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高密度循环流化床提升管内气固流动特性的数值模拟

朱文奇  
【摘要】:循环流化床以其气固接触效率高和生产能力大等优点被广泛地应用于能源、化工以及制药等工业过程。近年来,高密度循环流化床得到人们的重视,除了传统的催化裂化以及顺酐合成等工业过程,高密度循环流化床在煤/生物质气化以及化学链燃烧等过程也得到了应用。高密度循环流化床提升管内存在着复杂的气固流动结构,并对传热传质及化学反应过程产生影响,因此有必要对高密度提升管内的气固流动特性进行研究。本文采用数值模拟的方法,对高密度循环流化床提升管内的气固流动特性进行了分析。基于双欧拉模型,建立了提升管内气固两相流动的数学模型;并采用湍流模型和颗粒动理学理论对动量方程封闭。研究表明,曳力是气固相间主要的作用力,对提升管内气固两相流动起决定作用,而传统曳力模型计算的曳力偏大。基于提升管内气固两相流动过程中的颗粒团介尺度结构,分别建立了分段曳力模型(step-section model)和能量最小多尺度(EMMS)模型;结果表明:采用分段曳力模型模拟的结果与实验的结果相吻合。结合关于高密度提升管气固流动实验研究,对上述模型的相关参数:如网格尺寸、粘性模型、边界滑移条件、颗粒间碰撞系数以及颗粒的最大填充系数进行了考察。研究结果表明:网格尺寸为0.2mm,粘性模型使用湍流模型,边界滑移系数为0.1,颗粒间碰撞系数为0.9以及颗粒最大填充系数为0.63时模拟的结果比较好。在模型验证的基础上,对高密度操作条件下提升管内气固流动特性进行了模拟研究。结果表明:提升管内轴向固含率呈典型的指数分布;径向上,符合边壁浓中心稀的“环-核”结构。随着循环量的增加,提升管轴向固含率整体增大,但底部区域受循环量的影响较为明显;径向上,固含率有所增大,但边壁区增幅明显。随着表观气速的增加,提升管内轴向固含率整体趋于减小且底部区域变化更为明显,即操作条件改变对底部加速段的影响更大;径向上,边壁处的流动状态得到改善,其固含率降幅较大。


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