系数很低,颗粒直径越小,接触热阻和流动阻力也越大,导致其有效传热参数越小,不利于热生物传感器中微量反应热信号的检测;在相同Rep时,本研究的有效径向导热系数明显小于文献值,而有效壁面传热参数与多数文献值比较接近。     

固定床内错流传热——II.床层对壁给热系数的经验关联式

采用3种导热性能不同的固体颗粒为填充物,以空气为介质,在床层被加热的情况下,研究了固定床中内置圆管的错流传热.采用最小二乘法对实验数据进行拟合,得到以床层对壁的平均给热系数、气体的导热系数和床层中被加热圆管的管径计算的Nusselt准数经验关联式:Nuf=31(lb0/ls)1.4(Db/Dp)0.2Rep0.33Pr0.62,Rep=10~180,Db/Dp=28~116,lb0/ls=0.5~0.2.Reynolds数以固体颗粒的等外表面积当量直径进行计算.结果表明,在错流传热过程中,表征气体流动特性的参数Rep仍是错流传热的重要影响因素,Nusselt准数除与床层的结构参数Db和颗粒的当量直径Dp有关外,还与颗粒的导热系数ls和床层的导热系数lbo密切相关.     

固定床内错流传热——-II. 床层对壁给热系数的经验关联式

采用3种导热性能不同的固体颗粒为填充物，以空气为介质，在床层被加热的情况下，研究了固定床中内置圆管的错流传热. 采用最小二乘法对实验数据进行拟合，得到以床层对壁的平均给热系数、气体的导热系数和床层中被加热圆管的管径计算的Nusselt准数经验关联式: Nuf 31( b0/ s)1.4(Db/Dp)0.2Rep0.33Pr0.62, Rep 10 180, Db/Dp 28 116, b0/ s 0.5 0.2. Reynolds数以固体颗粒的等外表面积当量直径进行计算. 结果表明，在错流传热过程中，表征气体流动特性的参数Rep仍是错流传热的重要影响因素，Nusselt准数除与床层的结构参数Db和颗粒的当量直径Dp有关外，还与颗粒的导热系数 s和床层的导热系数 bo密切相关.     

固定床流体流动特征数值模拟

为了研究固定床边壁效应、固定床床层数的变化以及颗粒的填充倾斜角度等参数对床内流体流动状况的影响,基于Ergun方程建立了轴对称多孔介质数学模型。同时对床内流体流动状况进行了研究:在床高确定的情况下,随着床层数的增加,压强降减少;随着颗粒填充倾斜角度的增加,压强降也减少,速度径向分布不均;在固定床边壁附近,气体速度明显增大。计算结果与实验值的比较表明模型能有效地描述固定床压强降和床内流体流动状况。     

球形活性炭流体力学特性的研究

研究了不同粒径球形活性炭在固定床中的流体力学特性,并与颗粒活性炭、柱状活性炭作对比试验。考察了活性炭形状、粒径、床层高度及空隙率、气体的袁观流速对床层压降的影响。结果表明,球形活性炭的流体力学性能最好,粉尘量约为柱状炭和颗粒炭的10％左右,对于相同当量直径的活性炭,球形炭的床层压降约为柱状炭的40％～50％,颗粒炭的50％～70％。     

煤热解中移动床床层阻力的试验研究

为进一步提高计算移动床床层压降的准确性,文章通过分别测试原煤的视密度和堆积密度,计算出固定床的空隙率,在固定床试验的基础上结合Ergun方程确定物料球形度,并在此基础上进一步利用移动床试验测试移动床中床层颗粒表观速度及表观气速与空隙率的关系,最后对其结果进行非线性拟合。结果表明:煤料球形度约为0. 709 7,床层颗粒表观速度与表观气速对空隙率有一定的影响,但表观气速对空隙率影响很小,忽略其影响,对床层颗粒表观速度与空隙率进行拟合,得到拟合公式为ε=0. 019 3 ln u+0. 392 6。利用该拟合公式并结合Ergun方程计算的压降与工业实际运行数据相比,数据误差约为10%。     

球形和圆柱形催化剂载体颗粒尺寸的优化研究

催化剂载体颗粒床层是烟气催化脱硫的重要组成部分。选择适当的催化剂载体颗粒对提高脱硫效率和降低能耗有重大意义。通过对不同尺寸的球形和圆柱形催化剂载体的理论和实验研究,探明催化剂载体形状和尺寸对床层空隙率和床层比表面积的影响,研究催化剂载体形状和尺寸对床层阻力的影响,提出床层阻力计算公式,优选出载体最佳的形状和尺寸。研究表明球形颗粒直径在6~8mm之间较合适,圆柱形载体当量直径在5.5mm左右较合适,且相同当量直径情况下,空心圆柱体载体比实心圆柱体载体压降要小。     

小管径-粒径比颗粒无序堆积通道内壁面效应数值研究

采用DEM-CFD方法对小管径-粒径比颗粒无序堆积通道内壁面效应进行了数值研究。针对D/dp=5.0圆球无序堆积通道构建了光滑壁面和波节壁面两种通道壁面结构,分析了不同壁面结构堆积通道内孔隙率分布、流动和温度场分布及其流动换热性能。结果表明:小管径-粒径比光滑壁面颗粒无序堆积通道内壁面效应显著,壁面附近平均流速明显高于堆积中心区域,而平均温度要低于堆积中心区域,壁面附近0.5dp区域内通过的流体质量流量比例为46%;波节壁面结构抑制了通道壁面附近漏流,可小幅提高堆积通道的换热能力,但堆积通道内的流动阻力也随之增大,其综合换热性能较光滑壁面堆积通道有所下降。     

