基于计算流体力学流化床内颗粒密度和粒径分布预测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种获得流化床内颗粒密度和粒径分布状态的新方法，具体涉及一种 基于计算流体力学流化床内颗粒密度和粒径分布预测方法。
【背景技术】
[0002] 流化床内的固体颗粒在流体的作用下具有流体某些表观特性，颗粒表面能全部暴 露于周围剧烈湍动的流体中，从而强化了传热、传质和化学反应，因此广泛用于工业领域如 生物质、煤等固体燃料的热解、燃烧或气化等过程。生物质或煤等颗粒在流化床内发生热 解、燃烧或气化等非均相化学反应时往往遵循一定的密度和粒径变化规律，从而表现出一 定的密度和粒径分布状态。而流化床内的流动反应特性与颗粒的密度和粒径分布有着密切 的关系，因此准确获得流化床内颗粒密度和粒径的分布状态可为流化床的性能预测、优化 控制及设计放大提供理论基础。通常可以通过实验取样分析获得流化床内颗粒密度和粒径 分布状态，但是该方法需耗费大量人力、物力及时间成本，并且现阶段难以实现对高温流化 床进行取样分析试验，因此流化床特别是实际运行的高温流化床内的颗粒密度和粒径分布 状态往往难以获得。
[0003] 而计算流体力学是对研宄对象建立流动反应模型并采用计算机和离散化的数值 方法进行数值模拟和分析的一种方法。该方法不受现有实验技术的限制，可以全面、高效且 低成本地揭示流化床内的流动反应特性，因此广泛应用于流化床的研宄当中。然而，在现有 的流化床计算流体力学研宄中往往忽略颗粒发生非均相化学反应时的密度和粒径变化，虽 然最近有研宄考虑了颗粒密度的变化规律，但是由于未能考虑颗粒相应的粒径变化而得不 到合理的结果，因此，现有计算流体力学方法仍无法准确获得流化床内颗粒密度和粒径的 分布状态。
【发明内容】
[0004] 为了解决现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于计算流体力学流 化床内颗粒密度和粒径分布预测方法，该方法采用计算流体力学方法对流化床进行模拟研 宄，并结合描述颗粒相密度和粒径变化规律的数学模型对颗粒的密度和粒径进行实时修 正，从而获得流化床内颗粒密度和粒径的分布状态。该方法无需对实际运行流化床进行复 杂的采样分析，节约大量的人力、物力及时间成本，是一种获得流化床内颗粒密度和粒径分 布状态的新方法。
[0005] 为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
[0006] 基于计算流体力学流化床内颗粒密度和粒径分布预测方法，包括以下步骤：
[0007] 步骤一、流化床内基本流动反应模型的建立
[0008] 基于欧拉-欧拉方法，将气相和颗粒相均看作连续相，采用颗粒动力学理论描述 颗粒相性质，颗粒相可以为一种或多种，根据实际情况确定，
[0009] 气相连续性方程：
【主权项】
1.基于计算流体力学流化床内颗粒密度和粒径分布预测方法，其特征在于，包括以下 步骤： 步骤一、流化床内基本流动反应模型的建立 基于欧拉-欧拉方法，将气相和颗粒相均看作连续相，采用颗粒动力学理论描述颗粒 相性质，颗粒相可以为一种或多种，根据实际情况确定， 气相连续性方程：
颗粒相连续性方程： K=I
其中下标g表示气相，下标Pi表示第i种颗粒相；α为体积分数，P为密度，V为速 度，S111为非均相反应导致的质量变化源项； 气相动量方程：
其中P为压力，τ为黏性应力张量，g为重力加速度，β为气相和颗粒相的曳力系数， ζ为不同颗粒相间的曳力系数，\为非均相反应导致的动量变化源项； 气相能量方程：
其中H为焓值，λ为导热系数，T为温度，Iigpi为气相和颗粒相之间的对流传热系数，由 于在流化床反应器中新加入的物料通常仅占炉内床料总量的5%以下，因此忽略颗粒相和 颗粒相之间的热量传递，Sh为由于非均相反应引起的能量变化源项：
其中NupiS无因次Nusselt准数，对于气固两相流体系采用Gunn的经验关联式计算； Nupi = (7 - I Oaj, + 5α； )(1 + 0.7 Rc；/ Pi^ 5) + (1.33 - 2.4?^ + 1.2?：) Rc；； Pr^5 (9)
其中Cp为比热容，μ为粘度； 气相组分输送方程：
其中Y为组分i的质量分数，D为扩散系数，R为均相反应速率，&为非均相反应速率； 颗粒拟温度方程：
其中Θ为颗粒拟温度。 气相剪应力： 其中I为单位张量；
颗粒相压力：
其中e为碰撞恢复系数； 径向分布函数：
对于包含多种颗粒相的体系，最大堆积极限并不是一个固定的值，以下为计算颗粒最 大堆积极限的关联式：
颗鈴彼和黏麼.
