（化学工艺专业论文）催化裂化提升管内气固多相流的数值计算.pdf

摘要 催化裂化提升管反应器内颗粒浓度分布和颗粒的速度分布会对裂化反应产生深刻 影响，因此，系统的研究催化剂颗粒在提升管内的流动特征就显得尤为重要。本论文从 提升管内气固流动规律出发，利用实验室提升管冷模装置的实验数据，运用流体力学理 论分析催化裂化提升管反应器内单组分颗粒气固流动行为，使用数值模拟软件建立小型 提升管单组分颗粒流态化的数学模型。通过对不同模型( 颗粒动力学模型、气固曳力模 型、圆相粘度模型) 的模拟结果与实验数据进行比较分析，得到适于模拟实验室提升管 装置的最优模型。利用所建立模型考察催化剂在提升管中的分布状况受提升管进口结构、 提升管长度、催化剂性质差异等因素的影响。模拟结果表明，在三维模拟中，为了使模 拟条件与实验条件相吻合，固相最好采用侧面进料方式；催化剂颗粒浓度的径向分布和 轴向分布都随提升管长度的增加和催化剂粒径的减小而变得更加均匀。 随着催化裂化原料趋于重质化，环保对清洁燃料的要求以及社会对催化裂化产品的 多元化需求，使得催化裂化催化剂也发生着日新月异的变化。而且，为了实现能量的综 合利用，一些研究者考虑将不同工艺的催化剂进行混合流化传热，这都会涉及到多组分 颗粒流化床中的混合与分离问题。可见，研究提升管内多组分颗粒的流态化是非常必要 的。本论文拟在小型提升管单组分颗粒气固流动模型的基础上，对气相动量方程、固相 连续性方程、固相动量方程以及各相本构方程进行适当修改，建立多组分颗粒流态化数 学模型。利用此模型，运用m f i x 编码，对二元颗粒在提升管内的流动状况进行模拟， 得到了二元颗粒在提升管内的浓度、速度、平均颗粒直径、颗粒拟温度的分布，并与 m a t h i e s e n 等实验结果进行了比较。通过对不同固固曳力模型和颗粒碰撞恢复系数的比 较，确定了适于二元气固流化体系的最佳固一固曳力模型和颗粒碰撞恢复系数。利用所 建立的气固多相流模型，考察了颗粒组成和表观气速对床层密度的影响。模拟结果表明， 当颗粒尺寸较大，流化困难时，可适当的加入较小的颗粒，以改善气固流化状态，使颗 粒在提升管内的分布更加均匀。而且，加入细颗粒以后，对于给定的初始床层高度，气 速越大，床层密度沿轴向的分布越均匀。 关键词：计算流体力学，气固多相流，二元颗粒，颗粒分级 n um e r i c a ls i m u l a t i o no fg a sa n dm u l t i s o l i d s f l o wi nf c cr i s e l r e a c t o r z h a n gh e x i a n g ( c h e m i c a lt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rn i ug e n l i n a b s t r a c t t h ec o n c e n t r a t i o na n dv e l o c i t yd i s t r i b u t i o no fc a t a l y s tp a r t i c l e si nt h er i s e ro ff l u i d i z e d c a t a l y t i cc r a c k i n g ( f c c ) p l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nt h ec r a c k i n gr e a c t i o n t h e r e f o r e ，i ti s e s p e c i a l l yi m p o r t a n tt os t u d yt h ef l o wb e h a v i o ro ft h ec a t a l y s tp a r t i c l e si nt h er i s e r t h i s w o r kb a s e do nt h er u l eo fg a s - s o l i df l o wi nt h er i s e r , u s e dt h ee x p e r i m e n t a ld a t ao ft h ec o l d f l o wl a b o r a t o r ys c a l er i s e r , a n a l y z e dt h ef l o wb e h a v i o ro fg a sa n ds i n g l es i z e dp a r t i c l e si nt h e r i s e ro ff c cw i t ht h et h e o r yo ff l u i dd y n a m i c s ，a n dd e v e l o p e dam a t h e m a t i cm o d e lf o rt h e s i n g l es i z e dp a r t i c l e sf l u i d i z a t i o ni n t h em i n i t y p er i s e r b yc