气固下行流化床反应器 气固下行流化床反应器_气_固流动模型.doc

气固下行流化床反应器 气固下行流化床反应器_气_固流动模型 第13卷第1期　　　　　　　　　　　化学反应工程与工艺　　　　　　　　　　　　Vol13,No11997年3月　　　　　　　ChemicalReactionEngineeringandTechnology　　　　　　　Mar, 1997 专题讲座 气固下行流化床反应器 　气、固流动模型 杨勇林　祝京旭 (DepartmentofChemicalandBiochemicalEngineeringUniversityofwestemOntario,London,N6A,5B9Canada) 摘　要　综述了循环流化床提升管和下行管气固两相流动模型研究的现状,在对这些模型分类评述的基础上,给出了可用于描述下行管反应器流动规律的一维两相和二维两相流动模型,为下行管反应器的设计、放大提供了理论依据。 　　关键词:气固流动模型　提升管　下行管　κ-模型ε 1　气固两相流流体力学模型研究现状 循环流化床(提升管或下行管)中气固两相流动是一种高颗粒浓度和高湍动程度的两相流动过程。由于固体颗粒散布在气体中运动,操作气速高,返混小,具有良好的气固接触性能,循环流化床具有广泛的工业应用背景。随着循环流化床工业应用的不断扩展,需要更全面、更深刻地认识其气固两相流动规律。因而建立准确、可靠的流体力学模型来定量描述循环流化床提升管和下行管中气固两相的流动行为,就日益受到国内外广大学者的关注,多种形式的流体力学模型也就应运而生。 数十年来人们在循环床提升管的流体力学模型化方面已做了不少工作,并提出了许多经验的或理论的模型,但这些流动模型还很难全面描述循环床提升管中气固流动的行为,同时各种模型尚存在一定的局限性。迄今为止,人们提出的提升管流体力学模型主要分为下列四类: (a)一维(轴向)流动模型(b)一维两区流动模型 (c)两维流动模型 (d)稀密两相局部流动模型(最小能量原理) 一维轴向流动模型是将床内气固两相分别作为一维拟均相处理而建立的[8～ [17～24] 16] [2～7] [1] 。一维两 区模型是考虑到循环床提升管内颗粒在壁面区域的回流现象,而将循环床提升管分为核心区和环形区来处理。提升管两维模型是建立在轴、径向气固两相流动参数非均匀分布的基础上,由流体力学基本理论出发而推导得到的[25～41]。提升管内稀、密两相局部流动模型 1996-04-01收稿。 联系人及第一作者:祝京旭,男,36岁,博士,加拿大安大略惠斯顿大学化学和生物工程系副教授。 第1期杨勇林等.气固下行流化床反应器气、固流动模型 99 则是以床内局部流动结构的不均匀性为基础,将床内气固两相流动描述为密集的絮状物相和稀相而建立的[3,42～47]。1.1　一维轴向流动模型 一维轴向流动模型建立在“径向均匀”假设的基础上,主要用于描述提升管截面平均流体力学参数,如截面平均颗粒浓度和截面平均颗粒速度的轴向分布规律。 最初提出的一维模型[8]是以循环床提升管处于快速流态化时床内颗粒的团聚和典型S型轴向空隙率分布为特征而建立的。另一类一维流动模型则是基于流体力学基本理论,假设提升管内两相流动是由气相和固相两个拟均相组成,并分别给出气相和固相的连续性方程和动量方程,从而构成提升管一维流动模型的基本方程。表3给出了一维两相流动模型的基本方程[5,10,15,48～51]。 表3　一维两相流动模型的基本方程 Table3　Equationsforone-dimensionalgas-solidflowmodeling 流体力学模型方程连续性方程　气相　固相 d---(XdU)=0 dxggg ---(XdU)=0dxppp 组成方程-+X-=1Xgp-dg=FD=FGgFGp P RT 3CD----Xd(U-Up)2 4dppgg-d-=Xggg-d-g=X pp 动量方程 ---2 d(XdggUg)　气相=--FD-FGg-Fgw dxdx---2d(XdppUp) 　固相=FD-FGp-Fpw Fgw=Fpw= -d--2 1XUf 2gDt ---2dUXfp2Dt -给定边界条件及曳力系数CD后,求解由表3所给出的方程组,即可得到空隙率Xg及压力P沿床层轴向的分布。边界条件一般可由床层入口或出口处的具体情况而很容易地给定,而气固间曳力FD的确定则是求解上述方程组获得正确的模拟计算机结果的关键。如Arastoopour和Gidaspow [48] 假设床内存在絮状物,并设定絮状物有效直径为dc从而修正 曳力FD。他们由此计算得到的压力降结果与实验值相吻合。而杨勇林等[51]和Bai等[10]则通过修正颗粒群曳力系数CD来确定气固间的曳力,他们的计算结果表明用修正CD后的一维轴向稳态流动模型所预测的压力及空隙率的轴向