三维整体式多喷嘴喷动-流化床内气固两相流动实验与数值模拟研究
发布时间：2021-03-20 19:43
喷动床技术作为流态化的一个重要分支,应用领域已从最初的用于处理粗大窄筛分颗粒的过程逐渐演变为干燥、涂层、造粒、制药、化学反应、煤气化、热解、烟气脱硫、催化聚合等许多的方面。随着喷动床技术的研究越来越深入,许多的研究人员提出了不同类型的喷动床,如多喷头喷动床、喷动-流化床、导向管喷动床和内循环喷动床。传统的喷动床存在内外分层流动、缺少横向混合、颗粒堆积与流动死区、团聚现象,对床体结构的传热传质产生不利的影响,因此为了解决这一问题,结合喷动床与流化床的优点并克服了各自的不足,本文提出了一种三维多喷嘴喷动-流化床结构,这一床体结构的优点在于不需要旁路供气辅助设备的情况下,减少了喷动床内环隙区颗粒堆积及流动死区,有效强化了气固两相之间的传质传热过程。本文针对三维多喷嘴喷动-流化床开展了实验与数值模拟研究,通过在床体柱锥侧设计三维空间分布的圆孔型侧喷嘴,形成了三维整体式多喷嘴喷动-流化床。相比于二维模型能够更加真实反应喷动床反应器喷动规律和操作性能,从而为工业生产应用提供必要的参考。论文的研究内容总结如下:（1）实验采用粒子图像测速技术（PIV）研究了静床层高度、颗粒直径对多喷嘴喷动-流化床内颗...
【文章来源】：西北大学陕西省 211工程院校
【文章页数】：103 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
喷雾干燥法半干法烟气脱硫系统流程图
西北大学硕士学位论文2造，但又与流化床有着明显的不同，尤其体现在颗粒的流化形态上，流化床中的颗粒处于一种无规律分布的流化状态，喷动床内大颗粒的气固接触效率相对较高，操作压降较校1.2.1喷动床强化技术分类传统喷动床为柱形或柱锥型的容器，气体从最底端中心的入口以射流的形式垂直进入，气体的速度超过临界速度之后，床层内颗粒被迅速向上带动在床体轴中心处形成了向上的喷泉形状，在喷泉区的周围形成了一个密集的向下移动的床层，为环隙区。颗粒向上运动到达床层界面后形成喷泉，然后下落到床层的环隙区，随着床层的向下移动再重新进入到喷射区，从而形成颗粒的循环运动。喷动床的基本结构形式和气体颗粒的运动状态如图1-2所示。在喷动床内颗粒运动达到稳定喷动时，形成了明显的三区流动形态即稀相的喷射区、喷泉区、环隙区[26-27]。传统喷动床在工业应用方面受到很多因素的影响，床体内压差较大，物料的生产能力及床体结构的放大设计有限。为了克服喷动床应用上的一些局限性，研究者们结合了喷动床与流化床的优点，提出了许多新的不同结构形式改进的喷动床。比如：多喷头喷动床[28-29]，导向管喷动床[30-32]，喷动-流化床[33]，内循环喷动床[34]，机械喷动床[35]，狭缝矩形喷动床[36]和多组纽带旋流发生器[37]等，下面是各种喷动床的简单介绍。图1-2传统喷动床及三区流动示意图（1）多喷头喷动床传统喷动床的入口只有一个主喷嘴，多喷头喷动床即在传统喷动床的底部设置多个流体进入的喷嘴，从而增加了流体的流量形成了多喷头喷动床，如图1-3所示[28]。气体的入口流量随着喷嘴数目的增多呈现出线性增长，在实际的工业应用中，在处理
第一章绪论3较多物料颗粒的同时需要的入口气体流量也就越大。由于在单个喷动床内入口气体无法很好的流化环隙区颗粒的堆积及流动死区，造成该区域内颗粒的停留时间较长，热量损失较为严重，喷动床结构存在诸多的局限性[38]，不能准确地测量到床层内颗粒与气体的流动特性，因此设计了多个喷头喷动床能有效提高了喷动床流动效率。喷嘴与喷嘴间的距离的大小也是影响喷动床内流体流动的因素之一，这一发现是由F.S[39]等人通过实验验证得出的。M.D[40]等人实验验证得出了喷动床喷嘴处气体流动的最小气速与物料的特性有关，与喷嘴的数量无关。P.K[41]等人以氧化锆和氧化铝为床料，氩气和氮气为进口喷动气体。在300℃以下的温度范围内，以不同的升温速率对不同的表观气速进行了实验，观察到不同传热程度下气体密度和粘度的显著变化，从而影响动量扩散率和气粒相互作用，进而导致局部压力波动，导致床的行为不同。图1-3多喷头喷动床[28]图1-4带导流管喷动床[42]图1-5喷动-流化床[42]（2）导向管喷动床导向管喷动床是传统喷动床的一种改进形式，如图1-4所示[42]，导向管的种类主要有以下几种：渗透管式、插入式和复合管式等。通过在传统喷动床中加入一段特定高度的导管，导向管的引入在极大程度上减少了环隙区与喷射区之间的交叉运动[30]，床层内压降显著降低，物料所需的入口气体流量减少，气体的停留时间增加，气固两相流动更具有均匀性[43]。Y.S[44]等人通过欧拉-拉格朗日耦合计算得出，引入导流管在一定程度上加大了气相与颗粒相的运动速度，床体内整体的循环量下降。W.G[45]等人研究以平均粒径为150um的空心微珠为原料，以高速空气射流作为喷动气体，在半圆柱形吸声喷动-流化床中代替超细粉体团聚，分析压降-速度曲?
