【摘要】：隨著日益嚴(yán)格的環(huán)境要求和逐漸豐富的產(chǎn)品需求,過程工藝在反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和操作方式上逐漸呈現(xiàn)多樣化和復(fù)雜化,同一工藝中的各反應(yīng)器或同一反應(yīng)器中的各反應(yīng)區(qū)段的構(gòu)型、尺寸以及操作模式都有可能不同。其中的非均勻動態(tài)結(jié)構(gòu)對于單個反應(yīng)器甚至整個工藝的流動、傳遞和反應(yīng)過程都有著重要的影響。能量最小多尺度(EMMS)模型經(jīng)過三十多年的發(fā)展,已經(jīng)在氣固快速床、氣固鼓泡床、氣液、氣液固三相等系統(tǒng)中得到了成功的應(yīng)用。以“先整體分布、后局部模擬、再細(xì)節(jié)演化”為特征的EMMS多尺度計(jì)算模式推進(jìn)了虛擬過程工程的實(shí)現(xiàn)。本論文基于EMMS理論,通過全局動力學(xué)的建模及驗(yàn)證并與CFD模擬耦合來研究具有操作條件復(fù)雜性的流動密封閥和具有幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的變徑流化床內(nèi)的動力學(xué)規(guī)律,從而完善復(fù)雜氣固系統(tǒng)的全系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)建模理論。針對流動密封閥體系,先通過穩(wěn)態(tài)方法對流動密封閥內(nèi)各區(qū)域的宏觀流體動力學(xué)特征進(jìn)行理論預(yù)測,其中劉新華等[1]提出的改進(jìn)的EMMS氣固鼓泡理論模型的預(yù)測精度明顯優(yōu)于現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的結(jié)果。然后將此氣固EMMS鼓泡理論模型通過修正曳力系數(shù)的方式與雙流體模型耦合,實(shí)現(xiàn)對流動密封閥更精細(xì)的非穩(wěn)態(tài)模擬研究。模擬考察了流動密封閥返料室、供給室和立管各區(qū)域內(nèi)的非穩(wěn)態(tài)時空多尺度流動特征,模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好�；诜欠�(wěn)態(tài)模擬總結(jié)了操作參數(shù)(如操作氣速)變化對流動密封閥不同區(qū)域流動的影響規(guī)律。針對變徑流化床體系,考慮操作參數(shù)隨高度連續(xù)變化這一特點(diǎn),在軸向EMMS模型中引入團(tuán)聚物動態(tài)演化方程,建立了適用于變徑流化床的軸向EMMS穩(wěn)態(tài)模型,將其與徑向EMMS穩(wěn)態(tài)模型耦合,實(shí)現(xiàn)了變徑流化床軸徑向流動特征的穩(wěn)態(tài)預(yù)測,預(yù)測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。另外,本研究還分別考察了結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)對變徑流化床軸徑向分布的影響,結(jié)果表明改變結(jié)構(gòu)參數(shù)對提升管和過渡段軸向空隙率的影響遠(yuǎn)大于改變操作參數(shù)的影響。在漸縮和漸擴(kuò)兩種類型的變徑提升管中均可以捕捉到徑向空隙率呈現(xiàn)環(huán)核分布結(jié)構(gòu),并在漸縮提升管底部壁面附近和漸擴(kuò)提升管頂部壁面附近觀察到有顆粒向下移動的現(xiàn)象。在上述穩(wěn)態(tài)模型的基礎(chǔ)上,論文采用三維瞬態(tài)歐拉-歐拉模型,并耦合不同的曳力模型研究了漸縮和漸擴(kuò)提升管的瞬態(tài)和時均非均勻結(jié)構(gòu)特征。研究發(fā)現(xiàn)提升管直徑變化導(dǎo)致其內(nèi)流動參數(shù)(如表觀氣速)實(shí)時變化,造成采用基于全床平均流動參數(shù)的傳統(tǒng)均勻曳力和平均EMMS曳力的模擬結(jié)果誤差較大。由此本研究提出用考慮軸向流動參數(shù)差異的插值EMMS曳力來模擬漸縮/漸擴(kuò)提升管,模擬結(jié)果比傳統(tǒng)均勻曳力和平均EMMS曳力的結(jié)果更準(zhǔn)確,且與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合更好�；诖四M方法,進(jìn)一步考察了不同操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下,漸縮和漸擴(kuò)提升管內(nèi)氣固流動特性及演變規(guī)律。然后采用CFD-DEM方法耦合EMMS曳力分別對漸縮過渡段和漸擴(kuò)過渡段進(jìn)行了精細(xì)的模擬,其非穩(wěn)態(tài)模擬時均結(jié)果與穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果相吻合。與變徑CFB提升管的軸向空隙率分布相似,變徑過渡段也存在復(fù)雜的軸向非均勻分布。最后,論文總結(jié)了本研究的主要工作、結(jié)論、創(chuàng)新點(diǎn),并對該方向未來發(fā)展提出了一些展望。
【圖文】：

