旋流篩板式流化床流化特性的數(shù)值模擬

吳傳昌，范 飛，周晴晴，孔凡勝，申 玲，管 峰

（蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司，甘肅蘭州730050）

流化床在強化傳遞過程和反應(yīng)過程中具有傳熱效率高、傳質(zhì)速度快等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于能源、冶金、化工、環(huán)保以及藥品和食品加工等領(lǐng)域[1-2]。但在氣固流化床內(nèi)，存在固相返混、氣固傳質(zhì)差、氣體以氣泡形式通過床層等缺點，于流化床內(nèi)設(shè)置內(nèi)構(gòu)件可解決上述問題，從而改善流體力學(xué)性能和傳質(zhì)性能[3-4]。因此，強化流化過程中氣固接觸與混合的一個重要方法就是研究流化床內(nèi)構(gòu)件。

文獻[5]將流化床內(nèi)構(gòu)件按構(gòu)型與布置方式分為水平構(gòu)件、垂直構(gòu)件及組合構(gòu)件三類，而垂直構(gòu)件優(yōu)先應(yīng)用于細(xì)顆粒重量百分?jǐn)?shù)比較大的情況[6]。張少峰等[7-9]開發(fā)的旋流篩板因其傳質(zhì)效果好、壓降低、流通面積大，應(yīng)用在流化床中具有顯著的效果[10]。許多學(xué)者對流化床進行相關(guān)研究。王偉文等[11]采用雙流體模型，研究了寬篩分硅粉顆粒在流化床中的流化特性，得到氣泡在硅粉顆粒流化床中的發(fā)展規(guī)律；王娜等[12]采用STAR-CCM+軟件，研究了立體旋流篩板空間氣相流場特性，獲得氣體的分布規(guī)律；S.Z.And等[13]對FCC流化床反應(yīng)器內(nèi)的流體動力學(xué)和反應(yīng)動力學(xué)進行了數(shù)值模擬，認(rèn)為Syamlal-O′Brien模型優(yōu)于Gidaspow模型，并修正了Syamlal-O′Brien模型。

本文使用Fluent計算流體力學(xué)軟件，對設(shè)置有旋流篩板的流化床進行數(shù)值模擬分析，研究了不同操作氣速下流化床內(nèi)氣體和顆粒的分布規(guī)律，對認(rèn)識、了解流化床內(nèi)的流動行為提供一定幫助。

1 數(shù)學(xué)計算模型

將氣相和固相視作連續(xù)相，使用歐拉模型進行求解計算。氣相和固相連續(xù)性方程：

氣相：

固相：

氣相和固相動量守恒方程：

氣相：

固相：

式中，ε為固含率，下標(biāo)g和s分別表示氣相和固相；β為相間曳力系數(shù)；τs和ps分別表示固相剪切力和固相壓力，通過動力學(xué)理論[14]確定。

氣固兩相之間采用 Syamlal-O′Brien模型[15]，其控制方程如下：

其中，顆粒曳力系數(shù)CD：

顆粒雷諾數(shù)Res：

固相顆粒的終端速度ur,s表達式：

2 幾何模型及邊界條件

采用文獻[10]報道的實驗裝置進行模型驗證，裝置如圖1所示，其床層段幾何尺寸為Φ90 mm×3 350 mm，顆粒初始裝填高度為800 mm。床層內(nèi)填料為FCC顆粒，其平均粒徑為75 μm，顆粒密度為1 455 kg/m3，堆積密度為875 kg/m3。流體介質(zhì)為空氣，床內(nèi)壓力為常壓，操作溫度為室溫。

圖1 實驗裝置示意Fig.1 Schematic diagram of experiment system

計算網(wǎng)格為非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，使用ICEM生成，在旋流篩板板孔處進行局部加密，如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格示意Fig.2 Schematic diagram of mesh

數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)定如表1所示。

表1 數(shù)值模擬操作參數(shù)Table 1 Parameters of numerical simulation

湍流模型采用層流，壁面處氣、固相按無滑移邊界條件處理，進口邊界條件為速度進口，出口邊界條件為壓力出口，計算方法采用SIMPLEC算法，模擬時間步長取0.001 s。模擬計算僅研究了流化床床層段的流動行為。

