新型氣固環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)顆粒流動(dòng)的CFD模擬

孟振亮，劉夢(mèng)溪，李飛，王維，盧春喜

（1中國(guó)石油大學(xué)（北京）重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2中國(guó)科學(xué)院過程工程研究所多相復(fù)雜系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100080）

新型氣固環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)顆粒流動(dòng)的CFD模擬

孟振亮1，2，劉夢(mèng)溪1，李飛2，王維2，盧春喜1

（1中國(guó)石油大學(xué)（北京）重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2中國(guó)科學(xué)院過程工程研究所多相復(fù)雜系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100080）

采用基于結(jié)構(gòu)的EMMS曳力模型，對(duì)一種新型氣固環(huán)流反應(yīng)器中的顆粒流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬的固含率與顆粒速率預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有一致性，驗(yàn)證了模型的適用性。模擬結(jié)果表明：導(dǎo)流筒表觀氣速增加，導(dǎo)流筒中的床層固含率減小，向上的顆粒速率增加；反應(yīng)器中存在多個(gè)顆粒逆流和錯(cuò)流混合區(qū)，促進(jìn)了顆粒沿徑向的混合；槽孔處，導(dǎo)流筒中的固含率以及顆粒速率分布更加均勻，而環(huán)隙中存在顆粒濃集區(qū)；進(jìn)料區(qū)在0≤L≤0.058 m，0〈r/R〈0.3的范圍內(nèi)固含率增加并且顆粒存在明顯的徑向流動(dòng)。

計(jì)算流體力學(xué)；循環(huán)流化床；多尺度；顆粒流動(dòng)；氣固兩相

MENG Zhenliang1，2， LIU M engxi1， LI Fei2， WANG Wei2， LU Chunxi1

（1State Key Laboratory of Heavy Oil Processing， China University of Petroleum， Beijing 102249， China；2Institute of Process Engineering， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100080， China）

引　言

環(huán)流反應(yīng)器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳質(zhì)性能好、停留時(shí)間長(zhǎng)、混合效率高等優(yōu)點(diǎn)，在生物工程、污水處理、有機(jī)化工以及冶金工程等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但這大都局限于氣液和氣液固體系［1-4］。近年來(lái)，研究者充分利用氣液環(huán)流反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)，將氣液環(huán)流理論合理移植到了氣固體系，開發(fā)了一種高效的氣固反應(yīng)器。目前，對(duì)氣固環(huán)流反應(yīng)器的研究主要集中在兩個(gè)方面：（1）反應(yīng)器中流體力學(xué)特性、傳質(zhì)特性的研究及相關(guān)模型的建立；（2）結(jié)構(gòu)優(yōu)化及反應(yīng)器應(yīng)用的開發(fā)。

床層空隙率及環(huán)流速度是氣固環(huán)流反應(yīng)器流體力學(xué)特性研究的重要內(nèi)容。劉夢(mèng)溪等［5］對(duì)環(huán)隙氣升式環(huán)流反應(yīng)器中的空隙率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究與理論分析，并建立了相關(guān)預(yù)測(cè)模型。研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)隙區(qū)床層空隙率隨著環(huán)隙區(qū)表觀氣速的增加而增加，與中心氣升式反應(yīng)器相比，變化較為平穩(wěn)，沒有發(fā)生流域的轉(zhuǎn)變。沈志遠(yuǎn)等［6］對(duì)中心氣升式環(huán)流反應(yīng)器進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)固含率在導(dǎo)流筒區(qū)、底部區(qū)和氣固分離區(qū)呈中心區(qū)大邊壁小的不均勻分布形態(tài)；在導(dǎo)流筒區(qū)，沿軸向高度h=512～1112 mm內(nèi)，床層密度分布比較均勻，而環(huán)隙區(qū)由于脫氣量的不同，床層密度變化程度不同。相比于空隙率，顆粒環(huán)流速度受表觀氣速、床層藏料量、底部間隙高度以及導(dǎo)流筒與環(huán)隙面積等多重因素的影響。嚴(yán)超宇等［7］采用實(shí)驗(yàn)和模擬相結(jié)合的方法對(duì)環(huán)流反應(yīng)器中顆粒流動(dòng)和瞬態(tài)流體力學(xué)特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)床層各徑向位置均存在顆粒的向上、向下運(yùn)動(dòng)，而顆粒的最大概率速度約是表觀氣速的2.6倍左右。劉夢(mèng)溪等［5］發(fā)現(xiàn)在環(huán)隙氣升式環(huán)流反應(yīng)器中環(huán)隙區(qū)顆粒流動(dòng)速度基本不隨軸向位置的變化而變化，顆粒環(huán)流所受的阻力主要集中在底部區(qū)域，其次為氣固分離區(qū)，基于動(dòng)量平衡建立的環(huán)流速度模型，能夠較為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)速度分布。Kim等［8］指出在內(nèi)循環(huán)流化床中，當(dāng)表觀氣速為最小流化速度的2～2.5倍時(shí)，才能夠形成環(huán)流。

