循环床数值模拟设计中边界条件的影响分析
循环流化床（CFB）广泛应用于气固分离中，由于其床内流动复杂，借助计算流体力学方法可以简化过程。本项目对李静海冷态提升管模型进行研究。采用双流体数学模型在床内进行动量衡算，质量衡算，忽略热量计算，考察了不同曳力模型。研究表明，EMMS模型颗粒浓度波动比较大，与实验值较吻合，wen-yu模型与Gidaspow模型的曲线相近，其固含率均不能反应实际情况；此外，镜像系数不同对循环床的颗粒分布影响不大；而气体流速过小则会导致颗粒不在床内均匀分布。关键词 循环流化床，均匀分布，径向固含量，壁面镜像系数
目 录
1 引言 1
1.1 流化的历史与发展历程 1
1.2 循环流化的结构、流型及其特点 2
1.3 工程放大问题 3
1.4 颗粒流体动力学模型 5
1.5 循环床内力的作用 7
2 水煤气生产工艺 8
2.1 工艺介绍 8
2.2 经济环保分析 10
3 模拟策略 11
3.1 软件介绍 12
3.2 数学模型 13
3.3 阻力模型 15
4 实验工况模拟 18
4.1 实验工况建立 18
4.2 曳力模型分析 21
4.3 壁面影响分析 23
4.4 轴向固含率 26
4.5 进口速度的影响 27
结 论 31
致 谢 32
参 考 文 献 33
1 引言
循环流化床在过去几十年被广泛应用于工业生产中。流体输送过程中，固体颗粒会增大流动阻力，影响传热，传质的效率，所以就需要一种设备将气固分离，这种设备就是流化床。流化床能增大颗粒和流体之间良好的接触以及沉积在床中的体相和传热表面之间良好的热传递。对没有装备有浸没管的流化床系统中的热量有优良的传递。循环流化床的设计的初衷是在于其能够处理连续粉末状固体，床内会带有剧烈的气体和固体的鼓动，其最大优势是各类工业装置都能安装使用循环流化床，将气固两相有效的分离。通常公众认为循环流化状态[1,2,3]的研究是对在两个相间流动之间发生的不 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
同的流动情况分析，这两种状态包括泡状流化和快速流化的方式。这两种方式本质上的区别在循环床底部区域内，而底部致密颗粒区域可以细分为两个不同的共存区域：起泡泡状区域和稀释的离散流动区域。循环流化进一步的特征在于其对固体的高离散系数。在流化床内气固之间的传质情况与精馏塔的轻重组分的分离有着异曲同工之处，气体通过流化床的筛孔，流通面积并不是循环床的孔径，根据伯努利方程，气体通过流化床的流速变大，颗粒床层被迫“抬起”，然后从床中出来的颗粒经过旋风分离器分离沉降。其中要经过一个控制阀门，这个床外阀门控制器如同精馏塔的回流转子流量计一般，颗粒混合物一部分回流到循环床，一部分回收。
1.1 流化的历史与发展历程
古代，人类就利用流态化技术解决生活中的问题，比如淘米，淘金、冶炼等。在八十年前，Donald[4]等将循环床用到了原料气合成油状烃类物质，这就是历史上鼎鼎大名的费托合成反应器，再有Reh等[5]开发的锅炉反应器。随后，科研人员把循环床反应器中的催化剂进行优化，将床内的催化剂的筛度做的更加精细，床内反应进一步提高，性能更加优化。与西方国家不同的是，我国开发循环流态化技术起步晚，大致是在改革开放时候才重视循环流化床，我国使用循环流化床有着本国具体的国情，在我国能源资源比例中，煤炭的使用率高，而我国的煤炭杂质比较复杂，所以循环流化床的使用主要是用于提高煤炭的品质。气固相体系与液固相体系相比，液体与固体的接触过于集中，接触不良，液固体系热量传递的不均匀，无法分散到整个床内，所以研究人员对气固流化工艺特别关注。经过前人的不懈努力研究，流化态技术在化工、食品、重工、材料、原子核能、冶金等各领域占据着举足轻重的地位。
1.2 循环流化的结构、流型及其特点
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图1.1 一种典型的循环流化床系统
循环流化床的结构与工业生产的需求相关，工业应用不同，循环床的结构就有差异。而以提升管、储料罐、颗粒循环控制阀、旋风分离器等结构构成的设备就是一种典型循环流化床，如图1.1所示。流化介质从提升管的底部进入，吹动着储料罐中颗粒且一并向上运动，经过旋风分离器的分离沉降，流化介质从分离器的顶部排出，固体颗粒下沉到储料罐，再经颗粒循环控制阀进入到提升管。本论文所做的是对循环床提升管的研究。
