强制内循环煤直接液化反应器流动性能的冷模与热模试验

采用玻璃珠-水-空气三相体系在煤直接液化强制内循环浆态床反应器中进行冷模试验,考察了强制内循环反应器内的固含率、气含率、压降、流速分布和湍动强度的分布情况。结果表明:反应器内固含率要高于进料中的固体含量;床层轴向压降保持不变,但受固相含量影响;气含率随床层增高而增加;同一截面上湍流脉动能量径向分布较均匀,而随气体表观速率和浆液表观速率增加,脉动能量增加;反应器内多相流在分布板区强烈混合引起的压力脉动沿轴向向上逐渐衰减;靠近反应器壁的有些区域存在回流现象。测定了工艺开发单元(PDU)中试装置反应器内的液体密度分布,并计算了其气含率。结果表明,冷模试验与PDU中试中的气含率在床层中的变化趋势相同,且反应器具有较好的操作稳定性。     

卧式甲醇合成反应器气体分布冷模试验简介

建立一套卧式甲醇合成反应器气体分布冷模试验装置,通过测定反应器内压力分布和气速分布来研究气体分布的均匀性,试验采用上方进气和侧面进气方式。研究结果表明,卧式甲醇合成反应器内气体均布性良好,而上方进气方式能使反应器内部气体分布更均匀。     

煤直接液化鼓泡床反应器流场流动特性及强化机制

针对大型鼓泡床反应器存在返混增强、物料流场分布不匀匀性趋强以及传质效率低等影响反应器安全稳定高效运行的突出问题，开发了一种径向展开的新型阻尼分布器，在冷模试验平台上探索阻尼分布器对气泡聚并及破碎行为的影响规律，考察大型反应器中不同阻尼分布器组合方式的流场流动特性，探究了阻尼分布器组合在工业反应器放大过程中的流场强化效果。结果表明：设置阻尼分布器后，鼓泡床反应器冷模试验装置中湍流涡尺度减小，气泡破碎概率提高，不同气泡群经阻尼分布器后气泡群平均直径从13.48～24.38 mm降至9.40～20.38 mm,表面积增幅为8.5%～71.9%。设置阻尼分布器可提高反应器局部气含率和液速分布均匀性，适当增加阻尼分布器层数有利于扩大流场的轴向影响范围。增大阻尼分布器直径有利于减小各高度平面间局部液速的差值并提高局部气含率径向分布均匀性，不同高度平面中心液速的差值由0.6 mm/s降至0.3 mm/s,同一高度平面局部气含率方差可降至未设置阻尼分布器时的15%。在反应器放大过程中，流体绕流的径向范围扩大，设置阻尼分布器后局部气含率和液速分布均匀性进一步提高，同一高度平面局部气含率方差可降低至未设置...     

离心型径向固定床分气流道内局部动量交换系数

针对离心型径向固定床气体流道内变质量流动特点,在一套冷模实验装置上,分别采取Π型和Z型操作模式,测量并分析了两气流道内压力分布,发现分气流道内的压力沿气体轴向流动方向呈增加趋势,集气流道与之相反。根据颗粒床层压降分布不均匀度和采用Ergun方程求得的径向气速轴向分布,发现离心Π型均略优于离心Z型。通过对气流道内微元控制体进行流量和动量衡算,由颗粒床层径向气速轴向分布可依次得到分气和集气流道内气速、局部动量交换系数计算方程。相较于集气流道,分气流道内动量交换系数对压力测量误差的敏感度较小。分气流道中,整体动量系数几乎不随操作模式、气体流量和轴向位置发生变化;而局部动量交换系数仅是流速比u/u0的函数,随流速比增大先降低后保持稳定。根据实验结果,回归得到的分气流道局部动量交换系数计算方程的误差在11%以内,有望为气流道内局部压力计算和结构优化设计提供参考。     

