（化学工艺专业论文）小型提升管气固两相流冷模实验及数值模拟研究.pdf

小型提升管气固两桕流冷模实验及数值模拟研究 师群( 化学工艺) 指导教师：钮根林( 副教授) 摘要 气固两相流态化体系渗透在现代石化、能源、冶金以及环境工程等 各个领域。本研究对重质油加工国家重点实验室1 2 m m 小型提升管冷模 实验装置中的流动参数进行实验测量，以此研究小直径提升管反应器内 气固两相流动规律。此外，本研究中还应用计算流体力学方法( c f d ) 模拟小型提升管反应器内气固两相的流动行为。 冷态实验结果表明：在气固提升管中，床层压降随颗粒循环量的减 小而减小，同时提升管下部加速段的压降减小的更为明显。随着颗粒循 环量的增大或表观气速的减小，不同轴向位置的颗粒浓度都呈现增大的 趋势。表观气体速度对于颗粒速度的影响非常显著。提升管中心区颗粒 速度随着床层高度的增加而增加，即颗粒浓度随床层高度的增加而降低。 气速一定的情况下，提升管中心区的颗粒速度的增加趋势比边壁要显著。 颖粒浓度在径向上的分布呈中心低边壁高的不均匀模式，即明显的环核 结构。针对本研究所测量的小型提升管冷模装置，运用商业化流体力学 计算软件f l u e n t 模拟了装置中气固两相的流动行为，进而对小型提升 管气固流动状况进行深入探讨。数值模拟采用欧拉一欧拉双流体模型， 固相应力采用颗粒动理学理论计算，气固相问作用采用g i d a s p o w 提出的 曳力公式。对小型提升管进行= 维非稳态模拟，对结果进行统计可以看 出：通过上述方法进行数值模拟计算可以比较准确地描述提升管反应器 内的非均匀流动结构( 包括颗粒分布在径向上呈环核流动结构和轴向上 ；i 呈上稀下浓的结构特征) 。通过模拟可以得到颗粒拟温度和颗粒相秸度， 能够较好地说明提升管内颗粒碰撞情况。提升管内不同的操作条件下轴 向压降、局部颗粒固含率、局部颗粒速度与实验测量得到的趋势一致。 本研究工作还通过数值模拟的方法考察了提升管进口和出口的设置对提 升管内颗粒流动形式和压降的影响。 关键词：气固两相流冷态实验计算流体力学 e x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no f t h eg a s - s o l i dt w o - p h a s ef l o wi nm i n i - r i s e rr e a c t o r s h u a i q u n ( c h e m i c a lt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rn i ug e n - l i n a b s t r a c t f l u i d i z e db e dt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l ye n c o u n t e r e di np e t r o l e u m ， c h e m i c a le n g i n e e r i n g ，e n e r g ys 0 1 n c e , m e t a l l u r g ya n de n v i r o n m e n t a li n d u s t r y e x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n bw e r ec o n d u c t e dt os t u d yf l o wb e h a v i o r so f g a s - s o l i dt w op h a s ef l o wi nal a b o m t o r y - s c a l er i s e r n u m e r i c a li n v e s t i g a t i o n s w e r ep e r f o r m e do nc o m m e r c i a lc o d e ( f l u e n t ) t os i m u l a t et h ed y n a m i co f t h i sg a s s o l i dt w op h a s es y s t e m t h ee x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n ti n d i c a t e st h a tt h ep r e s s u r ed r o pi nr i s e r d e c r e a s e sw i t ht h ed e c r e a s i n go fs o l i dm a s sf l u x ，e s p e c i a l l ya tt h eb o t t o mo f t h er i s e r , w i t ht h e i n c r e a s i n go fs o l i d m a s sf l u xo rt h e d e c r e a s i n go f s u p e r f i c i a lg a sv e l o c i t y , s o l i dp h a s ev o l u m ef r a c t i o n a td i f f e r e n ta x i a l p