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高密度循环流化床气固流动规律及流动—反应耦合特性数值模拟

彭丽  
【摘要】:高密度循环流化床(High-density circulating fluidized bed,简称“HDCFB”)作为新兴高效节能流态化反应器,具有良好的混合、传热、传质以及反应特性,在化工、能源及环境等国民经济各个领域应用十分广泛。本文旨在建立HDCFB模拟方法,深入分析其内气固整体和局部流动行为,建立颗粒聚团的表征方法,定量捕获聚团特性以及聚团空间分布特性;追踪颗粒瞬时运动轨迹,掌握颗粒返混特性;建立流动-反应耦合模型,定量揭示气固流动-反应耦合特性,为HDCFB反应器的设计和放大提供理论基础,有助于开拓HDCFB工业应用领域。考虑到拟二维(2.5D)模拟方法采用楔形区域简化三维壁面区域,本文首先针对HDCFB,采用2.5D模拟方法,基于欧拉-欧拉框架,结合EMMS-based曳力模型,建立HDCFB气固流动模拟方法。采用所建的模型模拟不同操作工况下的HDCFB气固流动行为,通过对比实验结果和模拟结果,证实所建模型的可靠性和普适性。采用上述所建模型开展HDCFB气固整体流动和局部流动特性的研究,并对比LDCFB和HDCFB差异。采用图像处理法结合Matlab工具箱分析细网格模拟结果,定量捕获HDCFB内的聚团特性以及聚团空间分布特性。研究发现,与LDCFB对比,HDCFB内的固含率轴向呈现更加明显的S型分布趋势,气固流动径向非均匀性更强,气固两相流动进料段和加速段距离更长。LDCFB和HDCFB内聚团倾向于以偏离球形、较大倾角形式存在。中心区域均出现较少的较小聚团,而靠近壁面区域出现较多的较大聚团。HDCFB内聚团数目将近是LDCFB的2倍且其尺寸分布更宽。由于基于欧拉-拉格朗日框架下的计算颗粒流体力学方法(CPFD)可以追踪颗粒的瞬时运动轨迹,故采用CPFD方法定量揭示HDCFB内颗粒返混规律,考察操作条件、出口结构(C型、L型以及T型)以及出口尺寸对其内颗粒流动特性和颗粒返混特性的影响。研究发现,HDCFB内颗粒返混主要发生在床层下部密相区域以及靠近壁面区域,而床层上部稀相区域和靠近中心区域则出现较少的颗粒返混现象。在操作条件、出口结构以及其对应出口尺寸中,操作条件对HDCFB内颗粒流动特性和颗粒返混特性影响最大。为建立准确的HDCFB流动-反应耦合模型,采用已建立的HDCFB气固流动模型,耦合臭氧分解反应模型,引入修正因子ω考虑HDCFB内颗粒聚团的存在对反应过程的影响,并通过模拟不同高密度工况下的臭氧分解反应,对比模拟结果和实验数据,验证模型的普适性。基于所建模型,定量研究HDCFB内变体积反应中反应特性对气固流动行为的影响,研究发现变体积反应过程中,气体分子数的变化影响气体速度,从而影响颗粒浓度以及气固流动径向非均匀性等。为减弱化学反应过程中气体体积变化对气固流动状态的影响程度,实现反应器平稳操作,向反应系统的进料气体中加入惰性组分,通过调节惰性组分的量,考察反应的膨胀率对气固流动行为的影响。研究结果表明:对于膨胀因子分别为-0.665和2.0的反应,调节惰性组分的量,使得膨胀率分别大于-0.25,小于1.0时,反应的固含率和气固流动径向非均匀性指数与等分子数反应相差不大,说明该反应的气固流动状态基本平稳。


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