流化床输运床耦合反应器气固流动特性研究

摘要

气固流态化已广泛应用于石油、化工、环保、能源等领域，并且随着高新技术的发展，其应用领域越来越广泛。然而，传统的气固反应器中，固体物料的停留时间和外循环流率往往无法兼顾。针对此问题，本文提出了一种新型的流化床输运床耦合反应器，该反应器将鼓泡流化床和输运床有机结合，既具有鼓泡流化床颗粒停留时间长的优点，又具有输运床颗粒循环流率大的特点。同时，该反应器通过调节操作气速就可以对颗粒循环流率和停留时间进行有效的控制。
　　本文自行设计并搭建了流化床输运床耦合反应器冷态实验台，研究了中心风管位置、中心风管与提升管管径比(d/D)、流化风速(u1)、中心风速(u2)、颗粒粒径以及静止床高等因素对颗粒循环流率(Gs)的影响。结果表明:在本文实验条件下，中心风管的位置对Gs有一定的影响但并不十分显著;中心风量恒定时，当给定中心风量小于25 m3/h时，Gs随着d/D的增加迅速降低，中心风量大于35 m3/h时，Gs几乎不随d/D改变;中心风速恒定时，Gs随着d/D的增加显著增大;操作气速、颗粒粒径和静止床高对Gs有较大的影响，当d/D小于等于0.47时，Gs先随着中心风速或流化风速的增加而增加，随后增幅趋于缓慢;当d/D大于等于0.55时，Gs几乎不随中心风速的增加而改变，但是随着流化风速的增加而增加;Gs随颗粒平均粒径的增大而减小，随静止床高的增加而显著增加。通过试验数据回归，得到Gs的计算关联式，计算值的平均相对误差为-4.37％，可以较好地预测Gs。
　　为进一步研究耦合反应器内气固流动特性，本文还基于FLUENT软件对耦合反应器内气固两相流动进行了数值模拟。从残差曲线收敛、气固相质量流率守恒、网格无关性以及实验数据对比等角度对模拟结果进行验证。模拟结果表明:中心风管出口与提升管入口间的床层截面上，颗粒固含率沿径向主要呈先增加后减小的趋势，颗粒和气体的轴向速度在该区域沿径向均呈中心区大、边壁区小规律分布，并且在提升管边壁有窜气现象;提升管内颗粒固含率呈中心区小边壁、区大的环核型分布，而颗粒与气体的轴向速度均呈中心区大、边壁区小的规律分布;颗粒循环流率随中心风速、流化风速以及提升管管径的增大而增加，随颗粒粒径的增加而减小，模拟结果与实验结果较为吻合。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 典型气固流化床概述

1．2．1 鼓泡流化床

1．2．2 循环流化床

1．2．3 导向管喷动流化床

1．2．4 内循环流化床

1．2．5 气固环流反应器

1．3 流化床内气固流动特性研究现状

1．3．1 流化床内气固流动特性的实验研究

1．3．2 流化床内气固流动特性的数值模拟

1．4 本文研究目的和内容

1．5 本章小结

参考文献

第二章 流化床输运床耦合反应器冷态实验系统

2．1 冷态实验系统主体介绍

2．2 实验装置主要部件设计

2．2．1 布风板的设计

2．2．2 旋风分离器的设计

2．2．3 返料器

2．3 实验装置辅助系统及测量方法

2．3．1 供风系统

2．3．2 实验物料及临界流化风速

2．3．3 测量方法及实验步骤

2．4 本章小结

参考文献

第三章 冷态实验结果及分析

3．1 引言

3．2 实验结果与讨论

3．2．1 中心风管出口与提升管入口间距离对Gs的影响

3．2．2 d／D对循环流率的影响

3．2．3 中心风管流化数对循环流率的影响

3．2．4 流化反应段流化数对循环流率的影响

3．2．5 物料平均粒径对循环流率的影响

3．2．6 静止床高对循环流率的影响

3．3 颗粒循环流率的拟合

3．4 本章小结

参考文献

第四章 流化床输运床耦合反应器气固流动特性的数值模拟

4．1 前言

4．2 双流体模型的描述

4．2．1 基本方程

4．2．2 湍流模型

4．2．3 颗粒动理学理论

4．2．4 曳力模型

4．3 模拟对象与计算条件

4．3．1 模拟对象物理模型

4．3．2 自定义颗粒循环的UDF程序

4．3．3 计算条件

4．4 模拟结果与讨论

4．4．1 计算结果收敛性及网格依赖性分析

4．4．2 曳力模型对计算结果的影响

4．4．3 耦合反应器内气固流动特性

4．4．4 颗粒循环流率的计算值与实验值比较

4．5 本章小结

参考文献

第五章 全文总结与建议

5．1 全文总结

5．2 建议

5．2．1 实验部分

5．2．2 模拟部分

致谢

作者简介，攻读硕士期间参加的学术活动与发表的论文