本文關(guān)鍵詞：循環(huán)流化床顆粒循環(huán)穩(wěn)定性及放大過程研究

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【摘要】：循環(huán)流化床具有傳質(zhì)傳熱特性好、處理量大、連續(xù)操作的優(yōu)勢,在化工能源領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。穩(wěn)定的顆粒循環(huán)和放大設(shè)計(jì)是循環(huán)流化床工業(yè)化應(yīng)用的重要因素。在建立顆粒循環(huán)過程中,循環(huán)流化床鍋爐、聚丙烯多區(qū)循環(huán)反應(yīng)器等大型循環(huán)流化床存在著氣固流型轉(zhuǎn)變、壓降波動(dòng)、顆粒跑損等非穩(wěn)定現(xiàn)象。但是,由于缺少對(duì)該過程非穩(wěn)定現(xiàn)象形成機(jī)理的認(rèn)識(shí),不能對(duì)其有效調(diào)控,進(jìn)而無法保證裝置的長周期運(yùn)行。對(duì)于放大過程而言,以往的研究者基于單顆粒動(dòng)量方程的無因次處理提出了標(biāo)準(zhǔn)流體力學(xué)相似準(zhǔn)則(Gs/ρptUg,Ug2/gD,ρpρgdp3g/μ2,ρp/ρg,dp/D)及簡化流體力學(xué)相似準(zhǔn)則(Gs/ρpUg,Ug2/gD,Ug/Umf,ρp/ρg)在依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)流體力學(xué)相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)提升段時(shí),顆粒粒徑隨反應(yīng)器直徑的增加而增加,造成顆粒團(tuán)聚效應(yīng)的變化,但現(xiàn)有研究均未揭示這一因素對(duì)放大過程的影響,并且未提出放大過程對(duì)反應(yīng)效果的影響機(jī)制。因此,為了提高循環(huán)流化床顆粒循環(huán)的穩(wěn)定性以及放大過程的精確性,亟待揭示建立顆粒循環(huán)過程中非穩(wěn)定現(xiàn)象的形成機(jī)理以及放大過程中顆粒團(tuán)聚效應(yīng)對(duì)流體力學(xué)相似準(zhǔn)則適用性和反應(yīng)效果的影響機(jī)制。本論文以循環(huán)流化床為研究對(duì)象,首先基于實(shí)驗(yàn)研究依次揭示了建立顆粒循環(huán)過程的氣固流動(dòng)轉(zhuǎn)變規(guī)律以及該過程非穩(wěn)定現(xiàn)象的調(diào)控策略,進(jìn)一步采用模擬的方法揭示了非穩(wěn)定現(xiàn)象的形成機(jī)理。對(duì)于提升段放大過程而言,基于計(jì)算流體力學(xué)模擬究了放大過程中顆粒團(tuán)聚效應(yīng)對(duì)流體力學(xué)相似準(zhǔn)則適用性的影響機(jī)制。在此基礎(chǔ)上,通過耦合臭氧分解反應(yīng)揭示了放大過程對(duì)反應(yīng)效果的作用規(guī)律。具體內(nèi)容如下:1.在循環(huán)流化床冷模裝置和工業(yè)裝置中,綜合利用攝像、壓降、聲波、床層密度等檢測手段,發(fā)現(xiàn)建立顆粒循環(huán)過程依次均存在雙流化、非穩(wěn)定過渡以及穩(wěn)定循環(huán)三個(gè)階段。其中,在雙流化階段,提升段、下降段內(nèi)顆粒均呈穩(wěn)定流化狀態(tài);在非穩(wěn)定過渡階段,下降段顆粒在移動(dòng)床和流化床之間交替,并導(dǎo)致下降段壓降波動(dòng)以及嚴(yán)重的顆粒跑損;在穩(wěn)定循環(huán)階段,顆粒相在提升段和下降段中分別呈穩(wěn)定的快速流化和移動(dòng)床狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上,探究了操作參數(shù)對(duì)建立顆粒循環(huán)過程的影響。研究結(jié)果表明,循環(huán)氣流量過大時(shí),下降段竄氣量大,顆粒循環(huán)無法建立;減小閥門開度有助于降低顆粒跑損,但使得建立顆粒循環(huán)時(shí)間加長。2.