专利名称：测量颗粒流体两相流反应器内流体相组分浓度分布的方法
技术领域：
本发明涉及颗粒流体两相流反应器，特别涉及一种测量颗粒流体两 相流反应器内颗粒与流体传质过程中被传递组分浓度分布的方法。
背景技术：
颗粒流体两相流反应器广泛应用于过程工业领域。颗粒流体系统中 的传质过程与复杂流动因素密切相关，进而关系到本征反应速率和表观 反应速率之间的联系，以及流体相组分浓度分布，最终影响颗粒流体两 相流反应器的设计与放大。因此，如何有效预测颗粒流体两相流反应器 内颗粒流体间的传质过程以及组分浓度分布至关重要。
目前，颗粒流体两相流反应器内颗粒流体间传质系数的计算主要依 靠关联实验数据。由于影响颗粒流体传质的因素众多，尤其是流动结构 参数的影响难以预测，另外，也受实验条件和规模的限制，关联得到的
经验公式缺乏普适性(参见参考文献1: Breault， R. W. Powder Technology, Vol. 163, P. 9 (2006))。已有文献(参见参考文献2: Wang, W., Li， J. Chem. Eng. Sci. ， Vol. 62， P. 208 (2007))表明，结构因 素对于预测颗粒流体两相流反应器流动参数分布至关重要，但是如何结 合结构因素，预测颗粒流体传质能力的技术还未见报道。而忽略结构所 带来的传质效应，必然会导致预测的颗粒流体传质系数偏离真实。因此， 必须考虑结构的影响，才能准确把握传质、反应规律，准确预测颗粒流体两相流反应器(如石油工业中常见的流化催化裂化(FCC)反应器，电
力行业中的循环流化床锅炉(CFBB)等核心设备)的传质、反应能力，实 现可靠的设计、运行、控制与放大。
颗粒流体两相流反应器内颗粒流体传质过程受非均匀结构的影响，
主要体现为
1、 由于结构的影响，颗粒流体传质存在局部不均匀性，实际传质 能力不仅受局部流动结构和物性参数的影响，还受到传质历史经历的限 制，仅依靠局部的流动信息，无法实现具有结构的传质分析。
2、 组分浓度在局部存在非均匀分布，使得在实验过程中如何获得
和测定具有代表性的组分样品较为困难，实验难度更加影响到关联数据 的准确度。
己有技术中，对于颗粒流体两相流反应器内流体相组分浓度分布的
测量方法，比如文献3: Schoenfelder H.， Kmse M. and Werther J., AIChE J. Vol. 42， P. 1875, (1996)中公开的技术，流动结构建立在稳态、经验 性的数据基础之上，缺乏流动结构实时、动态的变化影响，得到的计算 方法很难从原有实验条件外推至工业条件当中，因而应用和推广都受到 限制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中未考虑结构对颗粒流体传质过 程的影响的不足，提供一种可以精确测量颗粒流体两相流反应器内组分 浓度分布的方法。为此，本发明提供一种测量颗粒流体两相流反应器内组分浓度分布 的方法，包括如下步骤
Sl，计算颗粒流体两相流反应器测量区域内每个微元内的质量守恒 方程、动量守恒方程，得到每个微元的流固速度和颗粒浓度
