加压流化床流体力学性能研究及CFD数值模拟

论文摘要

气-固流化床广泛应用于许多工业过程,如催化裂化、S-zorb脱硫工艺等,了解并改善其流动行为有助于装置的平稳运行及目标产物收率的提高,对气-固流化床特别是气-固加压流化床压力脉动信号进行深入分析有助于更好地了解其流动行为。为了研究压力脉动信号与加压气-固流化床内流动行为的关系,以FCC催化剂为实验物料,采用密相段内径300mm、高度3800mm、扩大段内径600mm、高度800mm的加压流化床,改变系统压力,测量不同气速时各轴向位置处FCC催化剂的体积分率,考察压力对流态化行为的影响,并对压力脉动信号进行统计分析、快速傅里叶变换（FFT）和小波分析。压力升高,气相密度增大,气体对FCC颗粒曳力增加,使得流化床内颗粒浓度分布更加均匀,得到更加“平滑”的流态化。使用无量纲气速Frp表征不同气速和压力下的流态化,发现相同Frp时流态化状态相近。因此,可以在较高气速、较低压力和较低气速、较高压力下的得到相同的流态化。采用统计分析的方法得到流型转变速度u。,发现不同轴向位置的变化对于流型转变速度没有明显的影响。应用功率谱方法得出了气泡运动的特征频率为0.5-1.75Hz。压力升高,气泡的运动频率向高频区移动（1.5Hz-2.5Hz）。通过小波分析获得了代表气泡行为的特征频率（D5-D7）；分析此频段能量特征值随表观气速的变化规律,得出了流型转变速度uc,并考察压力对uc的影响。结果表明：压力波动能量集中在低频,随着气速的增加能量特征值先增加后减小,压力升高uc减小。通过流体力学计算（CFD）软件,对三维流化床进行模拟,采用双流体模型,模拟了不同压力下流化床内FCC催化剂颗粒体积分率的分布,通过模拟发现：随着压力的增加,轴向分布更加均匀。高压能改变气-固流化系统中颗粒与颗粒之间、颗粒与气体之间的作用力,抑制气泡的生长,产生更加均匀的流态化行为。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 文献综述
• 1.1 流态化研究的历史、现状和发展
• 1.2 常压下流化床流态化特性
• mf'>1.2.1 最小流化速度u_mf
• 1.2.2 鼓泡流态化
• 1.2.3 鼓泡流态化中的气泡行为
• 1.2.4 床层膨胀高度、床层膨胀的关联
• 1.2.5 湍动流态化
• 1.2.6 鼓泡流态化向湍动流态化转变的判断及预测
• 1.2.7 湍动流化向快速流化转变的判断及预测
• 1.3 加压流化床的研究
• 1.3.1 压力对最小流化速度、最小鼓泡速度的影响
• 1.3.2 压力对鼓泡流态化到湍动流态化流型转变的影响
• 1.3.3 常压流态化和加压流态化操作条件的关联
• 1.3.4 流化床压力的分析方法
• 1.4 气-固两相流模型
• 第2章 实验装置与测量方法
• 2.1 实验装置
• 2.2 实验物料
• 2.3 主要参数的测量
• 2.3.1 压力波动信号的获取
• 2.3.2 床层浓度测量
• 2.4 数据处理
• 2.4.1 功率谱密度函数
• 2.4.2 小波分析
• 第3章 加压流化床流体性能研究
• 3.1 气速对床层浓度的影响
• 3.1.1 床层膨胀曲线
• 3.1.2 FCC催化剂体积分率轴向分布
• 3.1.3 床层压降
• 3.2 压力对流态化的影响
• 3.2.1 同一轴向位置不同压力对流态化的影响
• 3.2.2 压力对不同轴向处流态化的影响
• 3.2.3 压力与气速的关联
• 3.3 本章小结
• 第4章 压力脉动及压力脉动分析
• 4.1 压力波动信号的预处理
• 4.2 压力波动的标准偏差分析
• 4.3 标准偏差法划分流化域
• 4.3.1 不同压力对流型转变的影响
• 4.3.2 不同轴向位置对流型转变的影响
• 4.4 压力波动的功率谱分析
• 4.5 压力波动的小波分析
• 4.6 小波分析法划分流化域
• 4.6.1 不同压力对流型转变的影响
• 4.7 流型转变的数学预测模型
• 4.8 本章小结
• 第5章 流化床的CFD模拟
• 5.1 流化床建模及其网格划分
• 5.1.1 流化床几何建模
• 5.1.2 流化床网格划分
• 5.2 边界条件设置
• 5.3 计算模型
• 5.4 3D流化床模拟
• 5.4.1 压力对流态化的影响
• 5.4.2 流化床径向浓度分布
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者和导师简介