為了增加環(huán)流速度，減少底部區(qū)域的串氣量以及擴(kuò)展反應(yīng)器應(yīng)用領(lǐng)域，研究者對(duì)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化與拓展。劉夢(mèng)溪等［9］考察了環(huán)隙氣升式反應(yīng)器中分布器位置對(duì)流體力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)分布器位置下移后可以有效改善區(qū)域的流化質(zhì)量，減小滑移區(qū)，顆粒環(huán)流質(zhì)量流率明顯提高，當(dāng)分布器位置處于32 mm時(shí)，顆粒環(huán)流速度和質(zhì)量流率都較大。嚴(yán)超宇等［10］提出了一種氣固密相環(huán)流與快速床管式技術(shù)相耦合的新型燃燒器結(jié)構(gòu)，通過環(huán)流段與快速床燃燒焦管的耦合調(diào)控，實(shí)現(xiàn)高濃度、強(qiáng)返混、長(zhǎng)停留時(shí)間及高循環(huán)倍率的工藝要求。通過研究發(fā)現(xiàn)，顆粒的環(huán)流流動(dòng)具有剪切破碎氣泡的作用，有利于環(huán)流段內(nèi)氣固的充分混合接觸。目前，基于氣固環(huán)流的汽提器、外取熱器等在石油煉制領(lǐng)域已經(jīng)得到了工業(yè)化應(yīng)用，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益［11］。

為了改善產(chǎn)品分布、增加輕質(zhì)油收率，近年來(lái)研究者提出了冷催化劑循環(huán)技術(shù)，通過降低再生劑溫度來(lái)顯著提高劑油比，而催化劑混合器則是該技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備。前人的研究表明，自由床中顆粒沿軸向的混合程度遠(yuǎn)大于沿徑向的混合程度，二者的差別在工業(yè)裝置中尤其明顯。因此，能否實(shí)現(xiàn)催化劑沿徑向的均勻混合是顆?；旌掀鹘Y(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要方向。本文提出了一種基于氣固環(huán)流理論的混合器［12］，有效促進(jìn)了流體沿徑向的流動(dòng)及混合，并通過基于結(jié)構(gòu)的EMMS曳力模型［13-15］，模擬研究了環(huán)流反應(yīng)器中局部結(jié)構(gòu)對(duì)顆粒流動(dòng)的影響，為進(jìn)一步拓展氣固環(huán)流反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)型式與應(yīng)用領(lǐng)域提供依據(jù)。

1　數(shù)值模型

1.1氣固兩相基本控制方程

模擬采用FLUENT?6.3.26作為求解器，雙流體模型作為基本控制方程，顆粒黏度及顆粒相壓力由顆粒動(dòng)理論封閉，詳細(xì)的動(dòng)力學(xué)方程可參見文獻(xiàn)［16-17］。

1.2基于結(jié)構(gòu)的EMMS曳力模型

傳統(tǒng)的均勻化曳力模型不足以描述流態(tài)化系統(tǒng)中的氣固接觸，過大估計(jì)了氣固相間的作用力［18］，因此，對(duì)曳力進(jìn)行修正顯得尤為重要。本文主要采用基于結(jié)構(gòu)的 EMMS曳力模型［15］，具體如下所述。

基于結(jié)構(gòu)的曳力系數(shù)（βe）為

基于結(jié)構(gòu)的曳力模型將氣固流化系統(tǒng)分為稀相、密相以及相互作用相，不僅考慮了相內(nèi)的氣固曳力（Fdf，F(xiàn)dc分別表征稀相和密相曳力），同時(shí)考慮了相與相之間的相互作用（Fdi表征相互作用相曳力）。

