孟振亮,張博峰,劉夢溪,王 維,盧春喜
1.中國石油大學(xué)(北京)重質(zhì)油國家重點實驗室,北京102249;2.中國科學(xué)院過程工程研究所多相復(fù)雜系統(tǒng)國家重點實驗室,北京100080
顆?;旌铣潭葘夤塘骰卜磻?yīng)器中的傳質(zhì)、傳熱、反應(yīng)器效率等具有重要影響。相較于傳統(tǒng)的流化床,氣固環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)存在顆粒的有序環(huán)流運動,增強了顆粒流沿徑向的流動,顯著提高了顆粒在反應(yīng)器中的混合效率[1,2]。Fang等[1]對比了帶有擋板的環(huán)流混合器與自由床的顆?;旌闲?,發(fā)現(xiàn)在相同操作條件下,環(huán)流混合器的混合效率提高了約50%。Liu等[2]提出了一種帶有預(yù)混段與環(huán)流反應(yīng)器耦合的混合器,顆粒在預(yù)混段的混合效率高達 70%,而經(jīng)過環(huán)流部分后的最終混合效率為 95%以上。張博峰等[3]在Liu[2]的混合器基礎(chǔ)上,將導(dǎo)流筒去掉,保留原有的布氣方式,提出了一種結(jié)構(gòu)更加簡單的環(huán)流混合器(非強制環(huán)流混合器),并對其床層濃度以及顆?;旌闲ЧM行了研究。研究發(fā)現(xiàn),在傳統(tǒng)環(huán)流混合器與非強制環(huán)流混合器中冷熱顆粒均能夠很好地混合,并且在進料影響區(qū),非強制環(huán)流混合器的混合效果要優(yōu)于傳統(tǒng)的環(huán)流混合器。與傳統(tǒng)的環(huán)流混合器相比,非強制環(huán)流混合器的結(jié)構(gòu)更加簡單,卻能夠?qū)崿F(xiàn)近似的混合效果。顯然,這與非強制環(huán)流混合器內(nèi)的流場密切相關(guān),為了揭示兩相流場對顆?;旌系挠绊懸?guī)律,有必要對非強制環(huán)流混合器中的流場展開研究。
前人的研究[4]表明,氣固流化床中顆粒沿軸向的混合較為容易,而沿徑向的混合則十分困難,前者的擴散系數(shù)比后者高出一個數(shù)量級,顆粒的速度場,尤其是沿徑向的速度分布是影響顆?;旌系年P(guān)鍵因素。由于實驗條件的限制,局部區(qū)域內(nèi)顆粒的時空流動與混合難以測量。而隨著計算能力的增強,計算流體力學(xué)提供了一種有效描述流體動力學(xué)的方法。與傳統(tǒng)的均勻化曳力模型相比,EMMS(The Energy-Minimization Multi-Scale)模型[5,6]考慮了流化床中氣泡、聚團、乳化相之間的作用,因而能夠更準(zhǔn)確地反映出介尺度流動結(jié)構(gòu)對流動和混合的影響。研究者曾采用EMMS模型對鼓泡床[7,8]以及工
下料管向下流入的顆粒與下部空管區(qū)中向上流動的顆粒逆流接觸,顆粒再次進行強烈的混合,混合顆粒向上運動進入上部下降管區(qū),顆粒與氣體在床層表面分離之后進入邊壁區(qū)向下運動,在底部區(qū),一部分顆粒沿徑向流入中心區(qū)進行再次循環(huán),其余顆粒經(jīng)兩個分布器之間的縫隙流出混合器。與傳統(tǒng)的環(huán)流混合器(如圖2(b)所示)相比,顆粒在非強制環(huán)流混合器中的流動,不受導(dǎo)流筒的限制。在下部空管區(qū)以及上部下降管區(qū)中,中心處向上運動的顆粒向外流動進入邊壁區(qū),與邊壁區(qū)的顆粒實現(xiàn)錯流混合,同時邊壁區(qū)向下運動的顆粒,也會沿徑向流動進入中心區(qū),實現(xiàn)顆粒的多次循環(huán)。此外,去掉導(dǎo)流筒之后,邊壁區(qū)的氣含率增加,將有效改善顆粒在邊壁區(qū)的流化效果,避免死區(qū)的出現(xiàn)。
圖2 混合器分區(qū)及結(jié)構(gòu)Fig.2 Diagram of different regions in the mixers