平行流列管式固定床反应器管外流体的模拟

运用计算流体力学软件FLUENT6.1对平行流列管式固定床反应器环形流道及管间流体的流动进行数值模拟。模拟结果表明,流体进入环形流道后流速急剧变化,要达到环形流道内侧壁沿圆周流量均匀分配,就必须在不同的位置开不同尺寸的孔,反应器进口挡板和分布板的设置使管间流体在进入反应器后径向分布基本均匀。建立冷模实验装置,测定流体在反应器管间不同高度同一截面上的压力分布,实验结果表明,反应器管间流体达到均匀分布。管闯流体压力的模拟值与实验值相比较,两者吻合良好。     

径向流固定床反应器的流动特性研究及结构参数的合理选择

径向流固定床反应器的操作状态和反应效果在很大程度上取决于反应器内穿越催化剂床层径向气流沿反应器轴向分布的均匀程度，亦即床层内催化剂负荷的均布程度。本文对此类反应器内的流动特性进行了研究，对立了描述反应器内流动规律的基本运动方程。研究结果表明，径向气流的轴向分布情况与反应器的流动结构型式、反应器内分流流道与合流流道截面积的比值、催化剂床层的阻力系数以及反应器的高径比等参数有关。并提出了如何合理选择反     

气体分布器结构对气升式环流反应器内气液两相流动的影响

使用欧拉两流体模型研究气体分布器结构对气升式环流反应器内气液两相流动的影响,预测了环己烷氧化反应器内单环结构、三环结构、五环结构的气体分布器时反应器内液相速度分布、气含率分布、液相循环速度以及液相微观混合特性.模拟结果表明,在等量的进气流量下,气体分布器环数增加,液相速度分布和气含率分布更趋均匀;气体分布器环数增加,液相推动力增加,从而使得液相循环速度增加,液相的宏观混合效果增强;气体分布器环数增加,导流筒内外的平均气含率增加.随机游走模型模拟结果表明,气升式环流反应器与普通鼓泡床反应器对气体分布器结构要求不同.     

Texaco气化炉冷态流场和湍流混合的数值模拟

在直径为1000mm,高4000mm的双通道射流喷嘴的气化炉上,以Texaco气化炉冷模试验为基准对象,将空气经环隙和中心射入气化炉,以氢气为示踪剂,预测环隙和中心射流的混合程度。结合流体质量与动量守恒方程和k-ε湍流模型,用SIMPLER算法计算,对气化炉内的冷态流场和湍流混合进行了模拟,模拟了炉内速度分布、量纲一浓度分布、混合分数分布和轴向衰减的情况。结果显示:气化炉内浓度分布极不均匀;炉内存在富氧和贫氧区;环隙和中心通道射流动量比加大,混合分数沿轴向衰减加快,达到充分混合的时间缩短。模拟结果与冷模试验结果的比较表明计算值与试验值吻合良好。     

中空纤维气体膜分离器丝外流速分布及其对分离性能的影响

实验测定了φ103×1300 mm中空纤维气体膜分离器丝外的流速分布.结果表明,分离器中丝外气体流速分布不均匀.而且,随着气体处理量的降低,流速不均匀程度增大,器内中心处流速最大,近壁处流速最小.假定器内流动是轴对称的,导出了流速不均匀情况下,流量分布和流道分布的数学模型,并且计算了对分离性能的影响.模拟计算结果表明,对N_2/H_2膜分离器而言,器内流动不均匀性对分离结果有明显影响.     

列管反应器改进结构环形分布器内变质量流动的数值分析

环形分布器是实现载热体在列管式固定床反应器壳程均匀流动的重要部件。采用计算流体力学方法对丙烯氧化反应器壳程熔盐在改进结构型式(即椭圆扩张型进口,进口处两侧分别设置呈45°的导流挡板,挡板上均匀分布小孔,不均匀的开孔方式)的环形分布器内的变质量流动进行了模拟研究,分析了环形分布器内的速度及静压分布规律,并与传统型式环形分布器进行对比,并考察了出口分布孔数目及进口熔盐流量对均布效果的影响。通过计算发现,改进结构的分布器均布特性优于传统结构;优选24个分布孔能够满足流体均布的要求,且分布孔达到36,流体均布情况基本稳定;减小进口熔盐流速,进口区域速度及静压波动较小,减小了进口能量损耗,有利于流体均布。     

