矩形料仓与移动床中壁面应力与颗粒流动的DEM模拟研究

发布时间：2020-06-30 19:26

【摘要】：移动床具有颗粒可连续再生,操作压降较低且能够在高温下进行操作等优点,被作为反应器和分离器而应用于化工生产中。理解各因素对颗粒停留时间分布的影响以及抑制空腔的形成对于移动床的操作来说十分重要。深入理解其中颗粒流的行为对于达到上述目的来说是必要的,但这在复杂场力的作用下难以实现。料仓中的颗粒流动受力情况较为简单且对其的研究也有助于理解移动床中的颗粒流动。本工作采用离散元模拟方法研究了矩形料仓稳态卸料过程中的壁面应力和颗粒的流动行为,并通过分析其中的力网来理解颗粒流动。在此基础上,模拟研究了移动床中的颗粒停留时间分布,并提出向移动床中混入粗颗粒的方法来抑制空腔形成。本工作的主要研究内容和成果如下：(1)研究了在料仓卸料过程中料仓和颗粒的几何参数对壁面应力和壁面应力系数的影响。增大料仓尺寸使得需要被支撑的颗粒载荷增多,进而增大了壁面应力。在渐缩段附近,颗粒载荷难以传向垂直壁面,进而使得垂直壁面的应力迅速减小。在该区域之外,壁面应力系数不受料仓半锥角,颗粒进料口尺寸以及粒径分布的影响,但是在壁面上的力链横穿整个料仓时受到料仓尺寸的影响。(2)研究了壁面摩擦系数对应力系数的影响。当一个壁面的摩擦系数增大时,该壁面上力链的相对密度增大,进而增强了该壁面对支撑颗粒载荷所做出的贡献。一个壁面对颗粒载荷的支撑作用增强时,相邻壁面对颗粒载荷的支撑作用变弱。一个壁面上所形成的力链则有可能增强相邻壁面的正应力。当壁面摩擦系数足够大时,壁面上力链的强度取决于内摩擦系数以及料仓在该壁面法向方向上的尺寸,进而使得壁面应力系数对壁面摩擦系数不敏感。通过系统研究建立了校正有效内摩擦角与壁面摩擦系数和内摩擦系数之间的关系。在采用Walker's模型来预测壁面应力系数时,用校正有效内摩擦角代替有效内摩擦角大大提高了预测精度。(3)研究了在中心卸料和偏心卸料过程中,料仓的壁面摩擦系数对卸料速率的影响,以及在颗粒性质和料仓性质变化时该影响过程的变化。总体来说,增大壁面摩擦系数抑制了颗粒与壁面之间的相对滑动进而使得卸料速率减小。这一影响在采用楔形料仓和粗糙颗粒时更加显著。相对于垂直段壁面摩擦系数来说,渐缩段壁面摩擦系数更显著地影响卸料速率。随着料仓宽度的增大或是料仓出料口的减小,壁面对颗粒流动的抑制作用被削弱,而颗粒粒径分布的变化则不影响这一抑制作用。(4)研究了颗粒和料仓的性质对移动床中颗粒停留时间分布的影响,并通过分析床层速度分布和卸料速率的变化来理解颗粒停留时间分布的变化。壁面上和床层中间的颗粒流速差异随着壁面摩擦系数的增大而增大,但随着内摩擦系数的增大而先增大后减小。在水平外加场作用区域内,这一速度差异随着场强的增大而进一步增大。以上垂直速度差异的变化使得无因次方差发生同样的变化。随着半锥角的增大,颗粒流向出口时的水平速度减小,进而使得无因次方差增大。颗粒在床层中的平均停留时间随着卸料速率的减小而增大,故而随着壁面摩擦系数,内摩擦系数和半锥角的增大而增大,但不受水平外加场的强度和作用范围的影响。(5)研究了向移动床中混入粗颗粒来抑制空腔形成的方法。随着粗颗粒的混入或是其浓度的增大,场力对支撑颗粒载荷的贡献减小,进而抑制了空腔的形成。若所混入的粗颗粒具有光滑的表面且集中分布在壁面附近,向壁面传递的颗粒载荷增大,特别是在壁面附近粗颗粒的浓度较大时。这有利于进一步抑制空腔的形成。在更大尺寸的床层中,这一方法也能显著抑制空腔的形成。
【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ051.13
【图文】：

图１．１研究框架逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｆｒａｍｅｗｏｒｋ邋ｏｆ邋化ｅ邋化ｅｓｉｓ．逡逑本课题研巧内容基本框架如图１．１所示，各章的主要工作内容如下：逡逑第１章；绪论。论述本课题的背景，意义，研究思路１＾义及研巧内容。逡逑

图２．１径向流移动床反应器示意图逡逑Ｆｉｇ．邋２．１邋Ｇｅｏｍｅｔｒｙ邋ｏｆ邋ｒａｄｉａｌ邋ｆｌｏｗ邋ｍｏｖｉｎｇ邋ｂｅｄ邋ｒｅａｃｔｏｒ．逡逑

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本文编号：2735726