牛 犁，劉夢(mèng)溪，孟振亮

中國(guó)石油大學(xué)（北京）重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249

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導(dǎo)流筒高度對(duì)氣固環(huán)流反應(yīng)器流動(dòng)特性的影響

牛 犁，劉夢(mèng)溪，孟振亮

中國(guó)石油大學(xué)（北京）重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249

摘要：為了研究導(dǎo)流筒高度對(duì)環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)特性的影響，基于歐拉-歐拉方法，采用基于多尺度結(jié)構(gòu)的EMMS曳力模型，結(jié)合顆粒動(dòng)力學(xué)理論，建立了環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)氣固兩相流動(dòng)模型，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定了合適的模型參數(shù)。采用已建立的流動(dòng)模型，對(duì)導(dǎo)流筒高度進(jìn)行了優(yōu)化研究，考察了導(dǎo)流筒高度變化對(duì)平均床層密度、質(zhì)量流率和環(huán)流速率等參數(shù)的影響。結(jié)果表明，導(dǎo)流筒優(yōu)化高度為1.4 m時(shí)，環(huán)流效果較好，其平均質(zhì)量流率比原裝置（HD為1.2 m）提高了36.17%。

關(guān)鍵詞：氣固環(huán)流反應(yīng)器 數(shù)值模擬 結(jié)構(gòu)優(yōu)化 導(dǎo)流筒高度

環(huán)流反應(yīng)器（GSALR）是一種高效的多相反應(yīng)設(shè)備，因其具有結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、相間接觸與混合性能好、傳質(zhì)系數(shù)高和易于操作等優(yōu)點(diǎn)，環(huán)流反應(yīng)器在化學(xué)工業(yè)、生物工程、冶金化工及環(huán)保等相關(guān)領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用[1]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)環(huán)流反應(yīng)器研究主要集中在氣-液[2，3]和氣-液-固[4，5]三相體系，而對(duì)氣-固體系的環(huán)流反應(yīng)器的研究則鮮有報(bào)道。已有研究表明，氣-固體系也可以秉承其他體系的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)新開(kāi)發(fā)的氣固密相環(huán)流新技術(shù)，已經(jīng)成功用于石化領(lǐng)域的多個(gè)關(guān)鍵裝備上，包括再生催化劑外取熱器、石油焦的燃燒器和待生催化劑汽提器等[6-10]。

在中心氣升式氣-固環(huán)流反應(yīng)器中，環(huán)流效果很大程度上取決于導(dǎo)流筒的結(jié)構(gòu)參數(shù)，它對(duì)環(huán)流反應(yīng)器的流體力學(xué)和傳質(zhì)傳熱特性具有重要的影響，有必要對(duì)該結(jié)構(gòu)深入研究。隨著計(jì)算機(jī)水平的飛速發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）在多相流的研究中逐漸發(fā)揮重要作用，本工作采用CFD方法，對(duì)中心氣升式氣-固環(huán)流反應(yīng)器的流體力學(xué)特性進(jìn)行模擬研究，通過(guò)建立數(shù)值模型，對(duì)導(dǎo)流筒高度進(jìn)行優(yōu)化，為氣-固環(huán)流反應(yīng)器工業(yè)放大、設(shè)計(jì)和優(yōu)化奠定理論基礎(chǔ)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 模擬對(duì)象及模型

1.1 模擬裝置及模擬參數(shù)

模擬對(duì)象為中心氣升式氣-固環(huán)流反應(yīng)器，裝置見(jiàn)圖1。裝置總高5 460 mm，床體尺寸?300 mm×7 mm，高2 900 mm，導(dǎo)流筒尺寸為?220 mm×8 mm，高1 200 mm。采用PV-6D型顆粒密度、速度測(cè)定儀（中科院過(guò)程工程研究所）分別測(cè)定導(dǎo)流筒區(qū)、氣固分離區(qū)、環(huán)隙區(qū)和分布器影響區(qū)的不同截面的床層密度和顆粒速度，該儀器利用了床層密度與光纖反射光的強(qiáng)度成一定函數(shù)關(guān)系的原理進(jìn)行測(cè)量，并通過(guò)計(jì)算兩通道信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)得到顆粒的運(yùn)動(dòng)速度。更多實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)請(qǐng)見(jiàn)文獻(xiàn)[11]。