S2，获得稀密相结构参数在空间的离散分布构成的矩阵，分别为
<formula>formula see original document page 10</formula>
其中^代表稀相流 体表观速度，《f代表稀相颗粒表观速度，R。代表密相流体表观速度，《。 代表密相颗粒表观速度，/代表密相体积分数，5i代表介观界面加速度，
5。代表密相加速度，5f代表稀相加速度，《,代表密相团聚物直径，f。代 表密相空隙率；Sf代表稀相空隙率；以上所有速度和加速度为矢量，同 时适应于二维或三维空间；
S3，获得稀相和密相的组分浓度(Xdf);
S4，由稀相和密相的组分浓度计算微元内的流体平均密度，若所得 到的流体平均密度和步骤Sl中质量守恒方程和动量守恒方程采用的流 体密度之差满足精度要求，则输出流固速度，颗粒浓度和组分浓度，并 结束操作；否则，将计算得到的稀密相内流体平均密度代入步骤S1的 质量守恒方程和动量守恒方程中，开始下一次迭代。
由于本发明中采用稀密相结构参数在空间的离散分布构成的矩阵 来获得稀相和密相的组分浓度，充分考虑了结构对颗粒流体传质过程的 影响，因此可以精确测量颗粒流体两相流反应器内组分浓度分布。
在上述技术方案中，所述步骤S2具体包括如下步骤1) 根据反应器整体操作条件，计算得到满足全局动力学的非稳态、 非线性方程组的所有变量根的组合(S。，Sf ，/，《,，^A , ,《c,5,，5f A);所
述整体操作条件包括床内流体相表观速度t/g和固相表观速度f/s ;
2) 从所有变量根的组合中，寻找满足极值条件为单位质量的颗粒 悬浮输送能量最小的最优根，得到其中的介观结构参数，所述介观结构 参数包括密相空隙率S。、稀相空隙率ff和团聚物直径《,；
3) 由每个微元的流固速度(《,《)、颗粒浓度4和介观结构参数 (S。,Sf,A)，在反应器的每个微元空间求解满足微观局部流动动力学非稳
态、非线性方程组的所有变量根的组合；所述的变量根的组合包括稀 相流体表观速度^f，稀相颗粒表观速度&，团聚物密相流体表观速度 仏。，团聚物密相颗粒表观速度《。，密相体积分数/，介观界面加速度5,， 密相加速度5。，稀相加速度5f，密相空隙率e。。稀相空隙率Sf和团聚物 直径《1;
4) 由上步骤3)的变量根的组合，从中得到满足极值条件为单位质 量的颗粒悬浮输送能量最小的最优根；所有微元空间最优根的组合构成 稀密相结构参数在空间的离散分布的矩阵。
在上述技术方案中，所述步骤S3具体包括如下步骤
1) 根据所述稀密相结构参数的空间分布所构成矩阵和相间质量交 换方程计算每一个微元内稀密相间质量交换速率；
2) 根据所述稀密相结构参数的空间分布构成矩阵和微元内稀密相 间质量交换速率，在每一微元内求解稀相和密相组分传质方程(10) — (11)，得到稀相和密相的组分浓度。在上述技术方案中，所述非稳态、非线性方程组包括: 单位体积微元空间内，浓相团聚物颗粒曳力Fd。平衡方禾:
l乂
CD,c"g|《lip,U"p2 =(A-pg)(l-sg)(5c-g) (1)
c c ;r沪/6—u'c2' S| 5叫""'叫4
单位体积微元空间内，稀相颗粒受曳力《,f平衡方程:
1 —e.