根據(jù)Li等［13］的定義，采用非均勻結(jié)構(gòu)因子（Hd）作為衡量結(jié)構(gòu)對(duì)曳力系數(shù)的影響程度，即

其中，β為均勻化的曳力系數(shù)［19-20］，關(guān)聯(lián)式如下所示

Cd的表達(dá)式為

2　參數(shù)設(shè)置及模型驗(yàn)證

2.1模擬條件

模擬裝置如圖1所示。反應(yīng)器總高3.5 m、筒體尺寸為φ300 mm×7 mm，導(dǎo)流筒尺寸為φ219 mm×2 mm，高1 m，在導(dǎo)流筒上對(duì)稱開有4個(gè)矩形槽孔。實(shí)驗(yàn)采用空氣作為氣相，平均粒徑為79 μm，顆粒密度為1498 kg·m-3的FCC催化劑作為固相。環(huán)隙區(qū)表觀氣速為0.05 m·s-1（以環(huán)隙橫截面積為基準(zhǔn)），導(dǎo)流筒區(qū)表觀氣速為0.3、0.4 m·s-1（以導(dǎo)流筒橫截面積為基準(zhǔn)）。顆粒循環(huán)流量為 100 kg·m-2·s-1（以底端出料口截面為基準(zhǔn)）。

圖1　環(huán)流反應(yīng)器三維構(gòu)體Fig. 1　Schematic diagram of three-dimensional air loop reactor

為了研究方便，將環(huán)流反應(yīng)器分為5個(gè)區(qū)域，即底部區(qū)、中心下料管進(jìn)料區(qū)、槽孔區(qū)、氣固分離區(qū)和環(huán)隙區(qū)，如圖2所示。在導(dǎo)流筒和環(huán)隙區(qū)分別通入不同流量的氣體，形成兩個(gè)不同的流化床，通過控制氣量來(lái)控制兩個(gè)流化床內(nèi)的固含率，并進(jìn)而在底部區(qū)形成壓力差，推動(dòng)顆粒在導(dǎo)流筒區(qū)和環(huán)隙區(qū)之間循環(huán)流動(dòng)。當(dāng)通入導(dǎo)流筒中的氣量大于環(huán)隙時(shí)，為中心氣升式，即固體在導(dǎo)流筒中上升，在環(huán)隙區(qū)下降；相反為環(huán)隙氣升式。

圖2　環(huán)流反應(yīng)器分區(qū)Fig. 2　Different regions of air loop reactor

采用Gambit?2.4進(jìn)行網(wǎng)格及構(gòu)體劃分，總網(wǎng)格數(shù)約為 58萬(wàn)。分布器進(jìn)氣孔作為源面直接均勻進(jìn)氣。固體出口設(shè)為流量出口，氣體出口為壓力出口，氣體和固體進(jìn)口均設(shè)為速度進(jìn)口。壁面邊界條件：氣相為無(wú)滑移，固相為半滑移［21-22］。為了保證裝置運(yùn)行穩(wěn)定，模擬時(shí)間設(shè)為40 s，后10 s進(jìn)行數(shù)據(jù)時(shí)均統(tǒng)計(jì)。時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為0.0003 s，每一步最大迭代次數(shù)為40次，保證了計(jì)算的收斂。模擬基本參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1　模擬參數(shù)設(shè)置Table 1　Parameters settings

2.2模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的有效性，在間歇狀況下（即裝置無(wú)進(jìn)料與出料）對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行了模擬，模擬條件為：導(dǎo)流筒區(qū)表觀氣速 0.4 m·s-1，環(huán)隙區(qū)表觀氣速0.05 m·s-1。在此操作條件下，顆粒在反應(yīng)器內(nèi)部的環(huán)隙區(qū)與導(dǎo)流筒之間循環(huán)流動(dòng)。將高度分別為z=0.41 m和1.25 m時(shí)（以分布板為基準(zhǔn)，下同）固含率與顆粒速率沿徑向分布的時(shí)均模擬值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行了對(duì)比，分別如圖3和圖4所示。

圖3　時(shí)均固含率模擬值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比Fig. 3　Comparison of time-averaged simulated solid holdup and experimental data

圖4　時(shí)均顆粒速率模擬值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比Fig. 4　Comparison of time-averaged simulated particles velocity and experimental data

