提升管内气固流动行为的数值模拟.pdf

第 ! 卷第 “ 期化学反应工程与工艺#$% !， !( 文章编号： !“! #$% ,7g; /3 基金项目：国家自然科学基金重大项目（!=?!） 提升管内气固流动行为的数值模拟 汤颜菲h王嘉骏h 冯连芳h顾雪萍 （浙江大学化学工程联合国家重点实验室聚合反应工程分室，浙江h 杭州h )!b） 摘 要： 应用计算流体力学软件 i%g,32，对空气为连续相、固相为催化裂化反应催化剂的循环流化床提升 管内的气固流动行为进行模拟。采用用户自定义函数引入颗粒与壁面的恢复系数和颗粒的镜面反射系数， 对颗粒在边壁处的部分滑移运动进行描述。采用不同的计算动力学模型及参数，数值模拟了径向颗粒浓 度、轴向床层压降的空间分布，以及用以描述颗粒脉动动能的颗粒温度与固含率的关系，并与文献报道的 实验和数值模拟结果进行对比分析。结果表明，选取的颗粒动力学理论模型及参数、颗粒部分滑移边界条 件及气固曳力模型，可计算得到合理的颗粒轴向及径向分布，验证了提升管中存在典型的径向环核流动结 构和轴向压降分布。进一步分析表明固含率显著影响颗粒温度，当固含率为! “ “ ! ) ，颗粒温度存在转 折区。 关键词： 提升管；气固多相流；颗粒动力学模型；计算流体力学 中图分类号： *+“!,!；*+“!-. . 文献标识码： / 气固循环流化床以气固高效无气泡接触、传热及传质效果好等优势，近年来在石油化工、能源和 环保领域得到越来越广泛的应用。循环流化床提升管段存在典型的环核流动结构以及颗粒团聚物，气 固流动行为十分复杂。 多相计算流体力学发展的主流为双流体模型，其将颗粒相看作是拟流体相，气固两相动量方程都 由 !. 两相流动控制方程 连续性方程： ! !# （! $“$）% 7 （!$“$ !# /， 9 !: ， ! ! % ,) /“/， .; 4 的时间步长推进，直至计算收敛。“? 颗粒密度为 ! !8 a$b *c，平均粒径为d *，颗粒体积密度为 ;! : ，颗粒温度 ! 是 !; e *8b 48。计算中颗粒弹性 恢复系数取 ;! f 。模拟系统等温 c; g，气固初 始速度为;，初始压力为! +/*。模拟结果表明!; 4 计算达到稳定，总的模拟需持续的流化时间为 :; 4。为了保持足够的统计稳定性，取最后 c; 4 的模 拟计算结果作为时间平均值的计算样本。 !% #“ 固含率的径向分布 图 8 为提升管不同高度处固含率的数值计算结果，在提升管底部区固含率较大且存在明显的径向 分布，而在提升管上部固含率较小且径向分布较为均匀，轴向稀浓两区分布明显。图 c 为提升管 c! f * 处的时间平均固含率的径向分布，模拟结果的环核流动结构中核心区约为提升管管径的 ;h，而 g3-05/-3 等 的实验结果为核心区与管径比例约 fh，且边壁处固含率高于核心区。i)3j+(#+ 等 期l l l l l 汤颜菲等 m l 提升管内气固流动行为的数值模拟 图 !提升管内轴向压降分布 “#$% ! ,1 为不同高度处颗粒温度时均值的径 向分布。在距底部 :! ? 处颗粒温度径向分布中心区域变化剧烈，而边壁处变化较为平缓，颗粒的能 量脉动对应着该高度处固含率的核壳流动结构。而在 ab 的上部稀相区，固含率分布均匀，颗粒温 度的径向分布也趋于平缓。固含率显著影响颗粒温度。 为了验证整个提升管内固含率对于颗粒脉动能量的影响，研究了提升管全局颗粒温度对应固含率 的变化，结果见图 c。当固含率小于 d! d 时颗粒温度数值点较为分散，颗粒温度从接近 d 到 b be -b 变化；当固含率大于d! a ，颗粒温度数据点较为集中，且逐渐降低接近d。