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,0r/R0.3的范围内固含率增加并且颗粒存在明显的径向流动。     

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。     

固体装载率对局部相含率与液体速率的影响

在高径比(H/D=22.2)的气升式内环流反应器中,以空气-水-石英砂为物系,研究了固体装载率和表观气速对导流筒内局部固含率、下降区固含率、下降区液体速率的影响,以及导流筒内局部气含率、固含率随轴向高度的分布规律。结果表明,固体体积分数小于或等于1.0%时,导流筒内局部固含率和下降区固含率与表观气速无关;下降区液体速率随表观气速和固体装载率的增加而下降;固定表观气速,在固体体积分数小于或等于2.0%时,导流筒内气含率在轴向是均匀分布的。     

提升管与气-固环流床层耦合反应器的流体力学特性及流动模型

针对催化汽油辅助反应器改质降烯烃技术,在一套提升管与气-固环流床层耦合反应器大型冷模实验装置上,研究了上部环流床层的流体力学特性。结果表明,在环流床层与提升管耦合操作的情况下,床层内颗粒环流存在两种推动力,分别为静压差推动力和颗粒喷射推动力;环隙与导流筒之间的整体平均固含率差随导流筒表观气速增加而增加,随颗粒外循环强度增加而降低;颗粒环流速度随导流筒表观气速和颗粒外循环强度增加而增加。通过对环流床层进行动量衡算,建立了提升管与环流床层耦合流动的数学模型,模型平均相对误差在15.95％以内。     

多相气升式环流反应器局部相含率和环流速度

气升式环流反应器流动特性研究大多都局限于流动参数的平均特性研究,涉及气-液-固系统流动特性的研究也较少。在200×2500mm气升式环流反应器内,实验研究了空气-水两相及空气-水-玻璃珠三相体系中局部气、固相含率以及浆(液)相环流特性等随操作条件以及液、固相物性的变化规律。结果表明:1两相体系导流筒中截面平均气含率轴向分布有局部极大值,而固体和乙醇的加入使得气含率轴向分布平缓;2两相体系循环液速在导流筒中呈径向抛物分布,在环隙分布较均匀,加入固体和乙醇后对循环速度分布和大小影响不大;3三相体系中导流筒内固含率沿轴向升高呈增大趋势,环隙内轴向分布均匀;导流筒内、外固含率径向分布均不均匀,以近壁处为大;加入乙醇后对固含率分布影响不大。     

连续内环流三相反应器局部流动特性

在φ200 mm×2500 mm连续内环流三相反应器内,考察了空气 水 玻璃珠体系反应器内局部流动参数随操作条件的变化规律。结果表明,导流筒内截面平均气含率随表观气速的增大而增大,较之气液两相流,在低固含率时,加入固体对气含率影响不明显,而在较高固含率下,气含率有明显降低,但固体再增加时对气含率变化影响不大。在较低表观气速下,进料浆速对导流筒内气含率轴向分布趋势有一定的影响,但在较高表观气速下影响不大,导流筒内的气含率大于环隙内的气含率且随气速增大差别更加明显,浆相连续有利于气相分散并增大环隙内的气含率。导流筒内循环浆速径向分布呈抛物状,中心高、近壁处低,受进料浆速和入口固含率影响都不大。浆相循环强度最低为20,高可达180。固含率轴、径向分布受表观气速和进料浆速的影响,固含率轴、径向分布基本均匀,随进料浆速增加,反应器内固含率降低。     

中心气升式气固环流反应器中的能耗分布

基于能量平衡,推导出计算中心气升式气固环流反应器中不同区域内气固混合物流动能耗的理论模型,测量了不同区域内固相颗粒速度、气固混合物密度及床层压降,并根据实验数据确定出相应的模型参数,模型计算与实验结果吻合较好. 模型计算表明,中心气升式气固环流反应器内环隙区和气固分离区的能耗分别占反应器总能耗的近40%和30%,颗粒环流受到的阻力主要集中在这2个区域;而导流筒区及分布器影响区能耗较小,共占总能耗的近30%. 随导流筒区表观气速增加,环隙区能耗占总能耗的比重减小,气固分离区能耗所占比重增大,导流筒区和分布器影响区能耗基本保持不变. 气体分布器的安装位置对反应器内能量消耗的分布影响较大,中心气升式气固环流反应器内流动阻力更小.     