3 模型結(jié)果與討論

3.1 模型驗證

圖3為不同軸向高度不同操作氣速下床層壓力模擬值與實驗值的比較。由圖3（a）可知，隨著軸向高度的增加，床層壓力逐漸降低，h=0.28 m時壓力最大，h=1.1 m時壓力最小。隨著操作氣速的增大，床層壓力增幅緩慢[16]，基本趨于穩(wěn)定。計算值曲線走勢與實驗值相符，平均誤差為13.4%，模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合良好。由圖3（b）可知，在加入旋流篩板的流化床內(nèi)，床層壓力隨軸向高度的增加而減小，隨操作氣速的增加而增大。篩板床的平均誤差為7.59%，計算值與實驗值相近，和實驗數(shù)據(jù)結(jié)果吻合良好。

圖3 自由床與篩板床軸向壓力隨表觀氣速的變化Fig.3 Variation of axial pressure in free bed and fluidized bed with rotating sieve tray type baffles with superficial gas velocity

3.2 床層顆粒固含率瞬時變化

圖4 是操作氣速為0.44、0.64、0.84 m/s時的顆粒固含率變化情況。

由圖4（a）可知，流化床床層界面初始時呈整體上升趨勢，在旋流篩板正上方有噴射跡象發(fā)生，形成顆粒固含率相對較低的噴泉區(qū)[17]。8 s后床層界面出現(xiàn)氣泡雛形，直徑與床層直徑相當(dāng)，在流化床近壁處有顆?；芈涞酱矊樱瑢?dǎo)致近壁處部分區(qū)域內(nèi)顆粒固含率增加。隨著流化氣持續(xù)進入，床層松動，顆粒固含率降低，9 s時旋流篩板上方噴射現(xiàn)象更為明顯。氣流在篩板作用下，于篩板上方形成穩(wěn)定大尺寸氣泡，自小直徑床層段沿軸向高度上升至沉降段，并在沉降段破裂，攜帶的固體顆?；芈涞酱矊觾?nèi)。篩板下部床層內(nèi)顆粒固含率較低，有不規(guī)則氣泡出現(xiàn)，經(jīng)過篩板后氣泡被破碎，使篩板上部床層氣固混合均勻。

由圖4（b）可知，7 s時流化床床層界面出現(xiàn)波動，旋流篩板上方有明顯噴射跡象。隨著時間持續(xù)，在篩板下方有大尺寸氣泡形成。大氣泡經(jīng)過篩板破碎后，在篩板上方受氣流噴射影響，又有新的氣泡形成、移動、分離和破碎，使床層內(nèi)的顆粒能夠均勻分散，形成明顯的顆粒循環(huán)和攪動。

由圖4（c）可知，操作氣速增大到0.84 m/s后，初始階段氣泡雛形明顯，床層界面波動劇烈，旋流篩板上方噴射現(xiàn)象更加顯著，噴泉高度更高。噴泉高度隨操作氣速的增大而增加。受較高操作氣速沖擊的影響，固體顆粒被氣流輸送到篩板上部，導(dǎo)致下部區(qū)域平均顆粒固含率較低，形成“空腔”狀大氣泡。篩板上部區(qū)域存在小尺寸氣泡的形成、上升、合并和破碎的過程，清晰可見絮狀物分散在流化床內(nèi)。流化床內(nèi)安裝內(nèi)構(gòu)件后，引起的流動狀態(tài)變化對流化床內(nèi)整體流動行為有顯著影響。

圖4 不同操作氣速下瞬時顆粒體積分?jǐn)?shù)變化Fig.4 Instantaneous solids volume fraction in the fluidized bed at different time under different velocity

3.3 不同時刻速度矢量的分布

圖5 為操作氣速0.44 m/s時不同時刻速度矢量分布。由圖5可知，進氣初始時，氣流整體平穩(wěn)推進，速度方向主體為沿流化床軸向向上，使床層界面整體上升。隨后，由于氣泡的形成，顆粒速度向流化床徑向發(fā)展。部分顆粒在壁面區(qū)域附近速度減小，同時固體顆粒速度方向變?yōu)檠亓骰草S向向下，使固體顆粒回落，導(dǎo)致壁面處固體顆粒固含率增加[18]。流化氣體經(jīng)過篩板后，在篩板上方形成射流，使周圍的顆粒發(fā)生擾動，致使顆粒的速度增加，在床層中心處有較大值。射流崩塌后形成的小尺寸氣泡沿床層軸向向上移動[19]。旋流篩板的加入，可改善篩板上方顆粒的流動行為，使氣固混合更加均勻。

圖5 0.44 m/s時不同時刻速度矢量分布Fig.5 Velocity vector distribution map at different time of 0.44 m/s

