搅拌流化床的流体颗粒两相流动特性的数值模拟

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搅拌流化床是在普通流化床内加设了内搅拌结构。通过机械搅拌,改善流化床内流体和颗粒分布特性,实现流化床反应器内流体和颗粒流动的深度控制。搅拌流化床性能具有如下特点:1、搅拌流化床具有与普通流态化的特征:流体颗粒接触均匀、两相相对速度较大和操作连续方便。2、由于加有内搅拌结构,在搅拌作用下,物料颗粒被分散,避免颗粒的沉降和结团,提高了流化床反应器性能。3、拓宽了普通流化床的适用范围,对高含水粉粒状物料,或有团聚倾向、粒度不均匀物料都能适用。4、在搅拌作用下,流化床中的气泡被打碎,使搅拌流化床更接近于散式流态化,使接触更加均匀、有效,提高了传热传质性能。5、可在较小操作速度下运行,降低流化床反应器内流体速度,减轻颗粒携带和扬析。因而,机械搅拌将直接影响流化床反应器内流体和颗粒流动与混合性能。应用流体-颗粒两相流理论,给出了搅拌作用下流体颗粒两相流动模型,采用颗粒动理学模型(KTGF)预测颗粒压力和粘度等参数的预测。应用k-ε模型预测流化床内流体湍流特性。将流化床空间网格划分为内外两区流域,外区流域固定,内区流域网格与其毗邻的旋转搅拌叶片同步旋转,内外区流域间由一对内界面处理,实现旋转搅拌叶片的旋转坐标系和流化床静止坐标系之间参数交换和耦合计算。对不同搅拌桨叶旋转速度、流化速度和颗粒密度下空气-颗粒流化床的流化特性进行数值模拟,分析旋转速度、流化速度和颗粒密度对流化过程的影响,获得流化床内浓度、速度和床层压降等参数的变化规律。沿床高形成两区流动结构:旋转混合区和流化混合区。在旋转混合区内,旋转桨叶产生的颗粒旋转运动,有效遏制气泡的形成,形成颗粒在流化床中心区域上升、壁面区域下降。在流化混合区,形成小气泡流动,减小床面处气泡尺寸,避免气泡破碎产生的颗粒飞溅。过大的流化速度将导致颗粒进入流化床上部空间,旋转叶片的搅拌作用消失。因此搅拌空气-颗粒流化床不宜采用大的流化速度,合理确定空气流化速度将有助于更好发挥旋转桨叶对空气-颗粒流化床内颗粒扩散与混合作用。对不同搅拌桨叶旋转速度、流化速度和颗粒密度下常压水-颗粒流化床的流化特性进行数值模拟,分析旋转桨叶、水流速和颗粒密度对水-颗粒混合物流化特性的影响。数值模拟发现:沿床高形成两种不同的流化区;在旋转桨叶的低颗粒浓度区和上部高颗粒浓度均匀分布的散式流化区。在低颗粒浓度区内,水和颗粒在中心区上升、壁面区域下降。在高颗粒浓度均匀分布的散式流化区内无低浓度水(气泡)出现。计算结果表明:过大的进口水速度将导致颗粒流化进入上部空间,减弱旋转桨叶对颗粒扩散和混合的作用。低密度颗粒趋于集中在流化床的上部空间,将失去桨叶旋转的作用。因此搅拌作用下水-颗粒流化床不宜采用大的水速度和低密度颗粒作为床料,基于颗粒密度确定合理水流化速度将有助于更好发挥旋转桨叶对水-颗粒流化床内颗粒扩散与混合的作用。
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