o s i t i o n si n c r e a s e ss i m u l t a n e o u s l y t h i st r e n da p p e a r sm o r eo b v i o u s l yi nc o r e r c g i o n st h a ni nr e g i o n sn e a rt h ew a l l t h es o l i dp h a s ef r a c t i o ni sm u c hh i g h e r i nr e g i o n sn e a rt h ew a l la n dl o w e ri nt h ec o r er e g i o n so ft h er i s e r , w h i c h c o n s i s t e do fac o r e a n n u l a rf l o wp a t t e r n n u m e r i c a ls i m u l a t i o n sw e r ec a r r i e d o u tb yu s i n gc o m m e r c i a lc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c sp a c k a g e ( f l u e n t 6 ) t o o b t a i nb e t t e ru n d e r s t a n da b o u tf l o wb e h a v i o r si nt h i sl a b o r a t o r y - s c a l er i s e r e u l e r - e u l e rt w of l u i dm o d e lw a sa d o p t e di nt w od i m e n s i o n a ln u m e r i c a l i v s i m u l a t i o n ，t h es o l i ds t r e s sw a sc a l c u l a t e da c c o r d i n gt ok i n e t i ct h e o r y , a n dt h e i n t e r - p h a s em o m e n tt r a n s f e rw a sc a l c u l a t e db yg i d a s p o wc o r r e l a t i o n s t h e r e s u l to fu n s t e a d ys i m u l a t i o ns h o w st h a tf l o ws t r u c t u r e so fg a s - s o l i dt w o p h a s ef l o wc o u l db ec a p t u r e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n si m p l e m e n t e di nt h e w a yd e s c r i b e da b o v e ，i n c l u d i n gt h ec o r e - a n n u l a rd i s t r i b u t i o ni nr a d i a la n dt h e d e n s er e g i o na tt h eb o t t o mo ft h er i s e r f u r t h e r m o r e , g r a n u l a rt e m p e r a t u r e a n dg r a n u l a rv i s c o s i t yo b t a i n e dt h r o u g hs i m u l a t i o nc o u l db eu s e dt od e s c r i b e t h ec o l l i s i o nb e t w e e np a r t i c l e s s i m u l a t i o nr e s u l t s ，s u c ha ss o l i dp h a s e f r a c t i o na n ds o l i dp h a s ev e l o c i t y , u n d e rd i f f e r e n to p e r a t i o n a lc o n d i t i o n s b a s i c a l l ya g r e ew e l lw i t ht h ee x p e r i m e n t a lm e a s u “：1 1 1 e n t t h ei n f l u e n c e so f d i f f e r e n ti n l e ta n do u t l e t d e s i g nw e r ea l s oi n v e s t i g a t e db yn u m e r i c a l s i m u l a t i o n k e y w o r d s ：g a s s o l i dt w o p h a s ef l o w , e x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t , c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c 中国石油大学( 华东) 硕士论文 符号说明 符号说明 a i 。