o m p a r i n ga n da n a l y z i n gt h e s i m u l a t e dr e s u l t sf o rd i f f e r e n tm o d e l s ( t h ek i n e t i ct h e o r yo fp a r t i c u l a t ef l o w , g a s s o l i dd r a g m o d e l ，s o l i dv i s c o s i t ym o d e l ) a n dt h ee x p e r i m e n t a ld a t a ，t h eo p t i m i z e dm o d e lf o r e x p e r i m e n t - s c o p ed s e rw a so b t a i n e d m a k i n gu s eo ft h em o d e ld e v e l o p e da b o v e ，t h ee f f e c to f i n l e tc o n f i g u r a t i o no ft h er i s e r , r i s e rl e n g t ha n dc a t a l y s tp r o p e r t yo nt h ec a t a l y s td i s t r i b u t i o ni n t h er i s e rw a si n v e s t i g a t e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ，i no r d e rt om a k et h es i m u l a t i o n c o n d i t i o n sc o i n c i d ew i t ht h ee x p e r i m e n t ，i ti sr e a l i s t i ct oc h o o s es i d e - i n l e ti n3 - ds i m u l a t i o n t h er a d i a la n da x i a ld i s t r i b u t i o no fc a t a l y s tp a r t i c l e sc o n c e n t r a t i o nb e c o m em o r eu n i f o r m w i t ht h er i s e rl e n g t hi n c r e a s i n ga n dt h ep a r t i c l ed i a m e t e rd e c r e a s i n g w i t ht h ef e e d s t o c ko ff c cb e c o m i n gm o r ea n dm o r eh e a v i e r , e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n d e m a n d i n gf o rt h ef r i e n df u e la n ds o c i e t yw a n t i n gf o rt h em u l t i p r o d u c to ff c c ，t h ec a t a l y s t s o ff c ch a v ea l s oc h a n g e dq u i c k l y m o r e o v e r , i no r d e rt or e a l i z ei n t e g r a t e du t i l i z a t i o no f e n e r g y , m i x i n gf l u i d i z a t i o na n dh e a tt r a n s f e ro fc a t a l y s t so fd i f f e r e n tp r o c e s s e sw a ss t u d i e d ， a n dt h i si sa l s or e l a t e dt ot h em i x i n g s e g r e g a t i o nf l u i d i z a t i o nb e h a v i o ro fs o l i dm i x t u r e s t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt oi n v e s t i g a t ef l u i d i z a t i o nb e h a v i o ro fm u l t i s o l i d si nt h er i s e r t h i s w o r kb a s e du p o nt h em o d e lf o rt h es i n g l es i z e dp a r t i c l e sf l u i d i z a t i o ni nt h em i n i t y p er i