中心气升式气固环流反应器中的颗粒速度分布

在一套连续进料的中心气升式气-固环流反应器装置上,考察了不同操作条件下各分区颗粒上行运动速度、下行运动速度及时均速度沿径向的分布规律,并与间歇操作时颗粒速度沿径向的分布规律进行了对比。研究发现,随着导流筒表观气速的增加,底部区域、导流筒中不同轴向截面处颗粒的上行运动速度和时均速度增加,下行运动速度减小,颗粒的环流速度增加。在相同的表观气速下,与间歇操作相比,连续操作时底部区域环隙下方颗粒的时均速度增加,主体向下流动;导流筒进料影响区颗粒的时均速度减小,返混增强;颗粒的环流速度增加。     

气升式内循环反应器的数值模拟和结构参数

采用Euler-Euler双流体模型对内循环反应器(高1240 mm,直径165 mm,导流筒高590 mm)进行数值模拟,考察了表观气速、导流筒结构(导流筒内径比Dt/D,底隙高度)对反应器内上升区、下降区流体力学参数(气含率、液体速度)的影响. 结果显示,表观气速、导流筒内径、底隙高度对反应器气含率、液体速度有很大影响,随表观气速增加,反应器上升区、下降区气含率都增加,导流筒内径比为0.58时更易实现气液循环,底隙高度为30 mm时反应器内下降区气含率、气液速度都最小;气液分离器角度越大,进入下降区的气体越多,当气液分离器角度为45o时,能更好地实现气液循环.     

中心气升式三相强化环流反应器内局部气含率分布的实验研究

在连续操作的状况下,在φ300mm×1700mm 的中心气升式三相强化环流反应器内,测量了 0.0059m·s~(-1)≤Ugr≤0.1895m·s~(-1)、Ucir=0、0.0307、0.0511m·s~(-1)、ε_(Ls)=5%、10%、15%时反应器内不同轴、径向位置处的气含率。实验发现,连续操作的中心气升式强化内环流反应器可以分为 6 个不同的流动区域:内环分布器下部区、分布器区、中心下料管影响区、导流筒上行区、气液分离区和环隙区,各区域内的气含率分布各不相同,但均随着 Ugr 的增加而增加。外循环液体的引入使气含率在导流筒内沿径向的分布更趋于均匀。在本实验范围内固体颗粒装载量对整体气含率影响较小,在内、外环间循环的气泡量可以忽略不计。测量了不同 Ucir时的气泡穿透深度,得出了气泡实现循环的临界气速。     

不同曳力模型及颗粒碰撞恢复系数对短接触旋流反应器内气固流场的影响

为考察曳力模型和颗粒碰撞恢复系数对短接触旋流反应器内流动特性的影响,基于双流体模型, 结合颗粒动力学理论,对反应器内气固两相流场进行模拟研究。分别采用Gidaspow、Wen & Yu和Syamlal-O’Brien 3种曳力模型, 考察颗粒速度特性以及固含率径向分布。对比分析不同曳力模型的计算结果表明,Syamlal-O’Brien模型计算结果与实验结果误差较大,Wen & Yu模型在反应器边壁附近区域的计算结果误差较大,Gidaspow模型计算结果与实验结果最为吻合。此外,颗粒碰撞恢复系数较小时,所得计算值小于实验测量值,当恢复系数为0.95时颗粒扩散效果最好,计算结果与实验数据吻合度最高。     