模擬條件為常溫常壓,采用空氣作為氣相,固相為流化催化裂化(FCC)催化劑顆粒,密度為1 498 kg/m3,堆積密度為937 kg/m3,終端速度為0.58 m/s,平均粒徑為79 μm,實驗中的粒度分布如表1所示。中心流化風(fēng)由板式分布器進入混合器,表觀速度分別為0.3,0.35,0.4 m/s (以混合器橫截面積為基準(zhǔn),以下類同),邊壁區(qū)流化風(fēng)由環(huán)形分布器進入混合器,表觀速度為0.04 m/s。顆粒進料量為 11.7 kg/(m2?s)。
表1 實驗中FCC顆粒粒度分布Table 1 Distribution of FCC particle size in experiment
采用雙流體模型中的方程作為基本控制方程,包括連續(xù)性方程、動量守恒方程、顆粒溫度方程等。詳細的動力學(xué)方程可參見FLUENT?6.3.26的幫助文檔及相關(guān)文獻[11,12]。
相間動量主要考慮相間曳力,采用基于結(jié)構(gòu)的EMMS曳力模型[13],具體如下所述。
β為均勻化曳力系數(shù)[14,15],關(guān)聯(lián)式如下所示:
Cd的表達式為:
其中,Hd為非均勻結(jié)構(gòu)因子,作為衡量結(jié)構(gòu)對曳力系數(shù)的影響程度[5]。通過EMMS曳力模型[13],獲得Hd與床層空隙率(εg)的關(guān)系曲線,其相關(guān)擬合方程如表2所示,擬合度因子均在0.99以上。
表2 非均勻結(jié)構(gòu)因子擬合方程HdTable 2 Fitting equation of Hd
采用Gambit?2.4進行網(wǎng)格及構(gòu)體劃分。如圖3(a)所示,混合器底部分布器區(qū)以及中部錐形篩板區(qū)采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,其他區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,其中橫截面網(wǎng)格分布如圖3(b)所示,混合器總網(wǎng)格數(shù)約為58萬,通過對Liu[2]的實驗進行模擬,對網(wǎng)格無關(guān)性及模型進行了驗證,如圖4所示。
圖3 構(gòu)體網(wǎng)格分布Fig.3 Mesh distribution of configuration
圖4 環(huán)流混合器中模型驗證Fig.4 Model validation in the gas-solid air loop mixer
模擬過程中,將分布器進行了簡化,直接均勻進氣,顆粒進口設(shè)為速度進口,氣體出口為壓力出口,混合器底部固體出口設(shè)為質(zhì)量流率出口,出口的質(zhì)量流率與進入混合器總的固體質(zhì)量流率相等。壁面邊界條件:氣相設(shè)為無滑移,固相采用Johnson和 Jackson邊界條件[16],鏡面系數(shù)設(shè)為 0.5[17,18]。Benyahia 等[19]研究認為,在大多數(shù)的流域中,可以采用層流氣體粘度,并且Benyahia等[19]發(fā)現(xiàn)在中等密度的流動條件下,忽略氣相湍流應(yīng)力并不會對時均流動分布產(chǎn)生明顯的影響。因此,為了使計算能夠更好的收斂,限制可調(diào)變量數(shù),本工作采用了層流模型。為了保證計算收斂,時間步長設(shè)為0.000 3 s,每一步最大迭代次數(shù)為40次。模擬時間設(shè)為40 s,充分保證了裝置的運行穩(wěn)定。時均數(shù)據(jù)為30~40 s的平均值,其它參數(shù)設(shè)置如表3所示。
表3 模擬參數(shù)設(shè)置Table 3 Simulation parameters
3.1.1 下部空管區(qū)顆粒軸向速度分布
