（化学工艺专业论文）多产低碳烯烃变径提升管数值模拟研究.pdf

摘要 气固两相流态化渗透在石化、能源、冶金等各个领域，提升管工艺在石油加工中应 用尤其广泛。对于多产低碳烯烃的过程，传统的提升管反应器很难同时满足大剂油比、 适宜接触时间的目的，而变径提升管则可以较好地实现这两大目标。本文应用计算流体 力学( c f d ) 商业软件，对重质油加工国家重点实验室内3 m 高的变径提升管冷模装置 进行了数值模拟，摸索到一套能够描述该系统气固两相流动的计算模型及相关设置。此 外，本文还对大庆炼化公司多产低碳烯烃工业装置内的气固两相的流动行为进行了模拟 计算，给出气固两相在提升管内的分布状况，并依据计算的结果对比了不同结构对装置 操作造成的影响。 由冷模实验测得的固含率可知，提升管变径段内颗粒浓度非常高，团聚现象非常明 显，在数值模拟中需要考虑这种团聚作用的影响，杨宁根据能量最小多尺度模型得到的 曳力系数简化公式可以描述颗粒团聚的影响；对于固相采用颗粒动理学理论进行封闭， 固相进口采用“进口固体通量= 出口固体通量”的u d f 设置，颗粒碰撞恢复系数取0 8 5 。 将模拟结果与相同工况下的实验值进行对比发现，除了轴线上一些位置存在较大的偏差 外，其他位置尤其是在提升管边壁处吻合得较好，并且三维网格的计算结果比二维计算 结果更准确。本文认为二维计算误差较大的原因主要在网格划分上，由于二维模型中的 变径段面积扩大不够明显，导致轴线处气体速度偏大，因而固含率降低。 大庆炼化两段提升管多产低碳烯烃( t m p ) 装置也采用变径提升管技术，并进行了 部分装置的改造。本文着重对改造前后的装置的变径段部分进行气固两相流动模拟，同 时对相同管径的传统提升管内气固流动状况进行了计算。通过计算结果的对比可以发 现，改造后提升管内轴向上的催化剂分布比传统提升管要好，在主要反应区催化剂浓度 高；径向上催化剂分布也比较均匀，环一核结构得到一定的弱化；有效避免了催化剂的 高速碰撞，因而减小了催化剂磨损的量；催化剂的返混现象减小，可以减小催化剂的结 焦，提高产品的结构；同时，变径段以上气固速度急剧增大，可以减少二次反应的发生。 关键词：计算流体力学，气固两相流，变径提升管 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h eg a s s o l i dt 如俨p h a s ef l o wi nt m 咿 d i a m e t e r - c h a n g i n gr e a c t o 体 z h a n gh u a n ( c h e m i c a l1 c h n 0 1 0 9 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 f l u i d i z e db e dt e c h n 0 1 0 9 yw a sw i d e l ye n c o u n t e r e di np e t r o c h e m i c a l ，e n e r g ya n d m e t a l l u r g yi n d u s t r y 硒s e rr e a c t o rh 2 l sb e c o m eo n eo ft h em o s to r d i n a r yu s e de q u i p m e n ti n s o l i dc a t a l y t i cp r o c e s sb e c a u s eo ft h eg r e a ts u c c e s so ff l u i dc a t a l y t i cc r a c b n gp r o c e s s e n h a n c e dp r o p y l e n ep r o d u c t i o nt h r o u g hc a t a l y t i cp y r 0 1 y s i so fh e a v yo i lh a sb e c o m ea p r o m i s i n gt e c h n o l o g yt op r o m o t ee c o n o m i cp e r f 0 加a n c eo fe n t e 印r i s e w 1 1 i l e ，i 彻o v a t i o n s s h o u l db ei n t r o d u c e dt oa r c h i v ek 曲c a t a l y s t - o i lr a t i oa n da p p r o p r i a t er e s i d e n c et i m e s i m u l t a n e o u s l y ，r i s e rr e a c t o rw i t hc h a n 百n g d i 锄e t e rc o u l db eap r o b a b l es o l u t i o n i d e a lr i s e r r e a c t o rf o rt h u sp u 叩o s es h o u l db em