帶有 Kenics靜態(tài)混合器的水平液固循環(huán)流化床顆粒分布的數(shù)值研究

劉 燕，張麗梅，張少峰，杜亞威

（ 1. 河北工業(yè)大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130；2. 河北工業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，天津 300130）

帶有 Kenics靜態(tài)混合器的水平液固循環(huán)流化床顆粒分布的數(shù)值研究

劉 燕1，張麗梅2，張少峰1，杜亞威1

（ 1. 河北工業(yè)大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130；2. 河北工業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，天津 300130）

利用 STAR-CCM+軟件建立 Eulerian-Lagrangian 模型，對(duì)帶有 Kenics 靜態(tài)混合器的水平管內(nèi)低濃度液固兩相流動(dòng)時(shí)的顆粒分布進(jìn)行了數(shù)值模擬，考察了液體流速、Kenics 靜態(tài)混合器扭率、顆粒體積分?jǐn)?shù)對(duì)水平管中顆粒分布的影響．結(jié)果表明：Kenics 靜態(tài)混合器的加入能夠很好地改善水平管內(nèi)顆粒徑向分布不均勻情況，且扭率越大，效果越明顯；流速的增大和顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加都可以改善顆粒固含率徑向分布不均勻情況．同時(shí)通過和文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了所選模型的可靠性．

液固循環(huán)流化床；Kenics 靜態(tài)混合器；顆粒分布；數(shù)值模擬；水平管

0 前言

液固循環(huán)流化床換熱器是將流化床技術(shù)與換熱技術(shù)相結(jié)合而發(fā)展的一種設(shè)備，具有較好的防除垢效果、強(qiáng)化傳熱、易操作等優(yōu)點(diǎn)，在化工、石油、污水處理等眾多工業(yè)領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外學(xué)者也因此對(duì)其進(jìn)行了深入的研究[1-5]．

但上述研究的對(duì)象多是針對(duì)豎直方向液固循環(huán)流化床進(jìn)行的，關(guān)于水平方向則很少見諸文獻(xiàn)．不同于豎直管流化床，水平液固循環(huán)流化床中因顆粒受到重力作用，使其流動(dòng)具有自身特點(diǎn)，即顆粒極易沉積在水平管底部，導(dǎo)致顆粒分布不均勻現(xiàn)象，影響流化床性能，因此如何使顆粒在水平管液固循環(huán)流化床中均勻分布成為影響水平流化床穩(wěn)定發(fā)展的關(guān)鍵．

在流化床中加入改善顆粒分布的裝置是一種行之有效的方法．Kenics 靜態(tài)混合器[6]結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、制造安裝方便，且對(duì)單相流、兩相流都有良好的混合能力，被廣泛應(yīng)用于石油、化工等行業(yè)中流體的混合、吸收、反應(yīng)、傳熱傳質(zhì)等過程．為此，王江濤[7]在水平管中加入了 Kenics 靜態(tài)混合器，考察了低流速下 Kenics靜態(tài)混合器對(duì)液固兩相流中顆粒分布的影響．但受實(shí)驗(yàn)條件及實(shí)驗(yàn)測量的影響，其流速范圍較窄，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也十分局限．

近年來，計(jì)算流體力學(xué)（CFD）已經(jīng)成為研究液固兩相流動(dòng)的重要手段．目前對(duì)流化床內(nèi)液固兩相流動(dòng)模型可以分為兩類：雙流體模型和Eulerian-Lagrangian模型，前者把兩相均看作流體，在Euler坐標(biāo)系下處理兩相流，后者是把流體（液體或氣體）當(dāng)作連續(xù)相，而將顆粒視為離散相，在 Euler坐標(biāo)系下考察流體相的運(yùn)動(dòng)，在 Lagrange坐標(biāo)系下研究顆粒的運(yùn)動(dòng)．Asakura等[8]針對(duì)兩相流在豎直管中顆粒碰撞進(jìn)行了二維模擬，NA Patankar等人[9]采用 Eulerian-Lagrangian 方法對(duì)氣-固和液-固兩相流動(dòng)中的顆粒流進(jìn)行了數(shù)值模擬．研究顆粒體積含量較高的稠密顆粒懸浮液時(shí)，使用雙流體模型更為合適一些；Eulerian-Lagrangian 模型則一般適用于湍流流動(dòng)中稀疏顆粒運(yùn)動(dòng)的研究時(shí)采用．

