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噴動床反應器過程強化原理與技術 版權信息
- ISBN：9787030739506
- 條形碼：9787030739506 ; 978-7-03-073950-6
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
噴動床反應器過程強化原理與技術 內容簡介
噴動床作為高效氣固接觸器，已廣泛地應用于各種單元操作和單元過程中。傳統噴動床內的介質顆粒具有明顯的內外分層流動特點，床層內顆粒缺少徑向混合，使得部分顆粒的表面未能獲得充分利用，對床內傳熱傳質產生不利的影響。針對這一缺陷，本研究提出3種新型的噴動床結構來改善噴動床內的徑向傳熱、傳質過程，即帶縱向渦流發生器導流板的噴動床結構、整體式多噴嘴噴動-流化床結構及進口噴嘴帶旋流器噴動床結構。通過實驗與數值模擬方法對其展開系統研究，為粉–粒噴動床的優化設計和放大提供理論依據。
噴動床反應器過程強化原理與技術 目錄
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 粉-粒噴動床研究概述 1
1.2 過程強化噴動床概述 2
1.2.1 導向管噴動床 2
1.2.2 多噴嘴噴動床 3
1.2.3 內循環噴動床 4
1.2.4 噴動-流化床 4
1.3 計算流體力學概述 5
1.3.1 擬流體模型基本守恒方程 5
1.3.2 CFD求解過程 8
1.3.3 多相流模型 8
1.3.4 CFD-DEM求解過程 9
1.4 FLUENT簡介 9
1.4.1 FLUENT體系結構 10
1.4.2 FLUENT流場迭代方法 10
1.4.3 收斂判斷準則 11
1.4.4 FLUENT整體計算過程與UDF技術 11
1.5 EDEM軟件計算過程 12
參考文獻 13
第2章 噴動床氣固兩相流粒子圖像測速技術 16
2.1 粒子圖像測速技術在氣固兩相流中的應用 16
2.2 PIV系統概述 17
2.2.1 實驗系統 17
2.2.2 PIV測量原理 18
2.3 縱向渦噴動床內氣固兩相流PIV實驗 20
2.3.1 縱向渦噴動床實驗設備介紹 20
2.3.2 結果分析及討論 22
2.4 多噴嘴噴動-流化床內氣固兩相流PIV實驗 43
2.4.1 多噴嘴噴動-流化床實驗設備介紹 43
2.4.2 多噴嘴噴動-流化床實驗設計 43
2.4.3 結果分析及討論 44
2.5 旋流器噴動床內氣固兩相流PIV實驗 52
2.5.1 旋流器噴動床實驗設備介紹 52
2.5.2 旋流器噴動床實驗設計 53
2.5.3 結果分析及討論 53
參考文獻 60
第3章 不同結構噴動床干燥性能差異 62
3.1 噴動床干燥實驗 62
3.1.1 噴動床干燥技術 62
3.1.2 噴動床干燥實驗步驟 64
3.1.3 實驗參數的計算方法 65
3.2 實驗結果與分析 67
3.2.1 不同結構噴動床的干燥曲線 68
3.2.2 不同結構噴動床的干燥速率曲線 69
3.2.3 不同結構噴動床的干燥水分比變化 70
3.2.4 不同結構噴動床的壓降差異 72
參考文獻 73
第4章 縱向渦噴動床數值模擬 75
4.1 基本守恒方程 75
4.2 模擬與實驗校核對比 76
4.3 縱向渦流整體效應對比分析 78
4.3.1 顆粒體積分數分布 79
4.3.2 顆粒速度分布 81
4.3.3 顆粒擬溫度分布 87