如圖2所示,板式分布器至中心下料管出口截面之間的區(qū)域為下部空管區(qū),該區(qū)域受到中心下料管的進料、底部分布器進氣等多種因素的影響,因此流場較為復(fù)雜。圖5給出了下部空管區(qū)顆粒速度矢量圖,可以看出顆粒的運動基本上可以分為上行和下行兩個區(qū)域。其中上行區(qū)位于混合器中心,由于中心流化風(fēng)流量較大,在氣流的作用下中心處的顆粒主要向上運動。下行區(qū)靠近邊壁,由于邊壁流化風(fēng)的氣量較小,邊壁附近的顆粒向下流動。由于上行區(qū)與下行區(qū)之間沒有導(dǎo)流筒的阻擋,在兩個區(qū)域之間不斷有顆粒的交換。當(dāng)下行區(qū)顆粒運動至分布器附近時,一部分顆粒經(jīng)兩個分布器之間的縫隙流出混合器,還有一部分顆粒沿徑向向中心處運動,形成了顆粒的內(nèi)循環(huán)。這部分顆粒在沿徑向運動的過程中,與原上行區(qū)的顆粒進行混合,然后逐漸被氣體夾帶向上運動。尤其是在射流能夠影響到的區(qū)域(r/R<0.685),由于射流劇烈的擾動作用,大大強化了環(huán)流顆粒和中心處顆粒的混合。由圖5還可以看出,中心處向上運動的顆粒與中心下料管向下流入的顆粒逆流接觸,再次實現(xiàn)劇烈的混合,混合后的顆粒向邊壁運動,這種沿徑向的運動進一步促進了顆粒沿徑向的混合。
圖5 下部空管區(qū)顆粒時均速度矢量Fig.5 Diagram of time-averaged particle velocity vector in the lower part without tubes
圖6給出了下部空管區(qū)不同截面上顆粒軸向速度沿徑向的分布。圖6(a)所示截面距離板式分布器的距離僅為 40 mm,顆粒的流動受中心的板式分布器(Rp/R=0.685)和邊壁附近的環(huán)管分布器(Rr/R=0.88)影響較大。在-0.5<r/R<0.5的區(qū)域,顆粒向上運動,速度分布較為均勻,可以看到分布曲線中有許多小的尖峰,這是受到了射流的影響。在 0.5<|r/R|<0.685的區(qū)域,隨著徑向位置的增加,顆粒速度逐漸減小,這一區(qū)域已經(jīng)靠近板式分布器的外緣,布孔沒有中心處密集。在 |r/R|為0.75附近顆粒速度出現(xiàn)極小值,這是由于該區(qū)域處于兩個分布器之間,顆粒經(jīng)縫隙向下運動流出混合器。在環(huán)形分布器上方投影區(qū)(0.75<|r/R|<0.9),由于環(huán)形分布器的阻擋,顆粒向下的速度逐漸減小。在靠近壁面附近(0.9<|r/R|<1),顆粒由環(huán)形分布器與混合器壁之間的縫隙流出混合器,顆粒向下運動的速度稍有增加。由圖6(a)還可知,隨著表觀氣速的增加,中心處顆粒向上運動的速度增加,邊壁處顆粒向下運動的速度增加,循環(huán)速度的增加,將會提高顆粒在混合器內(nèi)部的循環(huán)次數(shù),有利于增加混合器的混合效率。
圖6 下部空管區(qū)不同操作條件下的時均軸向速度分布Fig.6 Distributions of time-averaged axial particle velocity with different conditions in the lower part without tubes
圖6(b) 給出了h為0.41 m處顆粒軸向速度分布,該截面與中心下料管出口截面(h為0.558 m)相距較近,受中心下料管進料的影響比較大。由圖6(b)可知,在r/R為0附近,顆粒速度小于0,這是顆粒由中心下料管向下流入下部空管區(qū)造成的。隨著徑向位置的增加,顆粒速度先增加后減小,當(dāng)|r/R|大于0.8時,顆粒改變方向,向下運動。
圖7 下部空管區(qū)不同截面的時均顆粒軸向速度分布對比Fig.7 Comparisons of time-averaged axial particle velocity at different cross-sections of the lower part without tubes
