流化床反应器内流动与反应特性的多尺度数值模拟

发布时间：2017-11-14 23:30

  本文关键词：流化床反应器内流动与反应特性的多尺度数值模拟

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【摘要】：气固两相流现象普遍存在于自然界和能源、化工、冶金、材料等工业过程中。对于流化床内所具有的稠密气固两相流动过程,由于流体微团、气泡和颗粒聚团的随机运动,导致状态参数的变化与流动的结构形态都呈现出了十分复杂的关系。深入认识和掌握流化床内气固两相流动规律和反应机理对于工程应用和预测具有十分重要的意义。随着计算机技术的不断发展,数值模拟研究已经成为了解决两相流动问题的重要手段,而在模拟过程中构建合理完善的数学模型是求解的关键。基于计算网格内分散颗粒和颗粒聚团同时存在的多尺度结构,确立了密相和稀相加速度与网格局部结构参数之间的关系,建立了多尺度曳力消耗能量最小的非均匀流动结构的形成条件,基于双变量极值理论,考虑网格压力梯度的影响,构建了考虑颗粒聚团影响的多尺度气固相间曳力模型。通过考虑非均匀流动结构对气固相间作用力、化学反应以及传热传质过程的影响,建立了多尺度作用下气体-颗粒流动-反应耦合的双流动模型。应用基于颗粒聚团影响的多尺度流动模型,对高质量流率与低质量流率的提升管中气固流动特性进行了数值模拟。模拟结果再现了提升管内典型的环-核流动结构,同时捕捉到了颗粒聚团和分散颗粒同时存在的非均匀流动结构,观察到了颗粒聚团的运动、长大与破碎过程。模拟得到的颗粒浓度和速度分布与实验结果相吻合。为了考虑壁面摩擦的影响,将壁面摩擦压降嵌入到密相区与稀相区的动量守恒方程中,进而得到考虑壁面摩擦的多尺度气固相间曳力模型。研究发现,较大的壁面摩擦会降低颗粒脉动能量的耗散,使壁面处颗粒浓度增大。通过对气固加速度的分析发现,加速度的最大幅值大于重力加速度一个数量级之多,求解时不能被忽略。通过多尺度气固相间曳力模型得到的结构参数,考虑颗粒聚团在化学反应过程中的影响,构建了多尺度反应与传热传质计算模型,应用该模型对提升管反应器内载氧体的再生过程进行了数值模拟。结果表明,颗粒聚团导致密相区与稀相区的化学反应以及组分浓度分布产生明显的差异,相较于稀相区,密相区氧气浓度沿轴向变化显著。随着颗粒浓度的增大,密相区与相间作用区的反应速率呈现出较大程度的提高,而稀相区反应速率受颗粒浓度影响较小。忽略密相区与稀相区之间的气体组分质量交换后,密相区与稀相区组分浓度差异变得十分显著,而相区间的热量交换对温度场的影响相对较小。应用基于颗粒聚团影响的多尺度气固流动-反应计算模型,对双循环流化床耦合反应器系统内化学链燃烧过程进行了数值模拟,获得了空气反应器与燃料反应器内流场特性和气体组分与温度场分布规律。模拟得到的气体压力分布与出口气体组分分布与实验结果相吻合。比较了不同摩擦应力模型对于床内颗粒流动行为的影响,评估了不同的颗粒总藏量以及给料口位置对床内浓度分布的影响。颗粒总藏量较大时,颗粒浓度沿轴向几乎分布于整个燃料反应器,而颗粒总藏量小到一定程度时,颗粒在燃料反应器中无法实现自循环。同时分析了颗粒聚团对于气体组分与温度分布的影响。将气泡作为介尺度结构,考虑乳化相内颗粒相压力与相间虚拟质量力的影响,建立了适用于鼓泡流化床的多尺度气固相间曳力模型,同时对鼓泡流化床中气固流动特性进行了多尺度模拟研究。模拟结果与实验结果相吻合,同时得到了固相压力,加速度等参数与颗粒浓度的变化关系。采用电容层析成像浓度流量测试仪,进行了三维鼓泡流化床内气体-颗粒流动的实验研究,分析了鼓泡流化床内颗粒的分布规律。研究表明,考虑气泡影响的多尺度气固相间曳力模型可以更好地再现实验结果。应用基于气泡和颗粒聚团的多尺度曳力模型,结合化学动力学模型,对串行流化床反应器中化学链重整过程进行了模拟,观察到了床内颗粒所形成的内循环流动结构。通过与实验值的比较发现,考虑介尺度结构影响后的预测值更贴近于实验结果。比较了操作速度,反应温度以及操作压力等参数对反应产物的影响。反应温度的降低和燃料进口速度的提高可以在一定程度上增加氢气的产量,适当地提高水蒸气的进口份额可以有效地提高氢气的产量,操作压力的增大会使进口燃料气体的流量增大,进而降低燃料转化率和氢气的产量。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ021
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本文编号：1187476