轴向流固定床内流场的数值模拟与实验验证

The computational fluid dynamics model with porosity and drag coefficient was used to describe fluid flow in an axial flow fixed bed according to the characteristics of fluid flow in the fixed-bed of the reactor. The commercial computational fluid dynamics (CFD) code CFX was used to simulate the flow field in the axial flow fixed bed. The simulation predictions are in good agreement with experimental results of a large cold model. The influence of gas distributor on the flow field in the axial flow fixed bed was studied. A suitable gas distributor was used to attain less than 0.06 kPa radial pressure difference and less than 5.2% radial velocity difference in fixed bed.     

液固提升管-流化床组合反应器中流化床径向固含率分布的实验研究

在一套新型液固提升管-流化床组合反应器中,以水-玻璃珠为液-固体系,对f500 mm′4000 mm的液固流化床反应器内不同高度颗粒固含率的径向分布进行了实验,考察了表观液速和颗粒循环速率操作条件对颗粒固含率径向分布的影响. 实验表明,液固流化床内流动区域在轴向上可以划分为分布器影响区、过渡区和均匀流化区,径向上可以划分为中心区和环隙区. 这种分布特征主要取决于分布器的结构、尺寸及其流化介质. 本工作还对液固流化床与气固喷动床的三区流动结构进行了比较.     

流化床-提升管耦合反应器内固含率的轴向分布及流动发展

在耦合流化床反应器大型冷模实验装置上,考察了不同表观气速下FCC颗粒在耦合流化床内截面平均密度的轴向分布. 结果表明,反应器轴向固含率可分为底部流化床区域和上部提升管区域. 前者的密相区平均固含率随表观气速增大而减小;后者的平均固含率随表观气速Ug增大而增大,Ug<0.58 m/s时固含率分布均匀,Ug=0.70~1.04 m/s时提升管出口出现约束返混区(>8.62 m),Ug>1.16 m/s时提升管底部出现密度重整区(3.82~4.57 m)、加速平稳区(4.57~8.62 m)和出口返混区(>8.62 m). 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,并利用实验数据回归了平均固含率的轴向分布经验模型,计算值与实验值吻合较好.     

Axial voidage profile in a cold model circulating fluidized bed

The axial voidage profile was measured in a cold model circulating fluidized bed (0.38 m in diameter and 9.1 m in height) of sand particles as bed materials. Voidage in the riser column increases along the height above the distributor plate with increasing the gas velocity. However, it decreases with an increase in solid circulation rate in the bed. Model correlations to predict the solid circulation rale and the axial voidage profile in the bed are proposed.     

提升管-流化床耦合反应器颗粒约束返混区的流动特性及约束作用分析

针对催化汽油辅助反应器改质降烯烃工艺,在一套提升管-流化床耦合反应器大型冷态实验装置上,系统研究了提升管出口段的颗粒流动特性,通过定义约束指数R_i（R_i为颗粒约束返混区实际截面平均固含率与理论截面平均固含率之比）定量反映提升管出口分布器及流化床层的约束作用。结果表明,与常规提升管相比,耦合反应器提升管出口存在一个颗粒约束返混区,其长度主要受表观气速、颗粒循环强度及上部流化床内颗粒静床高度影响;由于出口设置了倒锥形分布器,使得颗粒约束返混区靠近提升管出口区域在表观气速较低和颗粒循环强度较大时,局部固含率最大值出现在量纲 1半径Φ＝0.7处;颗粒约束返混区的约束指数在靠近出口的过程中逐渐增大,气固流动受到分布器及上部流化床层的约束作用亦逐渐增强。     

