喷动床内气固两相流的数值模拟

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1、河北工业大学 硕士学位论文 喷动床内气固两相流的数值模拟 姓名：高聪 申请学位级别：硕士 专业：化工过程机械 指导教师：张少峰 20080401 河北工业大学硕士学位论文 i 喷动床内气固两相流的数值模拟喷动床内气固两相流的数值模拟 摘摘 要要 本文对喷动床内气固两相流的流场特性进行了数值模拟，较详细分析了喷动床内颗粒 的流动状态，可为进一步的试验研究和工业放大提供指导。 对单喷嘴和双喷嘴等不同结构形式喷动床内流场速度矢量分布、颗粒体积分率分布以 及湍动能分布进行了研究。对于单喷嘴喷动床考察了不同锥底角度和入口气流速度对喷动 床内流场分布的影响，模拟结果显示：对于单喷嘴喷动床当入口气流速度为

2、0.58ms-1时， 锥底角度为 60的喷动床内流场分布最为理想，喷射区，喷泉区和环隙区三区特征鲜明； 对于锥角为 60的喷动床在入口处雷诺数为 3285 1。因此，若只使用一个流体入射喷 头会使床体直径受到限制，进而影响处理量。而大的床层高度尽管允许相应大的床体直径，但同时会 导致过度的压力损失。多喷头喷动床克服了以上缺点，如图 1.4 所示。处理相同的物料量时，多喷头 喷动床比单喷头喷动床需要更多的气流量，但处理物料的周转量也大大加快了。 3 喷动床内气固两相流的数值模拟 图 1.2 典型喷动床基本结构示意图 图 1.3 喷动床三区流动结构示意图 Fig. 1.2 Sketch of a

3、typical spouted bed Fig. 1.3 Three-region flow structure of spouted bed 1-1-3-2 带引导管的喷动床 图 1.5 所示的是中心带有垂直导向管的喷动床。这种喷动床解决了传统喷动床产量小且无法按比 例扩大设备以满足大规模生产的问题。它内部的导向管相当于一个小型的气力输送机，不仅解决了床 层高度问题，而且保证了物料在床内统一的停留时间分配。 图 1.4 平底多喷头喷动床 图 1.5 带引导管的喷动床 Fig. 1.4 Multi-nozzles spouted bed Fig. 1.5 Bootable pipe spout

4、ed bed 1-1-3-3 喷动流化床 常规柱锥喷动床通常只有一个中央入射喷嘴。如果在倒锥壁面处增设气体分布器向环隙区引入附 加的气体，就会构成所谓的喷动流化床，如图 1. 6 所示。这种喷动流化床与常规喷动床相比，不 仅可以促进流体和颗粒之间的传热、传质，还能有效地防止环隙区底部出现死区和某些易粘结颗粒在 环隙区的团聚。实际上，从改善流化床特性的观点看，在流化床气体分布器上加上一个中心射流可以 4 河北工业大学硕士生论文 5 促进颗粒的循环与混合。这点对放热反应（如燃烧过程）尤为重要，因为中心射流的加入在使温度分 布更加均匀的同时，也强化了床层与界面间的传热。另外，众多研究者通过实验发现，

5、喷动流化床 具有比常规喷动床更好的可调性和适应性，因此在工业上己得到许多成功的应用。 1-1-3-4 内循环喷动床(Internally circulating spouted-bed，ICSB) 尽管在喷动床内增设引导管可极大减小喷射区与环隙区之间的交叉流动，但仍然会有不少气体进 入环隙区。为解决此问题，提出了一种改进的带引导管喷动床，即内循环喷动床，其主要特征如图 1.7 所示。引导管直接与底部流体入射喷嘴相连，但在其底部附近的管壁上开有许多小孔使固体颗粒通过 这些小孔进入引导管，被入射气体携带至引导管顶部，由 T 型惯性分离装置使颗粒和气体分离。操作 时环隙区固体颗粒要始终保持一定的高度

6、，以保证引导管上每个小孔处环隙区与喷射区之间存在足够 的压差，以阻止引导管中的气体进入环隙区。环隙区中的气体由其底部的流化气分布器引入，这部分 辅助流化气体会有一些穿过小孔进入引导管，从而促进颗粒的径向流动和保证较高的固体循环速度。 这样，气体停留时间就完全取决于引导管内气体流速以及进入环隙区的辅助流化气体量。 1-1-3-5 射流喷动床 如图 1. 8 所示为柱锥型结构的射流喷动床， 锥体部分放惰性粒子， 喷泉区上方装有能转动的罩板。 液体物料从锥体底部侧面进入，热空气由正下方的喷口以 1.5 倍的最小喷动速度进入喷动床中。与传 统喷动床相比，最初静床层高度 H0降低到 2Dl（柱体直径)左