s e r , m o d i f i e dg a sm o m e n t u me q u a t i o n ，s o l i dc o n t i n u u me q u a t i o n ，s o l i dm o m e n t u m e q u a t i o na n d c o n s t i t u t i o ne q u a t i o np r o p e r l y , a n dd e v e l o p e dam a t h e m a t i cm o d e lf o rt h em u l t i s o l i d s f i u i d i z a t i o n u t i l i z i n gt h em u l t i s o l i d sf l u i d i z a t i o nm o d e la n dt h em u l t i p h a s ef l o ww i t h i n t e r p h a s ee x c h a n g e ( m f i x ) c o d e ，f l o wb e h a v i o ro fb i n a r ym i x t u r ei nt h er i s e rw a ss i m u l a t e d t h ed i s t r i b u t i o no fc o n c e n t r a t i o n ，v e l o c i t y , m e a np a r t i c l ed i a m e t e ra n d g r a n u l a rt e m p e r a t u r e o ft h eb i n a r ym i x t u r ei nt h er i s e rw a so b t a i n e d ，a n d c o m p a r e dw i t hm a t h i e s e ne t a l e x p e r i m e n t a ld a t a b yc o m p a r i n gt h es i m u l a t e dr e s u l t sf o rd i f f e r e n ts o l i d s o l i dd r a gm o d e l s a n dd i f f e r e n tp a r t i c l er e s t i t u t i o nc o e f f i c i e n t sw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a ，t h eo p t i m i z e dm o d e l f o r t h eg a sa n db i n a r ys o l i d sf l u i d i z a t i o nw a so b t a i n e d m a k i n gu s eo ft h em u l t i s o l i d s f l u i d i z a t i o nm o d e l ，t h ee f f e c to fp a r t i c l ec o m p o s i t i o na n ds u p e r f i c i a lg a sv e l o c i t yo nb e d d e n s i t yw a si n v e s t i g a t e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ，w h e nt h ep a r t i c l e sa r et o ol a r g et ob e f l u i d i z e d ，a d d i n gs m a l lp a r t i c l e sc a ni m p r o v ef l u i d i z a t i o na n dm a k ep a r t i c l e sd i s t r i b u t i o ni n t h er i s e rb e c o m em o r eu n i f o r m m o r e o v e r , s i n c ea d d i n gs m a l lp a r t i c l e s ，t h e u n i f o r m i t yo f a x i a lb e dd e n s i t yd i s t r i b u t i o ni n c r e a s e dw i t hs u p e r f i c i a lg a sv e l o c i t yi n c r e a s i n gf o rt h eg i v e n i n i t i a lb e d h e i g h t k e y w o r d s ：c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，g a s s o l i d sm u l t i p h a s ef l o w , b i n a r y p a r t i c l e s ，p a r t i c l es e g r e g a t i o n 符号说明 a ，一是升管横截面积，m 2 a s 。