由比較結(jié)果可知，模擬的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值趨勢(shì)一致，數(shù)值比較接近，從而驗(yàn)證了所建模型的可靠性。

3　結(jié)果分析與討論

3.1底部區(qū)的顆粒流動(dòng)特性

圖5　底部區(qū)時(shí)均固體顆粒速度矢量圖Fig. 5　Time-averaged particles vector velocity distribution in bottom region （ugd=0.4 m·s-1， ugr=0.05 m·s-1，Gs=100 kg·m-2·s-1）

底部區(qū)域的氣固流動(dòng)十分復(fù)雜，為控制通入導(dǎo)流筒區(qū)和環(huán)隙區(qū)的氣量，底部區(qū)域內(nèi)分別設(shè)置有兩個(gè)氣體分布器，氣固兩相的流動(dòng)受分布器的影響比較大。圖5給出了底部區(qū)顆粒速度矢量圖，由圖可以看出，環(huán)隙區(qū)內(nèi)的固體顆粒向下流入底部區(qū)，在區(qū)域內(nèi)水平流動(dòng)，并與向上的氣體射流錯(cuò)流接觸，在氣體射流強(qiáng)烈的擾動(dòng)作用下，顆粒間產(chǎn)生了劇烈的混合。隨后，顆粒改為向上流動(dòng)并進(jìn)入導(dǎo)流筒內(nèi)。

圖6　底部區(qū)時(shí)均固含率和時(shí)均顆粒速率的徑向分布Fig. 6　Time-averaged radial distribution of solid holdup and particles velocity in bottom region

圖6分別給出了底部區(qū)固含率以及顆粒速率沿徑向的時(shí)均分布。在環(huán)隙底部投影區(qū)（0.8〈r/R〈1.0），顆粒以較小的速率向下運(yùn)動(dòng)，而固含率較大，略小于起始流化固含率，這是由于環(huán)隙區(qū)表觀氣速較低并且顆粒因環(huán)隙分布器的阻擋，由向下流動(dòng)改為水平流動(dòng)，流動(dòng)方向的轉(zhuǎn)變?cè)黾恿肆鲃?dòng)阻力。0.7 〈r/R〈0.8的區(qū)域處于兩個(gè)分布器之間，部分顆粒經(jīng)兩個(gè)分布器之間的空隙向下流出環(huán)流區(qū)域，使得該區(qū)域的固含率降低，同時(shí)，分布器的阻擋消失，顆粒流動(dòng)阻力減小，向下的速率增加。顆粒進(jìn)入導(dǎo)流筒底部區(qū)域之后，氣體不斷地將顆粒帶入導(dǎo)流筒中，隨著徑向位置的減小，固含率不斷降低，顆粒向上的速率逐漸增加。當(dāng)導(dǎo)流筒區(qū)表觀氣速 ugd較大時(shí)，導(dǎo)流筒投影區(qū)中固含率稍有減小，但向上的顆粒速率明顯增大，而環(huán)隙投影區(qū)固含率有明顯增大，顆粒速率基本不變。

3.2中心下料管進(jìn)料區(qū)的顆粒流動(dòng)特性

圖7為中心下料管進(jìn)料區(qū)的顆粒速度矢量圖。由圖可以看出，導(dǎo)流筒中向上流動(dòng)的固體顆粒與中心下料管中流出的固體顆粒逆流接觸，兩股顆?；旌现笥芍行南铝瞎芡鈧?cè)向上流動(dòng)。在該區(qū)域，不僅存在顆粒的逆流混合，而且顆粒向外側(cè)運(yùn)動(dòng)，又與向上運(yùn)動(dòng)的顆粒形成了錯(cuò)流接觸，進(jìn)一步促進(jìn)了顆粒沿徑向的混合。以中心下料管出料口所在截面為基準(zhǔn)面，即L=0 m，比較了不同截面固含率以及顆粒速率沿徑向的時(shí)均分布，如圖8所示。由圖8（a）可知，在距出料口分別為L(zhǎng)=0.108 m和0.158 m的截面，固含率分布比較一致，在中心區(qū)分布較為均勻，而靠近邊壁處，由于壁面效應(yīng)，固含率明顯增大，隨著與出料口距離的減小，即L=0.058 m和 0.008 m時(shí)，在0〈r/R〈0.3的區(qū)域，固含率顯著增大，這是因?yàn)橹行南铝瞎艿闹睆綖?0.266〈r/R〈0.266，顆粒從進(jìn)料口端面流入導(dǎo)流筒，并與導(dǎo)流筒中向上流動(dòng)的顆粒逆流接觸，發(fā)生強(qiáng)烈的混合，阻礙了顆粒向上運(yùn)動(dòng)。此外，可以看出L=0.008 m的截面上固含率在0.28〈r/R〈0.4的范圍內(nèi)明顯偏低，這是由于流出下料管的顆粒發(fā)生了繞流，如圖7所示。圖8（b）為不同截面顆粒速率沿徑向的分布，在L=0.108 m 和0.158 m的截面，中心區(qū)顆粒向上的速率較邊壁區(qū)大，且分布比較均勻，而當(dāng)L=0.058 m和0.008 m時(shí)，在 0〈r/R〈0.3的區(qū)域內(nèi)，同樣由于中心下料管進(jìn)料的原因，顆粒向上運(yùn)動(dòng)的速率減小。