a d eu po fs e v e r a ls e c t i o n s 而t l ld i f r e r e n td i a m e t e r n 啪e r i c a ls i m u l a t i o n sb a s e do nc o m p u t a t i o n a lf l u i d d y n 锄i c ( c f d ) t e c h n i q u eh a v eb e e n p e r f b 咖e dt oi n v e s t i g a t et h eh y d r o d y n 锄i c so fg a s - s o l i dt w op h a s ef l o wm ab e n c hs c a l e e x p e r i m e n t c o m m e r c i a lc o d ef l u e n tw a s u s e di nt h er e s e a r c ha 1 1 das u i t a b l em o d e lw a s d e v e l o p e d f l o wp a t t e mo ft h eg a s s o l i dt w op h a s en o w i na i li n d u s t r ys c a l er e a c t o ra 】s oh a s b e e ns i m u l a t e d e f f e c to fd i 丘e r e n tn o z z l ec o n 6 9 u r a t i o na i l di t si n n u e n c e o nc a t a l y s t d i s t r i b u t i o ni nr e a c t o rw e r ei n v e s t i g a t e da n dd i s c u s s e d e x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n to nb e n c hs c a l ee q u i p m e n ti n d i c a t e st h a t t h ev o j u m e 行a c t i o n o ft h ec a t a l y s ti nt h el a r g e rd i 锄e t e rs e c t i o no ft h er i s e rw 2 l sm u c hh i g h e rc o m p 撕n gw i t ht h e t r a d i t i o n a l s e r ，s ot h ec a t a l y s ta g g r e g a t i n gs h o u l dh a v em o r ee v i d e n c et oi n n u e n c ew h o l e n o wp a t t e m i m p r o v e dd r a gm o d e lb a s e do ne m m s ( e n e r g y m i n i m i z a t i o nm u l t i s c a l e ) m o d e ls h o u l dh a v eb e t t e ra b i 】i t yt op r e d i c tt h ed e n s es o l i dn o wb e h a v i o ri nt h er i s e r c o n s t a n t s o l i dr e s e r v ew a sk e e pb ys e t t i n gs o l i di n l e tv e l o c i t ya c c o r d i n gt ot h es o l i do u t l e tf l u x k i n e t i c t h e o r yf o rg r a n u l a rf l o w ( k t g f ) m o d e lw a su s e df o rs o l i dp h a s e av a l u eo fo 8 5w a su s e d f o rp a i r t i c l er e s t i t u t i o nc o e 衔c i e n ti nt h es i m u l a t i o n i tw a sn o t i c e dt h a t ，c f ds i m u l a t i o n s r e s u l t sb a s i c a l l ya g r e ew e l lw i t ht h em e a s u r e de x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t s 3 dc f d s i m u l a t i o ng a v eb e t t e rp r e c i s i o nt h a n2 dc a s e sd u et ot h em o r