错流移动床内气固两相流动特性的研究

建立了错流移动床气固两相流动的实验系统。研究了错流移动床内单相流动和两相流动时的压降、颗粒流动对压降的影响;以及颗粒尺寸、形状对床内压降的影响。结果表明床层压降随着气速的增大而增大;气速越小,气体沿床层高度分布越均匀。颗粒流动对整床压降几乎没有影响。颗粒的粒径越小,床层压降越大。不同形状的颗粒由于空隙率和堆积结构不同导致床层压降不同,椭球形颗粒压降最大,圆柱形颗粒压降最小。另外,建立了计算不同尺寸圆柱形颗粒的压降的关联式,预测值与实验值十分吻合。     

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。     

固体颗粒对三相气升式环流反应器流动特性的影响

将液相视为连续相,气相和固相视为分散相,同时考虑各相之间的相互作用,结合气液固三相流体的动力学理论,建立气液固三相环流反应器三流体湍流流动的Eulerian模型.采用计算模拟软件Fluent对三相环流反应器的流动状况进行模拟,考察表观气速、固含率、颗粒大小对反应器的气含率以及液体流动速度的影响.模拟结果较好地解释了气升式环流反应器内的三相流体行为,模型与实验结果较好地吻合,表明了模型的可行性.     

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.     

氧热法电石生产复合床反应器预热区的设计计算

针对氧热法电石生产工艺中复合床反应器预热区高温CO和原料层进行热交换的体系,建立了计及原料颗粒内热阻的移动床气固两相换热模型。重点考察了反应器预热区气固两相温度的分布,计算了不同原料粒径和不同预热区直径条件下,达到反应器换热要求所需要的换热高度,并得到了气固两相温度分布的解析解。结果表明:(1)颗粒粒径较大时(ε的值小于3.3),颗粒内热阻成为气固两相换热过程的控制步骤,综合考虑床层透气性和床层压降等制约条件,在可选范围之内应优先选用直径为1 cm的原料;(2)移动床气固换热过程主要受控于ε、β和γ这3个无因次参量,并且主要受控于ε;(3)气固两相温度分布的解析解,能为此类颗粒移动床换热过程提供初步设计依据。     

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。     

工业级MIP提升管反应器气固两相流动特性的数值模拟

以工业上多产异构烷烃催化裂化工艺(MIP)装置的提升管反应器为研究对象,采用欧拉-欧拉双流体模型对反应器的气固两相流动行为进行三维冷态数值模拟。采用计算流体力学(CFD)模拟方法分析了预提升段、一反段和二反段的气固流动特性,并对比了催化剂颗粒入口的质量流量与原料油入口的质量流量之比(剂油比)分别为6、7、8时反应器内的流动特性。模拟结果表明MIP提升管反应器内存在典型的非均匀流动特点。随着剂油比的增加,催化剂颗粒的轴向速度降低,固相体积分数增加。     

渣浆泵内固相颗粒冲蚀特性的数值模拟

应用雷诺涡粘模型(液相)、离散相流动模型(固相)和压力耦合流场计算法,对渣浆泵全流道内固液两相湍流场的固相颗粒的冲蚀行为进行数值模拟.研究泵转速、固相粒径和叶片参数对颗粒冲蚀特性的影响.研究结果表明:随着泵转速的提高或者粒径的增大,颗粒冲击叶片表面的位置逐步移向叶片的头部,颗粒的冲击速度和冲击角度随之增大;不同叶片参数的叶轮对固相颗粒的冲蚀行为影响明显;数值模拟的研究成果可应用于抗冲蚀磨损叶轮的设计.     

大颗粒气固流化床内两相流动的CFD模拟

采用欧拉双流体模型和颗粒动力学方法,数值模拟了大颗粒流化床在不同密度、布风装置及曳力模型情况下的气固两相流动,考察了大颗粒流化床流化和流动特点,颗粒体积分率分布,床层压力瞬时变化,床层碰撞比,以及颗粒速度径向和空隙率轴向分布规律.研究结果表明,与直型布风板流化床比较,凹型布风板流化床内的气泡产生快,颗粒横向运动能力强;随着颗粒密度的增大,其在凹型布风板流化床边壁处的速度比中心位置处减小的快;比较3种曳力模型,发现其模拟的轴向空隙率分布和床层压力存在较大差异,且与床层膨胀比实验关联式相比,3种模型预测的值比实验关联式要大一些.通过研究,3个曳力模型中Gidaspow模型相对适用于大颗粒气固流化床的数值模拟.     

氧热法电石生产复合床反应器预热区的设计计算

针对氧热法电石生产工艺中复合床反应器预热区高温CO和原料层进行热交换的体系,建立了计及原料颗粒内热阻的移动床气固两相换热模型。重点考察了反应器预热区气固两相温度的分布,计算了不同原料粒径和不同预热区直径条件下,达到反应器换热要求所需要的换热高度,并得到了气固两相温度分布的解析解。结果表明：（1）颗粒粒径较大时（ε的值小于33）,颗粒内热阻成为气固两相换热过程的控制步骤,综合考虑床层透气性和床层压降等制约条件,在可选范围之内应优先选用直径为1cm的原料;（2）移动床气固换热过程主要受控于ε、β和γ这3个无因次参量,并且主要受控于ε;（3）气固两相温度分布的解析解,能为此类颗粒移动床换热过程提供初步设计依据。     

循环流化床临界流化速度的试验研究

为了克服利用经验公式计算临界流化速度的局限性，在以生物质为燃料的循环流化床试验台上进行了冷态状态下床料(石英砂)临界流化速度的试验研究，选取不同的床层高度和不同粒径的石英砂进行分组试验，通过压降一流速图来分析床层高度和颗粒粒度对临界流化速度的影响，结果表明：临界流化速度随着粒度的增大而增大；而在粒度一定的情况下，床层高度的变化不影响临界流化速度值。     

稠密气固两相反应流的拉格朗日法

提出了采用欧拉坐标和拉格朗日坐标相结合研究稠密气固两相反应流的方法,建立了稠密两相反应流中两相运动、传热、化学反应的模型与算法,采用该模型与算法研究了循环流化床排烟脱硫装置内的两相反应过程,得到了详细合理的计算结果.结果表明,采用此模型和算法模拟工程意义上的稠密气固两相反应流是可行的.     