7、右，以保证物料的良好循环。尤其是湿 物料区（锥底部分）的循环。射流喷动床在很高的喷射速度下工作以使空隙率达到 0.850.95。湿物 料通过雾化器的作用，以雾状形式进入，最湿的物料与最高温、高速气体相遇，发生强烈的热量传递， 湿物料迅速包围在惰性粒子周围形成一层薄膜，向上喷出床层，得到干燥。喷泉区由于惰性粒子自身 互相撞击以及与底部罩板的磨损、碰撞，使已干的薄膜破裂，与气体一起排出。 1-1-3-6 放大喷动床5,6 平底多喷头喷动床经过改型被设想为喷动床的放大模型 （图 1.10） ， 即将反应器串联成多个反应室 和多个平行流体入射喷头，一个出口，每个入射喷嘴的流量必须分别控制，经过这样的改

8、进，物料处 理量增多，周转速率也加快。国际干燥会议常任主席、加拿大 McGill 大学的 Mujumdar 教授成功研制 出动态喷口喷动床试验装置（如图 1.9)。新型的动态喷口喷动床扩大了喷射区的范围，相应的也扩大 了环隙区范围，整个床体直径可显著增加，从而大大提高生产能力。床体内物料与气流间传热、传质 均匀，没有死区，物料间混合良好，干燥品质好，效率高。该装置的干燥介质温度、进气量、喷口直 径、喷管转速、物料层厚度等均可调。这种装置为喷动床技术实现工业放大提供了一条可行的途径。 喷动床内气固两相流的数值模拟 图 1.6 喷动-流化床 图 1.7 内循环喷动床 图 1.8 射流喷动床 Fig

9、. 1.6 Spout-fluided bed Fig. 1.7 Intermally circulating Fig. 1.8 Eject-fluid spouted bed spouted bed 图 1.9 动态喷口喷动床 图 1.10 概念化 PPSB 装置的放大模型 Fig. 1.9 Dynamic-spout spouted bed Fig. 1.10 A conceptual design for large-scale PPSB Suitable for commercial utilization 1-1-4 喷动床与密相流化床的比较喷动床与密相流化床的比较3 喷动床与密相流

10、化床的相似之处： (1) 分别有一个明显的临界喷动（流态化）点和临界喷动速度 Ums（临界流化速度 Umf） ，当流速 达到 Ums或 Umf时，颗粒床层开始喷动或流化。 (2) 一旦形成稳定的喷动床或流化床，相应的压降为一常数，将不再随气速变化。 6 河北工业大学硕士生论文 7 (3) 喷动床具有稀相喷射区、密相环隙区和喷泉区三区流动结构；密相流化床内存在气泡相和颗 粒密相。喷动床内颗粒大部分存在于环隙区；流化床颗粒绝大部分存在于密相。 (4) 密相流化床中由于颗粒床层结构不均匀、颗粒表面特性所引起的内聚现象以及气泡的聚并等 原因常会造成沟流、腾涌等不正常流化。喷动床中如果物料尺寸分布过广或

11、床层高度过高， 将产生环隙区的流化和喷射区的窒息，使喷动变得不稳定，喷射速度足够高时甚至会出现喷 动床变成聚式流化床或腾涌的现象。 (5) 作为化学反应器，喷动床与流化床一样，在具有物料可流动性，相对均匀的温度分布及较好 的传热特性等优点的同时，也都有气体短路、固体返混、颗粒扬析及磨损等缺点。 但与流化床相比，喷动床具有以下突出特点： (1) 床内流型重复性强，流型变化比流化床少，其流动比流化床相对更为简单和有规律。但同时 所能处理的物料尺寸及所用床体结构比流化床有更多限制。 (2) 操作压降比流化床低。由于部分气体可从喷射区快速通过床体，相应的气体停留时间短。 (3) 对粗颗粒，其气固接触效

