快速流态化统一动力学模型的构建与模拟研究

摘要

快速流化床是一种高效的气固接触技术,在化工、冶金、能源等各领域的应用受到人们愈来愈多的关注,显示出了诱人的应用前景。然而,人们对快速床,尤其是高通量快速流化床复杂的气固流动特性的掌握还不够,大部分快速流化床的研究工作是分散和孤立进行的,相互之间缺少必要的联系。为此,本文构建一个快速流态化统一模型。该模型准确描述了各个快速床动力学参数,并通过实验加以验证。本文对快速流化床气固流动特性和放大规律进行了较系统深入的研究。
　　 根据快速流化床的基本流动特性、A型噎塞和C型噎塞的特征与定义,本文建立了一个统一的快速床模型——分相共存模型。以A型噎塞的修正Yang公式为‘本构方程’,很好预报了快速床在固体流率不变的条件下降低操作气速时床层由A型噎塞向C型噎塞的连续过渡。在分相共存快速床动力学模型的基础上进行分析,导出了上部稀相固含率与下部浓相固含率的表达式。同时模型很好预报了高密度快速床的形成,且上下部固含率不再随固体循环流率的增加而发生明显的变化。
　　 通过介观机理解析及子模型的优化,对已建立的快速流化床动力学统一模型进行了改进。包括:i）模型参数n和气相速度有效系数F(β)的介观模型确定方法;ii）A型噎塞Yang公式摩擦系数的实验相关;以及iii)Harris团聚物尺寸关联式的无因次重建。统一模型的预报得到了文献中数百个不同实验结果很好的验证。
　　 推导了快速床底部“一次携带最大固体流率”Gs,th的计算方法,对快速床颗粒浓度轴向分布由“指数单调下降”到“S型分布”的转变做出了合理的解释和预报。分析整理了浓相区高度的实验关联式。推导了过渡段和加速段的“动量平衡高度”的计算方法,并给出了整个床层固含率轴向分布的模型预报方法。模型对于快速流态化的最小固体流率也做了预报,实现了模型的完整性。
　　 将本模型推广到加压快速流化床实验当中进行验证,得到了相似的结果,为快速流化床系统的结构设计、运行和优化提供参考。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．1．1 快速流态化的定义

1．1．2 快速流态化的操作特点

1．1．3 快速流态化的优缺点

1．1．4 快速流化床的工业应用

1．2 国内外快速流化床的模型研究现状

1．2．1 一维轴向流动模型

1．2．2 环-核流动模型

1．2．3 局部结构模型

1．2．4 多维流体力学模型

1．3 课题提出和意义

1．4 本章小结

符号说明

参考文献

第二章 快速流化床统一模型的思路分析

2．1 快速流化床相关现象及动力学参数介绍

2．1．1 快速流态化形成的最小固体流率

2．1．2 噎塞现象的判据

2．1．3 颗粒流体间相互作用

2．1．4 颗粒团聚物

2．1．5 高密度快速流化床

2．1．6 床层固含率的轴向分布

2．2 构建本模型的思路分析

2．3 本文主要研究工作

符号说明

参考文献

第三章 快速床动力学统一模型

3．1 引言

3．2 快速床动力学统一模型的构建

3．2．1 基本假设与物理模型

3．2．2 数学模型的建立

3．3 快速床上部稀相和下部浓相固含率的预报

3．3．1 团聚物影响下上升稀相的受力分析

3．3．2 颗粒团聚物影响下等效管径的确定

3．3．3 上部稀相固含率的预报

3．3．4 下部浓相固含率的预报

3．4 高密度流化床的预报

3．4．1 颗粒团聚物的受力分析

3．4．2 团内滑移速度的二次调整

3．4．3 气相有效速度系数的修正

3．4．4 本模型的高密度流化床参数求解及实验验证

3．5 本章小结

符号说明

参考文献

第四章 模型参数的机理性预测与子模型优化

4．1 引言

4．2 模型参数n的机理性预测

4．3 A型噎塞预报公式的再相关

4．4 团聚物尺寸关联式无因次重建

4．5 模型预报与文献实验结果的综合比较

4．6 本章小结

符号说明

参考文献

第五章 统一模型的完整性——固含率轴向分布和最小固体流率的预报

5．1 引言

5．2 底部浓相床层形成的确定

5．3 经典快速床浓相区高度的扬析关联

5．4 过渡区段动量平衡高度的计算

5．5 快速床过渡段函数参数的计算及预报

5．6 快速床颗粒固含率轴向分布的计算

5．7 快速床最小固体流率Gsm的预报

5．8 本章小结

符号说明

参考文献

第六章 快速床动力学统一模型的实验验证及推广

6．1 引言

6．2 实验系统介绍

6．3 实验结果与分析

6．4 模型计算及比较

6．5 本章小结

符号说明

参考文献

第七章 全文总结及展望

7．1 全文总结

7．2 本文创新之处

7．3 未来工作的展望

攻读博士学位期间发表的学术论文目录

致谢