圖7給出了下部空管區(qū)顆粒軸向速度分布隨高度的變化。由圖7可知,在下部空管區(qū),由于進料的影響,顆粒軸向速度在中心區(qū)隨著高度的增加,逐漸減小,并且在h為0.35 m 的截面附近,中心區(qū)的顆粒速度接近 0,表明在此條件下,由中心下料管進入混合器的顆粒所能到達的截面高度為h為0.35 m,同時可以看出,在混合器中心下降的顆粒所處的范圍與中心下料管下方投影區(qū)范圍(-0.265<r/R<0.265)近似相等。在混合器邊壁區(qū)(0.8<|r/R|<1),顆粒向下運動,隨著高度的減小,顆粒向下的速度逐漸減小,這是由于底部區(qū),顆粒運動受氣體以及分布器的阻力增加。對比h為0.04 m 與其它截面上顆粒速度分布,發(fā)現(xiàn)顆粒在h為0.04 m的截面上邊壁區(qū)的范圍要明顯偏大,這是因為在邊壁向下運動的顆粒到達底部區(qū)時會沿著徑向向中心移動,如圖5所示。
3.1.2 上部下降管區(qū)顆粒軸向速度分布
上部下降管區(qū)為中心下料管出口截面與錐形篩板之間的區(qū)域(如圖2(a)所示)。在該區(qū)域,氣體經(jīng)錐形篩板上的孔流出,而顆粒沿邊壁向下運動。圖8給出了上部下降管區(qū)顆粒速度矢量圖,可以看出中心區(qū)和邊壁區(qū)的兩區(qū)流動結(jié)構(gòu)依然存在,顆粒在向上運動的過程中不斷的向外側(cè)運動,與邊壁區(qū)的下行顆粒逐漸混合,同時,少量顆粒被氣體攜帶離開密相床層(h為1.3 m)至錐形篩板下方,受到錐形篩板阻擋后流至邊壁區(qū)附近,而后改變方向向下運動。
在傳統(tǒng)的環(huán)流混合器中,顆粒只能在導(dǎo)流筒上方沿徑向流入邊壁區(qū),而在非強制環(huán)流混合器中,沒有導(dǎo)流筒的阻擋,顆粒在不同截面上都能夠沿徑向流入邊壁區(qū),實現(xiàn)了顆粒多次徑向混合,將有助于提高顆粒的混合效率。
圖9為上部下降管區(qū)不同高度截面顆粒軸向速度的分布。圖9(a)為h為0.66 m的截面,可以看出,在中心區(qū)(0.26<|r/R|<0.8),顆粒向上運動,在混合器壁面附近(|r/R|>0.8),顆粒向下運動。由于壁面效應(yīng),靠近中心下料管壁面(|r/R|=0.26),顆粒速度較小,隨著徑向位置的增加,顆粒速度先增加后減小。由圖9(a)還可以看出,隨著表觀氣速的增加,顆粒向上的速度逐漸增加,而邊壁區(qū)的范圍逐漸減小。
圖8 上部下降管區(qū)顆粒時均速度Fig.8 Diagram of time-averaged particle velocity vector in the upper part with downcomer
圖9 上部下降管區(qū)不同高度的時均顆粒軸向速度分布Fig.9 Distributions of time-averaged axial particle velocity with different conditions in the upper part with downcomer
圖9(b)為h為1.16 m的截面顆粒軸向速度分布,與h為0.66 m處(圖9(a))的速度相比,沿徑向的分布相似,而中心處向上的顆粒速度與邊壁區(qū)向下的顆粒速度均減小。隨著表觀氣速的增加,顆粒向上的速度有所增加,但邊壁區(qū)的范圍變化并不明顯。
圖10給出了上部下降管區(qū)顆粒軸向速度分布隨高度的變化。由圖10可知,隨著高度的增加,中心處顆粒向上的速度與邊壁區(qū)向下的速度均逐漸減小,并且隨著高度的增加,顆粒邊壁區(qū)的范圍由0.8<|r/R|<1 減小為 0.9<|r/R|<1。不同表觀氣速時的結(jié)果表明,隨著表觀氣速的增加,邊壁區(qū)的范圍隨著軸向高度的增加變化幅度減小。由圖10還可以看出,隨著軸向高度的增加,顆粒速度沿徑向的分布更加均勻。
圖10 上部下降管區(qū)不同截面的時均顆粒軸向速度分布對比Fig.10 Comparisons of time-averaged axial particle velocity at different cross-sections of the upper part with downcomer
