氧热法电石合成淤浆鼓泡床反应器的流动特性

针对氧热法电石合成的电石吸热反应和炭燃烧放热耦合特点,本文设计并研究了适用该过程的三相淤浆鼓泡床反应器。采用空气-水-氯化聚氯乙烯（CPVC）模拟物系,实测了不同表观气速、固体颗粒进料量和静液高度下淤浆鼓泡床床层中局部平均气含率、固含率轴向分布和大、小两类气泡的分布。结果表明表观气速越大,局部平均气含率越大;固体颗粒的加入减小了床层局部平均气含率。当Ug在0.136~0.196m/s之间时,固含率轴向分布随表观气速增大趋于均匀;固体颗粒进料量越小则固含率沿轴向分布越均匀。随着表观气速的增加,小气泡含量逐渐增加,大气泡含量逐渐减小;随着静液高度的增加,大气泡含量均是先增大后减小。上述结果表明电石生成反应与燃烧供热反应原位耦合于淤浆鼓泡床中是可行的。     

流化床反应器内活性焦流动特性的模拟研究

本文基于双流体模型,对二维流化床反应器内活性焦在不同操作条件下的流体动力学特性进行了数值模拟研究。模拟结果发现,低气速高进料量条件下的管内压降最大,反应器内压降随管内固相容积份额的增加而增加。活性焦在反应器内的轴向固含率呈现出下浓上稀分布,证明了流化床内固相分布的不均匀特性。颗粒轴向平均速度受表观气速影响较大,流化床底部的颗粒速度较低,在气体夹带作用下沿床高方向逐渐增大。因此,设置合理的操作参数(表观气速和固体循环量),对提高流化床内的气固反应效率具有重要意义。     

锥形下行床内流动行为的CFD数值模拟

针对传统圆柱形下行床中固含率较低的问题,提出采用锥形下行床作为褐煤热解反应器。采用CFD软件进行数值模拟,考察了颗粒循环通量、密度、粒径等因素对锥形下行床中径向和轴向流动规律的影响。结果表明:增加颗粒循环通量或降低颗粒密度均可显著提高床层固含率平均水平,并强化颗粒对浓相环形区峰值的影响;颗粒粒径对固含率影响较弱,主要影响浓相环形区出峰位置;颗粒循环通量显著影响着反应器内轴向压力的变化幅度。通过考察气固轴向速度分布发现,减小颗粒密度和粒径可降低气固间滑移速度,有效提高颗粒的跟随性。与传统圆柱形下行床相比,锥形下行床可显著提高床层平均固含率,适合于褐煤热解等以颗粒相作为反应物的快速反应。     

变径流化床反应器内的气固流动特性数值模拟

采用计算颗粒流体力学(CPFD)的数值模拟方法,对直径为160 mm、高度为273 3 mm的变径流化床反应器内的气固流动特性进行冷态模拟,研究不同气速及不同初始物料量对流化床反应器气固流动特性的影响,得到流化床内颗粒体积分数、颗粒速度以及颗粒停留时间的分布。结果表明,当气速不小于2.5 m/s时,流化床内颗粒体积分数轴向分布更为均匀,颗粒速度呈中间高、两边低的倒"U"形分布;壁面附近的颗粒停留时间长于中心处,使得壁面附近的颗粒趋于聚集;流化床的轴径向颗粒体积分数随着初始物料量的增加而增大。     

多喷嘴对置式煤气化炉内气固两相流动及壁面沉积

对我国具有自主知识产权的多喷嘴对置式煤气化炉内的气固两相流进行了数值模拟分析.在合理简化和假设基础上建立了基于Eulerian-Lagrangian模拟方法的炉内气固两相流动模型,采用Realizable k-ε模型描述炉内复杂气相湍流运动,应用颗粒轨道模型随机追踪煤粉颗粒在湍流气流中的运动.通过数值计算获得了炉内气固两相的速度矢量、颗粒分布、颗粒运动轨迹,以及颗粒碰撞并沉积于壁面的通量分布.揭示了该型气流床煤气化炉内气固两相流动特征,并分析了入口速度和炉体上部高度对气固两相流动和颗粒在壁面沉积的影响规律.结果表明:对撞流显著增强炉内气固流动湍动,强化气固相互作用,并使煤粉颗粒在炉内有效分散,有利于化学反应高效进行;在喷嘴入口及顶部的壁面处颗粒沉积率较大.     

