加溫-加壓噴動床氣固流動特性研究.pdf

1、稠密氣固流動一直是當(dāng)前多相流領(lǐng)域的研究重點(diǎn)，而噴動床作為常用的氣固反應(yīng)器，在處理Geldart D類顆粒流化困難等問題方面表現(xiàn)突出，得到了越來越多的關(guān)注。噴動床在作為化學(xué)反應(yīng)器時通常需要在加溫/加壓條件下操作，過去對加溫/加口壓噴動床的研究主要針對其化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、反應(yīng)特性及建模等方面，而對氣固運(yùn)動特性的研究較少，遠(yuǎn)不能滿足工業(yè)應(yīng)用需求。尤其當(dāng)前我國已對煤的清潔高效利用、固體廢棄物的高效資源化處理提出了重大需求，因此需要全面了解和掌握噴動

2、床在加溫/加壓條件下的氣固流動特性，以期對噴動床反應(yīng)器的設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考，同時提升對加壓中高溫稠密氣固反應(yīng)體系基礎(chǔ)科學(xué)問題的理解和認(rèn)知水平。
　　構(gòu)建了加壓噴動床冷態(tài)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置，配有高精度、多通道差壓脈動信號實(shí)時采集和處理系統(tǒng)，以及高分辨率數(shù)字圖像采集和處理系統(tǒng)，研究了加壓噴動床氣固表觀噴動特性:考察了加壓噴動床床層壓降信號在升速法和降速法下的區(qū)別，并分析了兩種方法測得床層壓降隨床層高度、顆粒性質(zhì)和操作壓力的變化規(guī)律;揭示

3、了最大床層壓降和最小噴動速度與床層高度、顆粒性質(zhì)以及操作壓力等參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系及數(shù)理表征，提出了加壓噴動床最大床層壓降和最小噴動速度預(yù)測關(guān)聯(lián)式。在加壓噴動床冷態(tài)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，研究了加壓噴動床流動結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)變規(guī)律:考察了不同操作壓力下，顆粒流動結(jié)構(gòu)隨操作氣速的變化規(guī)律，將加壓噴動床顆粒流動結(jié)構(gòu)劃分為三種流型:固定床、穩(wěn)定噴動和不穩(wěn)定噴動;基于統(tǒng)計(jì)分析（標(biāo)準(zhǔn)差分析）、頻譜分析（功率譜分析）及混沌分析(Hurst指數(shù)分析)三種壓力脈動信號分

4、析手段，對加壓噴動床流型進(jìn)行了表征和簡單的識別研究。
　　作為對加壓實(shí)驗(yàn)研究的補(bǔ)充和完善，構(gòu)建了加壓噴動床計(jì)算流體力學(xué)耦合雙流體模型CFD-TFM數(shù)值模擬平臺，對加壓噴動床顆粒尺度的氣固流動特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究:以顆粒體積分?jǐn)?shù)為表征，給出了加壓噴動床瞬時流動結(jié)構(gòu)隨操作壓力的變化;開發(fā)了最小噴動速度的數(shù)值模擬求解方法，模擬得到的加壓噴動床最小噴動速度隨著操作壓力的增大而不斷減小，模擬值與實(shí)驗(yàn)預(yù)測值平均相對誤差僅為4.59％，另外模

5、擬研究表明最小噴動氣體質(zhì)量流率隨著操作壓力的增加而增大;在操作氣速為1.2倍最小噴動速度1.2ums條件下，模擬結(jié)果表明操作壓力對顆粒軸向速度、顆粒濃度沿徑向分布的影Ⅱ向與床層高度有關(guān);另外，模擬得到的噴動區(qū)噴動直徑隨著操作壓力的增大而增大。
　　考慮到噴動床加溫加壓條件下的工業(yè)應(yīng)用背景，構(gòu)建了加溫加壓噴動床CFD-TFM數(shù)值模擬平臺，氣體粘度采用Sutherland二系數(shù)模型，主要研究在加壓條件下，操作溫度對氣固流體動力學(xué)特性的

6、影響:考察了加溫加壓噴動床氣固流動結(jié)構(gòu)以及噴動射流形狀隨操作溫度的變化;溫度影響著氣體的密度和粘度，對三種粒徑不同顆粒的模擬研究表明，對于大顆粒，操作溫度升高，氣體密度影響起主導(dǎo)作用，ums隨著操作溫度的增加而增加;對于小粒徑顆粒，溫度升高，氣體粘度影響起主導(dǎo)作用，氣固曳力作用增強(qiáng)了，ums隨著溫度的增加而減小，并模擬找到了臨界粒徑;在操作氣速為1.2ums條件下對大顆粒進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明操作溫度對噴射區(qū)顆粒速度和顆粒濃度的影響同樣與