i n 颗粒进料口截面积，m 2 a 、b 计算气固曳力时的常数 c d s _ 单个球形颗粒的曳力系数，k g m 一3 s 一2 c n m 第l 相颗粒和第m 相颗粒之间的摩擦系数 石匹气相应变速率张量，s - - 1 石。固相应变速率张量，s 一1 石s m 第m 固相应变速率张量，s 一1 d p 颗粒直径，岬 d p m 第m 固相的颗粒直径，p , m d p 掣所有固相的平均颗粒直径，p j m e 颗粒间碰撞恢复系数 e w 颗粒与壁面间的碰撞恢复系数 f b v k 曳力系数修正因子 f p 塌粒所受的作用力，n p 颗粒间相互作用力，n g s 颗粒质量流率，k g - m 一2 s 一1 喜重力加速度，m s 一2 助颗粒径向分布函数 1 2d 应变速率张量的第二分量，s 一2 k 1 计算颗粒相压力时的常数，k g m q k 2 计算固相第二粘度系数时的常数，k g m 一2 k 3 计算固相第二粘度系数时的常数，k g m - 2 k 4 计算颗粒能耗散时的常数，k g m _ 4 k 气相湍动能，m 2 s _ 2 k p 颗粒湍动能，m 2 s 一2 k o s 颗粒热传导系数，吨n l s 一1 k 。m 第m 固相热传导系数，蚝m s 一1 l 黾升管总长度，n l m p 颗粒质量，k g 咚气相压力，p a r 固相压力，p a b m 第m 固相压力，p a 曝塑性流时第m 固相的压力，p a 粘性流时第m 固相的压力，p a 百o s 颡粒相湍动能热流通量，k s 一3 百e m 第1 1 i 固相湍动能热流通量，蚝s 一3 r 提升管半径，i i i 。 i 沁雷诺数 r j e t 固相喷射入口半径，m 季s m 第m 固相总应力，p a u g 表观气速，m 。s 一1 u k - i 流体相或固相速度的j 向分量，i i i s 一1 v k 固相终端速度，m s 一1 邱二颗粒速度，i i i s q 守g 气相速度，i n 。s 一1 寺。固相速度，m s 一1 屯m 第m 固相的速度，m s _ 1 吃l 第1 固相的速度，i n s - 1 v s i n 颗粒进1 3 时的速度，m s 一1 x m 第m 固相在所有固相中所占的体积分率 希腊字母 仅k 流体相或固相的体积份数 巾蒜种物理量 咖塑性流时计算固相粘性应力的内摩擦角 p g i d a s p o w _ b l e n d 曳力系数加权因子 吨s 颗粒能传递，k g m 一1 。s - 3 山扯备相自身的源相和相与相之间的作用( 相间质量、动量、能量交换等) k 流体相或固相某种物理量的扩散速率 p k 流体相或固相的密度，k g m 3 p g 气相密度，k g m 一3 p s 固相密度，k g - m 一3 p s m 第m 固相的密度，k g m 一3 气相湍动能耗散，m 2 s 一2 g 以相体积分率 p 固相湍动能耗散，m 2 s 一2 s 固相体积分率 。m a x 一固体颗粒最大体积分率 s j l n 颗粒进口时的体积分率 s m 第m 固相的体积分率 ；密相床的空隙率( 粘性流和塑件流的空隙率分界点) 气相剪切粘度，p a s 酵粘性流时固相剪切粘度，p a s 塑性流时第m 固相剪切粘度 p v m 埘性流时第m 固相剪切粘度 k 气相体积粘度( 第二粘性系数) ，p a s 碍骷性流时固相体积粘度( 第二粘性系数) ，p a - s 塑性流时第m 固相体积粘度( 第二粘性系数) ，p a s t 气相粘性应力，p a 霹粘性流时颗粒相粘性应力，p a t m 第m 固相粘性应力，p a 粘性流时第m 固相粘性应力，p a 毪塑性流时第m 固相粘性应力，p a p g 。气相和固相之间的曳力系数，k g m 一3 s 一2 1 3 9 m 气相和第m 固相之间的曳力系数，k g m 一3 s 一2 p 。i m 第l 固相和第m 固相之间的曳力系数，k g m 一3 s 一2 0 s 颗粒拟温度，m 2 s - 2 0 m 第m 固相颗粒拟温度，m z - s 一2 y e 。颡粒湍动能耗散，k g m 一1 s 一3 y o m 第m 固相湍动能耗散，k g m 一1 s 一3 y a b 挟速颗粒a 与慢速颗粒b 碰撞时作用力系数 y a n g 曳力系数修正因子 上下标 p - 粘性流 v 塑性流 幸分界点 c 粗颗粒 f 摩擦 g 气相 i n j 篷口 j e t 喷射流 k 梳体相g 和固体相p m 第m 固相 o u t 出口 r 提升管 s 固相 w 一壁面 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：5 艮| 孵 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库迸行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期： 日期： 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章前言 1 1 提升管式流化催化裂化的应用及发展 将大量固体颗粒悬浮于运动的流体之中，从而使颗粒具有类似流体的某些表观特征， 此种流固接触状态称为固体流体化。