通過(guò)Fluent前處理軟件Gambit建立物理模型進(jìn)行，并使用Fluent 6.3.26進(jìn)行計(jì)算。模擬計(jì)算中固體顆粒為FCC催化劑，氣相為空氣，氣相入口為速度入口，速度均勻分布，出口為壓力出口。氣相采用無(wú)滑移壁面邊界，固相采用Johnson和Jackson壁面條件處理。

使用分離式求解器進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)計(jì)算，當(dāng)模擬收斂且結(jié)果不隨時(shí)間變化時(shí)說(shuō)明已達(dá)到穩(wěn)態(tài)。因?yàn)闅馍江h(huán)流反應(yīng)器內(nèi)部流動(dòng)是三維的非穩(wěn)態(tài)的流動(dòng)，二維模型雖然可以節(jié)省計(jì)算資源，但并不能反映反應(yīng)器內(nèi)部三維的流動(dòng)狀況，所以本工作在三維坐標(biāo)系下對(duì)環(huán)流反應(yīng)器進(jìn)行模擬，壓力速度耦合采用SIMPLE算法，對(duì)流相采用二階迎風(fēng)格式。計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)選0.000 5 s，最大迭代步數(shù)為40步，時(shí)均統(tǒng)計(jì)時(shí)間選取為計(jì)算達(dá)到平衡時(shí)開(kāi)始，統(tǒng)計(jì)10 s，F(xiàn)luent其他模型參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

圖1 環(huán)流反應(yīng)器裝置流程Fig.1 Schematic of the draft tube-lifted GSALR

表1 Fluent的模型參數(shù)Table 1 Simulation parameters used in Fluent

采取了3種顆粒最大堆積系數(shù)（0.60，0.65和0.70）來(lái)考察該參數(shù)對(duì)環(huán)流反應(yīng)器中氣固相流場(chǎng)的影響。結(jié)果表明，床層顆粒最大堆積系數(shù)為0.65時(shí)，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值較為接近。此外，綜合考慮計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性以及運(yùn)算資源的限制，最終確定網(wǎng)格數(shù)量為2.5×105，模擬時(shí)間為30 s[12]。

1.2 EMMS曳力模型

采用雙流體模型（又稱(chēng)歐拉-歐拉模型）進(jìn)行三維床的模擬，每個(gè)微元內(nèi)兩相流動(dòng)服從流體力學(xué)基本方程組，固相應(yīng)力采用的是顆粒動(dòng)力學(xué)理論（KTGF）進(jìn)行封閉，曳力模型采用的是基于結(jié)構(gòu)的EMMS（Energy-Minimization Multi-Scale）模型（SFM）。SFM基本方程如下：

氣相質(zhì)量守恒方程：

固相質(zhì)量守恒方程：

稀相力平衡方程：

介尺度力平衡方程：

密相力平衡方程：

基于結(jié)構(gòu)的曳力系數(shù)（βe）：

穩(wěn)定性條件：

氣泡經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式：

采用的曳力模型是基于結(jié)構(gòu)的EMMS模型，氣泡為系統(tǒng)中的介尺度結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的雙流體模型曳力相比，該模型將整個(gè)系統(tǒng)分為氣泡相、乳化相以及相間作用相，考慮了不均勻結(jié)構(gòu)對(duì)氣固曳力的影響，對(duì)均勻化的曳力模型進(jìn)行了修正。