一一入口截面积，m 2 c d 一一曳力系数 d 一一提升管直径 d s 一一颗粒平均直径，um o - - 一颗粒碰撞恢复系数 一一颗粒对壁的恢复系数 g m 一一入口颗粒质量流率，k g 1 1 1 - 2s 1 g s 一一颗粒质量流率，k g m - 2 s - 1 g s 一一饱和颗粒夹带量，蚝m 2 s i g o 一一径向分布系数 g - - 一重力加速度，m s 2 h 一一提升管高度，m k - - 一气相湍能，m 2 s - 2 k 一一颗粒湍能，m 2 s 2 p 一一压力，p a r e 一一雷诺数 u g 一一表观气速，m s 1 u 。一一颗粒入口速度，m s 1 d 一一气固两相相间摩擦系数，k g ( m 2 s ) 一一气相湍能耗散率，m 2 s 2 一一截面平均空隙率 s 一一固含率 8 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文 符号说明 l 。一一最大颗粒体积含率 一一颗粒剪切粘度，p a s 。k i n - - 一颗粒动力学粘度，p a s 鲥一一颗粒碰撞粘度，p a s e 一一颗粒容积粘度，p a ，s p s 一一颗粒密度，k g - 一 o - - 一颗粒拟温度，m 2 s 。2 8 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获德中国 石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 签名： 伽7 年，月加日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名：章鹭l 一矽可年 ， 月；。日 导师签名：二畚谗夕年月日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 循环流化床作为现代石油加工技术，在石油炼制方面得到非常广 泛的应用，因此从更全面的角度认识循环流化床是非常必要的。目前 国内外对流化床床层内流动特性、传热传质、燃烧特性均有深入的研 究。但是由于循环流化床内颗粒与气体流动行为的复杂，研究床内的 传热、传质特性，气固两相流动非线性动力学特性，气固两相的宏观 运动都存在着较大的困难，其中核心问题是床内气固两相流动特性研 究以及通过实验测量和理论研究正确预测其中的流动特征、传递性能 和反应规律等特性。 1 1 循环流化床技术的发展 循环流化床技术在现代石油、化工、能源、轻工、冶金、材料、 环保工业中有大量的应用。自从1 9 3 6 年【】间歇操作的固定床催化裂化 装置形式投入工业化以来，一直是炼油生产中提高原油加工深度、生 产高辛烷值汽油、柴油和液化气等轻质油品的核，6 , - 次加工工艺。2 0 世纪4 0 年代是流态化技术发展的初期，当时人们为了生产战争所需的 汽油，研究和开发了流化催化裂化工业装置。世界上第一套石油催化 裂化流化床反应器于1 9 4 2 年在美国建成，处理能力达到了1 7 0 0 t d 。 由于其技术上的合理性及大量的工业需求，很快在全世界普及开来。 2 0 世纪6 0 年代开发成功的提升管反应器使流态化技术的应用达到了 一个新的高度，使催化裂化成为炼油工业最重要的加工手段之一。近 半个世纪以来，催化裂化在我国获得了高速发展，是炼化企业实现重 油轻质化以提高经济效益的最重要手段之一，为我国石化工业和国民 i 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 经济发展做出了巨大贡献。进入2 1 世纪循环流化床是当代流态化研究 中最活跃的领域之一。经过科研、设计、生产单位的共同努力，它的 技术水平将不断提升，呈现出新的发展势头。可见以流态化为核心的 工程技术在推动催化裂化技术发展的进程中一直扮演着举足轻重的角 色。 我国是原油加工深度较大的国家，由于多数原油偏重，而氢碳比 ( h ，c ) 相对较高且金属含量相对较低，催化裂化过程，尤其是重油 催化裂化过程的地位就显得更为重要。但随着环保标准的不断提高， 对油品质量的要求越来越严格，国内外汽油、柴油新标准的一再升级， 使重油催化裂化工艺面临着严峻的挑战，尤其是汽油新标准中对烯烃 含量的严格限制，将对重油催化裂化技术提出更苛刻的要求。 从近十年的发展情况来看，在目前和今后一段时期内，催化裂化 技术将会围绕以下几个主要方面继续发展：加工重质原料。降低 能耗。减少环境污染。适应多种生产需要的催化剂和工艺。过 程模拟和计算机应用。为了正确设计，预测以及用计算机优化控制， 都需要有正确的模拟催化裂化过程的数学模型。 1 2 冷模实验的发展 模型实验对于科学研究具有重要的意义：通过模型研究可以严格 控制实验对象的主要参数不受外界条件或自然条件的限制，做到结果 准确，可以在负责的实验过程中突出主要矛盾，便于把握现象的本质 特征和内在联系。模型制造简单，节省资金，便于观察，有助于更好 地观察整个反应过程。 