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氧热法电石生产复合床反应器流动和换热性能研究

曾剑桥  
【摘要】:电石是一种重要的化工基础原料,电石工业及其下游产业在我国具有重要地位。传统电热法生产电石具有“高污染、高能耗、低效率”的特点,为了解决这种问题,刘振宇等提出新型氧热法合成电石工艺,并为这种新工艺提出了不同的反应器概念模型。本文即是针对复合床反应器,通过实验及数值模拟的方法考察了反应器内布料器的性能以及反应器本身的流动和换热特性。 首先,搭建了反应器冷态模型并设计制作了不同布料器,通过实验手段考察了不同操作条件下,不同颗粒通过布料器后的流动与分布情况,结果表明:(1)在实验考察范围内,颗粒平均质量通量主要受布料器开口大小控制,随开口角度增加而增加,随布料器转速、床层高度的变化不敏感;颗粒平均质量通量的改变比例不完全与布料器开口数量改变比例相同。(2)在实验考察范围内,布料器转速、床层高度、开口数量对颗粒在径向上的分布特征影响很小,其基本分布特征是:使用扇形开口布料器时,颗粒分布特征呈一“M”型,使用矩形开口布料器时,颗粒在整个径向上基本均匀分布。(3)在实验考察范围内,对于两种布料器,布料器转速、床层高度、开口大小、开口数量均对颗粒在径向上分布的离散系数影响很小,其基本分布特征是:对于扇形布料器而言,其值均约为1.0-1.1左右;对于矩形开口布料器而言,其值约在0.4-0.5左右。(4)颗粒的性质对于布料器的基本分布特征影响不大。 其次,针对简单下落移动床建立了描述颗粒在移动床内运动的粘性流模型,并通过实验验证了模型的准确性并确定了模型中的待定粘性系数。通过代入测定的粘性系数,使用粘性流模型模拟了颗粒通过不同布料器时在反应器密相段模型内的流动状况,结果表明:(1)通过实验与数值模拟的对比,采用试差法得到了粘性流模型中的待定粘性系数μs=0.03Pa·s,验证了粘性流模型的正确性。(2)考察了移动床内的速度分布,结果表明,移动床整体颗粒流动状态呈活塞流,在移动床底部接近出口处颗粒呈汇聚流状态。(3)采用上一步得到的待定粘性系数,通过粘性流模型对不同布料器下复合床反应器密相段内颗粒流动进行了模拟,结果表明,床层上部颗粒运动呈活塞流而床层底部轴向速度在径向上的分布曲线呈“W”形。 最后,针对设计尺寸下的复合床反应器模型,利用FLUENT软件对复合床反应器密相段的换热性能以及反应器整体的流动换热性能进行了数值模拟。模拟研究结果表明:(1)随着运行时间的增加,热渗透区域的长度不断增加,具有温度梯度的颗粒层的厚度也不断增加直至趋于一个稳定值。加热约110min,完成颗粒填充床层的全部预热工作,密相段的预热能力约为106kg/min。(2)进气速度越大、床层空隙率越大,床层的热渗透区域越大,床层温度上升速度越快。(3)稀相段压力整体分布比较均匀,密相段床层压降较大。(4)反应器靠近喷嘴处存在一定的负速度,该区域的速度场较为复杂,其他各个区域速度大小基本一致,整体流动性很好。(5)底部燃烧区温度约为2300K-2700K,满足电石合成要求;离开燃烧区后温度逐渐下降,在剩下的整个稀相段约为2200K-1300K左右;密相段温度约为1300K-400K左右。(6)在考察粒径范围内,颗粒沉降时间很短且沉降时间基本相同,颗粒温度在整个稀相段基本没有太大变化。


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