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循环流化床中结构与“三传一反”的关系研究
作者: 侯宝林
学位类别: 博士
答辩日期: 2011-05-31
授予单位: 中国科学院研究生院
导师: 李洪钟 ; 朱庆山
关键词: 循环流化床 ; 多尺度结构 ; 三传一反 ; 铁矿直接还原 ; 动力学
其他题名: Basic Researches on Relationship between Flow Structure and “Transport Phenomena - Reaction”
学位专业: 化学工程
中文摘要: 循环流化床作为气固加工的高效设备,已经在化工过程工业中得到了广泛应用。然而在目前工程设计中仍然主要是采用拟均匀的方法来计算和预测这个非均匀结构、非线性的过程,这在很大程度上造成了该类过程预测偏差和放大困难。本文首先量化了在循环流化床中结构与传动、传质和传热的关系,并通过使用气体内扩散效率因子的概念将传质和传热与反应耦合,从而建立了循环流化床中多尺度结构与“三传一反”的关系模型。基于循环流化床多尺度分解与综合的方法,将气固循环流化床中的非均匀结构体系分解为稀相、密相和相间相三个拟均匀结构相。然后,依据多相传递原理,分别在三个拟均匀结构相中建立了动量、质量和热量的传递速率方程,将三个相的传递速率方程分别加和并与传统的基于平均方法的气固之间传动、传质和传热速率方程进行对比,得到基于循环流化床不均匀结构参数的动量传递、质量传递和热量传递系数的解析表达式。依据传递平衡原理,分别在稀相和密相中建立了气体组份和气固相能量的一维和二维稳态和非稳态输运方程,并通过在三相中求解扩散与反应的平衡方程,成功地将反应与上述输运方程中的传质和传热耦合。通过使用商用流体力学软件的UDS (user defined scalars) 功能,实现了基于结构参数的“三传一反”方程与传统的欧拉两相模型耦合求解。使用上述的计算方法分析了循环流化床中萘吸附,臭氧分解和气固之间传热等物理和化学过程,并将计算的结果与文献中的实验值进行对比,两者有良好的一致性。在分析文献中大量循环流化床气固传质实验的基础上,建立了以一氧化碳铂催化氧化为模型反应,直径为50mm、高为4m的循环流化床热态实验装置。在实验过程中明确地测量了循环流化床中反应完全被气固之间传质控制的条件,并在该实验条件下较为准确地表征了循环流化床中的气固传质行为。最后,使用本论文所建立的基于不均匀结构参数的“三传一反”理论对该实验过程进行了分析,并将计算的结果与实验值进行对比,得到了较为一致的结果。在上述计算循环流化床气相加工的基础上,在论文的第六章中我们以铁矿直接还原为例分析了循环流化床反应器中的固相加工过程。在该章中,通过使用过程质谱仪分析固定床微分反应器出口气体浓度的方法,在温度为570℃以上的条件下成功地将三氧化二铁还原为四氧化三铁,四氧化三铁还原为氧化亚铁和氧化亚铁还原铁的氧化铁还原过程的三个串联反应分开。然后,在消除内外扩散影响的条件下,通过使用等温动力学的方法测量了上述三个反应的活化能和指前因子。依据所测得动力学参数,建立了气体扩散-反应耦合的铁矿单颗粒还原过程的宏观动力学模型。通过使用气相内扩散效率因子的概念将单颗粒反应速率与二维固定床反应模型结合,成功地预测了实验规模固定床中铁矿直接还原过程。基于相同的方法,将单颗粒反应模型与循环流化床铁矿直接还原过程的多尺度模型结合,理论分析了反应器直径增加和操作参数的改变对还原反应的影响。 在论文的最后一章中总结了本论文的主要成果和创新点,并且对循环流化床中结构与“三传一反”关系理论的应用前景和进一步完善工作提出了展望。
英文摘要: Circulating fluidized bed has been widely applied for dealing with gas and solid in the process of chemical engineering. However, up to now, the conventional averaged methods are still employed to design and predict this kind of strong nonlinear and heterogeneous process, which leads to significant inaccuracy of prediction and difficulty of scaling up this process. In this paper, the relationships between flow structures and momentum transfer, mass transfer and heat transfer in CFB are quantized firstly. And the mass transfer and heat transfer are coupled with reaction by considering the internal diffusion effective factor. Thus, the model of relationship between the flow structures and ‘transport phenomena and reaction’ is developed in this work..
语种: 中文
内容类型: 学位论文
URI标识: http://ir.ipe.ac.cn/handle/122111/1688
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侯宝林. 循环流化床中结构与“三传一反”的关系研究[D]. 中国科学院研究生院. 2011.
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