基于群体平衡模型的流化床超细颗粒流动特性分析

发布时间：2020-06-30 04:55

【摘要】：C类颗粒粒径极小,一般在微米、微纳米级别,通常被称为超细颗粒。该类颗粒表现出较强的黏附作用,易粘结形成团聚,会直接影响流态化过程、降低工业生产效率、影响产品品质,消除颗粒聚团现象是工业领域急需解决的问题,然而目前对超细颗粒聚团的形成及稳定机理缺乏准确解释,对聚团流态化行为缺少系统研究,因此需要了解颗粒聚团形成机理、运动规律,为实际应用提供准确预测。本文基于颗粒动理学理论和欧拉-欧拉模型,结合超细颗粒在流化过程中因颗粒间黏附力不断产生聚团的真实情况,考虑了流动过程中颗粒团聚对系统内颗粒数量变化的影响,通过添加颗粒数平衡方程来追踪颗粒数量的变化情况,根据求解颗粒矩获得真实聚团粒径,实现了数量平衡方程与连续性方程、动量守恒方程间的关联,建立了适用于模拟超细颗粒流动特性的数学模型,并应用该模型模拟研究超细颗粒的流化特性。应用本文建立的数学模型模拟研究了超细颗粒在鼓泡流化床内的流动特性。模拟结果显示,床内颗粒浓度呈凹型分布,床内壁面两端颗粒浓度较高,中心位置颗粒浓度较低;超细颗粒粒径随着床层的降低而增大,在床层顶部聚集着小颗粒聚团,中间区域有着中粒径聚团,底部区域聚集着大颗粒聚团,且大颗粒聚团和小颗粒聚团占据的比例较高。随着初始粒径的增加,颗粒聚团达到稳定流化状态所需时间减小,聚团颗粒速度减小,聚团尺寸增加,床层底部高浓度区域增大。计算结果表明,随着气体速度的增加,颗粒聚团尺寸减小,颗粒聚团速度增加,床层底部聚团颗粒堆积面积减小。此外,随着弹性系数的减小,颗粒聚团浓度增大,在床内颗粒碰撞较为激烈的区域,弹性系数对于颗粒浓度分布影响较大。模拟研究了超细颗粒在内循环流化床内的流动特性。模拟结果显示,在气体和颗粒的共同作用下,床内左右两侧反应室中颗粒不断的发生破碎与聚合现象,由于床内聚合作用占据主导地位,颗粒聚团粒径会逐渐增大,且大粒径聚团会不均匀的堆积到左右两侧反应室底部,使得左右两侧反应室间颗粒聚团浓度有一定的差异,导致两侧反应室间形成一定的压力差,此压力差是促进颗粒在两侧反应室间内循环流动的动力;当左右两侧反应室中存在一定的气体速度差时,颗粒在左右两侧反应室中循环流动的效果更好;研究分析表明,破碎系数越大,对应的颗粒聚团粒径越小,达到稳定流化状态所需时间越长。对比不同气体速度下超细颗粒流化特性可知,气体速度越大,床内颗粒浓度分布越均匀,颗粒质量流量速率越大。
【学位授予单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O347.7
【图文】：

流化床,结构示意图

忽略实验设备中的其他附属结构，模拟设置的流化床宽度、高度分别 20cm、100cm，如图3-1 所示。模拟参数参考李洪钟院士实验中的数据，以氧化铝作为床料颗粒，初始颗粒粒径为 10 m，颗粒密度为 3940kg/m3,颗粒体积分数为 0.31，常温下在鼓泡流化床内流动，空气为气相，气体密度为 1.225kg/m3，速度为 0.28m/s，从流化床底部均匀通入，将气体流出出口设置在床层右侧高度为 90-95cm 处，将大气压力设置为出口压力值，为了让颗粒相在整个计算过程中质量守恒，本文将气体出口处设置为渗透性界面，使得颗粒始终保持在床内流动。将模拟计算区域的高度和宽度均匀网格划分，高度与宽度上的网格数量分别是 20 和 100，床内颗粒物料初始时刻堆积高度为 18cm

分布图,瞬时浓度,颗粒,分布图

t= 20s t= 22s t=24s图 3-3 颗粒瞬时浓度分布图Fig. 3-3 Instantaneous concentration of particle0.3

【参考文献】