如果空气流体速度在循环床内通入一段时间，床内颗粒进入到一定的状态后，颗粒床层被迫由气体“抬高”，床中的固体颗粒浓度渐渐地变稀，床层的颗粒从紧密状态到渐渐开始松化，床层高度增大，颗粒云漂浮上空，此时可称为固体流化态现象。一般而言，可以将流化床分为两种流化型式，一种是散式流化床，一种是聚式流化床。
如果床层内固体颗粒分布均匀，分散于流体中而且在床层内的孔隙率都相等时，那么这种床层可称为散式流化床。聚式流化床的特点是两相之间的密度差相差较大，一般像气固两相体系就是典型的聚式流化床。本论文所讨论的是气固两相体系，即聚式流化床。
在循环流化床内，固体颗粒受到来自空气的浮力，空气对颗粒施加的力比较小，可以忽略不计，气体与固体之间的相互作用力主要来自于曳力。这个阶段会有气体不均匀情况发生，床内气体的不稳定状况造成床内出现越来越多的“空穴”，气体周围产生压力差，挤掉固体颗粒后形成的低压空间，这种空穴的特点是内部固体含量很少，看起来像气泡状，所以这种空穴又被人们称为“气泡相”。不是空穴部位的颗粒床层依然保持原有的流化状态，通过的气流量较少，相对于“气泡相”，这一部分称为“乳化相”，气体将细颗粒吹到上方，形成的区域叫做“稀相区”，剩下的大颗粒又无法被气流带上去，留在床层底部，形成“浓相区”。两个相区之间就会有分界面。从压降的角度上分析，床层底部“浓相区”的压降大于床层上部的“稀相区”压降，此时体系中床层底部颗粒向上扬起，漂浮在床层上部，从流化床颗粒浓度整体观察，颗粒相浓度分布就会出现呈现顶层面稀松分散，床层底部高浓集中的情况，从数学角度上来看是对数函数曲线分布状况。
1.3 工程放大问题
对流化床反应器进行工程放大，不仅是要将循环床的床高，管径等这些尺寸进行局部的放大，还要把循环床内的参数，设置环境，边界条件的逐步调整。五十年前，Davidson[6]等仔细研究了关于循环床细小结构，比如床内浸没管、床内入口筛板的孔径大小，并且将流化床床层模块化。进入信息时代，科研人员的不断努力探究，国内外的研究人员将研究目光从实验研究转移到了工程建模上来了，并且开始利用FLUENT、ASPEN PLUS等[7,8]模型软件进行工程放大计算。
目 录
1 引言 1
1.1 流化的历史与发展历程 1
1.2 循环流化的结构、流型及其特点 2
1.3 工程放大问题 3
1.4 颗粒流体动力学模型 5
1.5 循环床内力的作用 7
2 水煤气生产工艺 8
2.1 工艺介绍 8
2.2 经济环保分析 10
3 模拟策略 11
3.1 软件介绍 12
3.2 数学模型 13
3.3 阻力模型 15
4 实验工况模拟 18
4.1 实验工况建立 18
4.2 曳力模型分析 21
4.3 壁面影响分析 23
4.4 轴向固含率 26
4.5 进口速度的影响 27
结 论 31
致 谢 32
参 考 文 献 33
1 引言
循环流化床在过去几十年被广泛应用于工业生产中。流体输送过程中，固体颗粒会增大流动阻力，影响传热，传质的效率，所以就需要一种设备将气固分离，这种设备就是流化床。流化床能增大颗粒和流体之间良好的接触以及沉积在床中的体相和传热表面之间良好的热传递。对没有装备有浸没管的流化床系统中的热量有优良的传递。循环流化床的设计的初衷是在于其能够处理连续粉末状固体，床内会带有剧烈的气体和固体的鼓动，其最大优势是各类工业装置都能安装使用循环流化床，将气固两相有效的分离。通常公众认为循环流化状态[1,2,3]的研究是对在两个相间流动之间发生的不 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
同的流动情况分析，这两种状态包括泡状流化和快速流化的方式。这两种方式本质上的区别在循环床底部区域内，而底部致密颗粒区域可以细分为两个不同的共存区域：起泡泡状区域和稀释的离散流动区域。循环流化进一步的特征在于其对固体的高离散系数。在流化床内气固之间的传质情况与精馏塔的轻重组分的分离有着异曲同工之处，气体通过流化床的筛孔，流通面积并不是循环床的孔径，根据伯努利方程，气体通过流化床的流速变大，颗粒床层被迫“抬起”，然后从床中出来的颗粒经过旋风分离器分离沉降。其中要经过一个控制阀门，这个床外阀门控制器如同精馏塔的回流转子流量计一般，颗粒混合物一部分回流到循环床，一部分回收。