圖7　中心下料管進(jìn)料區(qū)時(shí)均固體顆粒速度矢量圖Fig. 7　Time-averaged particles vector velocity distribution in central down-comer inlet region （ugd=0.4 m·s-1，ugr=0.05 m·s-1， Gs=100 kg·m-2·s-1）

在此區(qū)域，導(dǎo)流筒中向上流動(dòng)的固體顆粒與中心下料管中流出的固體顆粒逆流混合之后，沿徑向向外運(yùn)動(dòng)，圖9對(duì)比了不同截面徑向速率的時(shí)均分布。由圖可以看出，在距出料口截面高度分別為L(zhǎng)=0.108和0.158 m時(shí)，顆粒徑向速率基本為0，只是在中心區(qū)域有十分微弱的徑向移動(dòng)，徑向的混合幾乎可以忽略。當(dāng)L=0.058 m和0.008 m時(shí)，顆粒徑向速率由中心向外先增大后減小，在 r/R=0.266處，即中心下料管邊壁下方，顆粒徑向速率最大，有效促進(jìn)了顆粒沿徑向的混合。

圖8　中心下料管進(jìn)料區(qū)時(shí)均固含率和時(shí)均顆粒速率的徑向分布Fig. 8　Time-averaged radial distribution of solid holdup and particles velocity in central down-comer region

圖9　中心下料管進(jìn)料區(qū)不同高度時(shí)均顆粒徑向速率分布Fig. 9　Time-averaged distribution of particles radial velocity w ith different axial heights in central down-comer region

3.3槽孔區(qū)的顆粒流動(dòng)特性

圖10給出了槽孔區(qū)顆粒的流動(dòng)狀況，可以看出顆粒經(jīng)過槽孔時(shí)分成了兩部分：一部分經(jīng)槽孔水平流入環(huán)隙區(qū)，與環(huán)隙區(qū)向下流動(dòng)的顆粒錯(cuò)流接觸，大大強(qiáng)化了顆粒沿徑向的混合；另一部分顆粒則繼續(xù)向上流動(dòng)進(jìn)入氣固分離區(qū)。

圖11和圖12比較了未開槽處和開槽處固含率和顆粒速率沿徑向的時(shí)均分布。槽孔高0.08 m，下沿所在截面高度為z=0.86 m。由圖可見，未開槽處（z=0.66 m），由于壁面效應(yīng)導(dǎo)流筒邊壁處的固含率明顯偏大，而顆粒速率偏?。徊劭滋帲▃=0.91 m），固含率在導(dǎo)流筒中沿徑向分布比較均勻，在環(huán)隙中固含率隨著半徑的增加逐漸增大，這是由于氣體攜帶固體顆粒經(jīng)槽孔流入環(huán)隙區(qū)并且與環(huán)隙向下的固體顆粒在槽孔處錯(cuò)流混合。槽孔處，由于流通面積增大，使得導(dǎo)流筒中向上的顆粒速率和環(huán)隙向下的顆粒速率均減小。在該區(qū)域，當(dāng) ugd較大時(shí)，導(dǎo)流筒中顆粒向上的速率增大，固含率減小，而環(huán)隙中顆粒向下的速率增大，固含率變化不明顯。

圖10　槽孔區(qū)時(shí)均固體顆粒速度矢量圖Fig. 10　Time-averaged particles vector velocity distribution in groove region （ugd=0.4 m·s-1， ugr=0.05 m·s-1，Gs=100 kg·m-2·s-1）

