Barracuda_stein

1、CPFD软件Barracuda工程案例介绍 应用领域：化学、石化、电力等,理解,优化,模拟,CPFD Software, LLC,引言,为什么需要CPFD? 分析过程工业中经常遇到的需要处理大量颗粒的设备；含大量颗粒的多相流问题 模拟: 什么是CPFD？ 谁在使用这项技术，使用这项技术能做什么？ 如何发挥作用，为什么能发挥作用？ 理解: 仿真加实验验证能帮助我们有效地理解设备的内在运行机理 优化: 工业尺度设备的应用 已经应用的案例，从中我们认识到了什么？,www.cpfd-,什么是CPFD?,CPFD（Computational Particle Fluid Dylamic）是一种专门处理连

2、续流体和离散固体的“混合”数值方法（Barracua软件采用了此方法） 流体(气体 or 液体) 采用欧拉方法 = CFD控制体积法 颗粒采用拉格朗日方法 颗粒通过位置、位移等影响流体，流体通过曳力影响颗粒 用户定义的任意颗粒尺度分布 (particle size distribution, PSD) 至关重要! 不受限的颗粒和气体组分 质量、动量和能量的完全守恒 Inter-Phase插值算子 流体和颗粒动量上紧耦合(完全隐式) 颗粒应力张量; 颗粒间的碰撞; 颗粒-壁面的碰撞 CPFD 数值方法是由Dr. Dale M. Snider首先提出 Journal of Computationa

3、l Physics 170, 523-549 (2001) Chemical Engineering Science 64 (2009),www.cpfd-,Slide 3,CPFD用户及应用领域,Alstom 电厂设备, 循环流化床, 旋风分离器等 Dow Chemicals 提升管, 旋风分离器, 干燥器等 ExxonMobil 炼焦器, 旋风分离器,壁面磨损,催化裂化再生器, 沉降器 DowCorning, Siliken, SCC 多晶硅 反应器 Emtrol; Fisher-Klosterman 旋风分离器 GreatPoint Energy 气化炉 Idemitsu 裂解炉 IHI

4、 煤气化炉; 循环流化床燃烧器 Ineos AN and other LyondellBasell 裂解炉 Millennium Chemicals TiO2氯化器 U.S. DoE NETL 气化炉, 发电设备, CO2 分离设备. PSRI 工业试验设计 Sandia National Labs 提升管、特殊防护设备 Shaw Stone and Weber 石化 SilvaGas 生物质气化炉 Solutia -丙烯腈反应器 Thermochem Recovery Intl. (TRI) 生物质气化炉 Others: Ebara; AixProcess; Westinghouse,www

5、.cpfd-,新奥科技发展有限公司 中科院过程所 GE（中国）全球研发中心 东南大学 中科院工程热物理研究所,流化床(带侧壁喷嘴）,www.cpfd-,实验验证: 工业部件的可靠性,作为PSRI公司联盟中的一员, PSRI为CPFD 软件提供了大量的实验数据，包括：旋风分离设备、提升管、流化床、喷淋器等.,www.cpfd-,CPFD 案例旋风分离器,www.cpfd-,计算条件 第一级（共三级） 入流气速: 23 m/s 压力: 220,000 Pa 颗粒装载量: 占旋流器体积的1.5% 非常高的装料量 颗粒密度: 1600 kg/m3 粒径分布1 to 120 微米 细颗粒浓度( 44 微

6、米) 10-30%,计算结果中的聚束现象与真实情况中所呈现的完全一致.,仿真结果与实物对比,计算结果显示（筒体）： 1、磨损最严重的区域发生在颗粒入流方向15o与35o之间 2、磨损区域与磨损最严重区域与实物观测结果基本吻合,www.cpfd-,仿真结果与实物观测对比,计算结果意外地预测到： 在外部涡流管墙壁上因为磨损而产生了一个穿洞 与实物观测完全吻合,www.cpfd-,(c),液-固重力沉降器(加拿大沥青沙; 金属矿石的加氢工艺),注: 单台工作站上模拟设备1小时的运行情况，耗时约12天,颗粒尺寸分布,颗粒停留时间分布,www.cpfd-,仿真结果与实验及解析解的比较,www.cpfd-

7、,Barracuda,实验,自由沉降速度 （水中）,实验验证: PSRI 5英尺深度流化床设备,www.cpfd-,内部三个旋风分离器,喷淋器,17 ft (5.18 m),反应器直径:5英尺(1.52 m), 容器内固体颗粒信息: 床层静止时的初始高度为5 英尺 (1.52 m) 固体颗粒体积分数= 0.61 颗粒相 是 A 组重质催化剂 D50 80 microns 2% 细颗粒 (即44 microns的颗粒) 气体表观速度: 1 ft/s (0.3048 m/s) 旋风分离器信息： 反应器内部三个旋风分离器 两根料腿深入到床层 第三个旋风分离器只有一半,料腿紧贴在透明的反应器表面，便于