通常化工过程开发包括三个环节：先通过小型热模实验研究化学 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 反应规律，再通过冷模实验研究传递规律，最后将热模实验与冷模实 验所得结果相结合，建立装置的数学模型，形成工艺软件包1 2 j 。另一 方面，为了验证装置模型的可靠性，必须进行相应规模的冷模实验， 通过实验数据来对装置模型的各种参数进行修正，并为进一步建立生 产装置提供基础设计数据。因此，冷模实验是化工过程开发中必不可 少的环节。 1 3 提升管反应器的数学模型研究 催化裂化提升管反应器内流动是非常复杂的，偏离平推流较大， 按照模拟方法，模型分为两类1 3 , 4 ；，其一是用欧拉方法建立的数学模型， 其二是用拉格朗日方法建立的数学模型。前者是将颗粒视为拟流体， 认为颗粒与流体是共同存在且是相互渗透的连续介质，双流体模型是 这一方法的典型代表；后者把流体作为连续介质，将颗粒作为离散体 系，在欧拉坐标系下研究流体相的运动，在拉格朗日坐标系下研究颗 粒群的运动，即颗粒群轨道模型，可用于研究多个颗粒之间相互作用 的离散单元法( d e m ) 在这一类模型中得到了很好的应用。 1 3 1e u l e r e u l e r 坐标系下的模拟方法 欧拉方法建立流体模型是将气、固两相全都视为连续介质，在欧 拉坐标系中研究混合相流体运动。 1 3 1 1 无滑移模型 无滑移连续介质模型是最简单的多相流体流动模型。该模型把整 个两相流场笼统看成一种单一流体，直接把单相流体动力学的概念推 广到两相流中1 5 l ，即颗粒相与气体相达到动力平衡和热平衡的模型， 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 认为流场中颗粒与气体时均速度与温度处处相等，颗粒扩散相当于气 体组分的扩散( 扩散平衡) ，颗粒群按当地尺寸分组，颗粒质量方程的 变化用直径平方的线形递减规律来表达。由上述基本假设可以不必解 颗粒的动量和能量方程，与单相流体的差别是只需多求解颗粒群质量 方程，并在气相方程中加入颗粒质量的源相。这种模型的优点是简单， 计算方便，它不需要重新编制计算颗粒相程序，而只要对原有的流体 相计算程序进行一些修改，加迸计算颗粒源相的部分就可以了。缺点 在于不考虑颗粒相和流体相之间的速度滑移及阻力作用，认为颗粒相 同流体相一样有相同的温度和扩散系数，这和实际的多相流动情况差 异很大。在七十年代曾用于两相流模拟中，从八十年代开始在国际上 已很少用于解决实际工程问题。 1 3 1 2 小滑移模型 小滑移模型的基本假设为h 一，颗粒群看作是连续介质，并按当地 尺寸分组，不同的组为不同的值，同一相有同样的速度，温度，颗粒 直径，颗粒的运动是由流体的运动而引起的，颗粒相的滑移是由于颗 粒相对于多相流整体的湍流扩散所致。这种模型相比较无滑移连续介 质模型要合理些，它考虑了颗粒相和流体相之问的速度和温度滑移， 因而更接近于实际情况，但是这种模型在考虑滑移时仍把颗粒的滑移 看作是湍流扩散效应，因而和大多数实际的多相流动问题有很大的出 入。 1 3 1 3 滑移一扩散的颗粒群模型 滑移扩散的颗粒群模型通常多相流动中颗粒群既有沿轨道的时 均速度的滑移运动，又有沿轨道两侧的扩散运动，并且前者明显的比 后者更主要。此模型的假定条件是各相时均速度差异造成滑移的主要 部分，它是由于各相初始动量不同而引起的，扩散漂移造成了滑移的 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 一小部分，空间各点尺寸组的速度，尺寸，温度等物理参数均不相同。 姚文达、王贺岑等1 7 应用两流体模型研究燃烧器出口处气固两相流动 过程，它属于滑移扩散模型，同时考虑到了气相和颗粒相湍流扩散作 用和时均速度的滑移。 1 3 1 4 两相流模型 两相流模型中，颗粒相作为连续相处理，颗粒相应具有类似气体 的粘度、压力等的定义。两相流模型中，颗粒相湍流的模型目前应用 最多的是以颗粒追随流体脉动概念为基础的代数模型( h i n z e t c h c n 公式) ，简称a p 模型。按此模型，颗粒湍动能k p 恒小于气相湍动能k 并且颗粒尺寸越大，k p k 越小。然而近年来的实验研究i s 表明，在流 场中，有时k p 大于k ，而且颗粒尺寸越大，k p k 越大。 周力行 9 1 提出呲模型并在煤粉燃烧等稀疏颗粒湍流气粒体系 中得到成功应用。k - - k 。模型，类似气相的湍能k 方程，提出颗粒相 湍能输运方程模型( k p 模型) ，与气相k - s 模型联合构成k - - k p 模型。 k 模型考虑颗粒的湍流动能不仅依赖于局部气体湍能的影响，也受其 自身对流，扩散及产生项的影响，尤其考虑了因质量扩散引起的动量和 能量输运。k - - k o 模型已成功地用于描述颗粒浓度较稀( 如固气比小 于l o 或更小) 时的气、固两相流动行为。当颗粒浓度较稀时，气相湍 流将起主要影响作用；而对于颗粒浓度较高的提升管或其它多相反应 器，由于颗粒浓度的提高，颗粒之间的碰撞对流动影响已不能忽略， 且占据主要地位。将k 吨_ k 。模型和k - 一a p 模型对闭式射流，突扩流动 【1 0 l 和三维回流流动进行了模拟，与实验结果对比，k _ k 。模型比k 吨a p 模型合理。c h e n g l j j 1 将k 廿k 。模型与颗粒动理学理论结合建立了 k 一- k p - o 模型并成功地预测了循环流化床下行式反应器内的气固流动 行为。