slip，f
《lip,f |《=(A - A)(1 _&)(5f -g) (2)
单位体积微元空间内介观相界面的曳力Fd，i平衡方禾
'王:
附'^^7^Cd'1 "H ;《=/(A "g)(5 -忌)
颗粒和流体相的质量守恒方程
《魂+(l-/)《f eg=/ec+(l-/)ff
(4)
(5)
(6)
其中，^表示密度，其下标的意义将在后面介绍；^。表示密相流体表观 速度；t^表示稀相流体表观速度，R。表示密相颗粒表观速度；Rf表示 稀相颗粒表观速度；Rip,。表示密相颗粒流体滑移速度；Rip,f表示稀相颗 粒流体滑移速度；《,表示相间滑移速度；^表示平均空隙率；e。表示 密相空隙率；Sf表示稀相空隙率；d表示颗粒直径；《,表示团聚物直径; 《表示密相加速度；5f表示稀相加速度；5i表示介观界面加速度；忌表 示重力加速度；下标g表示流体相；下标s表示固相；下标c表示浓相； 下标f表示稀相，下标i表示介观相；C。,。表示密相平均单颗粒曳力系 数；C。，f表示稀相平均单颗粒曳力系数；C^表示介观相间平均单个团聚 物曳力系数，w。代表单位床层中密相颗粒个数，附f代表单位床层中稀相颗粒个数，m,代表单位床层中团聚物个数，具体如下:<formula>formula see original document page 13</formula> 各表观滑移速度具体为<formula>formula see original document page 13</formula>团聚物直径定义如下
<formula>formula see original document page 13</formula>
(7)
其中，下标mf代表^=^时的广义最小流化状态，u代表最小流 化状态时的空隙率，下标max代表Sg-^时的稀疏极限状态，f^为存 在颗粒团聚的最大空隙率；A^代表单位质量的颗粒悬浮输送能量，
极值条件为单位质量的颗粒悬浮输送能量最小<formula>formula see original document page 13</formula>
在上述技术方案中，进一步地，所述相间质量交换方程为:<formula>formula see original document page 13</formula>所述密相组分传质微分方程为<formula>formula see original document page 13</formula>所述稀相组分传质微分方程为:
<formula>formula see original document page 14</formula>
(11)
其中，Pg。表示密相流体密度；/V表示稀相流体密度；《。表示密相 流体表观速度；i^表示稀相流体表观速度；^表示平均空隙率；s。表示 密相空隙率；ff表示稀相空隙率；A表示分子扩散速率；/表示团聚物 密相体积分率；^表示团聚物密相内颗粒流体传质系数；^表示稀相 内颗粒流体传质系数；A表示颗粒比表面积； 表示单位床层团聚物的 外比表面积密相向稀相传质项；m^表示稀密相间质量交换速率；《表 示团聚物直径；^表示时间；x。表示密相组分浓度；；Cf表示稀相组分浓度； x^表示颗粒表面组分浓度；上述参数设置如下
<formula>formula see original document page 14</formula>
在上述技术方案中，所述颗粒流体两相流反应器是流化床反应器或 气固并流提升管反应器。在上述技术方案中，通过有限容积法或有限差分法或有限元法求解 所述稀相和密相组分传质方程。
与现有技术相比，本发明的优点在于
将多尺度流动结构引入到颗粒流体传质测量过程中，充分考虑了局 部传质的不均衡性，从而更加准确地测量颗粒流体两相流反应器内组分 浓度分布，以及颗粒流体间的传质过程，为颗粒流体两相流反应器的设 计、控制以及工艺放大提供参考和指导。
图1为本发明的测量颗粒流体两相流反应器内组分浓度分布参数的 流程图2为本发明考虑结构因素后真实的气固传质速率与已有技术不考
虑结构的平均化气固传质速率之比7 ;
图3为本发明一实例中截面平均的臭氧无量纲浓度沿高度的分布
图4为本发明一实例中截面平均的臭氧无量纲浓度沿高度的分布
图5为本发明一实例中截面平均氧气相对浓度沿高度的分布图； 一本发明预测值一 不考虑结构的预测值 ■实验值
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细描述-颗粒流体两相流反应器包括循环流化煅烧炉、煤粉炉、循环流化床 反应器和气固并流向上提升管等。本发明的方法是基于一种多尺度结构 动力学模型和双流体模型，通过流动结构的二次解析，并建立针对不同 尺度结构的传质方程，实现多尺度结构下的传质计算和分析。在具体实 施前先对多尺度结构动力学模型以及传质模型进行解释。
多尺度结构动力学模型是指模型通过在多个特征时间尺度和特征 空间尺度上的物理量来计算结构参数和流动参数，物理量之间通过守恒 方程和极值条件进行关联。其中，极值多尺度结构模型在所有尺度上涉 及的动力学守恒方程又采用双流体欧拉-欧拉模型。