本文在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬的方法對(duì)引入Kenics靜態(tài)混合器后的水平液固循環(huán)流化床中顆粒分布特性進(jìn)行研究．采用商業(yè)模擬軟件 STAR-CCM+，建立水平管內(nèi)液固兩相流Eulerian-Lagrangian 模型，重點(diǎn)考察了不同液體流速下，Kenics靜態(tài)混合器扭率、顆粒初始加入量對(duì)水平管內(nèi)顆粒分布的影響，以期為水平液固循環(huán)流化床的研究和工程應(yīng)用提供參考依據(jù)．

1 數(shù)值模擬

1.1 幾何模型

在SolidWorks中生成帶有Kenics靜態(tài)混合器的水平液固循環(huán)流化床三維幾何模型，將幾何模型導(dǎo)入STARCCM+中，以水平管入口截面中心為原點(diǎn)，水平管軸線為z軸建立直角坐標(biāo)系，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，因多面體網(wǎng)格能夠適應(yīng)任何復(fù)雜的幾何形狀，且占用較少的內(nèi)存、擁有較高的收斂精度和更快的求解速度，故選擇生成多面體網(wǎng)格，如圖1 所示．模型為在水平管中加入扭率為 1.5 的Kenics靜態(tài)混合器的多面體網(wǎng)格模型，網(wǎng)格數(shù)為 338 464 個(gè)，通過網(wǎng)格檢查表明：面網(wǎng)格質(zhì)量 （Face Validity） 最小值為 0.985 1（一般要求面網(wǎng)格在0.8 以上），可見網(wǎng)格質(zhì)量精度較好．幾何模型尺寸和流體物性及操作參數(shù)如表1 所示．

圖1 網(wǎng)格劃分示意圖Fig.1 Schematic diagram ofmesh

表1 模擬主要計(jì)算參數(shù)Tab.1 Listvaluesofmain parametersused in the numericalsimulation

1.2 數(shù)學(xué)模型與數(shù)值求解方法

采用STAR-CCM+軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，基于有限體積法對(duì)求解區(qū)域進(jìn)行離散，建立 Eulerian-Lagrangian多相流模型，在 Euler坐標(biāo)下考察液相運(yùn)動(dòng)，在 Lagrange 坐標(biāo)系下處理顆粒相運(yùn)動(dòng)，速度和壓力的耦合采用Simple 算法，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn) k- 模型[10]，考慮相間耦合作用，兩相間作用力主要考慮重力、曳力、浮力[11]，其中曳力系數(shù)采用 Gidaspow 模型[12]，動(dòng)量方程采用一階迎風(fēng)差分格式進(jìn)行離散．

1.3 邊界條件

1）入口邊界條件：入口類型設(shè)為速度入口，液固兩相給定相同的入口速度，速度大小如表1所示．

2）出口邊界條件：出口類型設(shè)為壓力出口，出口壓力為外界大氣壓．

3）固壁邊界條件：對(duì)液相采用壁面函數(shù)法和無滑移邊界條件，顆粒相不滿足無滑移邊界條件，顆粒相與壁面碰撞為彈性碰撞反射．

1.4 兩相流雷諾數(shù)定義

本文中對(duì)液固兩相流雷諾數(shù)Re做如下定義

其中：d 為水平管內(nèi)徑，mm；um，m，m分別為入口處兩相流體的混合速度、混合密度和混合粘度，分別按照式 (2) ～式 (4) 計(jì)算．

本文中，因固體顆粒粘度極小，可忽略不計(jì)，因此混合粘度直接按照液相粘度計(jì)算．

1.5 顆粒徑向濃度分布

水平管中顆粒分布問題關(guān)鍵在于其徑向分布，為了考察固體顆粒的徑向濃度分布情況，本文利用STAR-CCM+將水平管中某一軸向位置的垂直截面沿徑向方向等分為5個(gè)區(qū)，分別考察各個(gè)區(qū)內(nèi)顆粒濃度分布情況，如圖2 所示，本文以顆粒固含率 （si）來表征顆粒濃度．