1 9 4 2 年在美国成功地将流化技术应用到石油加工 工业的催化反应上，使催化裂化由间歇操作变为连续操作，大大提高了设备的生产能力。 以后在石油化工、冶金及原子能工业等部门应用范围日益扩大。流化技术已成为我国石 油加工工业部门中的重要技术，它主要应用于催化裂化装置上，该装置几乎在所有的炼 油厂中都是最重要的二次加工手段，随着技术的进步和工业发展的需要，催化裂化加工 能力必然会有迸一步的提高。 可见，催化裂化( f l u i d i z e dc a t a l y t i cc r a c k i n g ，f c c ) 是国民经济中有重大影响的工业 过程之一。重质油品或渣油等通过在催化剂存在下的加热反应，使长链产品发生断键， 生成汽油、煤油、柴油及轻烯烃等有价值的产物。该反应过程由催化反应和催化剂再生 两个过程组成。反应过程中催化剂表面不断沉积焦炭，致使活性下降，需要进行催化剂 的连续再生。催化反应是吸热反应，而催化剂的再生过程是将附着在表面的焦炭燃烧后 脱除。烧焦过程放出大量热量，使催化剂在被再生的同时，提高了自身的温度，给催化 反应供热。通过在反应器与再生器间的不断循环，催化剂不但起到催化反应的作用，而 且起到热载体的作用，即将烧焦放出的热量用于化学反应的供热，使整个反应再生过 程形成一个绝热体系，在催化剂连续循环过程中完成再生与反应供热的需要。 催化裂化过程的应用始于2 0 世纪4 0 年代，所用床型当时为固定床，后因催化剂的 活性不够高及机械强度等原因，曾一度改用湍动流化床。6 0 年代中，活性和强度均高 的分子筛催化剂的出现以及与之匹配的提升管循环流化床体系的使用，使f c c 过程进 入一个新阶段，收率及选择性均明显上升，能获得更多的汽油与c 3 c 5 烯烃。该反应 的温度在4 7 0 5 5 0 ，再生温度为5 8 0 7 0 0 。 目前全世界约有6 0 0 套工业流化床反应器，其中提升管装置占3 5 0 套以上，中国约 有9 0 的f c c 装置采用提升管式循环流化床，其加工容量仅次于美国，占世界第二位 i i 】 o 提升管式f c c 装置如图1 1 所示，催化裂化反应在近似于平推流的提升管中进行， 来自再生器并循环进入反应器的再生催化剂，由提升管底部进入，并由其自身热容量带 1 第一章前言 入大量热量，以供提升管中反应所需，反应后失活的催化剂由床层顶部的气固分离器收 集后送入再生器烧焦。反应器与再生器之间设有两根催化剂循环管，在物料循环过程中 完成反应再生与热量移动的过程，提升管催化裂化的突出优越性在于1 2 j ： 可在较短的时间内达到较高的转化率： 2 ) 气体与固体近似平推流的流型，保证了高选择性和较少的过度裂化反应，提 高了汽油的收率： 分子筛催化剂活性高； ( 4 ) 焦炭生成率低。 反应油气 宙气 粗气珀 轻集硇 重某洎 珀浆 图1 - 1 提升管式催化裂化原则流程图 f i g l - ip r i n c i p l ef l o wd i a g r a mo ff c cw i t hl l 豳l f 不过，由于气、周运动速度高以及大量催化剂颗粒的高速循环，导致循环流化床中 存在磨损较大、颗粒回收技术要求较高以及床层物料与壁面之间传热速率相对较低等问 题。另外，由于多相流系统气固流动行为、传递规律的复杂性，以及工程问题气固 物性、循环系统结构( 床层直径、床层高度、进出口结构、内部构件等) 、操作参数对流 体行为和传递规律的影响，以及各结构之间的匹配的多样性，使得循环流态化过程的工 程放大技术难度较大。 2 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 流化催化裂化的反应器和再生器的操作情况、催化剂在两器之间的循环输送以及催 化剂的损耗率等都与流态化问题有关。无论是建立数学模型、优化生产操作还是进行设 计常常都离不开流态化的问题l ”。 1 2 循环流化床提升管内多相流的数值模拟 从上世纪7 0 年代初开始，随着数值计算和计算机的发展，许多研究者提出了描述 多相流的理论模型。从研究目的的不同，循环流化床数学模型可以分为静态数学模型和 动态数学模型两大类。前者研究的是在一定运行条件下的稳态工作点的相关规律。后者 研究在不同扰动条件下，性能随时间的变化过程规律。按照简化程度，循环流化床数学 模型可分为零维、一维、二维、三维数学模型。按照模拟方法，模型又不外乎有两类， 其一是用欧拉方法建立的数学模型，其二是用拉格朗日方法建立的数学模型。前者是将 颗粒视为拟流体，认为颗粒与流体是共同存在且是相互渗透的连续介质，双流体模型是 这一方法的典型代表；后者把流体作为连续介质，将颗粒作为离散体系，在欧拉坐标系 下研究流体相的运动，在拉格朗日坐标系下研究颗粒群的运动，即颗粒轨道模型，可用 于研究多个颗粒之间相互作用的离散单元法( d e m ) 在这一类模型中得到了很好的应用。 