ea c c u r a t ed e s c r i p t i o no fr e a l e q u i p m e n ti n3 d s i m u l a t i o n d i f 佗r e n tc o n n g u r a t i o n so fn o z z l e sa n dr e a c t o rs t r u c t l l r eo n a ni n d u s t d ，s c a l er e a c t o r h a v eb e e ni n v e s t i g a t e db yc f ds i m u l a t i o na l s o a c c o r d i n gt ot h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，e x t r a n o t i c es h o u l db ep a i dt ot h e1 a r g e d i a m e t e rz o n e s ，w h e r et h em a i nr e a c t i o n sz o n e b ys u i t a b l e r e t r 0 6 t ，t h ea x i a ld i s t n b u t i o no fc a t a l y s tp a n i c l e sc o u l db ei n l p r o v e ds i g n i 6 c a n t l y ，i nn o z z l e z o n e st h es o l i dv o l u m ef a c t i o nw a sh i 曲e ra n dt h ec a t a l y s tr a d i a ld i s t r i b u t i o nw a s w e l l - p r o p o n i o n e d o r d i n a i ) ，c o r e 一锄u a ls t r u c t u i ew a sv e r yw e a ka n dt h ec o l l i s i o nb e t w e e n h i 曲v e l o c i t yc a t a l y s t sw a sa v o i d e d ，s ot h ea n r i t i o no ft h ec a t a l y s tc o u l db ee l i m i n a t e d h i 曲 g a sv e l o c i 移c o u l db eg a i n e d i nf o l l o w i n gs m a l ld i a m e t e rr i s e rs e c t i o n ，s ot 王l eu n d e s i r e d b y - p a s sp r o d u c t sc o u l db ec o n t r o l l e dr e a s o n a b l y k e y w o r d s ：c o m p u t a t i o n a ln u i dd y n a m i c ，g a s s o l i dt w op h a s en o w ，d i 锄e t e r c h a n g i n g a i 。一一入口截面积，m 2 d 一一提升管直径 e 一一颗粒间碰撞恢复系数 g 。一一颗粒质量流率，k g m 一s 1 g 一一重力加速度，m s 2 k 。一一颗粒湍能，m 2 s 乏 u 2 一一表观气速，m s 。 一一气相湍能耗散率，m 2 s 2 。一一固体颗粒最大体积分率 如，k i n 一一颗粒动力学粘度，p a s 三一一颗粒容积粘度，p a s s 一一颗粒温度，m 2 s 之 符号说明 c d 一一曳力系数 d 。一一颗粒平均直径，“m e w 一一颗粒与壁面间的碰撞恢复系数 g o 一一径向分布系数 h 一一提升管高度，m q 一一风机风量，m 弧 p 一一气固两相相间摩擦系数，k ( m 2 s ) s 一一固体体积分率 一一颗粒剪切粘度，p a s 脚厂一颗粒碰撞粘度，p a s p ；一一颗粒密度，蚝m 。3 一一曳力系数修正因子 上下标 g 一一气相 s 一一固相 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：丛妪同期：2 0d 髟年占月2 日 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进行检索，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e 。 学位论文作者签名：丑叁丛 指导教师签名： j 秘仁 日期： 2 d o 譬年6 月2 同 日期：硝年么月夕日 中困石油人学( o 仁东) 形jf ：学位论义 第一章前言 1 1 提升管及变径提升管的应用及其发展 循环流化床技术在现代石油、化工、能源、轻工、冶金、材料、环保等行业中有大 量的应用。