圖2 水平管內(nèi)徑向分區(qū)圖Fig.2 Sketch of subarea for the pipe in radial

2 計(jì)算結(jié)果和分析

2.1 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在與實(shí)驗(yàn)[7]條件相同的情況下，本文模擬了安裝 Kenics 靜態(tài)混合器后管內(nèi)各區(qū)顆粒固含率分布情況．圖3為本文模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，安裝 Kenics靜態(tài)混合器后，同一雷諾數(shù)下，管內(nèi)各區(qū)顆粒固含率相差較小，說明顆粒徑向分布較為均勻，這一模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合得較好．

2.2 安裝 Kenics 靜態(tài)混合器前后管內(nèi)顆粒分布

為了考察Kenics靜態(tài)混合器對(duì)管內(nèi)顆粒分布的影響，研究了液速為 1.5m/s，顆粒體積分?jǐn)?shù)為 2%時(shí)，安裝Kenics靜態(tài)混合器（Y=1.5）前后管內(nèi)顆粒分布情況，顆粒固含率數(shù)據(jù)采集位置距水平管入口處 1.5m處，研究結(jié)果如圖4 ～ 圖5 所示．

對(duì)比圖4 與圖5 可以看出，未安裝 Kenics靜態(tài)混合器之前，管內(nèi)顆粒在流動(dòng)一段距離后，因重力作用出現(xiàn)了下沉，導(dǎo)致顆粒出現(xiàn)分布不均勻現(xiàn)象；安裝Kenics靜態(tài)混合器之后，顆粒在螺旋流的帶動(dòng)下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，下沉顆粒由水平管底部向水平管上部運(yùn)動(dòng)，管中顆粒分布不均勻情況得到明顯改善．

圖3 本文模型與實(shí)驗(yàn)[7]結(jié)果的對(duì)比Fig.3 ComparisioN of numericalsolution in this paperwith experimentaldata[7]

圖4 未安裝kenics靜態(tài)混合器時(shí)管內(nèi)顆粒分布Fig.4 Distributionsof particlesw ithoutKenicsstaticmixer

圖5 安裝kenics靜態(tài)混合器后管內(nèi)顆粒分布Fig.5 Distributionsof particlesw ith Kenicsstaticmixer

2.3 Kenics 靜態(tài)混合器扭率對(duì)顆粒固含率分布的影響

為了考察 Kenics靜態(tài)混合器扭率對(duì)固體顆粒固含率分布的影響，本文研究了顆粒體積分?jǐn)?shù)為 2%時(shí)，安裝 Kenics 靜態(tài)混合器前后以及 Kenics 靜態(tài)混合器扭率分別為 1.5、2、2.5、3、3.5 時(shí)的顆粒固含率徑向分布情況，研究結(jié)果如圖6～ 圖11所示．

圖6 未安裝Kenics靜態(tài)混合器時(shí)的顆粒固含率分布Fig.6 Solid holdup distributionsw ithoutKenics staticmixer