圖11 下部空管區(qū)不同截面顆粒時均速度矢量圖Fig.11 Diagram of time-averaged particle velocity vector at different cross-section of the lower part without tubes
3.2.1 下部空管區(qū)顆粒徑向速度分布
圖11給出了下部空管區(qū)不同高度截面的顆粒速度矢量圖。由圖11(a) 可知,在靠近分布器的截面(h為0.04 m),邊壁區(qū)的顆粒向中心運動,從而實現(xiàn)顆粒在混合器內(nèi)部的循環(huán)。同時,顆粒向中心的運動,強化了顆粒沿徑向的混合。圖11(b)為h為0.16 m 截面的顆粒速度矢量圖,與h為0.04 m的截面相比,中心處的顆粒向邊壁區(qū)運動,同時顆粒在該截面還存在沿周向的運動,促進了顆粒在該區(qū)域的混合。圖11(c) 為h為0.41 m截面的顆粒速度矢量圖,在該截面,向上運動的顆粒與中心下料管向下流入的顆粒逆向混合,如圖5所示,混合后的顆粒沿徑向向外側(cè)運動,增加了顆粒沿徑向的混合。同時,由圖11(b)和圖11(c)還可以看出,從中心下料管進入混合器下部空管區(qū)的顆粒出現(xiàn)了偏流,這是因為顆粒是由0度方向進入錐形篩板上方的,在錐形篩板上方的床層中形成了偏流,進而影響到中心下料管中的流動。此外,由于中心下料管直徑相對較大,一部分氣體竄入了中心下料管,進一步加劇了下料管中的偏流現(xiàn)象。當(dāng)顆粒由中心下料管流出后,先向下運動一段距離,然后才會改為向上流動。由圖11(b)和圖11(c)可以看出,在高度h為0.16 m和0.41 m的截面上,都可以觀察到由于偏流所引起的顆粒沿周向的運動,而由圖11(a)可以看出,高度為h為0.04 m的截面距離下料管出口較遠,基本不受偏流的影響,該區(qū)域的流場主要受到氣體分布器射流的控制。
圖12 下部空管區(qū)時均顆粒徑向速度分布Fig.12 Distribution of time-averaged radial particle velocity in the lower part without tubes
圖12(a)與圖12(b)分別給出了h為0.04 m截面以及h為0.41 m截面的顆粒徑向速度分布,本文規(guī)定指向0 °的方向(冷顆粒進料一側(cè))為正方向。由圖12(a)可知,在-1<r/R<0的區(qū)域,速度為正,顆粒向中心處(r/R=0)運動,而在0<r/R<1的區(qū)域,速度為負,顆粒也向中心處(r/R=0)運動。由邊壁到中心,顆粒速度先增加后減小,在兩個分布器之間的區(qū)域(|r/R| =0.75),速度最大。同時,由圖12(a)還可以看出,表觀氣速越小,顆粒運動的速度也越小。在高氣速時,-0.75<r/R<0內(nèi)的顆粒從邊壁流向中心,當(dāng)ugd為0.3 m/s時,-0.75<r/R<0的顆粒改為向邊壁運動,表明較小的氣速不利于顆粒的環(huán)流。由圖12(b)可知,由中心向邊壁,顆粒速度先增加后減小,在中心下料管邊壁投影區(qū)附近(|r/R| =0.26)取得極值,這是因為兩股顆粒的逆流混合造成了顆粒沿徑向的運動(如圖5所示)。
圖13對比了下部空管區(qū)顆粒徑向速度在不同截面的分布。由圖13可知,在h為0.04 m的截面,顆粒由邊壁區(qū)向中心區(qū)流動,而在h為 0.25 m和0.41 m的截面,顆粒沿徑向運動的方向與h為0.04 m時的相反,由中心區(qū)向邊壁區(qū)運動,并且隨著軸向高度的增加,沿徑向運動的速度增加。
圖13 下部空管區(qū)不同截面時均顆粒徑向速度分布Fig.13 Distribution of time-averaged radial particle velocity at different cross-sections of the lower part without tubes
3.2.2 上部下降管區(qū)顆粒徑向速度分布