自1 9 3 6 年间歇操作的固定床催化裂化装置投入工业化以来，一直是炼油生 产中提高原油加工深度、生产高辛烷值汽油、柴油和液化气等轻质油品的核心二次加工 工艺。2 0 世纪4 0 年代是流态化技术发展的初期，当时人们为了生产战争所需的汽油， 研究和开发了流化催化裂化工业装置。2 0 世纪6 0 年代开发成功的提升管反应器使流态 化技术的应用达到了一个新的高度，使催化裂化成为炼油工业最重要的加工手段之一。 近半个世纪以来，催化裂化技术在我国获得了高速发展，是炼化企业实现重油轻质化以 提高经济效益的最重要手段之一，为我国石化工业和国民经济发展做出了巨大贡献。进 入2 l 世纪，循环流化床是流态化研究中最活跃的领域之一，以流态化为核心的工程技 术在推动催化裂化技术发展的进程中一直扮演着举足轻重的角色。 提升管反应器是目前催化裂化裂解装置普遍采用的一种反应器。由于操作条件温 和，对原料的选择性强，丙烯选择性高，催化裂解技术在多产低碳烯烃的生产工艺中日 益受到重视f 】，催化裂解多产低碳烯烃需要大的剂油比和较短停留时间f 2 一钉，但是在现有 结构提升管反应器中二者难以同时实现。提升管反应器内催化剂浓度的大小对反应至关 重要，它决定了油气与催化剂实际接触频率和时间，而提升管反应器内的催化剂浓度与 提升管反应器内气相介质的流速有很大关系。催化裂解工艺通常采用等直径的提升管反 应器，随着裂解反应的进行，平均分子量减小，气速增大，催化剂浓度变小，使得反应 效率大大降低。为了提高反应，提升管反应器必须变得很高。同时，提升管反应器后半 段催化剂活性和选择性严重下降，中l 、日j 产物易发生过裂化，严重影响后半段反应的效率 和产品性能。针对传统提升管反应器存在的矛盾以及对反应造成的弊端，许多学者进行 了一系列的提升管反应器改造。 郑茂军等【5 】提出了一种具有切向二次风、变直径的抗返混提升管反应器结构，其中 进料喷嘴部位以上采用缩径结构是反应器开发的核心技术，如图1 1 所示。从流场观点 来说，缩径结构可以破坏传统提升管反应器的环核流动结构，改变流场方向，使底部已 经具有一定出速度的物流，进一步加速并向核心区聚集；另方面，从压力场的观点分 析，由于底部截面积大于上部截面积，故在缩径段可产生足够强的压力场，克服催化剂 颗粒的重力作用，使物流得到一个向卜流动的推动力；可以使提升管在核心区能够形成 第一章前； 较为均匀的平推流，而在边壁区能够消除u 形絮状物的生成和返混。 二次 提升 廿 、 雾化 喷嘴 再生催化剂 斜管 图卜1抗返混提升管反应器结构图 l l s t m c t i i 他o fa n 僻m i x i n gr i 靶rr 姻c t o r 李松年等【6 】提出一种用于流化催化转化的提升管反应器装置，该反应器的特征在于 横截面圆的直径随着反应器高度不同而发生连续变化，直径d 由下式确定： h = 彳( d 以) 6 一b ( d 巩) 5 + c ( d 玩) 4 一d ( d 哦) 3 + e ( d 盛) 2 一f ( d 吨) + g( 1 1 ) 式中d 一某一高度下反应器的直径，米 d o 一反应器最小直径，米 h 一反应器某一高度取值，米 a 、b 、c 、d 、e 、f 、g 等均为常数。 本反应器的特点是提供一种流体入口流速与出口流速基本相同、用于流化催化转化 的提升管反应器，以满足多产气态烯烃工艺的需要。但是本反应器的直径在一直变化， 推广性能不是很好。 刘献玲等0 7 1 提出一种将汽提段的直径进行扩大，而反应段仍然采用传统直径的反应 器。这里，反应段采用直筒就存在了一定的缺点，原料油经喷嘴雾化后，形成微小液滴 与高温催化剂解除后迅速汽化裂解，体积突然膨胀，气固湍流加剧，返混严重，造成在 该段内气固接触效率降低，当裂化反应接近完成时，需要提高线速以减少气固停留时间， 减少二次反应，而直筒式反应段无法控制气体线速。 石宝珍等【8 1 针对反应段为直筒的缺点，将反应段化分为第一反应段、第二反应段、 反应控制段，不同的反应段锥角不同。实验表明，在采用该发明技术方案后，提升管主 中固也油人学( 华东) 坝+ l 学位论文 反应段实现了热催化剂中心分配，使提升管中心区催化剂密度提高2 0 以上，边壁区催 化剂密度下降5 0 ，明显提高了气固接触效率，使原料油与催化剂有效接触区域占提升 管总面积的9 0 以上，基本消除了死区。 闫鸿飞等【9 】发明一种降低催化裂化汽油硫含量的双提升管催化裂化装置。该装置包 含两个提升管反应器，在重油提升管反应器中采用直筒反应器，而在汽油提升管反应器 中采用变径段反应器。实验结果表明，采用该发明与常规装置相比，汽油硫含量可以降 低5 0 7 0 ( 质量百分比) ，汽油烯烃含量降低2 0 4 0 个体积百分点，汽油辛烷值( r o n ) 提高0 2 2 o 个单位，全装置产品分布良好。 许友好等【1 0 】通过对催化裂化反应机理的分析并综合烯烃在不同类型反应器上得到 的反应，提出催化裂化新工艺m i p 工艺。该工艺的关键设备之一为双循环变径提升管反 应器。依据催化裂化提升管反应器的特性，提升管分为2 个不同的反应区，下部是具有 较小床径、较高气速的气力输送区，上部是具有较大床径、较低气速的快速流化区，二 者由扩径段的相连，形成了主、副两个固体循环回路，达到在提升管扩径段增进颗粒浓 度的目的。 