8、目视观察 颗粒量：约100万 AIChE paper, Fall 2007,实验验证: PSRI研究案例, Barracuda 模型几何尺寸,www.cpfd-,实验验证: PSRI研究案例及实验对比,PSRI采用Barracuda模拟的5英尺FCC试验设备中的气体沟流现象得到了实验验证,www.cpfd-,100秒到212秒的时间平均值 左图: 正视图(透明器壁) 右图: 沿X轴方向的中心切面图 在喷淋器附近存在一个固体颗粒的低浓度区域 床层大部分区域的固体颗粒浓度和压力梯度都比较均匀 稠密相到稀疏段的过渡非常明显,时间平均后的结果,稀疏相,稠密相,实验验证: PSRI 研究案例压力梯度 d

9、p/dz (Pa/m),www.cpfd-,实验验证:PSRI研究案例中流化信息计算结果,CPFD 计算得到了许多通过实验无法获得的信息 这些信息对我们掌握设备的运行性能至关重要: 3D显示沟流出现的具体位置 固体颗粒停留时间分布(RTD) 固体颗粒的分离现象 床层的固体颗粒流通量 床层的气流通量 气固接触 化学反应/收率,细颗粒浓度： 9%,www.cpfd-,Slide 17,理解, 优化,模拟,Barracuda 煤气化炉模拟,www.cpfd-,模拟 在Barracuda里建立具有复杂几何形状的流体-颗粒系统的工业气化炉模型 准确预测颗粒与流体的流动样式 建立化学反应动力学模型，并且与

10、热力学以及颗粒-流体运动完全耦合,Slide 18,Barracuda 煤气化炉模拟,www.cpfd-,理解 观察到工业设备内部所发生的各种物理化学现象 确定运行中可能出现的问题 磨损 局部过热 流态化 沟流 结合工业运行数据及实验数据，采用Barracuda对气化炉进行模拟,Slide 19,Barracuda 煤气化炉模拟,www.cpfd-,优化 最大限度提高生产效率 提高产品收率 提高利润率 最大限度缩减工作量 确保实施前的设计更改是有效的 更加自信地设计新的反应器 减少从实验室到中试最后到工业应用时可能出现 问题，并缩减实施成本,Slide 20,Barracuda 煤气化炉模拟,

11、www.cpfd-,Slide 21,45 ft,15 ft,Barracuda 煤气化炉模拟,www.cpfd-,采用CPFD方法模拟内部几何构造复杂的工业气化炉 容器高45英尺，直径15英尺 CAD 几何形状以STL格式输入 内部几何结构及边界条件： 4个内部旋风分离器给定压力边界条件 1720 kPa (250 psia) 旋风分离器料腿给定流动边界条件，补充被气流带走的固体颗粒 内部的气体喷淋器给定流动边界条件 内部热管给定热边界条件以提供热量 反应器的下部给定热边界条件,Slide 22,Barracuda 煤气化炉模拟,www.cpfd-,采用CPFD方法模拟内部几何构造复杂的工业

12、气化炉 容器高45英尺，直径15英尺 CAD 几何形状以STL格式输入 内部几何结构及边界条件： 4个内部旋风分离器给定压力边界条件 1720 kPa (250 psia) 旋风分离器料腿给定流动边界条件，补充被气流带走的固体颗粒 内部的气体喷淋器给定流动边界条件 内部热管给定热边界条件以提供热量 反应器的下部给定热边界条件,Slide 23,Barracuda 煤气化炉模拟,www.cpfd-,采用CPFD方法模拟内部几何构造复杂的工业气化炉 容器高45英尺，直径15英尺 CAD 几何形状以STL格式输入 内部几何结构及边界条件： 4个内部旋风分离器给定压力边界条件 1720 kPa (25

13、0 psia) 旋风分离器料腿给定流动边界条件，补充被气流带走的固体颗粒 内部的气体喷淋器给定流动边界条件 内部热管给定热边界条件以提供热量 反应器的下部给定热边界条件,Slide 24,Barracuda 煤气化炉模拟,www.cpfd-,采用CPFD方法模拟内部几何构造复杂的工业气化炉 容器高45英尺，直径15英尺 CAD 几何形状以STL格式输入 内部几何结构及边界条件： 4个内部旋风分离器给定压力边界条件 1720 kPa (250 psia) 旋风分离器料腿给定流动边界条件，补充被气流带走的固体颗粒 内部的气体喷淋器给定流动边界条件 内部热管给定热边界条件以提供热量 反应器的下部给定

