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高密度循环流化床内气固两相流动的模拟研究

李佳瑶  
【摘要】:高密度气固循环流化技术因具有较大的气固接触面积和优良的传热传质反应性能而被运用于石油工业催化裂化提升管反应器中。在高气速、高颗粒循环量的操作条件下,复杂的气-固、固-固以及固体壁面之间的相互作用使得高密度CFB内气固流动行为相当复杂,准确认识循环流化床中气固流动特性对于反应器设计与优化具有重要的意义。本文将基于CFD数值模拟方法建立高密度CFB气固流动模型,并在此基础上分析2D入口结构、出口结构对高密度气固流动模拟的影响,为深入了解高密度气固流动规律提供理论基础。首先,针对所选高密度模拟工况,分别考察了不同曳力模型、颗粒碰撞恢复性系数以及颗粒与壁面边界条件等对高密度提升管内气固流动的模拟适用性,并选择了适合高密度气固流动的气固模拟参数,通过将轴向以及径向气固流动模拟结果与实验数据相对比,验证了所建高密度气固流动模型的准确性。在高密度气固流动模型建立的基础上,考察了不同2D简化入口结构以及射流型分布器式入口结构对高密度CFB气固流动模拟的影响。对于提升管2D模拟,模拟结果表明,不同入口方式会导致所模拟提升管内底部气固混合的不同,较强的气固混合虽然能使底部气固流动不稳定,但会有利于模拟的提升管充分发展段颗粒固含率的提高,也有利于充分发展段内径向浓度梯度的形成,从而提高模拟精度。对于射流型入口结构,模拟结果显示,对于提升管底部,由于多射流入口的“射流效应”,模拟的提升管底部波动剧烈,颗粒固含率较低,径向上也无法形成明显的环核流动结构,而单射流入口则能在所模拟提升管底部形成稳定的、稠密的、径向环核流动明显的气固流动状态;而充分发展段内气固流动则主要受气体的“射流效应”以及气固混合的双向作用,因此,模拟的提升管内射流型入口数目太多或者太少均不会有利于充分发展段气固流动的模拟精度的提高。最后,考察了不同约束型出口条件对模拟高密度气固流动行为的影响。研究表明,出口结构对所模拟高密度CFB的气固流动的影响不同于低密度,2D出口结构对高密度气固流动模拟的影响是从床层中部而不是床层底部开始的,并一直延续到床层顶部;且随着出口结构约束能力的增强,所模拟提升管轴向颗粒固含率曲线逐渐由指数型转变为C形,径向各位置的颗粒固含率也逐渐增大,环核流动结构变得更为明显,提升管内颗粒的平均停留时间也增大,颗粒返混程度加剧。


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