中国石油大学( 华东) 重油国家重点实验室提出了两段提升管工艺技术，该工艺打 破了单段提升管反应器的结构和反应一再生系统流程，采用尺寸优化的两段提升管反应 器，核心是段问更换再生催化剂、实现分段反应，借助催化剂的整体活性的选择性的提 高，达到提高转化深度、改善产品分布和提高产品质量的目的j 。同时，在两段思想的 基础上，考虑在反应区域增大变径，在实验室内建立变径提升管冷模试验装置，如图1 2 所示，在2 0 m m 内径的提升管冷模装置上对等径提升管和变径提升管内不同位置处固体 颗粒的浓度进行了实验测量，通过修改变径段的长度、变径段直径以及改变扩径、缩径 的角度来考察变径对提升管内气固两相流动的影响，并对装置的影响因素进行了总结、 比较【1 2 】。 第一节前吉 奄；空气进口 命 u 空气入口 ( a ) 流程图 ( b ) 变径段详图 图卜2 实验装置流程图 卜流量计2 气体分稚器2 - 提升管4 一测压点5 一贮料罐6 一计量筒 f i g l - 2 s c h e m a t i cd i a g 髓mo f 旺p e r i m e n t a la p p a 瑚t i i s 1 一n o wm e t e r ；2 一g a sd i s t r i b u t o r ；2 - r i s e r ；4 s i t 鹤f o rw a t e rm a o m e t e rf o rp r 嘴s u 阳d m p 5 - s t o r a g et a n k ；6 m 明s u r i n gc o l u m 皿 催化剂几口 冷模实验结果表吲1 ，采用变径结构的提升管，可以改善提升管内部催化剂颗粒的 浓度分布，提高提升管底部变径段的剂油比。与相同直径的传统结构提升管相比较，在 相同的循环量下，底部反应区的固含率可以提高2 4 倍，颗粒浓度径向分布更加均匀， 有利于在反应区内实现较大剂油比；变径段以上气速明显加大，催化剂停留时间减小， 可以降低二次反应发生，同时可以实现催化剂颗粒与油气更加均匀的混合，从而使得催 化剂颗粒与油气更加充分均匀的接触反应，为催化裂解多产低碳烯烃创造更加有利的条 件。采用变径结构的大庆炼化多产丙烯工业装置的操作结果也有力地证明了冷模实验得 到的这些结论。 1 2 提升管反应器气囤两相流动的数值模拟 一系列的研究表明，提升管反应器内流动是非常复杂的【1 4 】，偏离平推流较大，主要 中旧t 油人学( 华尔) 坝f j 学位论义 表现为：( 1 ) 沿高度方向上存在着密度差异，还存在加速度的作用和不同的滑落系数； ( 2 ) 在同一高度的横截面上明显存在着“温度场”和“浓度场”，其高低差额可达数十 摄氏度或几倍密度值，它突出反映了气固接触的不均匀性；( 3 ) 催化剂的有效活性为停 留时间的函数，由于存在滑落，油气与催化剂停留时间不同。要想真实地了解提升管反 应器，必须完成对提升管反应器的模拟。 虽然催化原料存在着部分气化的问题，但模型研究中假设原料液雾进入提升管后全 部瞬间气化可行的，而且目前发表的反应动力学模型中模型参数的回归大多都是在气相 进料的假设下进行的，采用气相进料的形式可以与这些反应动力学模型中的参数保持一 致。所以，提升管的模拟可以从提升管内气固两相流动的模拟入手。 按照数值模拟的方法，气固两相流动模型主要有两类：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( t f m ，t w of l u i dm o d e l ) 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，可用于研究多个颗粒之 间相互作用的离散单元( d e m ，d i s c r e t ep 缸i c l em o d e l ) 在这一类模型中得到了很好的 应用。 1 2 1 双流体模型 双流体模型的基础是把颗粒相也当作连续流体处理。一些基本假设为： ( 1 ) 在流场中的每一位置，颗粒相与气相共存，每一相具有各自的速度、温度和体 积分数，但是每个尺寸组的颗粒具有相同的速度和温度； ( 2 ) 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； ( 3 ) 忽略颗粒所受的浮力、虚拟质量力、b a s s e t 力、m a g n u s 力、s a 胁a n 力、热泳 力等，仅考虑颗粒在流场中所受的阻力和重力，认为颗粒群由同样质量和大小的颗粒组 成； ( 4 ) 用初始尺寸分布来区分颗粒组。 采用双流体模型建立两相流方程的观点和基本方法是，先建立每一相瞬时的、局部 的守恒方程，然后通过统计某段时间内的瞬态模拟结果的平均值来模拟气固两相的流的 非均匀分布。 双流体模型的基本方程可以统一表示为： 第一章前吉 昙( 嘁) + 号( 喊) = 昙( r 办警愕卜等h m 2 ， 式中，k 为相体积分数，k = g 为气相，k = s 为固相；p k 为k 相的密度：纨为k 相物理量特征，如速度分量、温度、焓、质量分数等；甜k ，u 胃分别为k 相的轴向和径向 速度：k 为k 相内部纨的输运系数；s 张为源相，包含各相自身的源项和相间的作用 ( 相间质量、动量、能量交换等) 。 