圖13給出了槽孔處固含率及顆粒速度矢量分布。由圖13（a）固含率分布可知，在環(huán)隙區(qū)由于顆粒的徑向流動(dòng)及顆粒的錯(cuò)流混合，造成了邊壁處固含率增大，形成了顆粒濃集區(qū)，將其中一個(gè)槽孔中心線所在位置標(biāo)記為0°，那么濃集區(qū)的邊界范圍近似為-10°～10°，與槽孔邊緣半徑的延長(zhǎng)線基本重合。由圖13（b）速度矢量分布進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)流筒中的固體顆粒在槽孔附近向外流動(dòng)，徑向速率約為 0.28 m·s-1，顆粒進(jìn)入環(huán)隙之后向兩側(cè)流動(dòng)，由相鄰槽孔流入的固體顆粒在兩個(gè)槽孔之間的區(qū)域逆流接觸，混合之后改變方向向下流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了顆粒在徑向和周向的混合。

圖11　未開槽處時(shí)均固含率及時(shí)均顆粒速率的徑向分布Fig. 11　Time-averaged radial distribution of solid holdup and particles velocity in no groove region

圖12　槽孔處時(shí)均固含率及時(shí)均顆粒速率的徑向分布Fig. 12　Time-averaged radial distribution of solid holdup and particles velocity in groove region

圖13　槽孔截面時(shí)均固含率及時(shí)均顆粒速度矢量分布Fig. 13　Time-averaged distribution of solid holdup and particles vector velocity in groove region（ugd=0.4 m·s-1，ugr=0.05 m·s-1， Gs=100 kg·m-2·s-1）

圖14比較了0°和45°兩個(gè)周向上的固含率時(shí)均分布。在0°方向，導(dǎo)流筒邊壁效應(yīng)消失，固含率在導(dǎo)流筒邊壁處減小，沿徑向分布更加均勻；在環(huán)隙區(qū)，由于顆粒經(jīng)槽孔的水平流入，0°方向的固含率較大。圖15給出了環(huán)隙區(qū)截面平均固含率沿軸向的時(shí)均分布。槽孔所在高度為0.86 m≤z≤0.94 m，由圖可以看出槽孔所在截面平均固含率顯著增加，并且槽孔中心所在截面（z=0.9 m）的平均固含率最大。

3.4氣固分離區(qū)及環(huán)隙區(qū)的顆粒流動(dòng)特性

固體顆粒進(jìn)入氣固分離區(qū)之后，沿徑向逐漸向外流動(dòng)，而后進(jìn)入環(huán)隙區(qū)。氣固分離區(qū)沿徑向流動(dòng)的顆粒與導(dǎo)流筒上升的顆粒同樣會(huì)發(fā)生錯(cuò)流混合，對(duì)顆粒沿徑向的混合有一定的促進(jìn)作用。圖16給出了氣固分離區(qū)固含率以及顆粒速率沿徑向的時(shí)均分布。由圖可以看出，氣固分離區(qū)的固含率在中心區(qū)分布比較均勻，靠近邊壁處固含率略有增加，在導(dǎo)流筒上方區(qū)（0.27〈r/R〈0.76）顆粒向上運(yùn)動(dòng)，而在環(huán)隙上方區(qū)（0.76〈r/R〈1）顆粒向下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)導(dǎo)流筒區(qū)表觀氣速較大時(shí)，固含率較小，顆粒在導(dǎo)流筒區(qū)向上運(yùn)動(dòng)的速率增加，而在環(huán)隙區(qū)向下運(yùn)動(dòng)的速率增加。

圖14　槽孔處不同周向位置時(shí)均固含率徑向分布Fig. 14　Time-averaged radial distribution of solid holdup w ith different circum ferential positions in groove region

圖15　環(huán)隙區(qū)不同軸向高度截面平均固含率Fig. 15　Average solid holdup w ith different axial heights in annulus region

顆粒由氣固分離區(qū)向外流動(dòng)進(jìn)入環(huán)隙區(qū)，在環(huán)隙區(qū)的固含率及顆粒速率時(shí)均分布如圖 17所示。固含率和顆粒速率沿徑向的分布都比較均勻，并且固含率較其他區(qū)域明顯偏大。隨著表觀氣速的增加，固含率變化不明顯，而顆粒向下的速率明顯增加。