4.4 小球半徑影響 88
4.4.1 顆粒體積分數分布 88
4.4.2 顆粒擬溫度分布 90
4.5 小球間距影響 91
4.5.1 顆粒體積分數分布 92
4.5.2 顆粒速度分布 93
4.5.3 顆粒擬溫度分布 95
4.6 擾流件形狀影響 96
4.6.1 顆粒體積分數分布 97
4.6.2 顆粒速度分布 99
4.6.3 氣體湍動能分布 101
參考文獻 102
第5章 整體式多噴嘴噴動-流化床數值模擬 103
5.1 多噴嘴噴動-流化床內氣固兩相流二維模擬 103
5.1.1 模型建立及網格劃分 103
5.1.2 模型參數設置 104
5.1.3 網格無關性分析 105
5.1.4 氣固兩相流 105
5.1.5 側縫數量對二維多噴嘴噴動-流化床影響 109
5.1.6 顆粒處理量對二維多噴嘴噴動-流化床影響 115
5.2 多噴嘴噴動-流化床內氣固兩相流三維模擬 118
5.2.1 模擬與實驗校核對比 118
5.2.2 模型建立及網格劃分 119
5.2.3 模型參數設置 119
5.2.4 網格無關性分析 120
5.2.5 氣固兩相流 121
5.2.6 側噴嘴直徑對三維多噴嘴噴動-流化床影響 123
5.2.7 側噴嘴分布方式對三維多噴嘴噴動-流化床影響 130
參考文獻 137
第6章 旋流器噴動床氣固兩相流數值模擬 138
6.1 模型建立 138
6.2 網格無關性分析 140
6.3 氣固兩相流 140
6.3.1 顆粒體積分數 140
6.3.2 顆粒速度 143
6.3.3 氣體湍動能 145
6.4 旋流器內葉片傾斜角對氣固流動的影響 147
6.4.1 模擬工況 147
6.4.2 顆粒體積分數 147
6.4.3 顆粒速度 150
6.4.4 氣體湍動能 151
6.4.5 相對標準偏差 153
6.4.6 床層總壓降 154
6.5 旋流器內葉片進口角對氣固流動的影響 155
6.5.1 模擬工況 155
6.5.2 顆粒體積分數 156
6.5.3 顆粒速度 158
6.5.4 氣體湍動能 160
6.5.5 相對標準偏差 161
6.5.6 床層總壓降 162
6.6 旋流器內外徑比對氣固流動的影響 163
6.6.1 模擬工況 163
6.6.2 顆粒體積分數 163
6.6.3 氣體湍動能 165
6.6.4 相對標準偏差 166
6.6.5 床層總壓降 168
參考文獻 169
第7章 粉-粒噴動床內水汽化和脫硫反應過程模擬與優化 170
7.1 煙氣脫硫技術概述 170
7.2 粉-粒噴動床內水汽化過程 172
7.2.1 水汽化數學模型 173
7.2.2 粉-粒噴動床內水汽化過程模擬 176
7.3 溶解模型對粉-粒噴動床脫硫反應過程影響 181
7.3.1 脫硫反應過程分析 181
7.3.2 脫硫反應過程數學模型 182
7.3.3 模擬結果與討論 185
7.4 料漿含水量對脫硫反應過程影響的數值模擬 189
7.4.1 模擬工況簡介 189
7.4.2 模擬結果分析 189
7.5 進口氣體溫度對脫硫反應過程影響的數值模擬 193
7.5.1 模擬工況簡介 193
7.5.2 模擬結果分析 194
7.6 表觀氣速對脫硫反應過程影響的數值模擬 196
7.6.1 模擬工況簡介 196
7.6.2 模擬結果分析 196
7.7 強化結構粉-粒噴動床內水汽化過程 204
7.7.1 模型建立和參數設置 204
7.7.2 氣固兩相流數值模擬分析 205
7.7.3 水汽化數值模擬分析 210