圖7 扭率 Y=1.5 時(shí)的顆粒固含率分布Fig.7 Solid holdup distributionsw ith tw ist rate1.5

圖8 扭率Y=2時(shí)的顆粒固含率分布Fig.8 Solid holdup distributionsw ith tw ist rate2

圖9 扭率 Y=2.5 時(shí)的顆粒固含率分布Fig.9 Solid holdup distributionswith twist rate2.5

圖10 扭率 Y=3時(shí)的顆粒固含率分布Fig.10 Solid holdup distributionswith tw ist rate3

圖11 扭率 Y=3.5 時(shí)的顆粒固含率分布Fig.11 Solid holdup distributionsw ith tw ist rate3.5

由圖6 可以看出，未安裝 Kenics靜態(tài)混合器之前，同一雷諾數(shù)下，各區(qū)固含率值相差較大，1 區(qū)、2 區(qū)固含率較高，3～5區(qū)顆粒固含率較低，這主要是因?yàn)槟M時(shí)顆粒在入口處以面射源形式均勻進(jìn)入管中，水平管中顆粒重力方向垂直于流體流動(dòng)方向，流體的橫向脈動(dòng)提供的湍動(dòng)能使得顆粒不至于下沉，但隨著軸向距離的增加，管路阻力損失增大，能量耗損增強(qiáng)，液體對(duì)顆粒的拖曳力減小，紊動(dòng)力不足，顆粒在重力作用下開始下沉，造成1區(qū)、2區(qū)顆粒大量堆積，3～5區(qū)顆粒大幅減小，顆粒徑向分布極不均勻．但隨著流速的增加，顆粒固含率徑向分布不均勻情況有所改善，這主要是因?yàn)榱魉俚脑黾?，流體湍動(dòng)程度加劇，底部顆粒在渦流帶動(dòng)下向上運(yùn)動(dòng)，顆粒分布情況得到改善，另一方面流速增大，液相對(duì)顆粒相的拖曳力增大，顆粒徑向分布不均勻程度降低．液速為 2.5 ～ 3m/s時(shí)，顆粒分布情況較好．

對(duì)比圖6 與圖7 可知，安裝 Kenics靜態(tài)混合器后，顆粒徑向各區(qū)固含率值相差程度減小，1 區(qū)、2 區(qū)顆粒固含率降低，3 ～ 5 區(qū)顆粒固含率呈增大趨勢(shì)，顆粒分布不均勻情況得到較好改善，這主要是因?yàn)?Kenics靜態(tài)混合器的螺旋結(jié)構(gòu)將流體強(qiáng)制分割成兩股，流體流向發(fā)生改變，被迫沿扭轉(zhuǎn)葉片產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，管中心為其旋轉(zhuǎn)軸；同時(shí)流體自身還繞半圓形截面進(jìn)行徑向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而起到改善顆粒徑向分布的作用．

對(duì)比圖7 ～ 圖11 可知，同時(shí)還可以看出，隨著Kenics靜態(tài)混合器扭率的增大，顆粒分布均勻情況越好，這是因?yàn)?，扭率越大，Kenics靜態(tài)混合器對(duì)液固兩相流產(chǎn)生的旋流促進(jìn)作用越強(qiáng)，流體被強(qiáng)制圍繞管中心旋轉(zhuǎn)，沿徑向方向產(chǎn)生自軸心向管壁的流動(dòng)，顆粒會(huì)懸浮流動(dòng)增強(qiáng)，顆粒徑向分布更加均勻．由圖5～圖9還可以看出，隨著流速的增加，顆粒分布均勻情況也越好，這是因?yàn)榱魉俚脑黾訉?dǎo)致顆粒運(yùn)動(dòng)速度增大，同時(shí)加劇了液體的湍流程度，流體對(duì)顆粒的曳力和攪動(dòng)增大，底部顆粒跟隨流體懸浮流動(dòng)，顆粒固含率分布不均勻程度降低．

2.4 顆粒體積分?jǐn)?shù)對(duì)顆粒分布的影響

為了考察顆粒體積分?jǐn)?shù)對(duì)固相顆粒固含率徑向分布的影響，研究安裝 Kenics 靜態(tài)混合器后（Y=1.5），顆粒體積分?jǐn)?shù)為 3%、4%、5%、6%時(shí)的顆粒固含率徑向分布情況，研究結(jié)果如圖12 ～ 圖15 所示．

圖12 顆粒體積分?jǐn)?shù)為 3%時(shí)的顆粒固含率分布Fig.12 Solid holdup distributionsw ith volume fraction 3%