另外，近年来颗粒动力学理论得到很多学者的重视和应用，该理论可以定量地预测颗粒 和颗粒之间相互作用以及与颗粒脉动应力有关的流动现象，因而颗粒动力学双流体模型 被认为是目前描述气固密相流动最为先进的模型之一【4 】。按照循环流化床模型的发展方 向，可分为朝认识型发展的模型和朝应用型发展的模型。 随着计算机技术的迅猛发展，c p u 速度不断提升，使得一些大型化计算成为可能， 一些学者利用这一点，将循环流化床内的流动模型、燃烧模型以及各种复杂的化学反应 加以耦合，建立了循环流化床的整体数学模型。对以上模型，这里重点叙述双流体模型 和颗粒轨道模型。 1 2 1 连续流体模型 连续流体模型是将颗粒作为拟流体，将气、粒两相全都视为连续介质，在欧拉坐标 系中研究混合相流体运动；这类模型包括无滑移连续介质模型、小滑移连续介质模型、 考虑颗粒对流体作用的多流体模型以及以颗粒碰撞理论为基础的颗粒动力学双流体模 型。 无滑移模型是最简单的多相流体模型。其假定所有颗粒的时均速度等于当地的流体 3 第一章前言 相速度；颗粒柏为有湍流扩散的连续介质，且假设其湍流扩散系数与流体相的扩散系数 相等；各粒级颗粒之间，颗粒相与流体混合物之间的各种相互作用( 动量、热量与质量 交换) 与流体混合物各组分之间的作用相同。也就是说，将气粒两相流从总体上视为单 相流体。这一模型方程的求解简单，但它的设定与实际情况有较大偏离，所以数值预测 结果与实测值相差较大。 小滑移模型考虑颗粒相对于流体的扩散运动，颗粒群的滑移速度是由颗粒湍流扩散 引起的；流体相及颗粒相的连续性方程、动量、湍动、耗散、能量方程的表示式都与无 滑移模型相同，不同之处在于颗粒相的脉动速度分量，等于混合物时均速度与颗粒湍流 扩散分量之和。 多流体模型考虑到颗粒群不仅有体现为垂直于主流速度方向的横向漂移( 湍流扩 散) ，而且同时考虑了沿主流轨道的时均滑移；各颗粒相与流体相具有各自的速度、温 度、容积浓度等参数分布( 场特性) 。 1 2 2 双流体模型及其延伸模型 双流体模型将颗粒处理为类似流体的连续相( 拟流体) ，基本概念是认为颗粒相是与 真实流体相互渗透的拟流体。其基本假设是：在流场中的每一位置，颗粒相与气相共 存并相互渗透，每一相都具有各自的速度、温度和体积分数，但每个尺寸组的颗粒具有 相同的速度和温度；每一颗粒相( 尺寸组) 在空间中具有连续的速度、温度和体积分数 的分布：每一颗粒相除与气相有质量、动量和能量相互作用外，还具有自身的湍流脉 动，造成颗粒的质量、动量及能量湍流输运，且颗粒脉动取决于对流、扩散、产生及与 气相湍流的相互作用；用初始尺寸分布来区分颗粒组；对于稠密颗粒悬浮体，颗粒 碰撞会引起附加的颗粒粘性、扩散和热传导。在这些前提下，可为气相和颗粒相写出形 式相同的质量和动量守恒方程。其基本形式为； 孙艮_ ) + 扣p k 调= 杀陋鬻h k c 1 叫 其中k 一般指流体相g 和固体相p ，在固体相尺寸大小有分布时也代表不同尺寸组 的颗粒相；a k 是流体相或固相的体积份数；巾表示某种物理量，如速度分量、温度、焓、 质量分数、流体相湍流动能和湍流动能耗散率等；巾由k 包含各相自身的源相和相与相之 间的作用( 相间质量、动量、能量交换等) 。上述方程的形式与单相流各方程的形式相似， 即：非稳态项+ 对流项= 扩散项+ 源项。目前，对该方程组的求解大多数还是采用p a t a n k a r t f - 国石油大学( 华东) 硕士学位论文 和s p a l d i n g 创立的s i m p l e 方法或其改进方法。对流体和颗粒相均采用交错网格。应用 迎风差分格式。这种方法也称为i p s a 法。 双流体模型的基本问题是颗粒湍流模型，目前所采用的基本上有两种：一种是基于 颗粒追随流体脉动概念的il i n z e t c h e n 颗粒湍流代数模型( 简称a 。模型) ；另一种是颗粒 湍动能方程模型( 简称k p 模型) 。以上两种模型只适用于湍流脉动各向同性的流动过程。 另外还有考虑了各向异性的统一二阶矩模型( u s m ) ，也己开始应用于模拟工程装置内部 的流动过程。 双流体模型中固体颗粒与流体相互作用也非常复杂，其相互作用程度依赖于流动 r e 数，流固混合程度，固粒特性，流场特性以及湍流与颗粒的长度尺寸等 5 , 6 1 。研究颗 粒对流体运动特征的影响可以通过改变颗粒的特性来控制流场提供依据。这方面的研究 以往主要有将单相湍流混合长、k 吒模型扩展到两相流的做法，如y a r i n 和h e t s r o n i y f t j 用修正的混合长模型计算固体相颗粒尺寸分布对湍流度的影响，也有的用湍动能平衡方 法考虑颗粒对湍流特征量的修正。 ( 1 ) k k d 模型 在湍流两相流下，不能忽略速度脉动的影响，周力行【8 谰模拟纯流体相湍流粘度的 方法，对固相的湍流粘度进行了详细研究，得到了关于固相湍流动能l ( p 的输运方程模 型，该模型与气相k - 模型一起构成了k - e - k 。模型。