k 母k p - 0 模型为湍流气相一湍流颗粒相的气固两相流模型，即 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 气相采用l - c 湍流模型描述，颗粒相采用湍流模型，而且模型引入颗 粒相动理学理论，用来描述颗粒碰撞产生的颗粒粘度和颗粒压力。此 后又对层流机制表达的气固两相流体力学模型采用r e y n o l d s 平均的 方法获得气固两相流的湍流模型描述，对下行床冷态实验进行模拟 【翻。郑雨等1 1 3 1 在k - s - k p 0 模型的基础上对固相的湍动模拟采用类比气 相k - g 模型的推导方法对固相守衡方程进行雷诺平均建立了 k 8 - k 。啷0 模型1 。徐春明，高金森等旧对提升管反应器内气固两相 流动、传热及反应等复杂过程进行了数值模拟。陈新国等【16 ，1 7 1 建立气 固两相流的颗粒动力学模型，并结合催化裂化反应的集总动力学建立 催化裂化提升管反应器内原料油气和催化剂颗粒两相流传质、传热、 反应的三维模型，用于考察提升管内催化裂化反应历程。 1 3 2e u l e r l a g r a n g e 坐标系下的模拟方法 颗粒轨道模型( p a r t i c l et r a j e c t o r ym o d e l ) 又称离散单元模型 ( d i s c r e t ee l e m e n tm e t h o d ，d e m 砑用欧拉一拉格朗n ( e u l e r l a g r a n g e ) 观点。这种模型将颗粒看成是与流体有速度和温度滑移的分散群，在 最早提出的确定轨道模型中，认为颗粒群没有自身的湍流粘性、湍流 扩散和湍流导热，颗粒群按初始尺寸而不是按当地尺寸分组，各组颗 粒沿各自的轨道运行而互不干扰，可追踪其沿轨道的速度、温度、粘 性和密度的变化史，即在l a g r a n g e 坐标系中考察颗粒行为，并将颗粒 群与流体间的质量、动量和能量的相互作用视为连续分布于空间的物 质源、动量源。该模型的出发点是l a g r a n g e 坐标系中颗粒连续、动量 及能量守恒的微分方程组。 为考虑流体湍流脉动造成的颗粒扩散效应，一种简单方法是采用 漂移速度和漂移力修正，但是在用f i c k 定律的梯度模拟概念来计算漂 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 移速度时，所需要的颗粒粘性及颗粒数密度仍需分别由h i n z e t c h e m 代数式及无滑移模型给出，而且这种修正只能给出扩散对轨道位置的 影响，无法给出颗粒速度和浓度的空间分布。 目前应用轨道模型最多的是随机轨道法，即由颗粒瞬时动量方程 出发，随机的给定气体的瞬时速度，用m o n t e c a r l o 法计算此随机瞬 时流场中颗粒的随机轨道以及流体湍流对颗粒的作用。孙保民，徐旭 常等【ls 】直接由轨道形式的颗粒瞬时方程出发，考虑流体湍流对颗粒的 作用，认为颗粒是与一个又一个的气相随机湍流涡团发生作用，同时 又受到各种力的影响，由此计算颗粒的随机轨道及沿轨道的变化经历。 由长福，徐旭常等1 9 , 2 0 ，2 1 】采用直接模拟m o n t e - c a r l o 算法模拟颗粒间的 相互碰撞过程，并与随机轨道模型结合起来综合考虑湍流和颗粒碰撞 对颗粒运动和浓度分布的影响。刘敏瞄1 提出了数值模拟稠密气固两相 流动的多重格子一真实轨道模型，通过对竖直槽道内稠密气固流动的 数值模拟，对颗粒聚集现象进行了研究。 轨道模型的优点是既考虑颗粒的滑移，而又处理简单，储存量和 计算量小而且颗粒相计算中无伪扩散出现，且易于考虑颗粒复杂经历， 因而对有化学反应的复杂两相流而言，轨道模型是目前较常用的模拟 方法。该方法的缺点是难以完全模拟颗粒湍流的输运过程，即使所用 的轨道数相当多( 其计算量也随之增大) ，也难以给出能与实测的颗粒 欧拉场特性相对照的颗粒速度和浓度分布的详尽数据。由于目前人们 对颗粒运动中所受的各种作用力( 如颗粒与壁面的碰撞颗粒与颗粒问 碰撞，粘附等所产生的力) 研究还不够深入，给轨道模型的应用带来 了很大的影响。 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 1 4 计算流体力学 计算流体力学( c f d ) 是- f l 综合了数学、计算科学、工程学和物 理学等多方面的科学，通过这些科学的组合来建立流体流动模型。由 于化工过程中经常会出现流体，所以流体力学一直是化学工程的重要 内容。计算流体力学凭借其强大的数值运算能力，可以解决解析方法 不能求解的方程。通过计算流体力学的应用，可以减少实验的次数， 节省时间和资金。由于许多c f d 计算软件的出现，大大减少了c f d 的工作量，降低了对计算机知识的要求，从而使c f d 得到更为广泛的 应用嘲。c f d 软件一般包括三个主要部分：前处理器、解算器、后处 理器。通过将c f d 技术与冷模实验相结合，可以逐步建立更为准 确的提升管流体流动模型，直至建立工艺软件包，实现对提升管催化 裂化技术的计算机模拟。 常见的商业c f d 软件有f l u e n t 、c f d r c 、p h o e n i c s 、 c f ) 矾垣a 、s t a r - c d 、f i d a p 等。