循环流化床中颗粒团聚物对颗粒停留时间分布影响的CFD研究

As a main indicator of solids mixing in CFB, solids residence time distribution (RTD) plays an important role in the enhancement of the production. In fast fluidization, clusters are forming and breaking up constantly, which results in serious solids mixing. Therefore solids RTD has a longer residence time and wider distribution form, which is charaterized by a two-peak and long tail. CFD has been used widely in gas-solids hydrdynamic simulation, but less in solids RTD field. This study will establish a CFD model suitable for industrial devices, which considers the influence of particle clusters on gas-solid and tracer flow behaviour through modifying gas-solid drag force and tracer diffusive coefficient by the multi-scale method. Firstly, two-fluid model is used to describe the hydrodynamic property of gas-solid, and species transport equation is solved to obtain solids RTD; and then several factors,including operating conditions, particle properties, and equipment structures, are investigated to provide theoretical and technical guides for the design, optimization and scale-up of industrial reactors.

作为衡量循环流化床颗粒宏观混合程度的主要指标，颗粒停留时间分布(RTD)的优化在提高产品选择性和转化率等方面起着重要的作用。循环流化床中颗粒团聚物不断地形成和破碎，造成了颗粒返混严重。因此颗粒RTD具有较长的停留时间和较宽的区间分布，表现出双峰和长拖尾等特点。虽然CFD方法在气固流动方面获得了广泛地应用，但在颗粒RTD方面的研究却较少。本项目拟建立一个适用于工业规模装置的计算颗粒RTD的CFD模型，并通过多尺度分析方法修正气固相间曳力和示踪剂扩散系数，以考虑颗粒团聚物对气固流动特性和颗粒RTD的影响。具体而言，我们首先利用双流体模型获得气固流动特性；然后再将少量示踪剂以脉冲方式注入床内，求解组分输运方程监测示踪剂浓度的变化，得到颗粒RTD；最后通过系统分析操作条件、颗粒物性和设备结构等对颗粒RTD的影响，确定出关键因素，为工业规模反应器的设计、优化和放大提供理论指导和技术支持。

循环流化床中颗粒团聚物的动态形成、聚并和破碎，导致颗粒停留时间分布（RTD）形态各异并具有宽区间和长拖尾等特点。作为提高产品选择性和优化转化率的核心依据，颗粒RTD成为工业生产的重点关注参数；而由于颗粒RTD宏观表征了流化床内复杂的颗粒混合机制，也是学术界的研究焦点之一。本项目面向实际生产对预测合理和计算经济的需求，以计算流体力学（CFD）为研究手段，将两相双流体模型与组分输运方程结合，采取与测量颗粒RTD脉冲激励响应实验一致的计算流程，建立了一套有效估计工业规模循环流化床反应器颗粒RTD的方法。通过采用基于多尺度分解的能量最小多尺度模型（EMMS），由双流体模型的相间曳力模型考虑了颗粒团聚物对颗粒流动的影响，进而由组分输运方程的颗粒对流速度考虑了其对颗粒RTD的影响。组分输运方程中的颗粒扩散系数分别由颗粒动理论和经验关联式计算。计算结果与文献中实验数据的良好对比表明了所建立的CFD模型可合理估计循环流化床中气固系统的动力学特性和颗粒RTD。研究结果表明，与扩散机制相比，颗粒对流机制对循环流化床中的颗粒RTD起主导作用，考虑颗粒聚团与否将显著影响颗粒RTD的性质；示踪颗粒注入时间和采样频率是合理预测或测量颗粒RTD不可忽视的因素；内构件可有效改变颗粒的混合模式和颗粒RTD形态。这些结论为加深理解循环流化床中颗粒RTD的控制机理和优化实际生产提供了理论支持和发展方向。