当固含率小于d! d 时颗粒 温度值较为分散，这是由于在提升管上部稀相区范围较大，颗粒以单颗粒的形式产生脉动，部分颗粒 没有与壁面、颗粒产生碰撞消耗能量，颗粒温度值较高；而发生碰撞的颗粒部分能量消耗，颗粒温度 =!化学反应工程与工艺f f f f f f f f f f f f f f f f bddc 年 ad 月 值较低。!“#$%7 9$?$;1 4，1ab15 c d e61 3b1% e12%b “2 !b$2*0$b /0( $3 f“;6 61$b g$31%d *b2$0 a /0*“# h1i6$2“i%，-jk-，-,：l mlnl l= )*2 o p p，$?$;1 4，1aa1b5 c ，13 $0d p“213“i e61b“1% ab !b$2*0$b /0(：q210$%3“i 8$b3“i01% “2 o*1331 /0( $2# 0“;6305 q210$%3“i 8$br 3“i01% “2 $ !121b$0 /0( /“10#d *b2$0 a /0*“# h1i6$2“i%，-jk+，-+,：ll61$b“2;d*b2$0 a /0*“# h1i6$2“i%，-jkn，-ns： sn mjgq o6$0012;1 8bu017 8b1%1231# $3 361 x“;636 q231br 2$3“2$0 /0*“#“v$3“2 o2a1b12i1，/b$2i1，-jj.d k= 4125$6“$ ，tb$%3 /0*“#r “v1# 41# w%“2; 361 p“213“i e61b5 t5，l,，-l：l. m“2i0$“b )，$i:%2 gd !$%r8$b3“i01 /0( “2 $ y1b3“i$0 8“211b“2; a o6“21%1 w2“?1b%“3“1%，l,#$(#8(#$，?:+(“#$ #(a8b(35，c“#$d:7,e fghhij，9:(#“） 9:/*6);*：e /“bk1“83(= ,=“3m ,b(#$ 7;1,3“3(7#“= (b（9-o）b77m= “#m a“8(7,b 7#m(3(7#b “m713m (# 3:(b b(;,=“3(7#， $“b “#m 1“83(= k“a8“$m 8“m(“= b7=(m a7=,; 78，3: 351(“= 78k“#,=“8 18“3,8 l:(: (b 3: b“= 7,=“3(7#q u3 l“b (#ab3($“3m 3:“3 3: $8“#,=“8 3;18“3,8 l“b 8=“3m l(3: b7=(m a7=,; h! hg 37 h! hv ，$8“#,=“8 3;18“3,8 l“b (# 3: 38“#b(3(7# 8$(7# m(b18bm a“=,b 37 l=k8$,=“3m 7#bq 3= 1+60/： 8(b8；$“b “#m b7=(m ;,=3(1:“b 1,3“3(7#“= (b 日三菱化学改进g， wk丁二醇生产工艺 丁二烯法 g， w k丁二醇生产工艺中的乙酰氧基化反应一直采用固定床反应器，从顶部 加入 g， f k丁二烯、醋酸和空气，以滴流床方式反应。为避免反应器入口处氧气与 g， f k 丁二烯的组成进入爆炸范围，将氧浓度低的反应器出口气体与循环空气相混合，以控制 氧浓度在爆炸极限以下，因此为了确保反应所需的氧气分压，必须在 x yz“ 高压下反 应。改进的工艺是 g， f k丁二烯与醋酸液体中混入微细气泡形式的空气，从固定床反应器 底部加入原料，器内连续相为液相，以固定床上流式反应。反应可在较低压力下进行， 采用液体循环的方式除去反应热。还开发了适应固定床上流式操作的催化剂与催化剂装 填方式，解决了催化剂流动磨损，微细气泡空气混入液相时发生气相爆炸等问题。