c f d 技术应用的趋势是用于各行 业的计算机辅助设计，在对单元设备进行详细设计之前，采用c f d 技 术对各种设计方案进行详细评估，从而使设计方法更新，最终达到改 善设计、降低风险及提高设计质量的目的。 近几年来，c f d 商业软件在循环流化床的数值模拟中得到了广泛 的应用。如郑雨、魏飞等人1 2 5 】对下行床反应器内催化裂化过程进行了 模拟，其耦合湍流气粒多相流模型和催化裂化集总动力学模型，建立 了描述下行床内多相流动和催化裂化过程的反应器数学模型，并利用 模拟软件c f x 4 3 对下行床内的催化裂化过程进行了数值模拟及分析。 模型能预测出在如固含率、相问滑移速度、压降、气固相的加速区以 及各组分浓度的分布情况。徐祥 2 6 , 2 7 1 利用f l u e n t 软件，对循环流化 r 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 床的气固两相流动进行数值模拟，采用前处理软件g a m b i t 进行计算 区域的网格划分，二维区域主要采用四边形网格，有限容积法对模型 的控制方程进行离散化，压力一速度耦合采用p c s i m p l e 算法。研究 了流化床密相区颗粒相浓度在床内径向和轴向的分布，以及床内沿床 高压降。汤颜菲阱】使用f l u e n t 6 2 软件，在研究流化床气固两相动 力学特性的基础上，深入对动理学模型的理解并参照该模型建立聚丙 烯气固两相动力学模型，进而对聚丙烯体系的气固动理学行为进行深 入探讨。h a m i da r a s l o o p o u r l 2 9 ) 川用c f x 和f l u e n t 两种商业软件对 气固两相流进行了二维和三维的瞬时模拟，对复杂的几何构体细软彳牛 模型参数进行改进，并阐述了计算流体力学方面的限制和发展。 1 5 数值计算方法 1 5 1 微分方程的离散化 由于化工流体力学过程的基本微分方程组一般都是非线性的，各 方程之间耦合性很强，所以不可能用解析方法求解，而必须采用迭代 法或数值方法求解。微分方程的求解方法，首先必须把微分方程离散 成代数方程即差分方程，其实质就是用积分域内有限的网格节点的不 连续函数值代替函数定义域内的连续函数值。最后求解差分方程组。 目前应用于微分方程离散化的方法主要有三种f 3 i 】：有限差分法、 有限元法和有限分析法。有限差分法习惯采用泰勒级数展开作为微分 方程离散化的工具，而国际上所说的有限区域法则采用控制容积法去 离散微分方程，有限差分法原来的一个主要缺点是难于处理复杂几何 形状的研究体系，近年来，随着贴体网格系统的出现，这个问题已逐 渐得到解决。有限元法在处理研究体系的复杂几何形状方面有特殊的 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 优势，在固体力学中得到了广泛的应用，但在流体力学的应用特有的 非线形的对流相时，遇到了一定的困难，加上与有限元法联系在一起 的离散化方法和求解方法所需要得计算机内存较大，所以有限元法目 前在流体力学领域仍处于发展阶段。有限分析法的基本思想是把微分 方程的数值解和解析解结合起来，构造离散化方程组。但此方法耗费 机时多，有时求局部解析解还有困难。 1 5 2 网格的划分及应用 离散化应包括积分区域的离散化和微分区域的离散化。 积分区域的离散化即积分定义域的网格化，它是微分方程离散化 的基础。一般情况下，可以采用正交网格，即以正交坐标系的坐标面 相交得到的网格。例如，其在计算边界层流动时，为了在边界层内保 持不变的网格节点，网格步长应随边界层的厚度的增厚丽增大。 事实上，人们在求解某些问题前，可以先采用粗网格进行计算， 以便得到求解因变量的变化规律，然后对因变量变化比较侠的区域采 用细分的网格，而对因变量变化慢的区域采用粗网格，这样构成的非 均匀网格才是最理想的网格划分方法。 1 5 3 压力速度耦合关系的处理 在不可压缩流场的控制方程中，压力梯度是以源项形式出现在动 量方程中的，压力没有独立的方程。在以速度、压力为求解变量的原 始变量中，为了解决压力没有独立的方程的困难，先后发展出了人工 压缩性方法、惩罚方法、抛射法及压力修正算法等方法。其中以压力 修正法的应用最广。在求解不可压缩流体的流场问题时，如果我们把 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 从动量方程与连续性方程离散得到的代数方程组联立起来直接求解， 就可以得到各速度分量及相应的压力值。但是，这样的直接解法要占 用大量的计算机内存，对于目前大多数工程应用场合还不适用。如采 用分离式的迭代求解方法，也无法对压力场求解并且没有用到连续性 方程。如何利用质量守恒方程使假定的压力场能不断地随迭代过程的 进行而得到改进，这就是所谓的压力修正算法。压力修正算法源于 1 9 7 2 年由帕坦卡和斯波尔丁提出的s i m p l e 算法 3 2 ( s e m i i m p l i c i t m e t h o df o rp r e s s u r e l i n k e de q u a t i o n s ) ，在8 0 年代到9 0 年代又相继提 出了s i m p l e r 、s i m p l e c 、s i m p l e x 、s i m p l e t 等算法。 