在不考虑化学反应及传热的情况时，双流体模型( e u l e r - e u l e r ) 的基本方程包括： 连续方程： 气体相： 言( 依) + v ( & 圪) = o ( 1 3 ) 颗粒相： 昙( t 风) + v ( 乞肛k ) = o ( 1 - 4 ) 动量方程： 气体相： 暑( b 名) + v ( 岛k 匕) = 一v 名+ 岛g + v 乙一( 一k ) ( 1 5 ) 颗粒相： 妄( t 肛圪) + v ( 乞肛口k 圪) = 一t v 名+ 乞肛g + v 。t 一( k 一名) ( 1 - 6 ) 动量方程式( 1 5 ) 、( 1 6 ) 中，等号右边的四项依次为压力项、重力项、应力项和曳力 项。虽然实际系统中应力项为非线性的，但一般都沿用牛顿粘性假设，气固应力分别为： r g2 以 【v + ( v ) 7 卜专( v ) n ( 1 - 7 ) t = 卜咚p p + 丑( v 甜，) 】，+ 瓦熊 【v + ( v 以) 7 卜詈( v 甜，) ，) ( 1 8 ) 求解方程组( 1 3 ) ( 1 8 ) ，关键是给出颗粒压力、颗粒粘度等的表达式，以封闭颗粒 相动量方程中的剪切力，不同的研究者因封闭形式的不同而得到不同形式的双流体模 型；还有就是确定两相作用的曳力系数b ，根据不同情况也提出了许多曳力系数的表达 式。 1 2 1 1 颗粒动理学方法 一种广泛应用的求解固相粘度和固相压力的方法是颗粒动理学方法( k t g f k i n e t i c t h e o r yf o rg r a n u l a rf l o w s ) 。该理论的基本思想是将固体颗粒比拟为气体分子，参照稠 6 中田i j 汕人学( o # 东) 坝l j 学化论义 密气体分子运动论，考虑颗粒的随机脉动与颗粒问的相互碰撞，定义了固体的颗粒温度 ( g r a n u l a rt e m p e r a t u r e ) 。颗粒温度o 。定义为颗粒脉动速度在3 个方向上的均方根，用 以衡量颗粒脉动动能的大小。颗粒平均速度v 为速度的算术平均值，速度的标准偏差。 由瞬时速度v i 与平均速度v 计算得到： 矿2 专善( v f 一y ，实验验证可近似假设角速度和径向速度相等，则颗粒温度满足： 1，1 o = 妻( 谚+ 司+ 蠢) = 导霹+ 仃； jj ， ( 1 9 ) 颗粒温度与气体温度的不同之处是：颗粒温度是颗粒脉动速度的量度，气体温度是 分子运动的度量；分子运动是由自身的温度决定的，而颗粒运动是由为例或运动边界驱 动的，分子碰撞不耗散能量，而颗粒碰撞有能量损失。在颗粒温度定义的基础上，得到 了颗粒压力和颗粒粘度等一系列的定义。 ( 1 ) 颗粒压力p 。 固体颗粒相压力由两部分组成：即由颗粒速度脉动引起( 在层流模型中可忽略) 的 压力和由颗粒间碰撞引起的压力，可以表示为： 只= 乞肛o ，【1 + 2 t ( 1 + p ) 】 ( 1 - 1 0 ) e 代表颗粒间碰撞后的弹性恢复系数，随着颗粒类型的不同它有不同的取值。 g i d a s p o w 和陆慧林【1 5 ，1 6 1 发现，在固体体积分率小于5 的时候，颗粒共聚力是可以 忽略的；而当固体体积分率大于5 的时候，必须考虑共聚压力的作用，则颗粒压力的 表达式变为： = t b o ，i1 + 2 9 0 t ( 1 + p ) 一( o 7 3 t + 8 9 5 7 t 2 ) l ( 1 一1 1 ) 何玉荣等1 7 1 对喷动床内气固两相进行了分析，认为在高浓度气固两相流中颗粒间的 相互作用受两种机制的共同控制：颗粒非弹性碰撞产生动量交换而形成快速剪切作 用；颗粒接触产生摩擦而引起应力的慢剪切作用。在颗粒浓度高的区域，颗粒碰撞形 成的应力和颗粒滑动接触形成的应力占主要地位；在颗粒低浓度区域，颗粒碰撞产生的 应力占主要位置。 ( 2 ) 颗粒碰撞恢复系数e 在颗粒动理学理论中颗粒碰撞恢复系数e 是非常关键的参数，它表征颗粒间非弹，l 生 碰撞的程度，e 的值在0 到1 之间变化。当颗粒之问为完全弹性碰撞时，e 值为l ；当颗 粒之间为完全非弹性碰撞时，e 值为o ；e 值越大，表示碰撞越理想。e 值的选取直接影 第一审前击 响与颗粒相动理学理论相关的一些性质，如颗粒粘度，颗粒相压力和颗粒动能耗散率等。 g i d a s p o w 和陆慧林等通过实验测量的方法，得到颗粒碰撞恢复系数的值，近似为1 ， 在进行数值模拟时他们一般取为0 9 9 9 4 ：但模拟的工况固含率一般都不是很高。程易在 其论文中【1 8 】提到，在基于动理学理论的模型在对提升管进行模拟计算时，一般颗粒碰撞 恢复系数取值为1 ，边壁处颗粒与壁面的碰撞恢复系数为0 9 ，可以根据不同颗粒类型适 当的给予合适的取值。另外，程易在文中【1 8 】还提到，从e 的物理意义分析，在实际的流 场中，影响e 的因素可能还有两个：一个是局部颗粒含率，一个则是壁面效应。