14、热边界条件,Slide 25,Barracuda 煤气化炉模拟,www.cpfd-,采用CPFD方法模拟内部几何构造复杂的工业气化炉 容器高45英尺，直径15英尺 CAD 几何形状以STL格式输入 内部几何结构及边界条件： 4个内部旋风分离器给定压力边界条件 1720 kPa (250 psia) 旋风分离器料腿给定流动边界条件，补充被气流带走的固体颗粒 内部的气体喷淋器给定流动边界条件 内部热管给定热边界条件以提供热量 反应器的下部给定热边界条件,Slide 26,Barracuda 煤气化炉模拟,www.cpfd-,采用CPFD方法模拟内部几何构造复杂的工业气化炉 容器高45英尺，直径15

15、英尺 CAD 几何形状以STL格式输入 内部几何结构及边界条件： 4个内部旋风分离器给定压力边界条件 1720 kPa (250 psia) 旋风分离器料腿给定流动边界条件，补充被气流带走的固体颗粒 内部的气体喷淋器给定流动边界条件 内部热管给定热边界条件以提供热量 反应器的下部给定热边界条件,Slide 27,Barracuda 煤气化炉模拟,www.cpfd-,采用CPFD方法模拟内部几何构造复杂的工业气化炉 容器高45英尺，直径15英尺 CAD 几何形状以STL格式输入 内部几何结构及边界条件： 4个内部旋风分离器给定压力边界条件 1720 kPa (250 psia) 旋风分离器料腿给

16、定流动边界条件，补充被气流带走的固体颗粒 内部的气体喷淋器给定流动边界条件 内部热管给定热边界条件以提供热量 反应器的下部给定热边界条件,Slide 28,Barracuda 煤气化炉模拟,www.cpfd-,采用CPFD方法模拟内部几何构造复杂的工业气化炉 容器高45英尺，直径15英尺 CAD 几何形状以STL格式输入 内部几何结构及边界条件： 4个内部旋风分离器给定压力边界条件 1720 kPa (250 psia) 旋风分离器料腿给定流动边界条件，补充被气流带走的固体颗粒 内部的气体喷淋器给定流动边界条件 内部热管给定热边界条件以提供热量 反应器的下部给定热边界条件,Slide 29,B

17、arracuda 煤气化炉模拟,www.cpfd-,采用CPFD方法模拟内部几何构造复杂的工业气化炉 容器高45英尺，直径15英尺 CAD 几何形状以STL格式输入 内部几何结构及边界条件： 4个内部旋风分离器给定压力边界条件 1720 kPa (250 psia) 旋风分离器料腿给定流动边界条件，补充被气流带走的固体颗粒 内部的气体喷淋器给定流动边界条件 内部热管给定热边界条件以提供热量 反应器的下部给定热边界条件,Slide 30,Barracuda 煤气化炉模拟,www.cpfd-,采用CPFD方法模拟内部几何构造复杂的工业气化炉 容器高45英尺，直径15英尺 CAD 几何形状以STL格

18、式输入 内部几何结构及边界条件： 4个内部旋风分离器给定压力边界条件 1720 kPa (250 psia) 旋风分离器料腿给定流动边界条件，补充被气流带走的固体颗粒 内部的气体喷淋器给定流动边界条件 内部热管给定热边界条件以提供热量 反应器的下部给定热边界条件,Slide 31,Barracuda 煤气化炉模拟,www.cpfd-,采用CPFD方法模拟内部几何构造复杂的工业气化炉 容器高45英尺，直径15英尺 CAD 几何形状以STL格式输入 内部几何结构及边界条件： 4个内部旋风分离器给定压力边界条件 1720 kPa (250 psia) 旋风分离器料腿给定流动边界条件，补充被气流带走的

19、固体颗粒 内部的气体喷淋器给定流动边界条件 内部热管给定热边界条件以提供热量 反应器的下部给定热边界条件,Slide 32,Barracuda 煤气化炉模拟,www.cpfd-,采用CPFD方法模拟内部几何构造复杂的工业气化炉 容器高45英尺，直径15英尺 CAD 几何形状以STL格式输入 内部几何结构及边界条件： 4个内部旋风分离器给定压力边界条件 1720 kPa (250 psia) 旋风分离器料腿给定流动边界条件，补充被气流带走的固体颗粒 内部的气体喷淋器给定流动边界条件 内部热管给定热边界条件以提供热量 反应器的下部给定热边界条件,Barracuda 精确地模拟固体颗粒的流动样式 气