颗粒相剪切黏度由碰撞项、动力项及摩擦项三项组成：
) 其中121)为偏应力张量的第二不变量； 颗粒拟温度的输送系数：
颗粒碰撞导致的颗粒拟温度耗散项：
气相与颗粒相之间的曳力系数采用Gidaspow曳力模型： 当 a g>〇. 8，
其中Cd为单颗粒曳力系数，可由下式获得： Λ f- t,v
颗粒相与颗粒相之间的曳力系数采用Syamlal曳力模型：
其中（^为颗粒间的摩擦系数； 均相和非均相化学反应速率均可采用阿伦尼乌斯方程描述：
其中氏为i组分的化学反应速率，E为反应活化能，R为理想气体常数，C i组分摩 尔浓度，η为反应级数； 步骤二、建立描述颗粒相密度和粒径变化规律的数学模型 当颗粒在流化床内发生非均相化学反应时，通常由以下反应式表示： A (s)+B (g) - C (s)+D (g) 颗粒中化合物A与气相中化合物B发生化学反应生成颗粒中化合物C和气相中化合物 D，其中气相化合物B和D并不是必须存在的；颗粒中纯化合物A和C的密度分别为P 4和 P P质量分数分别为YJP Y d化学反应式中化合物C和化合物A的质量比为a ; 颗粒在流化床内发生非均相化学反应时，密度和粒径将会同时或单独发生变化，由颗 粒性质和化学反应类型所决定；而颗粒的密度和粒径变化规律与所发生的化学反应以及颗 粒中各化合物的质量分数和密度相关，并且必须相互匹配，遵循质量守恒定律； 对于尚未发生化学反应的颗粒，颗粒中仅含化合物A，假设其质量为mA(l，密度为P A，粒 径为dp(l，则此时颗粒体积为：
假设％化合物A发生反应生成m。化合物C，颗粒体积为V，粒径为d p。 对于密度和粒径同时发生变化的颗粒，其颗粒相密度变化数学模型：
根据化学反应式和质量守恒定律及方程33可得： ITIq- ΒΠ 1 ^ (35)
由方程33、35和36可得： YAmA0-YAmA+YAam A= mA〇-mA (39) % (1 _YA+YAa) = %〇 (1 _ya) (40)
由方程38和41可得：
则颗粒相粒径变化数学模型： V 7 11、 "
对于仅粒径发生变化的颗粒，可用下列数学模型描述颗粒相粒径和密度变化规律： 颗粒相密度数学模型： P = Pa= P C (44) 颗粒相粒径变化数学模型可由方程43和44获得：
对于仅密度发生变化的颗粒，可用下列数学模型描述颗粒相粒径和密度变化规律： 颗粒相粒径数学模型： V = V0 (46) dp=dp0 (47) 结合方程33、35、36和37可推导出颗粒相密度变化数学模型：
为了与方程34的形式一致，则可得： P C= a P A (49) 步骤三、流化床内密度和粒径分布状态的预测 基于流动反应模型和颗粒相密度和粒径变化数学模型对流化床内密度和和粒径分布 状态进行模拟预测，首先根据流化床结构对模拟体系进行网格划分，设置基本流动反应模 型，输入各化合物、颗粒的物性及反应动力学数据，定义出入口和壁面边界条件，设置时间 步长和收敛条件开始求解；求解时根据方程1、2、4、5和14先求解连续性、动量和颗粒拟温 度方程，随后根据方程6和7求解能量方程，再根据方程12和13求解组分方程，根据各组分 含量和相应的颗粒密度和粒径变化数学模型，如密度和粒径同时发生变化根据方程34和 43 ;如仅粒径发生变化根据方程44和45 ;如仅密度发生变化根据方程47、48和49对颗粒 相密度和粒径进行修正更新；若整个计算体系内连续性方程、动量方程、颗粒拟温度方程、 能量方程和组分方程两侧差值的绝对值之和（即为残差）均小于0.001，则计算结果收敛， 否则不收敛；如不收敛则重复迭代，如收敛则判断计算时间是否完成，如未完成刚进入下一 时间步进行求解，如完成则停止计算求解，导出颗粒密度和粒径数据，获得流化床内颗粒密 度和粒径的分布状态。
【专利摘要】基于计算流体力学流化床内颗粒密度和粒径分布预测方法，步骤一、流化床内基本流动反应模型的建立；步骤二、建立描述颗粒相密度和粒径变化规律的数学模型；步骤三、流化床内密度和粒径分布状态的预测；该方法采用计算流体力学方法对流化床进行模拟研究，并结合描述颗粒相密度和粒径变化规律的数学模型对颗粒的密度和粒径进行实时修正，从而准确预测流化床内颗粒密度和粒径的分布状态，为流化床的性能预测、优化控制及设计放大提供理论基础。该方法通过计算流体力学方法获得流化床内颗粒密度和粒径分布状态，无需对实际运行流化床进行复杂的采样分析，节约大量的人力、物力及时间成本，是一种获得流化床内颗粒密度和粒径分布状态的新方法。
【IPC分类】G01N15-02
【公开号】CN104634708
【申请号】CN201510079554
【发明人】钟汉斌, 张君涛, 梁生荣
【申请人】西安石油大学
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2015年2月13日