气固两相圆柱绕流背风区颗粒的运动特性

为了考察颗粒在圆柱绕流背风区中的运动特性,采用欧拉双流体模型结合雷诺应力模型对气固两相微细颗粒圆柱绕流进行了数值模拟。比较了不同粒径固体颗粒在圆柱背风区中的速度和浓度分布,模拟结果表明:气流在绕圆柱流动后形成漩涡,漩涡湍流强度影响到微细颗粒在圆柱背风区的浓度分布与速度变化;气流对颗粒的漩涡卷吸作用及其自身惯性作用决定微细颗粒绕圆柱流动的形式,同时影响到颗粒在壁面附近的浓度分布;微细颗粒在圆柱背风区浓度随粒径的增加先增大后减小。     

固体颗粒对强化传递性质的多相气升式反应器流体力学影响

研究了加入机械搅拌和静态混合器后对多相气升式反应器流体力学性能的促进作用,重点考察固体颗粒的直径、固含率(固体质量分数,下同)对液体循环速度、气含率(气体体积分数,下同)等的影响。实验证明,对液体循环速度来说,在多相流中并非通气量、搅拌转速越大越好。对气含率而言,多相气升式反应器不但存在临界颗粒直径和临界固含率,还存在一个临界表观气速,在此气速以下,才能产生气含率随固含率增加而增加的现象。最后对气含率、固含率及能量耗散速率作了关联。     

直方槽道内两相流动中颗粒的趋壁行为

采用大涡模拟方法研究了上行直方槽道中的气粒两相流动过程,模拟结果表明在流向横截面上气相流动存在明显的二次流现象,预报的气相平均速度与直接数值模拟DNS的结果相吻合。受气相二次流的作用,颗粒在垂直于流动方向存在扩散。模拟了入口横截面上4个典型位置上颗粒的横向扩散,结果表明在直方槽道中心附近的颗粒基本不扩散,而在壁面附近的颗粒存在不同程度的趋壁行为。对颗粒的趋壁速率进行统计发现颗粒的趋壁速率随粒径的增大而减小,且颗粒的趋壁行为导致颗粒在槽道壁面附近及边角区富集。     

直方槽道内两相流动中颗粒的趋壁行为

采用大涡模拟方法研究上行直方槽道中的气粒两相流动过程。模拟结果表明:在流向横截面上气相流动存在明显的二次流现象,预报的气相平均速度与直接数值模拟DN S的结果相吻合。受气相二次流的作用,颗粒在垂直于流动方向存在扩散。模拟了入口横截面上4个典型位置上颗粒的横向扩散,结果表明在直方槽道中心附近的颗粒基本不扩散,而在壁面附近的颗粒存在不同程度的趋壁行为。对颗粒的趋壁速率进行统计发现,颗粒的趋壁速率随粒径的增大而减小,且颗粒的趋壁行为导致颗粒在槽道壁面附近及边角区富集。     

基于CFD-DEM耦合并行算法的锥形喷动床内离散颗粒数值模拟

基于FLUENT软件的MPI平台,在二次开发框架内通过用户自定义函数文件实现了CFD-DEM耦合并行算法.该并行算法具有随CPU核数增加的较佳扩展性能和良好加速性能.通过构建空隙率标量场、重组基于局部平均并考虑气-固相互作用的气相控制方程,提高了气相控制方程的求解稳定性与收敛性;通过软球模型确定颗粒-颗粒及颗粒-壁面间的相互作用,以曳力模型为基础建立了相间相互作用关系.将该CFD-DEM耦合并行模型应用于锥形喷动床气固两相流动的数值模拟中,结果表明:该CFD-DEM耦合并行模型能较好地模拟锥形喷动床内气固流动行为;锥形喷动床内的颗粒流动经历了鼓泡阶段和稳定流态化阶段;在稳定流态化阶段,物料流动具有明显的周期性.基于锥形喷动床内颗粒相的瞬时速度场,获得了稳定流态化阶段颗粒的时均速度分布规律.     

喷动床导向管内粗颗粒的动特性

喷动床是处理粗颗粒物料的高效反应器．应用粒子图像测速仪（PIV）研究了喷动床导向管内粗颗粒物料的运动规律，测量了粗颗粒物料的瞬态流场及湍流度分布．粒子运动速度基本是轴对称的，轴心处速度最高；而在近壁处低，当喷动气流速度增加时粒子湍流度也增加，轴心处湍流度高于近壁处的湍流度．管中的流动湍动十分剧烈，湍流度始终很大，这加强了气流和物料间的热量和质量的传递．     

三相鼓泡塔反应器液体流速分布的实验研究

采用示踪剂电子电极法对气-液-固三相鼓泡塔局部液体流速的测试结果表明，塔中心处的局部液速最大，近塔壁处最小，随表观气速增大，初始流体流动处于由均匀流型向过渡流型的转变；当表观气速继续增大，平均液速则明显增加，轴向液速的径向分布呈线性关系，表明流体的流动进入非均匀流型；三种不同结构的气体分布器对反应器中心线处轴向流速影响的实验表明，环状气体分布器的反应器底部存在一个狭小的回流区。     