圖14給出了上部下降管區(qū)不同高度截面的顆粒速度矢量圖,可以看出,在不同截面,顆粒有相似的徑向和周向運動。這說明中心下料管顆粒進料的偏流作用還沒有消失,使得顆粒在水平截面產(chǎn)生了周向旋轉(zhuǎn)運動。顆粒沿徑向及周向的運動將有效增加顆粒在水平方向的混合。圖15給出了上部下降管區(qū)顆粒徑向速度在不同操作條件下的分布。由圖15(a) 可知,在h為0.66 m的截面上,顆粒由中心向邊壁運動,并且隨著徑向位置的增加,顆粒徑向速度先增加后減小,在r/R為0.75附近,速度達到最大值,隨著表觀氣速的增加,顆粒速度增加。h為0.91m截面上的顆粒速度分布與h為0.66 m的截面上的相似,如圖15(b) 所示。在傳統(tǒng)環(huán)流混合器中,導(dǎo)流筒中以及邊壁區(qū)的顆粒速度近似為平推流,該區(qū)域?qū)︻w粒的混合貢獻較低,與之相比,非強制環(huán)流混合器中顆粒沿徑向及周向的運動(如圖14所示),將顯著增加顆粒在水平方向的混合,提高混合效率。
圖14 上部下降管區(qū)不同截面顆粒時均速度矢量Fig.14 Diagram of time-averaged particle velocity vector at different cross-section of the upper part with downcomer
圖15 上部下降管區(qū)的時均顆粒徑向速度分布Fig.15 Distribution of time-averaged radial particle velocity in the upper part with downcomer
圖16 上部下降管區(qū)不同截面的時均顆粒徑向速度分布Fig.16 Distribution of time-averaged radial particle velocity at different cross-sections of the upper part with downcomer
3.2.3 徑向速度分布隨高度的變化
圖16對比了上部下降管區(qū)顆粒徑向速度在不同截面的分布。由圖可知,隨著高度的增加,速度逐漸減小,并且顆粒速度極大值向邊壁處移動。
基于EMMS曳力模型,采用CFD模擬的方法考察了非強制環(huán)流混合器內(nèi)不同區(qū)域顆粒速度在不同操作條件下的分布規(guī)律,得出了如下結(jié)論:
a)導(dǎo)流筒限制消失,顆粒在中心區(qū)與邊壁區(qū)之間流入與流出,增加了顆粒的混合。由于中心下料管進料的偏流作用,顆粒在上部下降管區(qū)以及h為0.16 m附近截面產(chǎn)生了明顯的沿周向運動。
b)在下部空管區(qū),邊壁區(qū)的范圍受高度及表觀氣速的影響不大,而在上部下降管區(qū),邊壁區(qū)的范圍隨著表觀氣速及軸向高度的增加而減小。
c)中心下料管下方投影區(qū),向下的顆粒速度隨著高度的減小而減小。
d)靠近分布器的區(qū)域(h=0.04 m),顆粒由邊壁區(qū)向中心區(qū)運動,其它高度下,顆粒沿徑向向外側(cè)運動。
模擬結(jié)果可為環(huán)流混合器結(jié)構(gòu)的進一步優(yōu)化提供了依據(jù)。
符號說明
Cd—— 單顆粒(氣泡)曳力系數(shù)
d—— 直徑,m
G—— 循環(huán)強度,kg/(m2·s)
Hd—— 非均勻結(jié)構(gòu)因子
h—— 以分布板為基準(zhǔn)的軸向高度,m
R—— 筒體內(nèi)半徑,m
Rp—— 分布板半徑,m
Rr—— 環(huán)形分布器半徑,m
Re—— 雷諾數(shù)
r—— 半徑 / m
u—— 顆粒軸向速度,m/s
ugd—— 中心區(qū)表觀氣速,m/s
uga—— 邊壁區(qū)表觀氣速,m/s
u’—— 顆粒徑向速度,m/s
v—— 顆粒(氣體)真實速度,m/s
β—— 均勻曳力系數(shù),kg/(m3·s)
βe—— 基于結(jié)構(gòu)的曳力系數(shù),kg/(m3·s)
εg—— 空隙率
εs—— 固含率
μ—— 粘度,Pa·s
ρ—— 密度,kg/m3
下標(biāo)
g—— 氣體
p—— 顆粒
s—— 固體
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