發(fā)現(xiàn)了在循環(huán)流化床建立顆粒循環(huán)過程中,當(dāng)固定顆粒藏量小于臨界顆粒藏量且循環(huán)氣流量或顆粒循環(huán)段閥門開度大于某一臨界值時(shí),存在顆粒振蕩現(xiàn)象,即下降段的顆粒流動(dòng)結(jié)構(gòu)在流化床和移動(dòng)床之間交替變化,提升段的顆粒流動(dòng)結(jié)構(gòu)在低速流態(tài)化、快速流態(tài)化之間交替變化;循環(huán)流化床提升段、下降壓、顆粒循環(huán)段及旋風(fēng)分離段壓降均呈現(xiàn)周期性的波動(dòng)。與此同時(shí),借助下降段物料的受力分析,發(fā)現(xiàn)提升段和下降段之間的壓力差、顆粒濃度差是控制顆粒振蕩的主要因素,并建立了振蕩周期的理論計(jì)算公式。最后,通過對(duì)顆粒振蕩過程中壓力脈動(dòng)信號(hào)的時(shí)域分析和頻域分析,揭示了操作參數(shù)及裝置顆粒藏量對(duì)顆粒振蕩的調(diào)控機(jī)制。研究結(jié)果表明,顆粒藏量對(duì)顆粒振蕩影響最為明顯,隨著顆粒藏量的增加,顆粒振蕩由正弦模式逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榫匦文Ｊ?而且提升段與下降段氣固流動(dòng)結(jié)構(gòu)由鼓泡流化逐漸向節(jié)涌狀態(tài)轉(zhuǎn)變。3.基于計(jì)算流體力學(xué)模擬,通過分析顆粒振蕩的瞬態(tài)氣固流動(dòng)結(jié)構(gòu)揭示了顆粒振蕩的形成機(jī)理,即下降段形成節(jié)涌流化是顆粒振蕩的根源。通過探究循環(huán)段閥結(jié)構(gòu)和顆粒類型對(duì)顆粒振蕩的影響,發(fā)現(xiàn)無論是L閥還是流動(dòng)密封閥均存在顆粒振蕩現(xiàn)象,對(duì)于Geldart A類顆粒體系循環(huán)流化床由于無法在下降段形成節(jié)涌而不存在顆粒振蕩現(xiàn)象。最后針對(duì)Geldart D類顆粒機(jī)械閥循環(huán)流化床,提出一種削弱顆粒振蕩的半錐形非對(duì)稱下降段結(jié)構(gòu),通過在下降段形成顆粒內(nèi)循環(huán)以減弱顆粒振蕩強(qiáng)度。4.依據(jù)流體力學(xué)相似準(zhǔn)則對(duì)提升段進(jìn)行放大,通過EMMS曳力模型準(zhǔn)確描述放大過程中顆粒團(tuán)聚效應(yīng)的變化,考察了放大過程中流體力學(xué)相似性的變化規(guī)律,揭示了顆粒團(tuán)聚效應(yīng)對(duì)流體力學(xué)相似準(zhǔn)則適用性的影響機(jī)制,提出了考慮顆粒團(tuán)聚效應(yīng)的提升段放大設(shè)計(jì)方法。研究結(jié)果表明,由于放大前后各位置處顆粒團(tuán)聚特物征參數(shù)差異明顯,簡化流體力學(xué)相似準(zhǔn)則無法確保提升段流體力學(xué)相似;對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)流體力學(xué)相似準(zhǔn)則而言,放大前后提升段中上部顆粒團(tuán)聚物的時(shí)間分率及平均顆粒濃度均保持一致,能保證提升段中上部流體力學(xué)的相似。相較于低通量而言,高通量下提升段放大前后顆粒團(tuán)聚效應(yīng)的差異更明顯,并導(dǎo)致提升段壁面處流體力學(xué)相似性變差。5.在氣固流動(dòng)穩(wěn)定模擬的基礎(chǔ)上,通過耦合臭氧分解過程,考察了提升段放大前后臭氧濃度徑向非均勻性及局部達(dá)姆科勒數(shù)的變化規(guī)律,揭示了提升段放大過程對(duì)反應(yīng)效果的影響機(jī)制以及氣固接觸效率的放大效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn),隨著反應(yīng)器的放大,臭氧濃度的徑向分布非均勻性變差。由于放大前后提升段核心區(qū)顆粒團(tuán)聚物含量差異較小,該區(qū)域氣固接觸效率不存在放大效應(yīng);對(duì)于壁面區(qū)而言,標(biāo)準(zhǔn)流體力學(xué)相似準(zhǔn)則指導(dǎo)下的放大設(shè)計(jì)使得壁面區(qū)顆粒團(tuán)聚程度減弱,能夠改善該區(qū)域氣固接觸效率。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TQ051.13
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本文編號(hào)：1295018