2 結(jié)果與討論

2.1 氣-固環(huán)流反應(yīng)器導(dǎo)流筒區(qū)流體力學(xué)特性的模擬

對(duì)導(dǎo)流筒區(qū)表觀(guān)氣速為0.4 m/s，顆粒靜床層高度為1 200 mm時(shí)，中心氣升式環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行模擬，導(dǎo)流筒區(qū)不同軸向位置的平均固含率分布見(jiàn)圖2?？梢钥闯觯M值與實(shí)驗(yàn)值[12]較為接近，說(shuō)明該模型能夠較好地反映出反應(yīng)器內(nèi)兩相的流場(chǎng)變化。由圖2可以看出，導(dǎo)流筒區(qū)的時(shí)均固含率隨徑向位置的增加而增加。這是由于床層各徑向位置都同時(shí)存在氣泡、乳化相的兩相結(jié)構(gòu)，氣固流化床中氣泡相傾向于由床層中心向上流動(dòng)，所以中心區(qū)氣泡相所占的比例較大，邊壁區(qū)氣泡相所占的比例較小，從而呈現(xiàn)出時(shí)均固含率中心低邊壁高的趨勢(shì)。而環(huán)隙區(qū)的時(shí)均固含率沿徑向位置增大的方向變化并不明顯，分布比較均一。這是由于環(huán)隙區(qū)寬度僅為33 mm，受壁面效應(yīng)的影響較為顯著。

圖3為導(dǎo)流筒區(qū)和環(huán)隙區(qū)內(nèi)顆粒軸向速率沿徑向的分布。由圖可知：導(dǎo)流筒區(qū)速率的模擬值略大于實(shí)驗(yàn)值，但變化趨勢(shì)基本吻合；從不同軸向位置的徑向速率分布可以看出，固體顆粒在整個(gè)導(dǎo)流筒的床層截面分布比較均一。

圖2 導(dǎo)流筒區(qū)和環(huán)隙區(qū)內(nèi)的床層密度分布Fig.2 Radial distribution of time-averaged bed density in the draft tube and annulus regions

圖3 導(dǎo)流筒區(qū)和環(huán)隙區(qū)時(shí)均速率分布Fig.3 Radial distribution of time-averaged particle velocity in draft tube region and annulus regions

2.2 導(dǎo)流筒高度對(duì)環(huán)流反應(yīng)器流體力學(xué)性能的影響

在中內(nèi)環(huán)表觀(guān)氣速為0.4 m/s，外環(huán)表觀(guān)氣速為0.05 m/s的條件下，考察不同導(dǎo)流筒高度對(duì)環(huán)流反應(yīng)器流體力學(xué)性能的影響。

2.2.1 導(dǎo)流筒高度對(duì)床層密度的影響

圖4為不同導(dǎo)流筒高度（HD）下床內(nèi)顆粒體積分率的云圖，圖5為底部區(qū)域（h為112 mm）內(nèi)床層密度隨導(dǎo)流筒高度的變化。由圖可看出：導(dǎo)流筒區(qū)的密度沿徑向分布變化比較大，而環(huán)隙區(qū)的密度分布比較均一，且環(huán)隙區(qū)的平均密度值大于導(dǎo)流筒區(qū)；從床層密度沿徑向的分布來(lái)看，中心區(qū)域（r/R 為0.2～0.4）密度分布相對(duì)較為均勻，而在導(dǎo)流筒邊壁處，密度值則明顯減小。這與常規(guī)流化床的密度分布有較大的差別。沈志遠(yuǎn)[12]等發(fā)現(xiàn)，在底部區(qū)域伴隨著顆粒的環(huán)流還存在一定的竄氣現(xiàn)象，由外環(huán)竄至內(nèi)環(huán)的氣體傾向于沿著邊壁向上流動(dòng)，造成近壁面處床層密度減小。由圖5可見(jiàn)，竄氣現(xiàn)象隨著導(dǎo)流筒高度的增加而逐漸明顯起來(lái)，當(dāng)HD為1.4 m時(shí)已經(jīng)變得十分顯著了。隨著軸向位置的增加，這一趨勢(shì)逐漸變?nèi)踔敝料А?/p>