參考文獻 216
前言
第1章 緒論 1
1.1 粉-粒噴動床研究概述 1
1.2 過程強化噴動床概述 2
1.2.1 導向管噴動床 2
1.2.2 多噴嘴噴動床 3
1.2.3 內循環噴動床 4
1.2.4 噴動-流化床 4
1.3 計算流體力學概述 5
1.3.1 擬流體模型基本守恒方程 5
1.3.2 CFD求解過程 8
1.3.3 多相流模型 8
1.3.4 CFD-DEM求解過程 9
1.4 FLUENT簡介 9
1.4.1 FLUENT體系結構 10
1.4.2 FLUENT流場迭代方法 10
1.4.3 收斂判斷準則 11
1.4.4 FLUENT整體計算過程與UDF技術 11
1.5 EDEM軟件計算過程 12
參考文獻 13
第2章 噴動床氣固兩相流粒子圖像測速技術 16
2.1 粒子圖像測速技術在氣固兩相流中的應用 16
2.2 PIV系統概述 17
2.2.1 實驗系統 17
2.2.2 PIV測量原理 18
2.3 縱向渦噴動床內氣固兩相流PIV實驗 20
2.3.1 縱向渦噴動床實驗設備介紹 20
2.3.2 結果分析及討論 22
2.4 多噴嘴噴動-流化床內氣固兩相流PIV實驗 43
2.4.1 多噴嘴噴動-流化床實驗設備介紹 43
2.4.2 多噴嘴噴動-流化床實驗設計 43
2.4.3 結果分析及討論 44
2.5 旋流器噴動床內氣固兩相流PIV實驗 52
2.5.1 旋流器噴動床實驗設備介紹 52
2.5.2 旋流器噴動床實驗設計 53
2.5.3 結果分析及討論 53
參考文獻 60
第3章 不同結構噴動床干燥性能差異 62
3.1 噴動床干燥實驗 62
3.1.1 噴動床干燥技術 62
3.1.2 噴動床干燥實驗步驟 64
3.1.3 實驗參數的計算方法 65
3.2 實驗結果與分析 67
3.2.1 不同結構噴動床的干燥曲線 68
3.2.2 不同結構噴動床的干燥速率曲線 69
3.2.3 不同結構噴動床的干燥水分比變化 70
3.2.4 不同結構噴動床的壓降差異 72
參考文獻 73
第4章 縱向渦噴動床數值模擬 75
4.1 基本守恒方程 75
4.2 模擬與實驗校核對比 76
4.3 縱向渦流整體效應對比分析 78
4.3.1 顆粒體積分數分布 79
4.3.2 顆粒速度分布 81
4.3.3 顆粒擬溫度分布 87
4.4 小球半徑影響 88
4.4.1 顆粒體積分數分布 88
4.4.2 顆粒擬溫度分布 90
4.5 小球間距影響 91
4.5.1 顆粒體積分數分布 92
4.5.2 顆粒速度分布 93
4.5.3 顆粒擬溫度分布 95
4.6 擾流件形狀影響 96
4.6.1 顆粒體積分數分布 97
4.6.2 顆粒速度分布 99
4.6.3 氣體湍動能分布 101
參考文獻 102
第5章 整體式多噴嘴噴動-流化床數值模擬 103
5.1 多噴嘴噴動-流化床內氣固兩相流二維模擬 103
5.1.1 模型建立及網格劃分 103
5.1.2 模型參數設置 104
5.1.3 網格無關性分析 105
5.1.4 氣固兩相流 105
5.1.5 側縫數量對二維多噴嘴噴動-流化床影響 109
5.1.6 顆粒處理量對二維多噴嘴噴動-流化床影響 115
5.2 多噴嘴噴動-流化床內氣固兩相流三維模擬 118
5.2.1 模擬與實驗校核對比 118
5.2.2 模型建立及網格劃分 119
5.2.3 模型參數設置 119
5.2.4 網格無關性分析 120
5.2.5 氣固兩相流 121
