催化剂颗粒与烟机动叶碰撞沉积问题的数值研究

发布时间：2020-11-20 12:03

　　 烟气轮机是催化裂化烟气回收工艺中的重要设备,在节能环保等方面具有显著作用。受上游设备(第三级旋风分离器)分离效率影响,部分小粒径催化剂颗粒夹带于高温烟气中进入烟气轮机,造成了烟气轮机内壁面上催化剂颗粒的沉积结垢问题,严重影响了烟气轮机正常运行。催化剂颗粒与烟机动叶的碰撞沉积过程是催化剂颗粒结垢的前提,本文对该过程展开研究,建立了碰撞过程的运动方程,并编写C语言程序对该方程进行求解,得出了判断催化剂颗粒沉积的临界参数及其计算公式,评定了四种接触理论在本文研究背景下的可行性,研究了颗粒粒径和烟气流量对催化剂颗粒沉积问题的影响。首先,本文对烟气轮机中催化剂颗粒受到的曳力、科式力与惯性离心力、有效重力和静电力进行了理论计算,四种作用力的数值量级分别为:曳力—10~(-9)~10~(-7)N,科式力与惯性离心力—10~(-11)~10~(-7)N,有效重力—10~(-14)~10~(-11)N,静电力—10~(-22)~10~(-15)N。研究结果表明,有效重力对催化剂颗粒运动轨迹的影响十分微弱,因此本文认为凡小于该量级的作用力在数值模拟过程中均可以忽略。按照该方法进行简化后,单次入射的催化剂颗粒从烟机入口运动到烟机出口的计算时间大约缩短了1/3。其次,对催化剂颗粒与烟机动叶的碰撞过程进行简化、建立碰撞方程,将四种接触理论(JKR、Hertz、BD、DMT)得到的碰撞力带入方程中,利用数值模拟得到的运动参数对运动方程进行初始化,利用C语言编程实现碰撞方程的求解。通过求解方程中阻尼系数与法向恢复系数的关系得出临界阻尼系数,进而求得导致催化剂颗粒沉积的法向入射速度,将其作为临界沉积速度。结果表明,与另外三种接触理论相比,JKR接触理论更适于描述本文研究对象的碰撞过程,经计算得到催化剂颗粒与烟机动叶碰撞后的临界沉积速度计算公式为:V_(cr)=0.616d_p~(-1.334)。最后,编写UDF程序将临界沉积速度加载到FLUENT软件中进行数值模拟,研究颗粒粒径、烟气流量对催化剂沉积的影响规律。结果表明,粒度范围1μm~5μm的催化剂颗粒最容易在烟机动叶上沉积;已经沉积的催化剂加速了烟机动叶上的沉积进程,造成恶性循环;沉积情况随烟气流量及运行时间的增加而恶化。
【学位单位】：中国石油大学(华东)
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TE624.9
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 烟机内催化剂结垢特点
    1.3 国内外研究现状
        1.3.1 烟气轮机内气固两相流场特性
        1.3.2 颗粒碰撞沉积模型
        1.3.3 高温下催化剂的物理化学变化
        1.3.4 研究现状总结
    1.4 研究假设
    1.5 研究内容
    1.6 技术路线
第二章 烟机建模及气相流场数值模拟
    2.1 几何结构
    2.2 网格划分
    2.3 计算模型
    2.4 边界条件
    2.5 烟机内气相流场分析
    2.6 本章小结
第三章 烟机内颗粒受力问题及数值模拟
    3.1 烟机内催化剂受力分析
        3.1.1 静电力
        3.1.2 曳力
        3.1.3 有效重力
        3.1.4 科式力与惯性离心力
    3.2 烟机内催化剂受力问题的理论计算
        3.2.1 计算方法
        3.2.2 计算结果及分析
    3.3 力对催化剂颗粒运动的影响
        3.3.1 科式力与惯性离心力对催化剂运动的影响
        3.3.2 有效重力对催化剂运动的影响
    3.4 烟机内催化剂运动的数值模拟方法
        3.4.1 计算模型
        3.4.2 颗粒相设置方法
    3.5 本章小结
第四章 催化剂碰撞沉积过程的数值研究
    4.1 静态（或准静态）接触理论
        4.1.1 Hertz接触理论
        4.1.2 Mindlin-Deresiewicz接触理论
        4.1.3 Bradley接触理论和DMT接触理论
        4.1.4 BD接触理论
        4.1.5 JKR接触理论
    4.2 催化剂颗粒与烟机动叶碰撞过程的动力学分析
        4.2.1 碰撞过程的数值求解方案
        4.2.2 计算结果分析——阻尼系数
        4.2.3 计算结果分析——临界沉积速度
    4.3 数值求解方法可靠性验证
    4.4 本章小结
第五章 催化剂颗粒在烟机动叶上的沉积规律
    5.1 催化剂颗粒在烟机动叶上的沉积特点
    5.2 颗粒粒径对催化剂沉积的影响
    5.3 烟气流量对催化剂沉积的影响
    5.4 本章小结
第六章 总结与展望
    6.1 全文结论
    6.2 展望
参考文献
攻读硕士学位期间取得的学术成果
致谢

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本文编号：2891388