活性炭纤维流态化吸附过程的相含率分布特征

在一高1200mm、直径40mm的三相流化床实验装置上,采用压降法和取样法测定了不同操作条件下剑麻基活性炭纤维在床内沿轴向的分布特征,结果表明,在一定液速和气速下,气含率沿床高增加,而液含率及固含率则逐渐降低;一定液速下提高气速,床中的混合程度增大,而一定气速下提高液速,床中的离集(分级)程度增大．该研究成果可为活性炭纤维流态化吸附回收贵金属过程的放大和操作提供依据．     

汽-液-固三相循环流化床蒸发器的可视化分析

在热模条件下,采用电荷耦合器件图像测量和处理系统,对汽-液-固三相循环流化床蒸发器内固体颗粒的运动、分布及相应的传热特性,进行了可视化研究．热通量的变化范围为3150～5 825 w·m~(-2),固体颗粒含率的变化范围为O％～2％．研究中定性地分析了由启动到正常运行的不同阶段,汽-液-固三相循环流化床蒸发器内的流动和传热特性．结果表明,汽-液-固三相循环流化床蒸发器的启动阶段是一个非稳态过程;在汽-液-固三相循环流化床蒸发器的稳态操作过程中,加热管可分为液-固两相段和汽-液-固三相段;固体颗粒的加入,增加了沸腾段的高度,并且对产生的汽泡有破碎作用;加热管中固体颗粒平均轴向运动速度低于循环管,而固含率高于循环管．     

大型气液固循环流化床中相含率分布研究

试验以水和空气为气液相,煤粉为固相研究了操作条件对直径1m、高9m大型冷模三相循环流化床中相含率轴向分布的影响。采用压降法测定气含率,抽吸取样方法测定床层中固相的局部固体浓度。结果表明,在实验范围内固体颗粒在系统中分布均匀,处于良好流化状态;根据实验提出了预测固体浓度的模型,模型预测与实验数据相符很好,可供反应器实用设计参考。     

液固两相流动系统中固体颗粒浓度和速度的CCD测量

为了研究液固两相流动系统中固体颗粒的浓度和速度随操作条件的变化,开发了适用于液固两相流动体系的电荷耦合器件(CCD)测量系统,该系统可在高空隙率和较宽液速范围内准确测量固体颗粒的速度与浓度,利用该CCD测量系统,对冷模(多管)循环流化床的分布板设计和冷模(单管)液固循环流化床的两相流动特性进行了研究。系统中采用的CCD单场测量方法可用于粒子高速运动情况,测得的颗粒最高运动速度为1．5m／s,测量精度高于奇偶两场的测量精度。     

悬浮床渣油加氢中型连续装置反应器中气含率的冷模实验

在辽河减压渣油悬浮床加氢中型连续装置工艺试验的基础上 ,采用气、液替代物及参数换算的方法对中试反应器中的流动形态进行了冷态模拟 ,测定了反应器中的气含率 ,考察了反应器操作条件、反应器入口分布器类型及原料物性等因素对气含率的影响。实验结果表明 ,反应器入口分布器类型对气含率的影响较为显著 ,随着反应器入口分布器孔径的增大 ,气含率呈下降趋势。在体积空速为 0 5～ 2 0h-1及氢油体积比为 5 0 0～ 10 0 0的操作条件下 ,气含率随着反应器中表观气速的增大而增加 ,两者呈幂函数关系。表观液速对气含率的影响很小 ,基本可以忽略。液相粘度对气含率的影响与分布器类型密切相关。当使用单孔和筛孔分布器时 ,气含率随液相粘度的增大而减小 ;当使用烧结分布器时 ,气含率随液相粘度的增大而增加     

三级碳化反应器中的气泡行为研究

针对“钙化碳化法”处理低品位铝土矿及赤泥新方法的核心环节碳化过程,为实现碳化反应器内气泡微细化及均匀分布,提高碳化效率,提出了“三级错流文丘里式射流反应器”,并进行了冷态物理模拟研究,考察了反应器内的局部气含率和气泡上升速度.结果表明,气含率随表观气速的增大而增大,随表观液速的增大而减小,沿反应器轴向逐渐降低,后一级反应器的气含率大于前一级;气泡上升速度随表观气速和表观液速的增大而增大,沿反应器轴向逐渐降低,后一级反应器的气泡上升速度大于前一级,该结果为碳化反应器的设计和工业应用提供了依据.     

提升管内颗粒的微观运动行为

由激光多普勒测速仪获得了提升管中颗粒速度的瞬时信号 ,分析了提升管中颗粒的微观运动特征。研究表明 ,局部位置上颗粒速度概率密度分布为双峰形式 ,两峰分别对应于稀相中的颗粒与密相颗粒团 ,可用正态分布函数描述其双峰 ,并由此获得稀相中的颗粒及密相颗粒团的速度和两相的相含率。稀相中的颗粒及密相颗粒团的速度沿径向的分布为中心高、边壁低 ,且床中心区以稀相为主导 ,边壁区则被颗粒团所控制。提升管两相的微观运动特征及其分布造成了提升管内固含率及颗粒速度径向分布的不均匀宏观现象。