周力行采用k - s - k p 模型对湍流回流( 包 括有弱旋) 气固两相流动进行了模拟，得到了各种几何结构的燃烧室内气体和煤粉的速 度、浓度分布及其对燃烧过程的影响。高金森等人【9 1 认为气相和颗粒相的湍流都不能忽 略，他们用k - k p 两相湍流模型f 9 】模拟了f c c 反应器中具有高粒子浓度的气固两相流动， 用k s 方程来模拟气相湍流，而对固体颗粒相的湍流流动则用l ( p 方程来模拟。但是，这 一模型没有考虑高浓度下的颗粒和颗粒之间的碰撞。 颗粒动力学双流体模型 o 是以颗粒动力学理论为基础建立起来的一个“颗粒温度”的概念，它可以反映因颗 粒碰撞引起的颗粒速度脉动，可用来表示与颗粒脉动相关的能量。近年来，颗粒动力学 理论被用来定量地预测与颗粒和颗粒之间相互作用以及与颗粒脉动应力有关地流动现 象，其基本思想是将固体颗粒比拟为气体分子，理论基础是借鉴非均匀的稠密气体分子 运动论，提出“颗粒温度”的概念，假定固体颗粒的速度分布函数，并以此为基础得到宏 观的颗粒相输运方程、颗粒相压力、粘性系数、扩散系数、导热系数、颗粒温度等流体 力学特性参数。 5 第一章前言 颗粒动力学模型考虑了颗粒问的相互作用，并认为固体的体积粘度和压力一样由颗 粒碰撞的法向力决定：固体的剪切粘度由颗粒碰撞的切向决定，体积枯度和固体压力以 及固体的剪切粘度均为 ( 颗粒温度) 和g o ( 颗粒径向分布函数) 的函数【1 0 1 。 k - e - i g i i ( p 模型 该模型是以k - e 模型描述气相湍流行为：颗粒相湍流行为以k d 模型加以描述：颗粒 相的碰撞行为及其引起的脉动以颗粒流的动力学模型表达，o 的引入正好解决了这一问 题；颗粒相动量方程中的粘度系数以及固体压力等未知参数也可以通过。来关联解决。 这一思路是很正确的，因为研究者将颗粒相动力学理论应用于循环流化床流动行为的研 究时发现单纯的动力学模型并不能完全反应其内部复杂的气固流动规律，分析原因目前 主要认为有两个方面未能很好地考虑，其一是气相湍流与颗粒碰撞间的相互作用，其二 是对颗粒湍动行为的模化，k - e - o k p 模型很好地综合考虑了以上两因素。程易等】已利 用此模型建立了三维流体力学求解程序并对下行床气固两相流动行为进行了模型预测。 4 ) k o k o 吨p 模型 在k - - k p 模型和k o k p 模型的基础上，万晓涛1 1 2 】等进一步推进，建立了k - - o k p 。p 模型，即在颗粒动力学理论的基础上同时考虑气相和颗粒相的湍动和耗散，e 为气相耗 散，e p 为固相耗散。郑雨等【1 3 ，1 4 j 等用此模型模拟了提升管中的气固流动，探讨了颗粒相 湍能方程( 即l ( p 方程) 与耗散方程( 即p 方程) 的引入对模拟结果的影响。模型考虑了气固 两相湍能的相互作用，湍能的相互作用导致湍能在相间的传递及湍能的耗散。在引入颗 粒相的湍能之后，模型把颗粒动力学理论的颗粒拟温度( ) 方程当作颗粒相的内能方程。 类比单相流，颗粒湍能的耗散必将转化为颗粒相的内能，因而颗粒拟温度方程中出现了 颗粒动力学理论所未有的新的源相，其大小与颗粒湍能耗散相等。通过使用c f x 软件 对提升管内气固流动行为的预测，他们发现在时间和空间域上，采用颗粒相湍动和颗粒 间碰撞分离处理和颗粒相湍能及耗散方程的引入是合理的，颗粒相湍动和两相湍动相互 作用的封闭条件是影响模拟结果的重要因素。 5 ) 多组分颗粒的多相流模型 多组分循环流化床有着广泛的实际应用背景。在燃烧、废弃物处理等循环流化床应 用中，固体物料通常具有很宽的粒度分布，或为不同尺寸颗粒组分的混合物。而且，实 验结果表明，在细颗粒快速流化床中，通过加入少量第二种不同尺寸的颗粒，可以有效 地提高床内细颗粒含率，改善气、固两相接触，从而提高化学反应的转化率f l 5 1 。 如同在传统密相流化床中一样，当具有明显不同尺寸和( 或) 密度的( 双) 多组分颗粒 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 在提升管中流动时，根据操作条件的不同。不同组分颗粒之间将会出现完全分离( 离析) 、 部分离析( 或称部分混合) 以及完全混合等不同流动型态。在一个高3 m 的循环流化床中， b a i 和n a k a g a w a 等【1 6 ，j 研究了双组分循环流化床的气固流动行为。实验室用约7 0 1 t m 的f c c 颗粒为缅颗粒，以直径为3 2l 胛的、密度为2 6 4 4 k g m 3 的石荚砂及直径为6 3 3 p m 、 密度为1 2 7 lk g m 3 的活性氧化铝为粗颗粒。实验在两个提升管反应器( 直径分别为9 7 m m 和1 5 0 m m ) 中进行。用采样法测定了床层轴向4 i 同位置处粗颗粒的体积分数x c 随操作条 件的变化。实验结果表明：在较低气速下，当颗粒循环速率较小时，x c 值在床层底部很 大，而在出口处接近为零。这是由于作用于粗颗粒上的曳力太小，不足以输送粗颗粒出 提升管的缘故。在此情况下，粗颗粒与细颗粒在床层顶部完全分离，称为完全离析。