小管径-粒径比颗粒无序堆积通道内壁面效应数值研究

采用DEM-CFD方法对小管径-粒径比颗粒无序堆积通道内壁面效应进行了数值研究。针对D/d_p=5.0圆球无序堆积通道构建了光滑壁面和波节壁面两种通道壁面结构,分析了不同壁面结构堆积通道内孔隙率分布、流动和温度场分布及其流动换热性能。结果表明：小管径-粒径比光滑壁面颗粒无序堆积通道内壁面效应显著,壁面附近平均流速明显高于堆积中心区域,而平均温度要低于堆积中心区域,壁面附近0.5d_p区域内通过的流体质量流量比例为46%;波节壁面结构抑制了通道壁面附近漏流,可小幅提高堆积通道的换热能力,但堆积通道内的流动阻力也随之增大,其综合换热性能较光滑壁面堆积通道有所下降。     

固定床中丝状颗粒的传热传质特性

目前对于固定床中丝状填充颗粒传热传质特性的认识仍处于初始阶段。为了能够从颗粒尺度的微观层面揭示丝状颗粒与气体、颗粒与颗粒之间的热、质传递机理,建立了一种丝状颗粒传热传质数学模型,之后将离散单元法与计算流体力学相结合,对实验中较难获得的床层局部流动及传递信息进行了数值模拟,并着重分析比较了气流入口温度以及表观气速等关键因素对固定床中丝状颗粒温度和含水率变化的影响规律。通过模拟结果与实验数据的对比,验证了所建模型的可行性。研究结果表明:同一时刻,固定床中颗粒温度大体上是随着床层高度的增加而降低,含水率则是随着床层高度的增加而升高;气流入口温度对于固定床中丝状颗粒平均温度的提升起着主导作用,而颗粒的传质速度则受表观气速的影响更为明显。     

壁面条件对FCC颗粒湍动床气固流动影响的模拟

采用基于颗粒动力学的双流体模型对FCC颗粒湍动床和挡板床内气固流动进行模拟研究,考察颗粒相壁面边界条件对其气固流动的影响。研究结果表明,采用Johnson-Jackson壁面边界条件描述壁面与颗粒的相互作用时,壁面反射系数对气固流动行为影响较大,而颗粒-壁面碰撞恢复系数影响甚微。通过将模拟结果与实验数据对比,确定壁面反射系数取0.001时能较好地描述壁面与颗粒间的作用力。对于挡板床,挡板的加入增大了壁面面积,壁面对颗粒的作用力更加显著,挡板壁面采用部分滑移条件时,穿过导向挡板向上和向下运动的颗粒数量均较大于采用无滑移条件时的结果。挡板壁面的光滑程度对其在床层中的作用有一定影响。     

基于气泡EMMS模型的鼓泡床两相流动CFD模拟

采用两步法将气泡EMMS模型拓展到计算网格层次,用于模拟鼓泡床两相流动,改进的EMMS曳力模型不仅与空隙率有关,且与网格内的速度直接关联.求解是在操作条件下利用宏观稳定性约束条件寻优得到乳化相内空隙率关系式,再用计算网格层次上的微观守恒方程结合乳化相空隙率关系式封闭求解其余结构参数及对应的曳力系数,最后借助用户自定义函数将气泡EMMS曳力嵌入双流体模型中,对含Geldart A类颗粒的鼓泡床内气固两相流动行为进行模拟与验证.结果表明,该模型能较好地模拟鼓泡床内的非均匀流动结构,准确捕捉到上稀下浓的轴向颗粒浓度分布特征,轴向颗粒浓度分布结果与实验值较接近,平均相对偏差为6.4%.床层径向上颗粒分布均呈明显的环-核结构.在不同床层高度(0.6,0.8和1.1 m)处的径向颗粒浓度分布与实验值基本吻合,仅在底部(0.4 m)略低,相对偏差小于14%.而Gidaspow曳力模型在4个床层高度与实验数据差距甚远,相对偏差可达91%.     

蜂窝状催化剂中空结构对固定床反应器压降的影响

压降是衡量固定床反应器优劣的重要指标,直接影响了反应性能和综合能耗,催化剂颗粒的外形和尺寸是影响固定床反应器压降的关键因素。采用颗粒分辨计算流体力学模型,研究了工业上常用的蜂窝状催化剂颗粒上中空结构对固定床反应器压降的影响规律。首先,通过对比实验测量的催化剂床层空隙率和压降,验证了建立的颗粒分辨计算流体力学模型的合理性和准确性,其中模型计算获得的压降与实验值相差5%以内。接着,研究了蜂窝状催化剂颗粒开孔个数的影响,发现在催化剂颗粒体积和开孔体积相同的情况下,开孔个数不会显著影响催化剂床层的空隙率,但开孔个数增加会导致压降增大,这主要是由于孔径变小后增大了流体在孔内的动量损失。最后,考察了单孔柱催化剂颗粒尺寸的影响,发现可通过调变外圆柱半径、内孔半径和高度,进而大幅度改变催化剂床层空隙率和压降,当单孔柱壁面越薄时,空隙率越大,致使压降越低。研究结果可以为催化剂颗粒外形的优化设计提供强大的模型工具和一定的理论指导。