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粘性颗粒鼓泡流化床的实验研究与CFD模拟
其他题名Experimental study and CFD simulation of bubbling fluidized beds with fine particles
邹正
学位类型博士
导师李洪钟
2013-05-01
学位授予单位中国科学院研究生院
学位专业化学工程
关键词流态化   鼓泡流化床   粘性颗粒   气泡   固含率   cfd
摘要众所周知,粘性(C类)颗粒(通常为超细和纳米颗粒)由于其自身独有的粒径小、比表面积大等特性,而越来越广泛地应用于冶金、食品、材料、催化和能源等工业领域。然而由于该类颗粒间粘附力大而以聚团的形式流化,致使其流化结构较A,B类颗粒更为复杂。目前,对于粘性颗粒流态化的深入实验研究已日趋见少,并且该方面的模拟也多基于计算能力有限的离散颗粒算法从而制约了工程应用,另外对于原有的聚团模型也有待于进一步的修正改进。针对以上问题,为了更为准确地分析与预测C类颗粒的流化特性,以便较好地设计与放大该类流化床反应器。本论文首先通过实验方法对粘性颗粒流化床中的气泡和固相流动行为进行了深入研究,然后对周涛的聚团-力平衡模型进行了修正与验证,采用双流体算法并基于粘性颗粒气泡尺寸的聚团修正模型对C类颗粒的流化行为进行了二维和三维模拟,最后同样借助聚团模型对A类FCC颗粒的聚式流态化进行了深入的计算探讨。 论文第二章使用图像处理法在二维床中对粘性颗粒的气泡行为进行了全面分析。对气泡尺寸、运动速率、长宽比、位置分布、床层瞬时膨胀率和气泡相所占床层比重等特性参数进行了研究。通过实验数据拟合得到了一个关于粘性颗粒鼓泡床中气泡尺寸的模型:。与A,B类颗粒相比,相同条件下粘性颗粒的气泡尺寸较小。当气泡上升到一定高度时,其尺寸和运动速度均达到一限值。长宽比为0.7的气泡所占比重最大。气泡运动速度系数()介于0.8到1.5之间。通过对床中气泡运动路径的分析得知,在实验中采用的床径相对较宽且浅层床中,粘性颗粒流化呈现出双环核的结构。 第三章对粘性颗粒在二维和三维床中的流化结构进行了广泛研究。结果显示,根据床层固含率的轴向分布,可以将粘性颗粒流化床分为下部未流化段、中部上升流化段和顶部下降返混段。床中不同部位处介于0.11 ~ 0.30之间的固含率由气泡相 () 和乳化相 () 根据各自所占的比重不同而相互作用形成。与二维床相比,粘性颗粒在三维床中流化时的边壁效应减弱,流化更趋均匀。 第四章采用了基于粘性颗粒鼓泡流化床中气泡的直径公式得到聚团相对运动速度进而计算聚团尺寸的方法,对周涛的聚团-力平衡模型进行了有效的修正与改进。与原模型相比,经修正后的模型可更为正确地体现出粘性颗粒的流化聚团尺寸随表观气速、床层孔隙率和所处床高的变化而改变的趋势。 与第三章中所进行的固含率测量实验相对应,第五章采用了聚团修正模型对粘性颗粒的流化状态分别进行了二维和三维模拟。其中不同气速下固含率的计算结果与实验数据基本吻合,但目前由于模型未能很好地体现颗粒在床层顶部的返混情况,致使顶部固含率的计算值和实验值之间仍存在一定偏差。正如实验现象所观察到的,通过颗粒聚团计算运动速度的矢量分析同样验证了固相从床层中心和边避下落,从两侧上升的双循环结构。 最后章节借助了聚团模型对A类FCC颗粒的聚团流态化进行了CFD计算。固含率的计算结果与文献实验数据吻合得很好。结果显示模拟中通过聚团模型所获得的有效聚团尺寸为其单颗粒粒径的3~7倍。以上验证了聚团模型对于FCC颗粒聚式流态化模拟的适用性。
其他摘要As is known, fine particles often have many intrinsic properties, such as small particle size and large specific surface area, which make them attractive for metallurgy, food, material, catalysis, energy and other industrial applications. However, due to the high adhesive force between these powders, the cohesive particles are usually fluidized in the form of agglomerates, with a much more complex fluidized structure than other A or B type particles. At present, fewer and fewer deeply experimental studies have been made on the fluidization of cohesive particles, on the other hand, the computational fluid dynamics (CFD) simulations of this aspect are more based on the Discrete Element Model (DEM), with a limited computing capability and restricted application in engineering, the original agglomerate-force balance model is also needed to be modified and improved. In order to analyze and predict the fluidization behavior of cohesive particles accurately for better design and scale-up of the fluidized bed reactor, the present study provides a deeply analysis of the bubble and solid flow behaviors of the beds with fine particles experimentally, and then improves and validates the modified agglomerate-force balance model. The simulations of agglomerates fluidization are carried out coupled with the above modified model which is based on the bubble size of cohesive particles in two (2D) and three dimensional (3D) conditions. Finally, the aggregative fluidization of FCC particles belonging to group A of Geldart classification is investigated by using the agglomerate-force balance model.
页数111
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.ipe.ac.cn/handle/122111/8260
专题研究所(批量导入)
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GB/T 7714
邹正. 粘性颗粒鼓泡流化床的实验研究与CFD模拟[D]. 中国科学院研究生院,2013.
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