【参考文献】：
期刊论文
[1]射流场中单个气泡破裂的CFD模拟与PIV实验研究[J]. 冯俊杰,孙冰,姜杰,蔡子琦,高正明. 高校化学工程学报. 2018(02)
[2]密集颗粒体系的颗粒运动及结构测量技术[J]. 杨晖,张国华,王宇杰,孙其诚. 力学进展. 2018(00)
[3]突扩巷道流场风流分布特征的PIV实验研究[J]. 宋莹,王东,郭欣,杨率,陈章良,史俊伟. 中国安全生产科学技术. 2017(06)
[4]烟气脱硫脱硝技术的现状和发展趋势[J]. 方宁杰. 四川化工. 2016(05)
[5]烟气脱硫脱硝技术的现状及发展分析[J]. 张洋. 科技资讯. 2016(16)
[6]Numerical simulation of gas-solid flow with two fluid model in a spouted-fluid bed[J]. Shuyan Wang,Liqian Zhao,Chunsheng Wang,Yinsong Liu,Jinsen Gao,Yang Liu,Qinglin Cheng. Particuology. 2014(03)
[7]基于双流体模型的烟气喷动床脱硫过程的数值模拟[J]. 朱卫兵,邢力超,孙巧群,朱润孺. 中国矿业大学学报. 2012(01)
[8]喷动床半干式烟气脱硫脱硝实验研究[J]. 张少峰,李玲密,王晋刚,刘燕,王德武. 环境工程学报. 2011(08)
[9]气液两相流中改进图像互相关测速的完整实现[J]. 薛婷,曲伟杰,孟欣东,张涛. 光电子.激光. 2010(06)
[10]燃煤电厂烟气脱硫技术研究进展[J]. 孙丽萍,代朝辉. 辽宁化工. 2007(10)
博士论文
[1]矩形喷动床干、湿颗粒混合特性的DEM方法研究[D]. 朱润孺.哈尔滨工程大学 2011
硕士论文
[1]旋流效应下喷动床内气固两相流动规律数值模拟[D]. 黄振宇.西北大学 2019
[2]基于CFD-DEM法的矩形喷动床内颗粒喷动特性研究[D]. 雷琨.天津科技大学 2017
[3]Tomo-PIV的立体照明技术研究[D]. 张芬.南京理工大学 2017
[4]超细粉在导向管喷动床中的流化行为[D]. 马兰.四川大学 2002
本文编号：3091560
【文章来源】：西北大学陕西省 211工程院校
【文章页数】：103 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
喷雾干燥法半干法烟气脱硫系统流程图
西北大学硕士学位论文2造，但又与流化床有着明显的不同，尤其体现在颗粒的流化形态上，流化床中的颗粒处于一种无规律分布的流化状态，喷动床内大颗粒的气固接触效率相对较高，操作压降较校1.2.1喷动床强化技术分类传统喷动床为柱形或柱锥型的容器，气体从最底端中心的入口以射流的形式垂直进入，气体的速度超过临界速度之后，床层内颗粒被迅速向上带动在床体轴中心处形成了向上的喷泉形状，在喷泉区的周围形成了一个密集的向下移动的床层，为环隙区。颗粒向上运动到达床层界面后形成喷泉，然后下落到床层的环隙区，随着床层的向下移动再重新进入到喷射区，从而形成颗粒的循环运动。喷动床的基本结构形式和气体颗粒的运动状态如图1-2所示。在喷动床内颗粒运动达到稳定喷动时，形成了明显的三区流动形态即稀相的喷射区、喷泉区、环隙区[26-27]。传统喷动床在工业应用方面受到很多因素的影响，床体内压差较大，物料的生产能力及床体结构的放大设计有限。为了克服喷动床应用上的一些局限性，研究者们结合了喷动床与流化床的优点，提出了许多新的不同结构形式改进的喷动床。比如：多喷头喷动床[28-29]，导向管喷动床[30-32]，喷动-流化床[33]，内循环喷动床[34]，机械喷动床[35]，狭缝矩形喷动床[36]和多组纽带旋流发生器[37]等，下面是各种喷动床的简单介绍。图1-2传统喷动床及三区流动示意图（1）多喷头喷动床传统喷动床的入口只有一个主喷嘴，多喷头喷动床即在传统喷动床的底部设置多个流体进入的喷嘴，从而增加了流体的流量形成了多喷头喷动床，如图1-3所示[28]。气体的入口流量随着喷嘴数目的增多呈现出线性增长，在实际的工业应用中，在处理