圖13 顆粒體積分?jǐn)?shù)為 4%時(shí)的顆粒固含率分布Fig.13 Solid holdup distributionsw ith volume fraction 4%

圖14 顆粒體積分?jǐn)?shù)為 5%時(shí)的顆粒固含率分布Fig.14 Solid holdup distributionsw ith volume fraction 5%

圖15 顆粒體積分?jǐn)?shù)為 6%時(shí)的顆粒固含率分布Fig.15 Solid holdup distributionsw ith volume fraction 6%

對(duì)比圖12 ～ 圖15 可知，同一雷諾數(shù)下，顆粒固含率隨顆粒體積分?jǐn)?shù)的增大而增大，原因是流化床內(nèi)的顆粒量增大，導(dǎo)致參與循環(huán)的顆粒數(shù)目增大，各區(qū)固含率隨之增大；另一方面顆粒體積分?jǐn)?shù)增加，使管路中流體流動(dòng)阻力增大，兩相流湍流程度加劇，固相顆粒平均速度增大，顆粒徑向不均勻分布程度降低．隨著顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加，顆粒固含率分布不均勻程度呈現(xiàn)先降低后增大的趨勢(shì)，對(duì)比圖10 ～ 圖13 可以看出，顆粒體積分?jǐn)?shù)存在一個(gè)適宜的值，本文模擬中顆粒體積分?jǐn)?shù)為4%時(shí)顆粒分布情況最好．

3 結(jié)論

1）將本文模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，驗(yàn)證了模型的可靠性．

2）未加 Kenics 靜態(tài)混合器時(shí)，管內(nèi)顆粒分布極不均勻，增大流速后，顆粒分布不均勻情況有所改善，雷諾數(shù)為 81 380 ～ 97 656 時(shí)，即液速為 2.5 ～ 3m/s時(shí)，顆粒分布情況較好；加入Kenics靜態(tài)混合器后，顆粒固含率分布不均勻情況明顯改善，且扭率越大，效果越顯著．

3）Kenics 靜態(tài)混合器扭率一定時(shí)，顆粒固含率分布不均勻情況呈現(xiàn)先減小后增大趨勢(shì)，本文模擬中顆粒體積分?jǐn)?shù)為4%時(shí)的分布情況較好．

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[責(zé)任編輯 田 豐]

Numericalsimulation ofparticledistribution in liquid-solid horizontalcirculating fluidized bedw ith Kenicsstaticmixer

LIU Yan1，ZHANG Li-mei2，ZHANG Shao-feng1，DU Ya-wei1
(1.SchoolofMarine Scienceand Engineering,HebeiUniversity of Technology,Tianjin 300130,China;2.Schoolof Chem icalEngineering,HebeiUniversity of Technology,Tianjin 300130,China)

Particle distribution of liquid-solid two-phase flow for low concentration in horizontalpipew ith Kenics static m ixerwasnumerically simulated by using the Eulerian-Lagrangianmodelin software STAR-CCM+.Theeffectsof liquid velocity,tw ist rateof Kenics staticm ixerand particle volume fraction on the particle distribution in horizontalpipewere discussed.Results indicate that the radialnon-uniform distribution of particles in pipe ispromoted effectively by Kenics staticm ixer.Meanwhile,w ith the increase of Kenics tw ist rate,theeffecthasbecomemore obvious.The increase of the liquid velocity hasimproved the radialnon-uniform distribution ofparticles.Thesituation also applies for the increase of particle volume fraction.Dependability of the selectedmodelswasvalidated comparedw ith the experimentaldata reported in the literature.

liquid-solid circulating fluidized bed;Kenicsstaticmixer;particle distribution;numericalsimulation;horizontal tube

1007-2373(2014)05-0049-06

TQ051

A

10.14081/j.cnki.hgdxb.2014.05.009

2014-05-08

河北省科技支撐項(xiàng)目（12276711D）

劉燕（1970-），女（蒙古族），副教授，博士，E-mail：julia_liuyan@hotmail.com ．