圖4 不同高度導(dǎo)流筒顆粒體積分?jǐn)?shù)云Fig.4 Solid volume fraction map for different HD

圖5 不同導(dǎo)流筒高度下床層密度分布Fig.5 Radial distribution of time-averaged bed density with different height of draft tube

2.2.2 導(dǎo)流筒高度對(duì)顆粒速率的影響

圖6為不同導(dǎo)流筒高度下顆粒軸向速率沿徑向的分布曲線(xiàn)。由圖可知，當(dāng)導(dǎo)流筒高度為0.6，0.8 和1.2 m時(shí)，顆粒軸向速率沿徑向分布變化不大，當(dāng)導(dǎo)流筒高度為1.0和1.4 m時(shí)，顆粒軸向速率較大，其中在導(dǎo)流筒區(qū)兩者大小相近，在環(huán)隙區(qū)，當(dāng)導(dǎo)流筒高度為1.4 m時(shí)，顆粒向下的速率較大。

圖6 導(dǎo)流筒高度與顆粒軸向速率關(guān)系Fig.6 Radial distribution of time-averaged axial particle velocity for different HD

圖7 導(dǎo)流筒區(qū)與環(huán)隙區(qū)顆粒速度Fig.7 Particle vector diagram in the annulus region and draft region

2.2.3 導(dǎo)流筒高度對(duì)環(huán)流速率及推動(dòng)力的影響

環(huán)流速率是中心氣升式氣固環(huán)流反應(yīng)器流體力學(xué)性能的重要指標(biāo)，通過(guò)環(huán)流反應(yīng)器各區(qū)域流體力學(xué)特性及圖7分析可知，環(huán)隙區(qū)的顆粒近似呈現(xiàn)平推流，流動(dòng)形式較為簡(jiǎn)單，故本工作采用環(huán)隙區(qū)顆粒的下降速率作為環(huán)流反應(yīng)器的環(huán)流速率，圖8為環(huán)隙區(qū)顆粒速率沿軸向的變化（HD為1.2 m）。由圖可知，在軸向高度h/HD為0.58～0.83，顆粒速率隨軸向高度的減小而逐漸降低，說(shuō)明在該段內(nèi)顆粒速率下降幅度逐漸減小。這是由于顆粒從導(dǎo)流筒區(qū)進(jìn)入環(huán)隙區(qū)時(shí)，夾帶氣體量較大，顆粒在環(huán)隙區(qū)頂部向下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也是快速脫氣的過(guò)程，氣體施加給顆粒的曳力促使顆粒速率逐漸減小。在環(huán)隙區(qū)高度（h/HD）為0.08～0.58，固體顆粒速率隨著軸向高度的降低呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，這一方面是由于大部分夾帶氣體已被脫除，氣體施加給顆粒的曳力減小，另一方面是重力作用的結(jié)果。在環(huán)隙區(qū)底部位置處（h/HD小于0.083），由于氣體分布器以及從環(huán)隙區(qū)到氣體分布器影響區(qū)流通截面積的突然擴(kuò)大，使得該段的顆粒向下的速率減小。通過(guò)對(duì)環(huán)隙區(qū)顆粒速率的軸向分布的分析發(fā)現(xiàn)，選取環(huán)隙區(qū)中上部位置（h/HD為0.5～0.75）的平均速率作為環(huán)流反應(yīng)器的環(huán)流速率，其他導(dǎo)流筒高度的環(huán)流速率的選取與此類(lèi)似。

圖8 環(huán)隙區(qū)顆粒下降速率沿軸向的分布Fig.8 Axial distribution of time-averaged particle downward velocity in annulus region

圖9 不同導(dǎo)流筒高度的環(huán)流速率Fig.9 Particle circulation velocity for different height of draft tube

