高密度气固循环流化床介尺度机制及模型化研究

Fluidization technology is widely utilized in the national economy such as chemical, energy and environmental processes. High density circulating fluidized bed (HDCFB) is a newly developed fluidized bed reactor with high energy-efficiency. As a complex systems between elemental interactions and system behavior with multi-scale structures, meso-scale structures are important for the quantification and optimization of the relevant HDCFB processes. This project will start from the study of optimizing all parts of the entire circulation system to deeply understand the regulation and control method to obtain and maintain a stable operating of the high density circulating fluidized bed. After achieving high density operating, global and local flow hydrodynamics will be investigated quantitatively characteristics of cluster forming will be developed by using different measurement techniques. On the other hand, gas-solids meso-scale structure and its mechanism will be carefully detected and discussed and a comprehensive numerical simulation model of high density circulating fluidized bed will be built according to the above results. Based on the present work about the analysis and prediction of the hydrodynamics both experimentally and theoretically, industrial applications of HDCFB reactors will be exploited and the mechanism of the meso-scale in related novel processes will be demonstrated all of which will provide the fundamental data and basic theoretical support to develop the research of meso-scale behavior.

流态化技术在化工、能源及环境等国民经济各个领域应用十分广泛。高密度循环流化床是新兴高效节能流态化反应器，作为从基本单元相互作用形成系统整体行为与功能的多尺度复杂系统，从多尺度结构和介尺度机制入手对其进行定量描述和定向调控是解决其过程优化调控和设备放大问题的有效途径。本项目拟从优化循环流化床结构、实现流化床高密度操作出发，深入认识高密度形成机制及其调控方法；在高密度操作条件下，选择多种测量技术相结合的方法，定量测定循环流化床整体和局部流动特性，发展高密度循环流化床颗粒团聚表征方法；掌握气固多尺度结构产生机理及介尺度机制关联作用，建立高密度循环流化床综合数值模拟模型。综合上述研究，以实验验证和理论分析为基础，结合气固流动结构分析和预测，开拓高密度循环流化床工业应用领域，阐明新工艺过程的多相流介尺度机制关键问题，为探索过程介尺度行为的形成机理、实现其科学定量描述与定向调控提供新的基础内涵。

本研究以20 m高的气固循环流化床冷模实验装置为研究对象，利用FCC颗粒为实验原料，针对高密度气固循环流化床的介尺度机制及模型化展开了一系列的研究。. 首先，设计了一套高密度循环流化床实验装置。在此基础上，建立了全回路压力平衡模型，该模型可以准确地预测颗粒循环速率，并能够给出各个部位的压力分布，其中下料控制阀的压降最大，这也是在高密度循环流化床设计、优化和操作时需重点关注的部位。在颗粒循环量100-1000 kg/(m2s)的操作条件下，平均颗粒浓度可以达到0.17以上，说明整个提升管均达到高密度操作状态。在高密度操作条件下，颗粒浓度与颗粒速度的径向分布均呈现抛物线型分布特点，在提升管边壁区域颗粒具有净向上运动的趋势，向下运动的颗粒数量明显降低甚至消失，说明当提升管反应器处于高密度操作时，其轴向颗粒返混减弱。. 其次，提出了基于光纤-图像耦合的介尺度结构（颗粒聚团）的测量、识别和表征方法。与低密度循环流化床相比，在高密度操作条件下，提升管内更易形成颗粒聚团，形成的颗粒聚团更浓，维持时间更长，聚-解的频次更高，尺寸更小，运动速度更快，更接近于球形。基于此，建立了聚团特性预测模型，预测误差均在20%以内。. 最后，在实验研究基础上，提出将高密度流化床流动空间分为密相区（颗粒聚团占主导）和稀相区（颗粒与聚团共同作用）两个区域，分别对其进行结构分解，并通过底层模拟的方法获取颗粒聚团特性来封闭方程，由此计算得到气固曳力系数。将所建的曳力模型耦合双流体模型对高密度循环流化床进行模拟计算，结果表明该模型能够模拟出高密度循环流化床内气固流动特性。并发现相对于低密度，高密度循环流化床的壁面附近颗粒具有净向上运动的趋势，壁面附近颗粒返混程度明显小于低密度循环流化床；而且高密度循环流化床中形成的颗粒聚团特性与实验结果一致。进一步将高密度循环流化床应用于催化裂化工业反应系统。模拟结果表明，高密度操作条件下流动特性的改善可提高催化裂化目标产品的选择性。