20、化炉中的颗粒是怎样流动的? 黑白动画更加清晰的描述了透明墙壁后面炉内颗粒的流动情况. Barracuda也能提供定量的数据信息 颗粒浓度分布 颗粒温度分布 颗粒组成分布,Slide 33,Barracuda 煤气化炉模拟,www.cpfd-,Slide 34,Barracuda 煤气化炉模拟,www.cpfd-,Barracuda 精确地模拟固体颗粒的流动样式 气化炉中的颗粒是怎样流动的? 黑白动画更加清晰的描述了透明墙壁后面炉内颗粒的流动情况. Barracuda也能提供定量的数据信息 颗粒浓度分布 颗粒温度分布 颗粒组成分布,Slide 35,Barracuda 煤气化炉模拟,www.cp

21、fd-,Barracuda 精确地模拟固体颗粒的流动样式 气化炉中的颗粒是怎样流动的? 黑白动画更加清晰的描述了透明墙壁后面炉内颗粒的流动情况. Barracuda也能提供定量的数据信息 颗粒浓度分布 颗粒温度分布 颗粒组成分布,Slide 36,Barracuda 煤气化炉模拟,www.cpfd-,Barracuda 精确地模拟固体颗粒的流动样式 气化炉中的颗粒是怎样流动的? 黑白动画更加清晰的描述了透明墙壁后面炉内颗粒的流动情况. Barracuda也能提供定量的数据信息 颗粒浓度分布 颗粒温度分布 颗粒组成分布,Slide 37,Barracuda 煤气化炉模拟,www.cpfd-,Ba

22、rracuda 精确地模拟固体颗粒的流动样式 气化炉中的颗粒是怎样流动的? 黑白动画更加清晰的描述了透明墙壁后面炉内颗粒的流动情况. Barracuda也能提供定量的数据信息 颗粒浓度分布 颗粒温度分布 颗粒组成分布,Barracuda模拟考虑了流体相与固体颗粒相两者的强耦合作用 流速 温度 组分浓度 摩尔浓度 摩尔分数 质量浓度 质量分数,Slide 38,Barracuda 煤气化炉模拟,www.cpfd-,Slide 39,Barracuda 煤气化炉模拟,www.cpfd-,Barracuda模拟考虑了流体相与固体颗粒相两者的强耦合作用 流速 温度 组分浓度 摩尔浓度 摩尔分数 质量浓

23、度 质量分数,Slide 40,Barracuda 煤气化炉模拟,www.cpfd-,Barracuda模拟考虑了流体相与固体颗粒相两者的强耦合作用 流速 温度 组分浓度 摩尔浓度 摩尔分数 质量浓度 质量分数,Slide 41,Barracuda计算提供大量化学反应相关的结果 : 固体颗粒相浓度对化学反应的影响 温度对化学反应的影响 每个计算单元中气体浓度对化学反应的影响 任意空间点上的化学反应速率 同时考察多个物理化学参数,从而帮助我们更加深入地了解整个 系统的运行过程,www.cpfd-,Slide 42,Barracuda 可计算各种参数的时间平均值, 这些数据往往是工程师们最关心的.

24、 这些系参数的时间平均值最能体现湍流流化床运行稳定的状态 计算时考虑了容器内壁上的磨损以及内部详细的几何结构，从而能帮助我们更好地预测结构可能发生损坏的位置 该动画描述了磨损与体积分数及速率之间的内在联系 这些结果对于工程师的设计工作及发现并修理故障帮助非常大,Barracuda 煤气化炉模拟,www.cpfd-,Slide 43,由Barracuda 输出的大量重要的流体温度及化学反应细节信息 这些信息能很好的帮助工程师们实现工艺过程的优化 AIChE paper, November 8-13, 2009,Barracuda 煤气化炉模拟,www.cpfd-,Slide 44,NETL循环化

25、学反应工艺,Barracuda在洁净煤技术中的其他应用,www.cpfd-,Slide 45,循环化学反应工艺 美国能源技术研究机构(NETL)采用Barracuda 模拟了一个循环化学反应系统的工艺过程。左图是计算结果与原型的对比冷模实验装置 NETL正在研究将该装置投入工业生产 利用Barracuda强大的化学反应模拟能力将大大提高该循环化学反应工艺流程的开发效率,Barracuda在洁净煤技术中的其他应用,www.cpfd-,Slide 46,Barracuda在洁净煤技术中的其他应用,www.cpfd-,循环化学反应工艺 美国能源技术研究机构(NETL)采用Barracuda 模拟了一个循环化学反应系统的工艺过程。左图是计算结果与原型的对比冷模实验装置 NETL正在研究将该装置投入工业生产 利用Barracuda强大的化学反应模拟能力将大大提高该循环化学反应工艺流程的开发效率,Slide 47,CFB（循环流化床） 燃烧器分析 位于德国杜伊斯堡的 140 MW 电厂采用Barracuda对其CFB（循环流化床）燃烧器进行了仿真 采用煤炭燃烧发电中，CFB 燃烧器在清洁煤燃烧系统中的作用越