■ＷｌＪＩ邋７邐ｂｕ＿ｇ逡逑ｍｏｄｅｌ逡逑圖１．１循環(huán)流化床反應(yīng)器結(jié)構(gòu)圖１１８１９１逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｃｉｒｃｕｌａｔｉｎｇ邋ｆｌｕｉｄｉｚｅｄ邋ｂｅｄ邋（ＣＦＢ），１８，１９Ｊ逡逑１．２流動密封閥的研究逡逑流動密封閥作為循環(huán)流化床或其他化工裝備中廣泛應(yīng)用的一種非機(jī)械閥，可逡逑以使顆粒從高壓力的立管移動到低壓力的提升管，同時也可以阻礙氣體從提升管逡逑底部回流到立管。它由供給室、返料室以及兩室之間底部的開口或縫隙組成。由逡逑于其結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行穩(wěn)定，它在工業(yè)過程中得到廣泛應(yīng)用。逡逑許多研究者對流動密封閥進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)研宄并探索了基本操作原理。其逡逑中，Ｋｉｍ等人［２Ｇ，２１１研宄了不同顆粒尺寸和密度對流動密封閥內(nèi)顆粒循環(huán)量的影響逡逑４逡逑

逡逑造成提升管的“死角”現(xiàn)象。如圖１．３所示，ＭＴＯ反應(yīng)器中擴(kuò)大段用于連接鼓逡逑泡反應(yīng)區(qū)域與催化劑／反應(yīng)氣分離區(qū)域，鼓泡流化床區(qū)域管徑小，利于反應(yīng)物與催逡逑化劑的快速反應(yīng)，分離區(qū)管徑大利于產(chǎn)品和催化劑的分離，也有利于控制反應(yīng)器逡逑內(nèi)的溫度并抑制副反應(yīng)的發(fā)生。變徑段作為過渡段連接兩個直徑不同的床層，可逡逑以減少能量損失并避免死區(qū)，，但在之前的數(shù)學(xué)建模中，這些死區(qū)通常被忽略或僅逡逑被視為黑盒［１（）］。逡逑Ｓｆ逡逑圖１．２邋ＭＩＰ工業(yè)裝置示意圖丨１６】逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋Ｍａｘｉｍｉｚｉｎｇ邋ｉｓｏ－ｐａｒａｆｆ�。睿ゅ澹ǎ停桑校╁澹颍澹幔悖簦铮颍保保叮卞义希桑藻澹颍澹幔悖簦椋铮铄义希穑颍铮洌酰悖翦义希悖幔簦幔欤螅簦箦义�
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院過程工程研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TQ022.4

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前6條

1 楊寧;李靜海;;化學(xué)工程中的介尺度科學(xué)與虛擬過程工程:分析與展望[J];化工學(xué)報(bào);2014年07期

2 李揚(yáng);謝彥紅;;基于化工專業(yè)需求的數(shù)學(xué)建模教學(xué)[J];化工高等教育;2009年04期

3 劉清華;孫偉;鈕根林;楊朝合;;變徑結(jié)構(gòu)提升管反應(yīng)器內(nèi)顆粒流動特性的研究[J];煉油技術(shù)與工程;2007年10期

4 程易,魏飛,金涌;從兩相流型特征對提升管反應(yīng)器出入口結(jié)構(gòu)的分類[J];石油煉制與化工;1997年03期

5 董元吉;李靜海;郭慕孫;;快速流化床徑向空隙率分布測定及關(guān)聯(lián)[J];化學(xué)反應(yīng)工程與工藝;1988年01期

6 秦霽光;流化床中氣泡的匯合長大和床層膨脹[J];化工學(xué)報(bào);1980年01期

本文編號：2704285