含细长颗粒的洗涤冷却室内的多相分布特性

采用改进的直接取样法,在按几何尺寸缩小的工业气化炉洗涤冷却室冷模装置内,同时测量不同操作条件下的轴径向局部固含率和气含率,对细长颗粒在洗涤冷却室内的多相分布特性进行研究。结果表明：以下降管出口截面为界,洗涤冷却室可分为上部气液固混合区和下部固液流动区,其中上部区域由下降管出口区、破泡板作用区和气垫层区组成,下部区域由气相湍动作用区、回流区和二次流动区组成;在颗粒阻碍效应减速沉降和团聚效应加速沉降的共同作用下,轴向固含率呈现波动分布;环隙气速、固相体积分数和长径比的增加均会增强床层的湍动,促进气体的径向扩散;操作条件的改变使颗粒的漂移速度发生改变,径向固含率分布出现波动;在气相扰动和回流作用下,二次流动区呈现环状流动,流体和颗粒的"壁面效应"使该区域的固含率呈现中心高边壁低的特点。     

Hydrodynamics of a slurry airlift reactor at high solid concentrations

The hydrodynamics of a slurry airlift reactor at high solid concentrations were experimentally studied. The influences of the average solid concentration, superficial gas velocity and particle size on the radial and axial profiles of the solid holdup, average gas holdup and liquid circulation velocity were investigated. The local solid holdup was measured with an electrical conductivity probe. At low solid concentrations or high superficial gas velocities, the radial profile of the solid holdup was uniform. At high solid concentrations, the radial profile of the solid holdup was nonuniform, with higher values near the wall. This radial nonuniformity increased with decreased superficial gas velocity or increased average solid concentration. The axial profile of the cross-sectional average solid holdup was uniform at all conditions in this work, even at high solid concentrations. The average gas holdup and liquid circulation velocity increased with the superficial gas velocity but decreased with the average solid concentration. A mathematical model based on the balance of the transverse lift force and turbulent dispersion force was proposed to predict the radial profile of the solid holdup. Reasonable predictions were obtained from this model with an adjustable model parameter.     

中心气升式气-固环流反应器与自由流化床流动特性对比

对中心气升式气固环流反应器和自由床流化反应器的流动特性进行了对比. 结果表明,在同样的操作条件下,在轴向高度h=112~512 mm范围内,环流反应器导流筒区的径向不均匀指数RNI比自由床的RNI减小27%~36%;与自由床相比,环流反应器导流筒区的局部不均匀指数减小20%~59%,整体不均匀指数减小17%~43%,环流反应器的流化质量较高;环流反应器导流筒区和自由床内均存在气体返混现象,导流筒区各采样点示踪气体的浓度和轴向扩散系数Da,g比自由床均有所降低,在表观气速0.2~0.4 m/s范围内,导流筒区Peclet准数的绝对值比自由床增大12%~58%,说明导流筒区气体返混程度小于自由床,气-固两相流向上的宏观流动可有效抑制气体的轴向返混.     

浆态床内固含率轴向分布的数值模拟

采用DBS曳力模型计算气液相间作用,分别采用Gidaspow曳力模型、经Brucato修正的Gidaspow曳力模型和Schiller?Naumann曳力模型计算液固相间作用,忽略气固间的直接作用,对比了浆态床内不同颗粒粒径体系轴向固含率的模拟和实验结果. 结果表明,不同液固相间曳力模型对气含率的预测影响不大;在颗粒粒径较大(140 ?m)的体系中,较低表观气速下气液DBS与液固Schiller?Naumann曳力模型组合模拟的固含率随床高度增加而减小,与实验结果吻合,而其它曳力模型组合的模拟结果较差,轴向分布较均匀;在颗粒粒径较小(35 ?m)的体系中,几种曳力模型组合的模拟结果均与实验结果吻合较好,轴向分布较均匀.     

Experimental and numerical research for fluidization behaviors in a gas–solid acoustic fluidized bed

The effects of sound assistance on fluidization behaviors were systematically investigated in a gas–solid acoustic fluidized bed. A model modified from Syamlal–O'Brien drag model was established. The original solid momentum equation was developed and an acoustic model was also proposed. The radial particle volume fraction, axial root‐mean‐square of bed pressure drop, granular temperature, and particle velocity in gas–solid acoustic fluidized bed were simulated using computational fluid dynamics (CFD) code Fluent 6.2. The results showed that radial particle volume fraction increased using modified drag model compared with that using the original one. Radial particle volume fraction was revealed as a parabolic concentration profile. Axial particle volume fraction decreased with the increasing bed height. The granular temperature increased with increasing sound pressure level. It showed that simulation values using CFD code Fluent 6.2 were in agreement with the experimental data. © 2009 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 2010     

