基于介尺度结构的复杂气固反应器全循环稳态建模与验证

Full-loop steady-state modeling of complex gas-solid reactors is not only the premise to realize Virtual Process Engineering, but also of significance to chemical process development. However, due to the complexities involved in gas-solid flow and relevant processes, there is still no general theoretical prediction for full-loop steady-state hydrodynamics of complex gas-solid reactors and flow field in a reactor operating at the critical point for regime transition or in a reaction zone of the reactor with varying geometries and sizes.Taking meso-scale structures in complex gas-solid reactors as a scientific breakthrough point, this project aims to extend the Energy Minimization Multi-Scale theory in two-dimensional space and various fluidization regimes based on addressing the key problems such as characterization of dynamical evolution of meso-scale structure population, expression of multi-scale stability conditions of complex systems, and simplified solution to multi-objective variational problems, in order to develop and verify Energy Minimization Multi-Scale axial-radial coupling and general bubbling models to perform full-loop steady-state modeling of complex gas-solid reactors with varying geometries and different regimes.

复杂气固反应器的全循环稳态建模不仅是实现虚拟过程工程的需要，而且对化工过程的开发也具有重要意义。但由于气固两相流本身及其相关工艺的复杂性，目前还没有能够合理描述复杂气固两相工艺的整个回路、同一反应器具有复杂变径结构的区段、或反应器操作在流域转变点上的稳态流场的通用性理论预测方法。本项目以复杂气固反应器中的介尺度结构（颗粒团聚物和气泡）这一科学问题为切入点，以能量最小多尺度理论在二维空间和不同流域的扩展为核心内容，拟解决介尺度结构群动态演化表征、系统多尺度稳定性条件表达和多目标变分优化问题简化求解等关键问题，希望建立能量最小多尺度轴径向耦合模型和通用鼓泡模型并进行实验验证，以对具有复杂变径结构和不同流动区域的气固反应器进行全循环稳态模拟。

本项目根据固相颗粒在局部稀密两相之间相互传递关系建立了团聚物动态演化方程，并用此方程替换原团聚物尺寸方程改进了原EMMS单元模型，发展和完善了EMMS轴径向耦合模型并进行数值求解。通过考虑气泡克服乳化相应力所做的膨胀功，建立了一个不需要引入气泡尺寸和加速度经验关联式的气固EMMS鼓泡理论模型，实现了对气固鼓泡流化床稳态流体力学特征的理论预测，并与EMMS模型结合实现了对气固流态化全流域的统一模拟。根据气固两相流竞争性协调原理，建立了气固并/逆流下行床轴向不同发展阶段的截面稳定性条件，并用统一的数学形式进行了表达，从而建立了气固EMMS并/逆流下行床模型，成功的描述了气固并/逆下行床轴向宏观流体动力学特征，并可望适用于从细颗粒到粗颗粒的不同气固系统。基于EMMS及其扩展模型，发展了基于EMMS的复杂气固系统全循环稳态建模理论和方法，开发了基于EMMS理论的可视化虚拟流态化模拟软件包Virtual Fluidization®，可对大型工业反应器全局稳态动力学进行准实时的快速预测。本研究工作发展和完善了“先整体分布、后局部模拟、再细节演化”的EMMS多尺度计算模式，打下了以工业过程的实时模拟为特征的虚拟过程工程的基础，而且还拓展了EMMS模型直接工业应用新领域，为化工工艺过程的设计和放大提供了定量参考。