对前者， 当颗粒发生聚集时，颗粒间碰撞比较复杂，这时局部流场内颗粒的碰撞包括单颗粒碰撞、 颗粒团之间的碰撞、颗粒团与单颗粒碰撞以及多个颗粒的同时碰撞，反映两个单颗粒碰 撞行为的恢复系数e 已经不能反映局部流场处的平均颗粒碰撞行为，恢复系数需要进行 一定的校正；另一方面，边壁会对管内颗粒碰撞行为产生影响，边壁处一般恢复系数比 其他处要低，碰撞耗散的能量多，则颗粒聚集于边壁处。他主张要对颗粒碰撞恢复系数 进行校正： 牡乞+ 菡簪 m 王嘉骏等【1 9 】采用两相流颗粒动理学方法分析了恢复系数e 对模拟结果的影响，从颗 粒耗散、颗粒动能和颗粒势能的角度分析了它的作用机理。 边壁的存在会对管内的颗粒碰撞行为产生一定程度的影响。由于边壁一般与颗粒的 性质不同，颗粒对壁的碰撞不同与颗粒问的碰撞。以往的研究【1 6 】一般均假定颗粒对壁面 的碰撞恢复系数低于颗粒间碰撞恢复系数，换句话说，颗粒对边壁的碰撞非理想性更强， 则壁面处颗粒因非弹性碰撞耗散的能量就越多，进而导致更多的颗粒聚集于边壁附近， 形成典型的颗粒中心浓度低而边壁浓度高的管流分布形式。 ( 3 ) 径向分布函数勖 径向分布函数g o 是一个修正因子，当固体颗粒相变密时用于修改颗粒之间碰撞的概 率。它可以理解为球体问的无因次距离： g 。：盟 ( 1 1 3 ) g o2 一 【卜j j ， s 指的是球状颗粒的距离。如果颗粒柏很稀，即s 一，这时助一1 ；而如果颗粒相 处于压紧状态，s 一0 ，则有g o 一。 径向分布函数有几种不同的表达形式，最常用的表达式为： 中固石油人学( # 东) 倾l ：学位沦义 驴巧志了 o 。1 4 其中：t m 瓠= o 6 3 ( 4 ) 固相颗粒粘度 固体颗粒相受到的应力包括由于颗粒的运动和碰撞颗粒进行的动量交换而产生的 剪切粘性应力以及体积粘性应力。颗粒的剪切粘性包括碰撞项、动能项和可选择的摩擦 项： 以= 鸬，+ 从，t 加+ 以，- ( 1 1 5 ) g i d a s p o w 提出了颗粒碰撞粘度项的表达式： 铀= 知硼叫( 封 ( 1 - 1 6 ) 动理学粘度包括两部分：颗粒相部分和体积相部分 段，船。2 以，枷，g 啪+ 从，砌，妇脏 ( 1 - 1 7 ) 根据s y 锄l a l 和g i d a s p o w 提出来的动理学颗粒相粘度公式如下： 以砌g 。= 三型詈 兰芋 ，+ ；岛t ( + p ) ( 3 p 一) 】 ( - - 8 ) 从，t 。，。= ! 罢孝；宇兰手 c + 导g 。( + p ) ，2 c ，- ，9 ， 固体体积粘度解释为颗粒压缩和扩张的抵抗力，l u n l 2 0 1 提出的体积颗粒粘度： 肚= 导乞成蝙( 1 卅俜 ( 1 2 。) 摩擦粘度是在低剪切密集流动中，固体的第二相体积分数接近于压缩极限，应力的 产4 丰要是由于颗粒乡间的麾擦。如果计算中包含摩擦粘度，f i ，u e n t 使用的表达式为： 2 甓 ( 1 2 1 ) 这里p 。是固体压力，西是内部摩擦角，1 2 d 是偏应力张量的第二不变式。 s r i v a s t a v a ，a n u j 等f 2 1 1 在对喷动床的模拟中引入独立的摩擦力表达式，但在模拟流化 床的时候，颗粒间的摩擦力是可以忽略的，就不考虑这一项粘度。 ( 5 ) 颗粒温度o ； 颗粒温度0 。是反映颗粒相的速度脉动的物理量，其单位为m 2 s 2 ，它代表了颗粒随 第一章前吉 机的动力学能量。其方程为： 三 昙( 以t o ，) + v ( 麒t 以o ，) 】= ( 一只，+ t ) v k v ( 如，v o ，) 一归；+ 站 ( 1 _ 2 2 ) 公式( 1 2 2 ) 中，等式右边第一项是指有效剪切力造成的湍动能产生，第二项是颗粒 温度梯度的贡献值，第三项是由于颗粒非弹性碰撞造成的耗散幢扪，笫四项代表气固之间 的能量交换。其中k e 。为能量的扩散系数，o 。：为两相间的能量传递系数。式中y 为碰撞 能量扩散系数，其表达式为： 以：兰挚以o 笋 ( 1 2 3 ) 口。7 r 站= 一3 胂， ( 1 2 4 ) g i d a s p o w 和陆慧林的研究【2 3 】表明，用k t g f 计算出来的固相粘度与宏观测量得到 的固体粘度基本吻合。 陆慧林等【2 4 2 5 】采用稠密气固两相流动模型，结合基于颗粒动理学方法建立的颗粒脉 动方程模型和气相湍流s g s 模型，模拟计算管内气固两相流动。模拟计算结果显示典 型的颗粒相动力黏性系数范围是0 0 0 5 o 0 5n s m 2 ，壁面附近区域颗粒浓度和速度预测 值偏离实验值。 s b e n v a h i a 等2 6 1 利用颗粒动理学方法描述了循环流化床提升管中的气固流动行为， 文中采用双进口双出口的网格设置进行二维模拟计算，讨论了初始条件以及进出口网格 设计对计算结果的影响，作者认为，进出口的情况对整个压降分布的影响是很明显的， 只有进行三维模拟才能正确地得到压力分布数据，但时间消耗是一个不得不考虑的因 素；同时还发现，几何尺寸对颗粒的运动方式和床内压降的影响比较大，当直径增加一 倍时，核心区范围相对减小，而压降明显增加。 