组合约束型提升管出口气固分布器的压降

在一套组合约束型提升管冷态实验装置上,通过实验研究了不同操作条件下提升管出口气固分布器的压降,并与常规气体分布器压降进行了对比。实验结果表明,在零床层及有床层的操作模式下,气固分布器压降均随提升管内表观气速和颗粒循环强度的增加而增大,在颗粒循环强度较低时,气固分布器压降曲线变化的斜率随着表观气速的增加而增大,在颗粒循环强度较高时,气固分布器压降曲线变化的斜率随着表观气速的增加而减小;随着开孔率及上部流化床层压降增加,气固分布器压降呈降低趋势,当流化床层压降达到一定程度后,分布器各孔方可实现有效布气,此后气固分布器压降趋于近似不变;在相同表观气速及开孔率下,气固分布器压降大于常规气体分布器压降。     

Numerical study of the effect of the gas and solids distributors on the uniformity of the radial solids concentration distribution in CFB risers

The non-uniform radial solids distribution usually has a negative effect on the performance of the circulating fluidized bed (CFB) riser since it may greatly decrease the reactor efficiency and controllability. In order to improve the performance of industrial CFB risers, the numerical study of the effects of the gas distributor and solids distributor at the CFB riser inlet on the uniformity of the radial solids distribution was carried out in this study. Two potential approaches to improve the uniformity of radial solids concentration profile were proposed: (1) the use of the center-sparse side-dense air jets arrangement for the gas distributor and (2) the use of the side-covered arrangement for the solids distributor. The Eulerian-Eulerian computational fluid dynamics (CFD) model with kinetic theory of granular flow was adopted to simulate the gas-solids two-phase flow in a CFB riser with FCC particles. The numerical results show that the patterns of the inlet gas distributor and solids distributor have significant effect on the flow structure in both the entrance region and the fully-developed region in the riser. The gas distributor with center-sparse side-dense air jet arrangement improves the uniformity of the radial solids distribution, while the center-dense side-sparse air jet arrangement steepens the non-uniformity of the solids radial profile. The core-annulus structure can be greatly flattened by applying a side-covered solids distributor, while it can be heavily steepened by employing the center-covered solids distributor.     

A CFD-based design scheme for the perforated distributor with the control of radial flow

In the present study, flow homogenization by distributors in chemical apparatus is studied as a process of flow control and its mechanism is reconsidered from the model of resistance to the model of radial flow. This process is composed of four consecutive behaviors: the generation, distribution, conversion of the radial flow and the momentum transfer of axial flow. Based on these flow behaviors, the novel distributor is designed as the combination of perforated plate in the center area and vertical guiding baffles around. Taking the wire-screen catalytic reactor as a case study, numerical simulation is employed to optimize the structure of distributor and a CFD-based design scheme called “flow field analysis scheme” is proposed. Numerical simulation is conducted in the apparatus with a diffuser (inlet D₀ = 500 mm, main part D₁ = 3,000 mm) under the gas velocity of 3.6 m/s (corresponding Re ≈ 12,000). The numerical results from optimized distributor show that compared with the traditional perforated plate, the flow field adjusted by the novel distributor can achieve a better flow uniformity with lower energy consumption. The theoretical analysis and numerical results are also validated and proved by the experimental results.     

鼓泡床反应器中气液分配器对气含率的影响

以水和空气分别模拟工业上的重质原油和氢气迚行冷模试验,考察鼓泡床反应器新型气液分配器对气含率的影响,迚而优化幵确定气液分配器的结构形式和结构参数。试验结果表明,气液分配器对总体平均气含率的影响,随表观气速的增大基本呈线性增长,与其他鼓泡床迚料内构件结构的影响基本一致,幵且稍高一些(3%~5%)。对局部气含率的影响:轴向上,在测试范围内,轴向位置越高,气含率越高,主要和泡罩式气液分配器结构有关;径向上,气体在床层中分布不均匀,中间多,近壁少,同一高度时,中心处气含率一般为近壁气含率的1.5~2倍。