3.4 操作氣速對顆粒固含率的影響

圖6 為不同操作氣速下距床層底部分別為0.28、0.78 m和1.10 m時的顆粒固含率變化情況。

圖6 不同操作氣速下平均顆粒固含率Fig.6 Variation of solids volume fraction in the baffled bed at different position under different velocity

由圖6（a）可知，h=0.28 m處顆粒固含率最大值為0.4，中心主體平均含量較低。受進料氣流的影響，靠近壁面處，平均顆粒固含率有較大值，根據(jù)圖4分析，是由于氣泡破碎，固體顆粒沿壁面回落至床層引起。在流化床中心區(qū)域，平均顆粒固含率較低，是因為氣泡的形成造成了空床。篩板下部區(qū)域，持續(xù)進氣，使固體顆粒經(jīng)過篩板篩孔移動到篩板上方，造成h=0.28 m處顆粒固含率較低，且由于氣泡尺寸較大使得平均顆粒固含率在中心區(qū)域較低，而在氣泡邊緣處顆粒固含率有較大幅度下降。

由圖6（b）可知，h=0.78 m處，操作氣速較小時，顆粒固含率分布走勢與h=0.28 m時一致。操作氣速增大后，顆粒固含率分布呈現(xiàn)“兩端高、中間低”的趨勢。由于旋流篩板的存在，大尺寸氣泡破裂形成小尺寸氣泡仍處于篩板影響區(qū)內(nèi)，其上升移動軌跡多變，導(dǎo)致篩板上方h=0.78 m處顆粒固含率分布不對稱。

圖6（c）為h=1.10 m時顆粒固含率分布，平均顆粒固含率高于h=0.78 m和h=0.28 m兩個截面。篩板上部的小尺寸氣泡經(jīng)過不斷發(fā)展，趨于穩(wěn)定，曲線走勢與h=0.28 m處相似。對比三處截面的顆粒固含率得知，操作氣速由0.44 m/s增大到0.84 m/s時，流化床床層內(nèi)平均顆粒固含率呈現(xiàn)下降趨勢。

3.5 顆粒固含率隨軸向高度的變化

圖7為流化床操作氣速分別為0.44、0.64 m/s和0.84 m/s時固體顆粒沿軸向的分布。由圖7可知，不同操作氣速下的固體顆粒沿軸向分布趨勢一致。顆粒固含率處于起始位置時較少，是由于受進入氣流影響，絕大部分顆粒被氣流吹起，使篩板下部的顆粒固含率減小。受旋流篩板影響，在篩板影響區(qū)內(nèi)顆粒固含率較大，密相段高度約為1.5 m。操作氣速增大后，顆粒分離的起始時間延后，流化床內(nèi)不同床層位置的氣速均有所增加，導(dǎo)致固體顆粒所受曳力增大，減弱了顆粒的分離[20]。

圖7 不同操作氣速下顆粒固含率軸向分布Fig.7 Variation of solids volume fraction in the baffled bed time under different velocity

4 結(jié) 論

（1）考慮到氣體與固體以及固體顆粒之間的相互作用，建立流化床內(nèi)氣固流動的計算模型，并將模擬值與實驗數(shù)據(jù)進行對比。結(jié)果表明，模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)誤差較小，驗證了計算模型能夠適用于流化床內(nèi)FCC固體顆粒流化特性的模擬計算。

（2）利用Fluent計算流體力學(xué)軟件，模擬分析了流化床內(nèi)氣泡在上升移動過程中形成、成長和破裂的發(fā)展歷程。模擬結(jié)果表明，低操作氣速時，床層界面能夠穩(wěn)定上升，在篩板影響區(qū)后可形成較大尺寸氣泡；高氣速時，固體顆粒運動劇烈，床層界面波動較大，在篩板影響區(qū)后可形成小氣泡。流化床內(nèi)平均固體顆粒固含率隨操作氣速增加而降低；固體顆粒在流化床內(nèi)有中心上升、壁面回落的流動特點。

（3）旋流篩板的加入能夠破碎大尺寸氣泡，形成小氣泡，使流化床內(nèi)固體顆粒固含率分布更加均勻。在篩板影響區(qū)內(nèi)，有射流形成，操作氣速越大，噴泉高度越高。

（4）本文在模擬計算時未考慮固體顆粒與氣相之間反應(yīng)對流化床內(nèi)流動特性的影響，未來相關(guān)工作可就此開展。