反应器及其内置旋风系统内气固两相流动特性的数值研究

摘要

MTO反应器内气固两相流场流动状态复杂，两相分离过程和内置旋风分离器入口操作条件很难通过理论计算和实验测量准确获得。为此，本文以反应器和两级旋风分离器整体作为研究对象，采用CPFD数值模拟的方法，研究颗粒在反应器旋风系统内沉降和离心过程，计算旋风分离器入口含尘浓度和粒度，为设计高效率、低能耗和级间性能匹配的两级串联式旋风分离器提供必备的依据。 根据反应器内颗粒浓度沿轴向变化规律，将反应器由下至上划分为密相段加速区、密相段输送区、变径段输送区、沉降段过渡区和沉降段输送区。结果表明：在变径段输送区的壁面上存在颗粒沉积。在密相段的加速区和输送区主要分布120μm~200μm的大粒径颗粒，在变径段输送区主要分布60μm~120μm的中等粒径颗粒，在沉降段的过渡区和输送区主要分布0~60μm的小粒径颗粒。当操作气速在0.30m/s~0.42m/s波动时，沉降段输送区中位粒径稳定在30μm~38μm范围，当前的沉降高度保证反应器具有较大的操作弹性。 通过反应器对颗粒的沉降分离作用，正常气速下旋风分离器入口含尘浓度为1.217kg/m3，仅为反应器底部的0.3%，入口颗粒中位粒径为28μm，仅为底部的17.3%。大量颗粒在反应器内完成沉降分离，只有部分小于58μm的颗粒进入旋风分离器。研究表明，两级旋风分离器对1μm颗粒的分离效率达到70.35%，对3μm及以上颗粒的分离效率达到99%以上。随着旋风分离器入口含尘浓度增加，第一级分离器分离效率明显下降，而第二级分离器分离效率几乎不变。两级式旋风分离器不仅有效提高分离性能，还提高分离器分离性能的稳定性，保证旋风系统同样具备较大的操作弹性。 第二级分离器压降约为第一级的2倍，对1μm颗粒分离效率约为第一级的2.5倍，有必要提高第一级分离器的分离性能，保证第一级和第二级分离器的分离能力配比均衡。研究发现，第一级分离器的结构存在一些问题：在颗粒发生逃逸的情况中，80%以上是从排气管随短路流发生逃逸；锥段外旋流能耗很大，占总能耗的40%以上；柱段作为主要分离空间，切向速度峰值仅为第二级分离器的54%。因而采用曲面响应法(RSM)重点优化第一级分离器的排气管、锥段和柱段结构，并确定分离器分离性能最优时结构参数值。结构优化后，第一级和第二级旋风分离器对3μm颗粒的分离效率分别提高初始模型的31.99%和6.44%，总效率和总压降分别提高3.53%和1.49%，第二级和第一级旋风分离器的压降比由2减小为1.29。新型两级旋风分离器具有高效率、低能耗和分离性能分配均匀的优点。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 反应器旋风系统研究现状

1.2.1 MTO工艺催化剂回收技术

1.2.2 反应器内置旋风分离器发展现状

1.2.3 分离器入口浓度对效率影响的研究

1.2.4 结构参数对分离性能影响的研究

1.3 课题研究内容

第二章 反应器内颗粒重力沉降过程的研究

2.1 反应器旋风系统几何模型

2.2 数值模拟方案与可靠性验证

2.2.1 操作参数说明

2.2.2 两相流场模拟方案

2.2.3 模型网格划分及网格无关解

2.2.4 模拟结果可靠性验证

2.3 颗粒分布规律和运动过程分析

2.3.1 各区颗粒径向分布对比

2.3.2 各区颗粒速度变化对比

2.2.3 各区颗粒粒径分布对比

2.2.4 各区颗粒受到曳力对比

2.4 变工况下两相流场的变化分析

2.4.1 颗粒轴向浓度对比

2.4.2 颗粒轴向速度对比

2.4.3 颗粒分布规律对比

2.4.4 颗粒沉降系数对比

2.5 本章小结

第三章 旋风系统内颗粒离心分离过程的研究

3.1 分离器入口颗粒粒径分布

3.2 流场流动特性分析

3.2.1 气相流场运动情况

3.2.2 切向速度分布规律

3.2.3 下行流流量分析

3.3 颗粒运动特性分析

3.3.1 颗粒分布特性

3.3.2 颗粒运动轨迹

3.4 两级分离器的性能分配

3.4.1 分离能力分配

3.4.2 能量损耗分配

3.5 含尘浓度对两相流场的影响

3.5.1 对气相流场的影响

3.5.2 对颗粒分离的影响

3.6 本章小结

第四章 旋风系统的结构优化设计

4.1 响应曲面优化设计

4.1.1 结构参数设计

4.1.2 试验方案设计

4.2 效率优化分析

4.2.1 拟合模型方差分析

4.2.2 拟合模型残差诊断

4.2.3 各因素对效率的影响

4.2.4 效率优化设计

4.3 压降优化分析

4.3.1 拟合模型方差分析

4.3.2 拟合模型残差诊断

4.3.3 各因素对压降的影响

4.3.4 压降优化设计

4.4 新型旋风系统结构设计

4.5 新型反应器旋风系统性能分析

4.6 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致谢