5.2.6 側噴嘴直徑對三維多噴嘴噴動-流化床影響 123
5.2.7 側噴嘴分布方式對三維多噴嘴噴動-流化床影響 130
參考文獻 137
第6章 旋流器噴動床氣固兩相流數值模擬 138
6.1 模型建立 138
6.2 網格無關性分析 140
6.3 氣固兩相流 140
6.3.1 顆粒體積分數 140
6.3.2 顆粒速度 143
6.3.3 氣體湍動能 145
6.4 旋流器內葉片傾斜角對氣固流動的影響 147
6.4.1 模擬工況 147
6.4.2 顆粒體積分數 147
6.4.3 顆粒速度 150
6.4.4 氣體湍動能 151
6.4.5 相對標準偏差 153
6.4.6 床層總壓降 154
6.5 旋流器內葉片進口角對氣固流動的影響 155
6.5.1 模擬工況 155
6.5.2 顆粒體積分數 156
6.5.3 顆粒速度 158
6.5.4 氣體湍動能 160
6.5.5 相對標準偏差 161
6.5.6 床層總壓降 162
6.6 旋流器內外徑比對氣固流動的影響 163
6.6.1 模擬工況 163
6.6.2 顆粒體積分數 163
6.6.3 氣體湍動能 165
6.6.4 相對標準偏差 166
6.6.5 床層總壓降 168
參考文獻 169
第7章 粉-粒噴動床內水汽化和脫硫反應過程模擬與優化 170
7.1 煙氣脫硫技術概述 170
7.2 粉-粒噴動床內水汽化過程 172
7.2.1 水汽化數學模型 173
7.2.2 粉-粒噴動床內水汽化過程模擬 176
7.3 溶解模型對粉-粒噴動床脫硫反應過程影響 181
7.3.1 脫硫反應過程分析 181
7.3.2 脫硫反應過程數學模型 182
7.3.3 模擬結果與討論 185
7.4 料漿含水量對脫硫反應過程影響的數值模擬 189
7.4.1 模擬工況簡介 189
7.4.2 模擬結果分析 189
7.5 進口氣體溫度對脫硫反應過程影響的數值模擬 193
7.5.1 模擬工況簡介 193
7.5.2 模擬結果分析 194
7.6 表觀氣速對脫硫反應過程影響的數值模擬 196
7.6.1 模擬工況簡介 196
7.6.2 模擬結果分析 196
7.7 強化結構粉-粒噴動床內水汽化過程 204
7.7.1 模型建立和參數設置 204
7.7.2 氣固兩相流數值模擬分析 205
7.7.3 水汽化數值模擬分析 210
參考文獻 216
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噴動床反應器過程強化原理與技術 節選
第1章緒論 1.1粉-粒噴動床研究概述 噴動床（spouted bed）起源于20世紀50年代中期，*初是由加拿大科學家為干燥小麥等設計研發的一類干燥器[1]。噴動床的設計是以傳統的流化床為基本模型，但將傳統流化床中的氣體分布器去掉，并在床層底部中心位置加設一個通氣管。由于噴動床在工業、農業、機械加工、環境保護等領域的廣泛應用和使用潛能，越來越多的科研工作者投身于噴動床的開發和研究工作，如日本、美國、阿根廷、巴西等國家的研究人員[2]。在我國，不少高等院校和科研院所，如清華大學、華東理工大學、江蘇大學、西北大學等，對不同類型噴動床的應用和流體力學特性進行了逐步深入的研究。噴動床為氣固高效接觸器，廣泛應用于高黏性顆粒、漿料及溶液的干燥、造粒，低品質煤的燃燒和氣化，燃煤煙氣脫硫，二氧化碳的去除等[1-9]。 