复杂气固流动的EMMS建模

发布时间：2020-06-09 06:22

【摘要】：随着日益严格的环境要求和逐渐丰富的产品需求,过程工艺在反应器结构和操作方式上逐渐呈现多样化和复杂化,同一工艺中的各反应器或同一反应器中的各反应区段的构型、尺寸以及操作模式都有可能不同。其中的非均匀动态结构对于单个反应器甚至整个工艺的流动、传递和反应过程都有着重要的影响。能量最小多尺度(EMMS)模型经过三十多年的发展,已经在气固快速床、气固鼓泡床、气液、气液固三相等系统中得到了成功的应用。以“先整体分布、后局部模拟、再细节演化”为特征的EMMS多尺度计算模式推进了虚拟过程工程的实现。本论文基于EMMS理论,通过全局动力学的建模及验证并与CFD模拟耦合来研究具有操作条件复杂性的流动密封阀和具有几何结构复杂性的变径流化床内的动力学规律,从而完善复杂气固系统的全系统稳态建模理论。针对流动密封阀体系,先通过稳态方法对流动密封阀内各区域的宏观流体动力学特征进行理论预测,其中刘新华等[1]提出的改进的EMMS气固鼓泡理论模型的预测精度明显优于现有经验关联式的结果。然后将此气固EMMS鼓泡理论模型通过修正曳力系数的方式与双流体模型耦合,实现对流动密封阀更精细的非稳态模拟研究。模拟考察了流动密封阀返料室、供给室和立管各区域内的非稳态时空多尺度流动特征,模拟结果与实验数据吻合良好。基于非稳态模拟总结了操作参数(如操作气速)变化对流动密封阀不同区域流动的影响规律。针对变径流化床体系,考虑操作参数随高度连续变化这一特点,在轴向EMMS模型中引入团聚物动态演化方程,建立了适用于变径流化床的轴向EMMS稳态模型,将其与径向EMMS稳态模型耦合,实现了变径流化床轴径向流动特征的稳态预测,预测结果与实验数据吻合较好。另外,本研究还分别考察了结构参数和操作参数对变径流化床轴径向分布的影响,结果表明改变结构参数对提升管和过渡段轴向空隙率的影响远大于改变操作参数的影响。在渐缩和渐扩两种类型的变径提升管中均可以捕捉到径向空隙率呈现环核分布结构,并在渐缩提升管底部壁面附近和渐扩提升管顶部壁面附近观察到有颗粒向下移动的现象。在上述稳态模型的基础上,论文采用三维瞬态欧拉-欧拉模型,并耦合不同的曳力模型研究了渐缩和渐扩提升管的瞬态和时均非均匀结构特征。研究发现提升管直径变化导致其内流动参数(如表观气速)实时变化,造成采用基于全床平均流动参数的传统均匀曳力和平均EMMS曳力的模拟结果误差较大。由此本研究提出用考虑轴向流动参数差异的插值EMMS曳力来模拟渐缩/渐扩提升管,模拟结果比传统均匀曳力和平均EMMS曳力的结果更准确,且与实验数据吻合更好。基于此模拟方法,进一步考察了不同操作参数和结构参数条件下,渐缩和渐扩提升管内气固流动特性及演变规律。然后采用CFD-DEM方法耦合EMMS曳力分别对渐缩过渡段和渐扩过渡段进行了精细的模拟,其非稳态模拟时均结果与稳态模拟结果相吻合。与变径CFB提升管的轴向空隙率分布相似,变径过渡段也存在复杂的轴向非均匀分布。最后,论文总结了本研究的主要工作、结论、创新点,并对该方向未来发展提出了一些展望。
【图文】：

结构图,流动密封阀,结构图,动密封

■ＷｌＪＩ邋７逦ｂｕ＿ｇ逡逑ｍｏｄｅｌ逡逑图１．１循环流化床反应器结构图１１８１９１逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｃｉｒｃｕｌａｔｉｎｇ邋ｆｌｕｉｄｉｚｅｄ邋ｂｅｄ邋（ＣＦＢ），１８，１９Ｊ逡逑１．２流动密封阀的研究逡逑流动密封阀作为循环流化床或其他化工装备中广泛应用的一种非机械阀，可逡逑以使颗粒从高压力的立管移动到低压力的提升管，同时也可以阻碍气体从提升管逡逑底部回流到立管。它由供给室、返料室以及两室之间底部的开口或缝隙组成。由逡逑于其结构简单、运行稳定，它在工业过程中得到广泛应用。逡逑许多研究者对流动密封阀进行了一系列实验研宄并探索了基本操作原理。其逡逑中，Ｋｉｍ等人［２Ｇ，２１１研宄了不同颗粒尺寸和密度对流动密封阀内颗粒循环量的影响逡逑４逡逑

示意图,提升管,烯烃,示意图

逡逑造成提升管的“死角”现象。如图１．３所示，ＭＴＯ反应器中扩大段用于连接鼓逡逑泡反应区域与催化剂／反应气分离区域，鼓泡流化床区域管径小，利于反应物与催逡逑化剂的快速反应，分离区管径大利于产品和催化剂的分离，也有利于控制反应器逡逑内的温度并抑制副反应的发生。变径段作为过渡段连接两个直径不同的床层，可逡逑以减少能量损失并避免死区，，但在之前的数学建模中，这些死区通常被忽略或仅逡逑被视为黑盒［１（）］。逡逑Ｓｆ逡逑图１．２邋ＭＩＰ工业装置示意图丨１６】逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋Ｍａｘｉｍｉｚｉｎｇ邋ｉｓｏ－ｐａｒａｆｆ！ｎ￥邋（ＭＩＰ）邋ｒｅａｃｔｏｒ１１６１逡逑ＩＴ邋ｒｅａｃｔｉｏｎ逡逑ｐｒｏｄｕｃｔ逡逑ｃａｔａｌｙｓｔｓ逡逑
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ022.4

【参考文献】