张永好等认为，对气固流动尤其是稠密气固流动，内部能量耗散主要体现在当地 流动压缩、膨胀以及流动方向改变上，而不是气相湍动的影响，即使气相是层流状态这 种能量耗散也存在。所以说，气相的湍动对流动有很小的影响，它是次要因素。最主要 的影响因素是气固两相之问的动量传递，也就是曳力。计算已经表明【2 引，单纯改进湍动 模型的方法并不能解决动量传递问题。气固流动最主要的因素是颗粒的碰撞频率、骨架 等等。因此，在许多研究者的文章中，都用层流模型来进行计算，并且得到了与实验相 吻合的结果。 i o 中圈右油人学( 华东) 帧i j 学位论文 在层流流体一固体两相流中不计脉动应力的影响，固体粘性系数通常被模拟为流体 相( 或固体相) 体积分数的函数1 2 9 】。t s u o 和g i d a s p o w 【3 0 l 取颗粒相粘度为常数模拟了传 统流化床，通过输入合适的固体粘度值，常粘度模型可以预测气固两相流动装置级别的 流动形式与混合现象。s u n 和g i d a s p o w 取颗粒相粘度为固含率的线性函数模拟了循环 流化床提升管【2 9 1 。但是，这类模型严重依赖经验，也不能对装置的流动现象做出深入的 解释，适应性有限。 陆慧林等f 3 1 1 采用颗粒动理学的方法，通过在动量方程中添加源项来改变固体颗粒的 受力状况，研究了重力对流动特性的影响，为超重或者失重的情况做了模拟预测。 l u b e n f 3 2 1 等通过对比不同给定的固体粘度的计算结果，得到较合适的固体粘度，数 值为o 5 0 9 ；并且显示了固相粘度对颗粒团的形成有很大的影响，计算结果发现，固体 粘度小时，颗粒团主要在提升管中间高度被发现，固体粘度大时，主要在提升管上部以 及中部发现；当粘度为0 2 5 0 或者0 5 0 9 的时候，计算值与实验研究最为接近；当粘度 为0 时，计算中没有颗粒团的形成；同时，还需要将曳力模型进行筛选。 张锴，张济宇，张碧江等【3 3 】从湍流两相流理论出发，详细推导了描述气固流化床内 两相流动的双流体力学模型，根据方程的封闭性原理给出了所需本构关系的表达式，并 编写了图形处理软件c a s i c c ，该程序可以分析气一固流化床内基本流场的瞬态或时均 特性。目前，大多数的粘度模型是关于两相流混合粘度的，它也是固体体积分数的函数。 e c r u z 等【3 4 】利用这种方法提出对高密度循环流化床进行模拟的一种模型，利用数理 统计软件s p s s 通过对实验的归纳，给出了混合当地粘度以及对应的气固曳力表达式， 对边壁处的模拟取得了不错的结果。 另外，还有许多学者将单相流湍流理论的思想推广到两相流，应用k - 模型来处理 两相湍流。周力行1 3 5 】用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，得到了关于固相湍动动能k p 的输运方程模型，该模型与气相k - 模型一起构成了 k - k d 模型。 陈新国，徐春明，郭印诚等【3 6 3 7 】在前人研究成果的基础上，成功地把湍动能模型耦 合到颗粒动力学模型中考虑颗粒湍流效应，提出k - o h k 。模型，从而表征出催化剂颗粒 的流动。 在k 一k p 模型和k - 0 h k p 模型的基础上，力晓涛等【3 8 1 进一步推进，建立了k 吒一o h k p 一p 模型，即在颗粒动力学理沦的基础上同时考虑气相和颗粒相的湍动和耗散，为气相耗 散，。为固相耗散。 第一审前刍 但是，这种雷诺平均方法的计算需要进行稳态计算，这样就很难描述动态的气固两 相流动实际过程以及周期性的变化。 尽管近几十年来基于双流体模型对流化床的数值模拟取得了很大的成功，但仍然存 在着一些难以解决的理论问题，主要包括： 1 、固相的本构方程难以确定。将实际的离散的颗粒处理成连续介质时会遇到很多 的困难，主要集中在确定颗粒相拟流体的粘性应力和静压力； 2 、无法进行微观层次上的研究。连续流的假设是对某局部区域取的平均值，所 以无法获得颗粒层次上的运动信息； 3 、模型控制方程组存在争论，并且固相控制方程的边界条件的确定也不是很完善； 1 2 1 2 气固两相之间的曳力 颗粒在流场中受到的作用力包括重力、曳力、浮力及其他大小可以忽略的作用力( 例 如m a g l l u s 旋转升力、s a 行m a n 力、b a s s e t 力等) ，其中颗粒与流体问的相互作用主要为 气固曳力作用。曳力反映了相间作用的强弱程度，是双流体模型模拟的一个关键参数。 标准曳力系数c d o 对应于单颗粒在无限大流场中的运动情形，已经得到较为深入的 研究。对于多颗粒系统，大部分研究者将标准曳力系数c d o 修正后得到表观曳力c d ： c d = 缈c d o ，( 1 2 5 ) 其中( o 为修正因子，一般认为是空隙率的函数： 彩2 ( 卜2 6 ) 其中n 值可以通过实验数据关联得到。 双流体模型的计算中，g i d a s p o w 提出一种曳力公式，在颗粒浓度较高的情况下( 固 含率大于o 2 ) 采用e 唱u n 公式计算曳力系数，而在颗粒浓度较低的情况下( 固含率小 于等于o 2 )