在噴動床系列技術中，粉-粒噴動床半干法煙氣脫硫技術是一種新型脫硫技術，相對于濕法脫硫技術在設備投資費用、操作費用、廢水處理等方面具有綜合優勢，同時具有比干法脫硫技術效率高、脫硫劑利用率高等優點，在工業、農業、制造業、冶金業等行業得到廣泛的應用[2-14]。粉-粒噴動床半干法煙氣脫硫技術同時脫除垃圾焚燒煙氣中酸性氣體SO2和HCl的流程如圖1-1所示。 粉-粒噴動床脫硫過程：粉末狀的SO2吸收劑與水混合，以料漿形式從床的頂部噴入，與床內粗顆粒發生碰撞，同時含SO2的煙道氣從噴動床底部加入，兩者與床內噴動介質混合均勻。在混合的過程中，料漿從煙道氣和介質表面吸收大量的熱量，并與SO2發生脫硫反應。*后，脫硫劑和產物從顆粒表面脫落并以干粉形式被噴射氣體帶出噴動床反應器。有關粉-粒噴動床的研究工作集中在實驗的測試及分析方面[1-11]，而關于粉-粒噴動床脫硫過程數值模擬分析的研究工作則鮮有報道[14-17]，特別是針對粉-粒噴動床內傳遞過程強化方面的研究分析。粉-粒噴動床半干法煙氣脫硫過程是一個復雜的多相反應過程，與常規噴動床接觸器的主要不同之處在于粉-粒噴動床內存在大量的細粉、粗大顆粒和料漿，各相間存在復雜的多尺度、多相傳遞及化學反應過程的耦合[18]。 1.2過程強化噴動床概述 根據不同工業生產的需求，在常規粉-粒噴動床的基礎上，研究人員研究設計了許多不同結構的過程強化噴動床，主要包括導向管噴動床、多噴嘴噴動床、內循環噴動床、噴動-流化床等。 1.2.1導向管噴動床 在傳統噴動床內安插一根導向管就構成了導向管噴動床，如圖1-2所示[19]。導向管的引入極大程度降低了噴射區與環隙區內部的相對流動，降低了床層中的固體循環速率和壓降，從而提高了氣固兩相流的均勻性[20]。Yang等[21]通過歐拉-拉格朗日耦合計算，發現導向管的引入在一定程度上提高了氣固間的相對速度，并減少了床層的整體循環。在導向管噴動床中，聲場能夠降低流型的臨界過渡速度和環隙區的*小流化速度，增加帶流尾管噴動床的操作靈活性[22-23]。同時，采用數值模擬的方法將歐拉雙流體模型與聲場模型進行耦合，分析床內超細粉聚團的流動特性。模擬發現，聲場的振蕩作用使環隙區顆粒在氣流中的分散進一步均勻，抑制流化氣的旁路，減小流化氣旁路分率[24]。 1.2.2多噴嘴噴動床 多噴嘴噴動床就是在傳統噴動床的底部設置多個可供流體進入的噴嘴，從而增加流體流量，提高對物料的處理能力。多噴嘴噴動床的形式主要分為兩類[25]：一類是每個床室內設置一個噴嘴，各個床室之間相互連通，如圖1-3（a）所示；另一類是在一個床室內設置多個噴嘴，如圖1-3（b）所示。噴嘴數目的增加及多室的存在，可以減小噴射區直徑的限制，從而增加噴動床的處理能力，提高熱效率，此類噴動床尤其適用于小顆粒的造粒系統。多噴嘴噴動床，對于需要進行多級操作的物料，可以省略很多中間環節，如固體的輸送等；針對涉及濕物料粘壁的工況，也可以減少物料與墻壁之間的接觸。吳靜等[26]通過實驗得出，在雙噴嘴矩形噴動床內，*小噴動速度與粒徑、床高及溫度有關，并獲得了噴動床以*小噴動速度工作時雷諾數的經驗關聯式。Murthy等[27]通過實驗驗證，噴動床噴口處氣流的*小速度與材料的特性有關，與噴嘴的數目無關。 1.2.3內循環噴動床 內循環噴動床就是將噴動床底部氣體入口噴嘴與導向管相連接，在導向管的側壁上開設若干小孔供固體顆粒穿過，增加顆粒間的混合運動，其結構如圖1-4所示[28]。顆粒在氣體流化作用下運動至導向管的頂端，導向管頂端的“T”形分離裝置對氣體與顆粒進行慣性分離。內循環噴動床的特點是能夠促進內部顆粒局部混合流動，提高床內固體顆粒間的循環[29]。