1 5 4 边界条件的处理 1 5 4 1 进口边界 原则上进口边界上被求量的值应该给定，对速度与温度一般不成 什么问题，而用两方程k z 模型来计算湍流时，一般情形下无法获得 由实验测得的进口处k 及e 之值。此时可采用以下方法： 表i - ik e 关联式 t a b l e l - 1k - ec o r r e l a t i v ee q u a t i o n 表1 i 中，u i 。为进口截面平均流速，a 为进料口面积，l 为其周 长。 1 5 4 2 出口边界 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 p a t a n k a r 3 2 】曾认为，出口边界不能设计在有回流的界面上，否则 得到的解释是没有意义的。数值实践证明，对出口边界位置选择的这 种苛刻要求是不必要的。近1 0 余年来关于如何设置出口边界条件的讨 论，目的之一正是希望也能把出口边界有回流时的情况包括在内。 如果可以通过实验测定的方法获得出口截面上速度分布与压力分 布等，则就可以用这些测定结果作为出口边界条件。 1 6 课题的提出和意义 实验室规模的小型提升管反应器直径都在2 0 m m 以下，重质油加 工国家重点实验室的提升管反应器内径为1 2 m m 。就目前冷模实验已 经取得的实验数据来看，在提升管底部存在着定高度的催化剂浓相 段，而且提升管管径越小，该浓相段的高度越高。在这段浓相段中， 催化剂颗粒的滑落与返混非常严重，使催化剂颗粒在提升管内的停留 时间要高于计算值。由于提升管底部是最为主要的反应部位，所以对 反应结果影响非常大。 但是目前实验室装置放大到工业应用中后，工业化装置与实验室 装置在流动状况上会有很大的差别，从实验室数据无法准确描述工业 装置绲到的结果。在相同颗粒贮料量下，床层直径减小，使由伴床向 提升管底部供料的背压增大，边壁效应增强，所以床径减小时，不仅 床层密度增大，而且沿轴向分布的不均匀性也增大。因此研究小型提 升管反应器是十分必要的。 同时，在催化裂化技术高速发展的时代，仅仅凭经验与实验来设 计与推断是不能够满足科技要求的，为了正确设计、预测，就要借助 计算机对流体进行计算机模拟与分析研究。近些年来，计算流体力学 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 在多相流研究中的应用越来越受到人们的关注。计算流体力学模型基 于流场中质量，动量和能量守恒规律，建立反映气，固两相流动的基 本流体力学方程组，加上与具体过程相关的反应过程，最终构成对整 个反应器的理论描述。经过实验检验的计算流体力学模型，有利于对 反应器更详细的了解，进而指导反应器的设计，优化操作和放大。所 建立的模拟能反欧问题的本质，大幅度地减少了新设计所需要的时间 与成本，便于优化控制，具有良好的重复性。 1 7 本文的工作和主要内容 本论文将利用重质油加工国家重点实验室的1 2 r a m 小型提升管流 态化冷模实验装置的实验数据，与计算流体力学的原理相结合建立小 型提升管反应器内气固两相流体流动的数学模型。根据所建立的两相 流动模型，并结合运用f l u e n t 计算流体力学软件对小型提升管在不 同操作条件下的流态化行为进行模拟，通过实验数据对计算结果进行 考察，得到最优化的设计数据。 1 7 1 冷模实验研究 本文在实验室小型提升管的简单模型实验台进行冷态实验研究， 实验研究的主要内容为： 1 、实验研究提升管内轴向压降的变化规律； 2 、实验研究固定表观气速，改变颗粒循环量对提升管内颗粒浓度和 颗粒速度变化的影响，通过分析得出一般的变化规律； 3 、实验研究固定颗粒循环量，改变表观气速对提升管内颗粒浓度和 颗粒速度变化的影响，通过分析得出一般的变化规律。 1 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 1 7 2 数值模拟研究 由于实验测试技术的局限性及所得数据的不完全性，到目前为止， 仍不能对实验室里和生产中所得数据有一个深入的和透彻的理解，致 使对流化床内气固两相流动的认识不够。随着计算机技术的发展，数 值模拟研究得到了广泛的应用，并为研究者带来了极大的方便。本文 将使用商业软件f l u e n t ，对循环流化床小型提升管进行简单的气固 两相流动模拟实验。通过模拟实验来研究循环流化床提升管内部的气 同流动规律。模拟实验研究的主要内容为： 1 、建立以双流体模型为基础结合颗粒动理学理论，以软件f l u e n t 为平台进行计算的流化床计算流体力学模型； 2 、在循环床小型提升管内进行密相区相关的模拟实验和计算，验证模 型适用性和准确性； 3 、预测不同工况下流化床提升管内，颗粒浓度的分布情况及颗粒速度 的流动规律，并将模拟结果与实验结果进行对比。 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章气固两相流动冷模实验研究 第2 章气固两相流动冷模实验研究 中国石油大学( 华东) 重质油加工国家重点实验室建立管径为 1 2 r a m 的提升管冷模装置，并对小型提升管内的气固流态化行为进行 初步研究，找出其气固流动规律。 实验利用中科院过程工程研究所提供的p v 4 a 光纤探头吲测量不 同操作条件下提升管轴向6 个不同位置测量点的颗粒速度和颗粒浓 度。