圖9為導(dǎo)流筒高度對(duì)環(huán)流反應(yīng)器環(huán)流速率的影響。由圖可知，環(huán)流反應(yīng)器的環(huán)流速率隨導(dǎo)流筒高度增大而增大。當(dāng)導(dǎo)流筒高度為1.4 m時(shí)，導(dǎo)流筒區(qū)與環(huán)隙區(qū)顆粒平均密度相差較大，壓力差較大導(dǎo)致其環(huán)流速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他導(dǎo)流筒高度時(shí)的環(huán)流速率。

圖10環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)顆粒流動(dòng)方向示意Fig.10 Schematic of particles flow direction in GSALR

圖10為環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)顆粒流動(dòng)方向的示意圖，利用伯努利方程對(duì)反應(yīng)器各區(qū)進(jìn)行能量衡算如下：

導(dǎo)流筒區(qū)：

環(huán)隙區(qū)：

分布器影響區(qū)：

氣固分離區(qū)：

由式（9）～（12）各式相加得：

式（13）左邊為環(huán)隙區(qū)和導(dǎo)流筒區(qū)的靜壓差，ΔPf T，ΔPf A，ΔPf B和ΔPf D分別表示顆粒在氣固分離區(qū)、環(huán)隙區(qū)、分布器影響區(qū)和導(dǎo)流筒區(qū)的流動(dòng)阻力損失。顆粒在環(huán)流段內(nèi)形成環(huán)流流動(dòng)的條件為：環(huán)流推動(dòng)力等于總阻力損失。因此環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)顆粒的環(huán)流推動(dòng)力可表示為：

由于顆粒密度遠(yuǎn)大于氣體密度，因此上式可簡(jiǎn)化為：

圖11和12分別為不同導(dǎo)流筒高度下顆粒環(huán)流流動(dòng)的推動(dòng)力和不同區(qū)域的流動(dòng)阻力損失。顆粒在環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)環(huán)流時(shí)，不同的區(qū)域流動(dòng)阻力的控制因素是不同的，在導(dǎo)流筒區(qū)和環(huán)隙區(qū)，阻力以顆粒與壁面的摩擦阻力為主，隨導(dǎo)流筒高度增大，摩擦阻力增大，環(huán)流推動(dòng)力也隨之增大，有利于環(huán)流；而在氣固分離區(qū)和分布器影響區(qū)，阻力主要是顆粒流動(dòng)截面的變化引起的局部阻力，所以隨導(dǎo)流筒高度增加，流動(dòng)阻力變化不大。當(dāng)導(dǎo)流筒高度小于1.0 m時(shí)，環(huán)流推動(dòng)力變化不大，當(dāng)HD大于1.0 m時(shí)，推動(dòng)力增幅明顯大于阻力，環(huán)流推動(dòng)力增加，更有利于環(huán)流。

圖11 不同導(dǎo)流筒高度下環(huán)流推動(dòng)力Fig.11 Time-averaged circulation driving force for different height of draft tube

圖12 不同導(dǎo)流筒高度下不同區(qū)域流動(dòng)阻力損失Fig.12 Time-averaged flow resistance loss in different regions for different height of draft tube

2.2.4 導(dǎo)流筒高度對(duì)質(zhì)量流率的影響

圖13為導(dǎo)流筒高度與質(zhì)量流率（MI）關(guān)系圖。由圖可知，顆粒循環(huán)量隨著導(dǎo)流筒高度的增加而增加，當(dāng)導(dǎo)流筒高度為1.4 m時(shí)，總質(zhì)量流率最大，比HD為1.2 m時(shí)質(zhì)量流率提高了36.17%。

圖13 導(dǎo)流筒高度與總質(zhì)量流率關(guān)系Fig.13 Particle circulation mass flow rate as a function of HD