基于歐拉-拉格朗日耦合計算的方法，陶敏等[30]模擬分析了不同進料方式對內循環噴動床內顆粒混合流動的影響。面飼進料和底飼進料的方式可使物料在床層截面上（尤其是底部噴水增濕區域）分布得更加均勻，氣固混合更充分；采用底飼進料系統可獲得更佳改善效果，進一步優化反應器內流場分布，均勻氣體徑向速度[31-32]。 1.2.4噴動-流化床 為了防止噴動床底部錐體區域出現流動“死區”或顆粒聚團現象，在錐體區域側壁處增設分布器。從噴動床底部進入的噴動氣與從噴動床側壁進入的流化氣共同流化顆粒，形成噴動-流化床[33]，如圖1-5所示。分布器的加入促進了環隙區顆粒與氣體的混合，減少了顆粒局部聚集[34-35]，改善了流化床存在分層或節涌的情況。付爽等[36]基于矩形噴動-流化床，采用不同物料進行*大噴動壓降的實驗研究。趙俊楠等[37]采用歐拉雙流體模型對噴動-流化床內的氣固流動過程進行數值模擬，獲得了不同速度下的流動形態和不同區域內顆粒擬溫度的分布規律。Zhong等[38-39]實驗研究了高壓圓柱形噴動-流化床中的流體動力學特性，系統分析了壓降、*小噴動速度和噴泉高度的影響機制。 1.3計算流體力學概述 在自然界、工業生產過程和人類活動過程中兩相流及多相流的現象隨處可見，如夾帶泥沙的海潮、管道中石油天然氣的輸送、沸騰的水在水壺中的循環、沙漠風沙等。由于兩相流及多相流比單相流有更多變的現象和更復雜的流動狀態，單純的實驗方法或者理論分析是無法精確、詳盡地描述兩相流及多相流的，計算流體力學（computational fluid dynamics，CFD）正是為了解決這一難題于20世紀60年代發展起來的。在對自然界的流動現象進行模擬時，計算結果不僅取決于數值方法，還取決于描述系統的數學模型[40-42]，然而由于流動現象的復雜性，數學模型很難精確描述，因此模擬結果很可能是無效的。 1.3.1擬流體模型基本守恒方程 目前氣固兩相流的數值模擬模型主要有三種：擬流體模型、離散相模型、流體擬顆粒模型。本書研究體系采用擬流體模型，下面詳細介紹其中基本的控制方程[43-45]。 1）質量守恒方程 質量守恒方程即連續性方程，該方程的含義：在一個流體微元體中，單位時間內流入該微元體的凈質量等于同一時間間隔內該微元體質量的增加量。由此得出.相的連續性方程為 （1-1） 式中，為密度；t為時間；為體積分數；下標為氣相（g）或固相（s）；為相的速度矢量。 2）動量守恒方程動量守恒定律實質是牛頓第二定律，其表達式為 （1-2） 式中，p為壓力；為應力張量；為重力加速度矢量。其中應力張量.的表達 式中，為傳熱通量；為.對分的，其式為 （1-3） 式中， 為剪切黏度；I為單位張量。 3）能量守恒方程 能量守恒方程的表達式為 （1-4） 表達式為 （1-5） 式中，。 4）對分質量守恒方程 對分質量守恒方程又稱對分運輸方程。在一個特定的研究體系中，系統內的每個對分都應遵循質量守恒定律，.對分的對分質量守恒方程表達式為 （1-6） 式中，上標i表示第i相；表示第i相中.對分湍流脈動對第i相耗散率的影響； 表示單位體積內第i相中.對分生成的摩爾速率；表示反應產生的第i相中.對分的質量；表示.對分擴散項，湍流時的表達式為 （1-7） 5）湍流方程 對于單相流的湍動，目前應用*廣泛的湍流模型為標準模型。標準模型是典型的兩方程模型，一個是描述湍動能的方程，另一個是描述湍動耗散
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