12、率优于流化床。 (4) 特别适合于处理粘性大的物料以及需要去除表面层以促进传热传质效率的物料。 (5) 粒子在床内有规律的循环运动使喷动床造粒可以得到具有高强度和高球形度的粒状产品。 (6) 良好的气固接触、传热效率及粒子的快速搅动，使喷动床可采用比正常许可温度高的气体， 可方便的处理热敏性物料。 (7) 结构简单且无移动部件、无分布板等。 1-1-5 喷动床的应用喷动床的应用1,3,7 自从 1955 年 Mathur 和 Gishler 发现喷动现象以来，喷动床技术已在农业和石化、能源、食品、医 药、冶金等众多过程工业中得到了广泛的应用。以下介绍一些喷动床技术在物理、化学过程以及机械 操作

13、等方面的应用。 1-1-5-1 干燥及其它物理过程 喷动床中良好的固体混合与有效的气固接触使喷动床成为干燥非烧结性粒状物料的最佳干燥器之 一。喷动床干燥器特别适于处理热敏性物料，如农作物、高分子颗粒的干燥，因为喷动床中粒子的快 速搅动使其可采用比非搅动干燥器更高的气体温度而无需担心粒子的热损伤。喷动床中颗粒有规律的 循环运动是喷动床干燥悬浮液和溶液的基础，造粒和涂层是应用喷动床特点的两个典型实例。 1-1-5-2 颗粒的粉碎 颗粒粉碎是喷动床干燥悬浮溶液和溶液方法的自然延伸，即依据喷动床内颗粒的快速搅动，尤其 喷动床内气固两相流的数值模拟 8 是喷射区内强烈的粒子间碰撞的特点，在喷动床内加入一

14、定比例的、比被处理物料更硬、更重的磨剂 粒子，用磨剂粒子来粉碎被处理物料。首要的是必须保证磨剂粒子可实现稳定喷动，因此一般选择相 对粗大、 均匀和流动性好的粒子。 而且， 磨剂粒子与处理物料颗粒间的密度差不宜过大 （如 3 倍以上)， 否则容易产生分层，不利于颗粒的粉碎。另外，颗粒粉碎操作与喷动床的入口直径以及喷射速度等有 很大关系，减小入口直径、提高喷射气体速度可提高粉碎速度。 1-1-5-3 燃烧和气化 不断循环的环隙区向下运动的热粒子与向上运动的冷气体之间的逆向传热，保证了惰性颗粒喷动 床能燃烧比常规燃烧器更低等级的气体、液体和固体燃料。在常压喷动床内（床体直径 150mm）进行 煤的气

15、化，可以得到与流化床或移动床气化器相当的生产量。 1-1-5-4 细颗粒的捕集 喷动床操作时通过床内单位横截面积上的高气体量以及高气、固相对速度，使喷动床可用于气体 气化。研究发现，惰性颗粒喷动床在最小喷动速度操作状态时，对捕集气体中的液体和带电细颗粒的 效率很高；而活性炭喷动床对 SO2还原反应很有效。但当喷动床操作超过最小喷动气速会大大影响气 体净化效率，这是因为有过多的气体直接穿过喷射区以至大大降低了气体停留时间和气固接触效率。 1-1-5-5 化学反应 日本北海道大学根据粗颗粒喷动床中相对高的喷射气体速度和较低的气体停留时间的特点， 开发了 用于石油原料裂解的小型喷动床反应再生器，在喷

16、动床反应器中用原油作喷射流体，在喷动床再生 器中则用空气作喷射气体。如在喷动床中进行复合化肥生产中的中和反应，并同时对产物颗粒加以涂 层，可以得到均匀、合格的产物。在直径 75125mm 的喷动床反应炉中对铀棒表面喷涂亚毫米级热 解碳的化学涂层也早用于工业实践。 在二十世纪九十年代，日本的科研人员利用喷动床传热传质效率高、流态化性能好的优点发明了 粉末颗粒喷动床(PPSB)812。利用粉末喷动床进行半干法烟气脱硫开创了喷动床内进行化学反应 的新纪元，打破了流化床作为烟气脱硫反应器的垄断地位。这种脱硫技术应用石灰石或消石灰做脱硫 剂，适合处理中低浓度的 SO2污染烟气，脱硫效率高，装置紧凑，系统简单，占地面积小，投资和运 行费用低，没有二次污染等，所以特别适合于中小型燃煤锅炉的烟气脱硫。目前，这项研究己取得了 一定的研究成果，但仍处于实验阶段。另外，河北工业大学李艳平6、赵卷13、吴静1