第一章绪论3较多物料颗粒的同时需要的入口气体流量也就越大。由于在单个喷动床内入口气体无法很好的流化环隙区颗粒的堆积及流动死区，造成该区域内颗粒的停留时间较长，热量损失较为严重，喷动床结构存在诸多的局限性[38]，不能准确地测量到床层内颗粒与气体的流动特性，因此设计了多个喷头喷动床能有效提高了喷动床流动效率。喷嘴与喷嘴间的距离的大小也是影响喷动床内流体流动的因素之一，这一发现是由F.S[39]等人通过实验验证得出的。M.D[40]等人实验验证得出了喷动床喷嘴处气体流动的最小气速与物料的特性有关，与喷嘴的数量无关。P.K[41]等人以氧化锆和氧化铝为床料，氩气和氮气为进口喷动气体。在300℃以下的温度范围内，以不同的升温速率对不同的表观气速进行了实验，观察到不同传热程度下气体密度和粘度的显著变化，从而影响动量扩散率和气粒相互作用，进而导致局部压力波动，导致床的行为不同。图1-3多喷头喷动床[28]图1-4带导流管喷动床[42]图1-5喷动-流化床[42]（2）导向管喷动床导向管喷动床是传统喷动床的一种改进形式，如图1-4所示[42]，导向管的种类主要有以下几种：渗透管式、插入式和复合管式等。通过在传统喷动床中加入一段特定高度的导管，导向管的引入在极大程度上减少了环隙区与喷射区之间的交叉运动[30]，床层内压降显著降低，物料所需的入口气体流量减少，气体的停留时间增加，气固两相流动更具有均匀性[43]。Y.S[44]等人通过欧拉-拉格朗日耦合计算得出，引入导流管在一定程度上加大了气相与颗粒相的运动速度，床体内整体的循环量下降。W.G[45]等人研究以平均粒径为150um的空心微珠为原料，以高速空气射流作为喷动气体，在半圆柱形吸声喷动-流化床中代替超细粉体团聚，分析压降-速度曲?
【参考文献】：
期刊论文
[1]射流场中单个气泡破裂的CFD模拟与PIV实验研究[J]. 冯俊杰,孙冰,姜杰,蔡子琦,高正明. 高校化学工程学报. 2018(02)
[2]密集颗粒体系的颗粒运动及结构测量技术[J]. 杨晖,张国华,王宇杰,孙其诚. 力学进展. 2018(00)
[3]突扩巷道流场风流分布特征的PIV实验研究[J]. 宋莹,王东,郭欣,杨率,陈章良,史俊伟. 中国安全生产科学技术. 2017(06)
[4]烟气脱硫脱硝技术的现状和发展趋势[J]. 方宁杰. 四川化工. 2016(05)
[5]烟气脱硫脱硝技术的现状及发展分析[J]. 张洋. 科技资讯. 2016(16)
[6]Numerical simulation of gas-solid flow with two fluid model in a spouted-fluid bed[J]. Shuyan Wang,Liqian Zhao,Chunsheng Wang,Yinsong Liu,Jinsen Gao,Yang Liu,Qinglin Cheng. Particuology. 2014(03)
[7]基于双流体模型的烟气喷动床脱硫过程的数值模拟[J]. 朱卫兵,邢力超,孙巧群,朱润孺. 中国矿业大学学报. 2012(01)
[8]喷动床半干式烟气脱硫脱硝实验研究[J]. 张少峰,李玲密,王晋刚,刘燕,王德武. 环境工程学报. 2011(08)
[9]气液两相流中改进图像互相关测速的完整实现[J]. 薛婷,曲伟杰,孟欣东,张涛. 光电子.激光. 2010(06)
[10]燃煤电厂烟气脱硫技术研究进展[J]. 孙丽萍,代朝辉. 辽宁化工. 2007(10)
博士论文
[1]矩形喷动床干、湿颗粒混合特性的DEM方法研究[D]. 朱润孺.哈尔滨工程大学 2011
硕士论文
[1]旋流效应下喷动床内气固两相流动规律数值模拟[D]. 黄振宇.西北大学 2019
[2]基于CFD-DEM法的矩形喷动床内颗粒喷动特性研究[D]. 雷琨.天津科技大学 2017
[3]Tomo-PIV的立体照明技术研究[D]. 张芬.南京理工大学 2017
[4]超细粉在导向管喷动床中的流化行为[D]. 马兰.四川大学 2002
本文编号：3091560
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