4　結(jié)　論

本文采用基于結(jié)構(gòu)的EMMS模型，對(duì)一種新型結(jié)構(gòu)的氣固環(huán)流反應(yīng)器中顆粒流動(dòng)特性進(jìn)行模擬研究，得出以下結(jié)論。

（1）導(dǎo)流筒區(qū)表觀氣速增加，導(dǎo)流筒中床層固含率減小，顆粒速率增加。

（2）反應(yīng)器中顆粒多次形成逆流和錯(cuò)流接觸，可有效改善反應(yīng)器的混合程度，特別是沿徑向的顆?；旌稀?/p>

（3）下料管出料口附近 0≤L≤0.058 m，0〈r/R〈0.3，固含率較大，顆粒存在明顯的徑向流動(dòng)。

（4）導(dǎo)流筒中的固含率及顆粒速率在槽孔處分布更加均勻，0.86 m≤z≤0.94 m的環(huán)隙存在顆粒濃集區(qū)。

圖16　氣固分離區(qū)時(shí)均固含率和時(shí)均顆粒速率的徑向分布Fig. 16　Time-averaged radial distribution of solid holdup and particles velocity in gas-solid separation region

圖17　環(huán)隙區(qū)時(shí)均固含率和時(shí)均顆粒速率的徑向分布Fig. 17　Time-averaged radial distribution of solid holdup and particles velocity in annulus region

符號(hào)說明

Cd——單顆粒（氣泡）曳力系數(shù)

d ——直徑，m

Fd——曳力，N

f ——密相體積分?jǐn)?shù)

G ——顆粒進(jìn)料量，kg·m-2·s-1

g ——重力加速度，m·s-2

Hd——非均勻結(jié)構(gòu)因子

L ——距中心下料管出口截面的高度，m

R ——環(huán)流外筒體內(nèi)半徑，m

Re ——Reynolds數(shù)

r ——半徑，m

Uslip——表觀滑移速度，m·s-1

u ——顆粒軸向速度，m·s-1

ugd——導(dǎo)流筒表觀氣速，m·s-1

ugr——環(huán)隙區(qū)表觀氣速，m·s-1

u* ——顆粒徑向速度，m·s-1

v ——顆粒（氣體）真實(shí)速度，m·s-1

z ——以分布板為基準(zhǔn)的軸向高度，m

β ——均勻曳力系數(shù)，kg·m-3·s-1

βe——基于結(jié)構(gòu)的曳力系數(shù)，kg·m-3·s-1

εg——空隙率

εs——固含率

θ ——周向角度，（°）

μ ——黏度，Pa·s

ρ ——密度，kg·m-3

下角標(biāo)

c ——密相

f ——稀相

g ——?dú)怏w

i ——相互作用相

p——顆粒

s——固體

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CFD simulation of particle flow in new type of gas-solid air loop reactor

The behavior of particle flow in a new type of gas-solid air loop reactor （GSALR）， which acted as a particle mixer， was numerically simulated by multi-scale computational fluid dynamics （CFD） w ith the structure-dependent EMMS drag model. The suitability of the drag model was verified by agreement of the simulated results and the experimental data in time averages of solid holdup and particle velocity. The particle upward velocity increased but the mean solid holdup on beds decreased when the superficial gas velocity increased in the draft tube. Several m ixing regions of particle crossflow and mixed flow in GSALR improved the efficiency of radial particle m ixing. In the groove region， the distributions of solid holdup and particle velocity were more uniform， while a particle concentrating area was formed at circular overlap due to particle flow from the groove. In the region of 0≤L≤0.058 m and 0〈r/R〈0.3， the solid holdup was increased and particle flow was evidently enhanced along the radial direction.

CFD；circulating fluidized bed；multi-scale；particle flow；gas-solid two phase

date: 2016-03-31.

LIU Mengxi， mengxiliu@sina.com； LI Fei，lifei@ipe.ac.cn

supported by the National Basic Research Program of China （2012CB215000）.

TQ 052.5

A

0438—1157（2016）08—3234—10

10.11949/j.issn.0438-1157.20160388

2016-03-31收到初稿，2016-06-05收到修改稿。

聯(lián)系人：劉夢(mèng)溪，李飛。第一作者：孟振亮（1987—），男，博士研究生。

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2012CB215000）。