当 颗粒循环速率增加时，由于气体及细颗粒作用于粗颗粒的曳力增强，一部分粗颗粒开始 被气体及细颗粒的流动夹带至床层项部，粗颗粒体积分数】( c 在底部减小而在床层顶部 逐渐增大，这种流动状态称为部分离析。进一步增大颗粒循环速率，气体及细颗粒的强 烈携带作用最终使所有粗颗粒被夹带，床层轴向粗颗粒分率) 【c 趋于均匀分布。这表明 粗、细颗粒实现了完全混合状态。 当操作气速接近颗粒的终端速度时，颗粒离析程度减弱。气速继续增加，粗颗粒轴 向分布逐渐变得均匀。这是由于在强烈的气体曳力作用下，使粗颗粒在所有颗粒循环速 率下均实现了完全混合的流动状态。 综上所述，根据操作条件的不同，粗颗粒在提升管内的流动可以出现完全离析、 部分离析以及完全混合这三种流动状态。由离析状态向完全混合状态的转变，取决于气 体和粗颗粒间的相对速度与粗颗粒终端速度间的关系。 应用压差测定及采样方法，b a i 等f 16 ，1 刀研究- j x 叹组分循环流化床中颗粒平均含率 ( 1 一) ，粗、细颗粒含率( 1 一c ) 及( 1 一f ) 的轴向分布规律。在完全离析的操作条件下， 由于粗颗粒滞留在床层底部，床层由一个底部密相区( 含粗、细颗粒) 及项部稀相区( 仅含 细颗粒) 所构成。随着颗粒循环速率的增加，粗颗粒开始被部分夹带循环( 离析区) ，其结 果使床层底部浓相区高度上移，颗粒含率在床层顶部增大。当颗粒循环速率增大到使床 层进入完全混合状态时，由于此时细颗粒的循环速率已超过其对应气速下的饱和夹带速 率，结果( 1 一& ) 及( 1 一f ) 的轴向分布出现s 型。类似的结果也蹬现在较高操作气速下。 粗颗粒初始体积分数x c 0 对空隙率轴向分布的影响十分复杂。一般，粗颗粒的存在 增加了颗粒间的碰撞及返混，降低了颗粒的运动速度，从而增大了颗粒含率。然而，另 一方面，粗颗粒的存在必然使气体流通面积减小，从而使细颗粒的运动加速，其结果使 7 第一章前言 颗粒含率减小。可见，粗颗粒初始体积分数x e 0 对颗粒含率的影响就是这两个作用相反 的因素的综合结果【怕一7 1 。 迄今为止，欧拉欧拉双流体模型假设颗粒相是由相同粒径和物性的单颗粒组成。 然而在实际工程应用中，物料是由不同粒径或不同密度或两者兼是的宽筛分颗粒组成。 在相同密度、不同粒径的宽筛分颗粒组成的颗粒系统中，沿高度和径向颗粒呈现不同的 颗粒分布，床内形成颗粒分层流动。颗粒分层流动将影响床内气固两相流体动力特征， 传热和化学反应等过程，甚至会导致流化的失败。因此，在多组分颗粒的多相流体力学 方面，又有人提出了很多模型。a r a s t o o p o u r 等【懈】建立了一维非黏性气固多相流体流动 模型，模型考虑了颗粒间的相互作用，预测了气力输送垂直管内颗粒离析过程。基于稠 密气体分子运动论和颗粒动力学，j e n k i n s 等i 哼】建立了双组分颗粒流体动力模型，模型 假设双组分颗粒具有相同的湍流特性，即相同的颗粒温度。然而，由于颗粒间非弹性碰 撞造成的能量传递和耗散以及颗粒质量的差异，使不同颗粒组分具有不同的湍流特性， 具有不同的颗粒温度。基于稠密气体分子运动论和颗粒动力学，g i d a s p o w 等1 2 0 考虑各 颗粒组分具有非等颗粒温度，建立了双组分颗粒气固两相流动模型。基于g i d a s p o w 等 鳓研究，m a t h i e s e n 等f 2 1 埂出多组分颗粒气固两相流动模型，模拟了循环流化床双组分 颗粒的流动特性和粒径分布等规律。在g i d a s p o w 等【2 0 】研究的基础上，h u i l i n 等【2 2 剀建 立了非等颗粒温度的双组分颗粒气固两相流动模型，对循环流化床上升管中双组分颗粒 气固两相流动特性进行了数值模拟，模拟结果揭示了提升管中双组分颗粒气固两相流动 的环核流动结构，得到了平均颗粒粒径的轴向和径向分布规律。 1 2 3 颗粒轨道模型及离散单元法 双流体模型的特点是把分散的颗粒和流体相同样当作连续介质来处理，该模型对于 颗粒的复杂变化经历( 如物理、化学特性随时间的变化经历) 难以描述，对固相粘性系数 与压力采取经验化处理，颗粒相数值解有伪扩散等缺点；而颗粒轨道模型则避免了这些 缺点，能够详细分析颗粒之间的受力以及颗粒与流体之间的复杂作用，避免了大量经验 性的关系，同时颗粒轨道模型还避免了颗粒相数值解的伪扩散等问题。 颗粒轨道模型是在拉格朗日坐标系下，将颗粒处理为离散相，建立单个颗粒的运动 方程，与气相n a v i e r - s t o c k e s 方程耦合求解，颗粒的运动轨迹可根据求得的颗粒速度和 设定的时间步长积分得到。将大量颗粒的行为进行统计平均，可以获得颗粒相的流场。 颗粒轨道模型对颗粒相的处理，物理概念明确、简单，容易模拟有蒸发、挥发及发生反 8 c 扣国百油上学( 华东) 硕上学位论文 应的颗粒的经历，在颗粒相预报中无数值扩散。但颗粒轨道模型的最大缺点是随着颗粒 数的增加，计算时间呈指数增长，且计算内存要求很高目前多用于颗粒数较少的体系， 或稀疏的气，固两相流动体系，如燃烧器。随着计算机的迅速发展，颗粒轨道模型也得 到进一步的应用。 根据颗粒轨道的确定方法，把颗粒轨道模型又分为确定性轨道模型和随机轨道模型。 确定性轨道模型是以时均颗粒动量方程为基