CFD simulation of hydrodynamics of gas-liquid-solid fluidised bed reactor

A three dimensional transient model is developed to simulate the local hydrodynamics of a gas-liquid-solid three-phase fluidised bed reactor using the computational fluid dynamics (CFD) method. The CFD simulation predictions are compared with the experimental data of Kiared et al. [1999. Mean and turbulent particle velocity in the fully developed region of a three-phase fluidized bed. Chemical Engineering & Technology 22, 683-689] for solid phase hydrodynamics in terms of mean and turbulent velocities and with the results of Yu and Kim [1988. Bubble characteristics in the racial direction of three-phase fludised beds. A.I.Ch.E. Journal 34, 2069-2072; 2001. Bubble-wake model for radial velocity profiles of liquid and solid phases in three-phase fluidised beds. Industrial and Engineering Chemistry Research 40, 4463-4469] for the gas and liquid phase hydrodynamics in terms of phase velocities and holdup. The flow field predicted by CFD simulation shows a good agreement with the experimental data. From the validated CFD model, the computation of the solid mass balance and various energy flows in fluidised bed reactors are carried out. The influence of different interphase drag models for gas-liquid interaction on gas holdup are studied in this work.     

Solids motion and holdup profiles in liquid fluidized beds

Non-invasive gamma rays-based techniques, computer tomography and computer-aided radioactive particle tracking, were used to measure solid holdup and solid velocity profiles in liquid-solid fluidized beds. The time averaged velocity measurements indicated that multiple circulation cells exist in the column. The solid motion was upward in the center and downward near the walls in the fully developed part of the column. The flow pattern is reversed in the entry region of the column. The solid holdup values increase slightly with the increase in radial position in the fully developed region. The average values of holdup in the column were in agreement with other measurements and with the modified Richardson-Zaki equation. The solids mean velocities and eddy diffusivities increase with increase in liquid superficial velocity, column size, particle size and density. Distributor-type affects the mean velocity and turbulence parameters while the column height has a relatively minor effect. The solids motion and turbulence parameters presented here are useful for validation of CFD models.     

基于EMMS模型的搅拌釜内气液两相流数值模拟

采用欧拉-欧拉模型对搅拌釜内气液两相流进行了三维CFD模拟,重点研究了采用不同曳力模型时CFD模拟对搅拌桨附近排出流区两相流动的预测能力。模拟结果表明CFD能准确地预测排出流区的液相速度分布,但采用传统的Schiller-Naumann曳力一定程度上低估了排出流区的气液相间曳力,导致在完全扩散区CFD预测的分布器和桨叶下方区域气含率偏小,而基于气液非均匀结构和能量最小多尺度（EMMS）方法得到的DBS-Global曳力模型能更准确地描述完全扩散区气液搅拌釜内流动情况。与传统曳力模型相比,采用DBS-Global曳力模型能显著提高对气含率的预测。     

低雷诺数下气固两相中浓稀相界面对微尺度曳力的影响及建模

采用具有二阶精度的浸没边界-格子玻尔兹曼法对低雷诺数下流体流经不同颗粒聚团结构的过程进行了解析到颗粒表面的直接数值模拟(PR-DNS)。结果显示在颗粒聚团表面的浓稀相界面处,传统的微观均匀BVK曳力模型[AIChE Journal, 2007, 53(2): 489-501]的预测结果与PR-DNS结果有明显的差别;同时文献中所构建的考虑界面影响的微观曳力模型(Int. J. Multiphase Flow, 2020, 128: 103266)也无法准确预测稀相固含率不为0的情况。因此,本工作提出了一种将界面附近网格分解求取曳力的方法。通过与不同颗粒聚团结构的PR-DNS结果及其他曳力模型预测结果对比发现,新模型不但在稀相固含率趋近于0时与文献中模型具有相近的预测能力,且在稀相固含率不为0时,具有明显优于文献模型的相关系数及拟合优度。