3 結(jié) 論

采用數(shù)值模擬的手段，以Fluent為工具，首先建立了能夠合理預(yù)測(cè)氣-固環(huán)流反應(yīng)器的流動(dòng)模型，并在此模型的基礎(chǔ)上，針對(duì)導(dǎo)流筒高度進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到以下結(jié)論，通過(guò)對(duì)不同的導(dǎo)流筒高度進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)隨導(dǎo)流筒高度增加，環(huán)流推動(dòng)力、環(huán)流速率和質(zhì)量流率均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)；導(dǎo)流筒優(yōu)化高度為1.4 m時(shí)環(huán)流效果較好，其質(zhì)量流率比高度為1.2 m時(shí)提高了36.17%。

符號(hào)說(shuō)明

a 　　—— 　　慣性量，m2/s 　　β 　　—— 曳力系數(shù)Dt　　—— 　　床體直徑，m 　　γM　　—— 相干函數(shù)d 　　—— 　　氣泡尺寸，mm 　　εs　　—— 固含率dp　　—— 　　顆粒直徑，m 　　εg 　　—— 空隙率F 　　—— 　　曳力，N 　　ρ 　　—— 密度，kg/m3f 　　—— 密相體積分率 　　下標(biāo)g　　—— 　　重力加速度，m2/s 　A 　　—— 　環(huán)隙區(qū)HD 　　—— 　　導(dǎo)流筒高度，m 　B 　　—— 分布器影響區(qū)h 　　—— 　　軸向高度，m 　b 　　—— 　氣泡m 　　—— 　　顆粒質(zhì)量，kg 　D 　　—— 導(dǎo)流筒區(qū)Nst 　　—— 　　單位質(zhì)量顆粒的懸浮輸送能，W/kg　 d 　　—— 　單位體積P 　　—— 　壓力，MPa 　c 　　—— 密相Ps 　　—— 　　環(huán)流推動(dòng)力 　T 　　—— 氣固分離區(qū)ΔPf　　—— 　　流動(dòng)阻力損失，Pa 　f 　　—— 稀相r 　　—— 　　徑向位置，m 　m 　　—— 平均

Uslip　　—— 　表觀(guān)滑移速度，m/s 　g 　　—— 　氣相U 　　—— 表觀(guān)氣速 　p 　　—— 顆粒相u 　　—— 　環(huán)流反應(yīng)器表觀(guān)氣速，m/s 　s 　　—— 　固相

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Influence of the Height of the Draft Tube on the Gas Solid Flow Characteristics of the Central Air Lift Loop Reactor

Niu Li， Liu Mengxi， Meng Zhenliang
China University of Petroleum， Beijing 102249， China

Abstract:To study the effect of the height of the draft tube on the loop reactor flow characteristics， the model of a gas-solid circulating fluidized bed in a loop reactor was established based on Euler - Euler method using Energy Minimization Multiscale（EMMS） drag force model with the particle kinetic theory. The appropriate model parameters were determined by comparing the experimental data. The height of draft tubes was studied and optimized using the established model and the effects of changes of the height of the draft tube on the average bed density， mass flow rate and other factors were investigated. Results showed that the gas-solid airlift loop reactor（GSALR） with a 1.4 m high draft tube performed better and an average mass flow rate was higher than that of the original device with a 1.2 m draft tube by 36.17%.

Key words:gas-solid airlift loop reactor； numerical simulation； optimization of structure； height of draft tube

基金項(xiàng)目：國(guó)家重大基礎(chǔ)研究計(jì)劃（973）項(xiàng)目（2012CB215000）；國(guó)家重大研究計(jì)劃（多相反應(yīng)過(guò)程中的介尺度機(jī)制及調(diào)控）培育項(xiàng)目（91534111）。

作者簡(jiǎn)介：牛 犁（1993—），女，碩士研究生；劉夢(mèng)溪（1973—），男，副研究員，通訊聯(lián)系人。E-mail: mengxiliu@sina.com。

收稿日期：2015-03-17；

修訂日期：2015-12-22。

文章編號(hào)：1001—7631 （ 2016 ） 02—0106—08

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ018；TQ052.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A