脉动流化床气泡特性的研究

为了研究脉动流化床气泡特性,对流化床内气泡的特性进行了二维冷态模拟实验．利用摄像机捕捉流化床气固瞬间的流动状态,通过对图像进行分析,比较了脉动流化床和传统流化床内气泡尺寸,探讨了气泡平均上升速度和气泡尺寸受脉动参数和物料特性的影响．从实验可知,脉动气流可以抑制大气泡的形成,促进气固间的接触,且气泡的平均上升速度随脉动频率的增加有降低的趋势．     

木屑-石英砂喷动流化床内流动特性研究

为了开发喷动流化床生物质裂解反应器，建立了一内径为150mm的有机玻璃冷模实验装置，在室温下进行了生物质(木屑)和石英砂混合物在喷动流化床内的流动特性研究。考察了木屑、木屑与石英砂混合物的喷动流化现象。结果发现在喷动流化床其它条件相同时，床层中相同的木屑量，随石英砂量的增加，木屑的循环量减少；而相同的石英砂量，随木屑量的增加，石英砂的循环量增加。最小流化速度实验值与计算值相比略小但相差不大，可用Ergun公式预测床层的最小流化速度，但不能用Muthur公式来预测最小喷动速度，这是由木屑与石英砂颗粒混合物的性质和床层结构特性决定的。随着喷动气速和流化气速的改变，可观察到床内粒子表现出八种不同的流动状态：固定床区、流化床区、局部喷动床区、流化一局部喷动床区、喷动床区、喷动流化床区、喷动垂直输送区、喷动流化垂直输送区。     

Cold-state spout-fluidizing characteristics of high-carbon ferromanganese powders

The spout-fluidizing characteristics of high-carbon ferromanganese powders with different sizes and masses were studied via a plexiglass spout-fluidized bed with an inner diameter of 30 mm and a height of 1000 mm. The relationships between bed voidage and such parameters as bed height, particle size, fluidizing air velocity, and air flow were obtained. Experimental results show that the powder material with high density can be fluidized in the spout-fluidized bed where the particle size is a key factor influencing the quality of fluidization.     

超临界水氧化水膜反应器的气固两相流分析

基于欧拉-拉格朗日方程的拉格朗日离散相模型,并建立颗粒的受力模型,对超临界水膜反应器内的气固两相流特性进行数值模拟。模拟并分析了颗粒直径、入口速度对超临界水膜反应器内的颗粒运动规律、分布特性以及颗粒接近多孔璧的参数的影响,并且分析了超临界水膜反应器中一定直径的颗粒的流体随体性。对研究和优化超临界水膜反应器的气固两相流特性具有一定的指导意义。     

大颗粒流化床传热数值模拟与气固传热模型比较

采用欧拉-欧拉模型对GeldartD类颗粒气固流化床的非定常传热过程进行了模拟,比较了包括Gunn模型在内的6种不同的气固传热系数模型.通过模拟二维流化床发现,基于6种气固传热模型得出的平均壁面传热系数与文献的实验关联式相差不大,但是6种模型给出的局部气固传热系数呈现较大的差别,其原因在于不同模型中的两个主要影响参数颗粒雷诺数和床层空隙率的贡献不同.比较了6种气固传热模型之后,采用Gunn模型对D类颗粒的流化床进行了模拟和分析,结果表明:尽管存在较大的气泡和一定程度的腾涌,D类颗粒流化床可以实现稳定的流化.从流化床内的温度分布的演化来看,D类颗粒流化床的传热均匀性不存在问题,较大的颗粒直径和较大的气泡并未造成传热问题.     

蒸汽煤比对湍动循环流化床煤气化的影响

以空气和水蒸气为气化剂,在压力为0.3 MPa的湍动循环流化床热态实验台上对淮北烟煤进行了煤气化试验,研究了蒸汽煤比(质量比)对气化过程的影响.气化炉提升段具有下宽上窄的特点,床料采用宽筛分石英砂.气化试验过程中,实现了提升段下部湍动流化、上部环核流动.试验结果表明:随着蒸汽煤比的增加,煤气中CH4体积分数基本保持不变,CO体积分数从13.12%下降到11.98%,H2体积分数从初始12.3%增加到14.63%而后下降至14.19%,CO2体积分数从13.84%下降至12.94%后,略微上升至13.06%.蒸汽煤比的变化对干煤气产率、冷煤气效率及碳转化率都有影响,其最大值分别为2.89 m3/kg, 59%, 81%.     

并流下行循环流化床反应器的气固传热模型

提出了并流下行循环流化床反应器气－固传热模型,并采用稳态传热的实验方法,测定了并流下行循环流化床反应器中,不同操作条件下,轴向颗粒温度分布及气,固相进,出反应器的温度,进而利用Matlab工程数据处理软件回归求得模型参数即气－固轴向截面传热系统及表观传热和的值,并由实验结果回归得到模型参数与操作条件的经验关联式。     

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。