为了研究不同操作条件对气固流动状态的影响，实验用控制气体 线速的方法，在一定气速下，改变固体颗粒循环量( 在所能达到的固 体颗粒循环量范围内尽量均匀的取3 个不同的循环量) ，测得在不同循 环量下，不同提升管高度处的颗粒浓度和颗粒速度的数据。从而可以 掌握小型提升管中不同操作条件下气固流动行为的规律，且为进一步 数值模拟提供必要的实验数据。 2 1 实验装置 实验装置如图2 1 所示。提升管内径1 2 r a m ，高度为3 m ，实验用 流化气体为常温空气，由空气压缩机提供，由转子流量计测量空气流 量( 小流量时用累积流量计测量) ，其表观气速u 。的操作范围为】3 4 9 m s 1 ；循环颗粒采用f c c ( 砌q z - 3 0 0 ) 催化剂，颗粒密度p s - 1 7 0 0 k g i n 3 ，平均直径d 。= 7 6 岬。颗粒进料量由储料罐下部，靠近提升管附 近的球阀控制阀调节，颗粒循环量g 。采用切换法通过计量槽测量；提 升管上安装有六个测量点，距提升管下部的陶瓷分布器分别为o 1 5 m 、 0 3 5 m 、o 6 m 、o 8 5 m 、2 1 5 m 、2 6 5 m 。将光纤探头插入各测量点处的 玻璃支管，测量提升管不同轴向位置的颗粒速度。 1 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章气固两相流动冷模实验研究 图2 - 1 小型提升管实验装置图 f i g 2 - 1s c h e m eo f e x p e r i m e n t a ls y s t e mo f m i n i - r i s e r 在实验中，由空气压缩机4 提供的压缩空气经过稳压阀8 调节一 定流量后，经过转子流量计1 5 ( 或累积流量计1 6 ) 后，从提升管底部 通过一个有陶瓷过滤器制成的空气分布器进入提升管l ，而催化剂颗 粒则由颗粒输送管路1 4 从储罐2 通过调节阀1 3 调节流入提升管，从 而气体将颗粒提升；气固混合物被提升至提升管顶部以后经过顶部折 流管回流再次进入催化剂储罐；由于催化剂的循环量较小，且出口线 速不高，不必设旋风分离器，只在储罐项部设置有排气口，连接排气 管路，将气体排入大气。其中排气口处可使用2 0 0 目铜网作为滤布阻 挡催化剂颗粒，减少其损失；在排气管上装有一球阔1 2 ，控制此球阀 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章气同两相流动冷模实验研究 的开度可以控制整个系统的压力，实验中一直将其设为常压，也就是 说提升管内绝对压力在一个大气压左右。计量槽3 是用来测颗粒循环 量的，需要测量时，打开截止阀5 ，同时关闭截止阀6 ，与此同时，打 开秒表计时，适当时间后打开截止阀6 ，同时关闭截止阀5 ，并停止计 时，这就是快关阀测流量法。管线1 8 作用是平衡气体压力的，避免压 力积累。管线1 9 是为了使储罐内催化剂松动，防止死床。 2 2 实验方法 实验中需测试的主要参数有以下几种：表观气速u g ；固体颗 粒循环速率g 。；局部颗粒速度u , i 局部颗粒浓度岛。 2 2 ，1 表观气速的测定 由于实验室内的冷模实验一般在常温条件下采用空气作为介质， 所以多采用转子流量计和孔板流量计，并根据气体流量和提升管的直 径计算表观气速俐。本实验通过转子流量计获得气体的体积流量数值 q n ( 须经过校正) 。以排气e l 近似为一个大气压p o ，由压差计测得管 内总压差p l ，得到气体入1 3 压力p = p o + p i ，根据玻璃转子流量计使 用说明如果被测介质与标定介质空气相同，仅物理状态( t 、p ) 不 同，则 q 镛赝 ( 2 - 1 ) 然后根据公式q 2 “i 1 万d 2 来计算得到气体线速u g 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章气固两相流动冷模实验研究 2 2 2 固体颗粒循环速率的测定 实验中采用切换法通过流量测量管计算出固体颗粒循环速率。即 在稳定操作条件下切换贮料罐和流量测量管嘲，使催化剂颗粒进入流 量测量管，测量一定时间内的催化剂颗粒堆积高度，并根据下式计算 得到固体颗粒循环速率； w 伍2 南( 2 - 2 ) ts 其中，g s 为固体颗粒循环速率( 即截面平均颗粒通量) ，k ( m 2 - s ) 。 w 为固体颗粒质量，k g 。该参数可由颗粒在流量测量管内的堆积高度、 松散堆积密度和测量管截面积乘积得到。t 为颗粒的堆积时间，s 。s 为提升管的横截面积，m 2 。 2 2 3 局部颗粒速度的测定 相对来说测量局部颗粒速度较为困难，相应的文献也较少。主要 分为直接方法和间接方法。间接方法主要有等速法、碰撞法等，相 对来说测量精度较低。直接方法包括高速摄影法、光纤速度探头、放 射性颗粒示踪法、激光多普勒测速仪( l d v ) 等【3 7 】。本实验采用的是光 纤速度探头测量颗粒速度。其测量原理是用接收信号光纤之间的有效 距离除以信号时间差来获取颗粒的运动速度。理论上光纤颗粒速度探 头不需要标定，但实际上，要避免误差，光纤之间的距离并不一定等 于光纤的有效分隔距离，因此，要提高测量精度，在使用之前应对光 纤进行标定。其方法参见文献【3 8 1 。 为了便于分析对比