1.1 流化的历史与发展历程
古代，人类就利用流态化技术解决生活中的问题，比如淘米，淘金、冶炼等。在八十年前，Donald[4]等将循环床用到了原料气合成油状烃类物质，这就是历史上鼎鼎大名的费托合成反应器，再有Reh等[5]开发的锅炉反应器。随后，科研人员把循环床反应器中的催化剂进行优化，将床内的催化剂的筛度做的更加精细，床内反应进一步提高，性能更加优化。与西方国家不同的是，我国开发循环流态化技术起步晚，大致是在改革开放时候才重视循环流化床，我国使用循环流化床有着本国具体的国情，在我国能源资源比例中，煤炭的使用率高，而我国的煤炭杂质比较复杂，所以循环流化床的使用主要是用于提高煤炭的品质。气固相体系与液固相体系相比，液体与固体的接触过于集中，接触不良，液固体系热量传递的不均匀，无法分散到整个床内，所以研究人员对气固流化工艺特别关注。经过前人的不懈努力研究，流化态技术在化工、食品、重工、材料、原子核能、冶金等各领域占据着举足轻重的地位。
1.2 循环流化的结构、流型及其特点
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图1.1 一种典型的循环流化床系统
循环流化床的结构与工业生产的需求相关，工业应用不同，循环床的结构就有差异。而以提升管、储料罐、颗粒循环控制阀、旋风分离器等结构构成的设备就是一种典型循环流化床，如图1.1所示。流化介质从提升管的底部进入，吹动着储料罐中颗粒且一并向上运动，经过旋风分离器的分离沉降，流化介质从分离器的顶部排出，固体颗粒下沉到储料罐，再经颗粒循环控制阀进入到提升管。本论文所做的是对循环床提升管的研究。
如果空气流体速度在循环床内通入一段时间，床内颗粒进入到一定的状态后，颗粒床层被迫由气体“抬高”，床中的固体颗粒浓度渐渐地变稀，床层的颗粒从紧密状态到渐渐开始松化，床层高度增大，颗粒云漂浮上空，此时可称为固体流化态现象。一般而言，可以将流化床分为两种流化型式，一种是散式流化床，一种是聚式流化床。
如果床层内固体颗粒分布均匀，分散于流体中而且在床层内的孔隙率都相等时，那么这种床层可称为散式流化床。聚式流化床的特点是两相之间的密度差相差较大，一般像气固两相体系就是典型的聚式流化床。本论文所讨论的是气固两相体系，即聚式流化床。
在循环流化床内，固体颗粒受到来自空气的浮力，空气对颗粒施加的力比较小，可以忽略不计，气体与固体之间的相互作用力主要来自于曳力。这个阶段会有气体不均匀情况发生，床内气体的不稳定状况造成床内出现越来越多的“空穴”，气体周围产生压力差，挤掉固体颗粒后形成的低压空间，这种空穴的特点是内部固体含量很少，看起来像气泡状，所以这种空穴又被人们称为“气泡相”。不是空穴部位的颗粒床层依然保持原有的流化状态，通过的气流量较少，相对于“气泡相”，这一部分称为“乳化相”，气体将细颗粒吹到上方，形成的区域叫做“稀相区”，剩下的大颗粒又无法被气流带上去，留在床层底部，形成“浓相区”。两个相区之间就会有分界面。从压降的角度上分析，床层底部“浓相区”的压降大于床层上部的“稀相区”压降，此时体系中床层底部颗粒向上扬起，漂浮在床层上部，从流化床颗粒浓度整体观察，颗粒相浓度分布就会出现呈现顶层面稀松分散，床层底部高浓集中的情况，从数学角度上来看是对数函数曲线分布状况。
1.3 工程放大问题
对流化床反应器进行工程放大，不仅是要将循环床的床高，管径等这些尺寸进行局部的放大，还要把循环床内的参数，设置环境，边界条件的逐步调整。五十年前，Davidson[6]等仔细研究了关于循环床细小结构，比如床内浸没管、床内入口筛板的孔径大小，并且将流化床床层模块化。进入信息时代，科研人员的不断努力探究，国内外的研究人员将研究目光从实验研究转移到了工程建模上来了，并且开始利用FLUENT、ASPEN PLUS等[7,8]模型软件进行工程放大计算。
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