循环流化床液固两相及气液固三相的CFD-DEM模拟

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多相流动是化工设备及化工单元操作中的基本现象。在多相系统中,不仅存在湍流现象,还存在复杂的颗粒/流体与颗粒/颗粒的相互作用。针对液固两相流,本文采用CFD-DEM方法研究了液固流化床起始循环流化速度及颗粒在流化床上升管中的停留时间分布。针对气液固三相流,本文首先建立三相流的CFD-DEM模型,然后研究了三相传统流化床内颗粒运动、相含率分布等。起始循环流化速度是颗粒随流体流出床体进入循环流化状态的最小流体速度,是流化床设计及操作的重要参数。本文提出一种定义液固流化床起始循环流化速度的新方法,即采用CFD-DEM方法得到颗粒停留时间分布,通过拟合颗粒平均停留时间与表观液速关系图,得到两条不同斜率的直线,两条直线的交点即为起始循环流化速度。起始循环流化速度的模拟结果与实验值非常接近。模拟表明,起始循环流化速度受颗粒密度和颗粒尺寸的影响较大,塔的尺寸(塔高及塔径)对其基本无影响。可用幂函数关联颗粒平均停留时间与表观液速。颗粒碰撞参数对颗粒平均停留时间和起始循环流化速度无影响,但是会影响颗粒停留时间分布曲线,颗粒停留时间分布曲线上会出现不同程度的“小凸起”和拖尾。从颗粒的运动轨迹能看出液固系统内颗粒的复杂流动行为。针对气液固三相系统,本文采用双流体模型来描述气液两相的运动及相间耦合,同时用拉格朗日方法描述颗粒的运动,考虑液固间相互作用,忽略气固间作用力,建立了封闭的气液固E/E/L模型。以开源软件OpenFOAM为平台,实现了气液固E/E/L模型,对三相传统流化床内相含率分布、颗粒运动进行了数值模拟。模拟结果表明,在三相系统中,当表观气速较低时,气含率模拟值比实验值略低,表观气速高时,模拟值与实验值差别较大。在低气速下,气固间作用力较弱,可以忽略气固间作用力;在高气速下,不可以忽略气固间作用力。三相系统颗粒的停留时间分布曲线更接近于全混流理想反应器的停留时间分布曲线,说明三相系统中颗粒返混严重。另外,三相系统颗粒的停留时间分布曲线中出现了一些较大的“峰”,三相系统中可能存在颗粒团聚现象。颗粒影响气含率的分布情况,使气含率分布更平缓。
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