多尺度传质模型是指根据多尺度结构动力学模型对微元内平均化 的流动结构进行解析，得到多尺度流动结构在整个时空的连续分布，模 型通过对不同结构尺度上的颗粒流体传质过程进行守恒分析，实现多尺 度的传质模拟预测。，
在颗粒流体两相流的任意微元控制体内都存在非均匀多尺度结构， 这种结构可以通过多尺度结构动力学模型进行解析获得。解析后的流动 结构等效为团聚物密相和离散颗粒流体稀相两种双流体介质，及其界面 结构并存的形式。各自的动量方程守恒方程经过转化，可以写成力平衡 的形式。以气体颗粒两相流为例
单位体积微元空间内，浓相团聚物颗粒曳力,d，。平衡方程<formula>formula see original document page 16</formula>
单位体积微元空间内，稀相颗粒受曳力《,f平衡方程<formula>formula see original document page 17</formula> (13)
单位体积微元空间内介观相界面的曳力&平衡方程
颗粒和气体相的质量守恒方程
<formula>formula see original document page 17</formula>(15)
<formula>formula see original document page 17</formula>(16)
<formula>formula see original document page 17</formula>(17)
其中，p表示密度，其下标的意义将在后面介绍；^。表示密相气体表观 速度；t^表示稀相气体表观速度，《。表示密相颗粒表观速度；^表示 稀相颗粒表观速度；R,p,。表示密相颗粒气体滑移速度；R,p,f表示稀相颗 粒气体滑移速度；Rip,i表示相间滑移速度；Sg表示平均空隙率；f。表示 密相空隙率；ff表示稀相空隙率；^表示颗粒直径；《表示团聚物直径； 《表示密相加速度；5f表示稀相加速度；《表示介观界面加速度；g表 示重力加速度；下标g表示气相；下标s表示固相；下标c表示密相； 下标f表示稀相，下标i表示介观相；C。，。表示密相平均单颗粒曳力系 数；C。，f表示稀相平均单颗粒曳力系数；CD.,表示介观相间平均单个团聚 物曳力系数，，气代表单位床层中密相颗粒个数，附f代表单位床层中稀 相颗粒个数，m,代表单位床层中团聚物个数具体如下 Cw <formula>formula see original document page 17</formula>各表观滑移速度具体为<formula>formula see original document page 18</formula>团聚物直径定义如下 其中，下标mf代表^=^时的广义最小流化状态，^f代表最小流
化状态时的空隙率，下标max代表sgz^时的稀疏极限状态，s^为存 在颗粒团聚的最大空隙率；乂,代表单位质量的颗粒悬浮输送能量。 极值条件为
<formula>formula see original document page 18</formula>
上述(12) -(18)为动力学守恒方程，观察可知仅由此7个方程无法实现 含有11个变量&^，/,《1,^。,^,1,^,5^,^的方程组的封闭求解，还
需要极值多尺度结构模型中的极值条件。
通过颗粒和气体两相运动机制的协调分析，发现气体运动的趋势是 选择阻力最小的路径，而颗粒的运动是在边界条件控制的范围内趋于势 能最小或者团聚。两种运动机制相互协调产生了多尺度模型的极值条 件，即单位质量的颗粒悬浮输送能量趋于最小(K,—min)。
至此，极值多尺度结结构模型中11个流动及结构参数可通过7个守 恒方程和1个极值条件组成的极值问题实现数学求解。即在给定物性 和流动参数等条件下，求解满足动力学方程(12) - (18)的所有可能根中同时满足极值条件乂,—min的根，其数学表达为<formula>formula see original document page 19</formula>
所述密相组分传质微分方程为<formula>formula see original document page 19</formula>(20)<formula>formula see original document page 19</formula>
(21)<formula>formula see original document page 19</formula>所述稀相组分传质微分方程为:
<formula>formula see original document page 19</formula>
相间质量交换方程
<formula>formula see original document page 19</formula>(22)
<formula>formula see original document page 19</formula>(23)
其中，zv表示密相气体密度；/v表示稀相气体密度；^g。表示密相 气体表观速度；；^表示稀相气体表观速度；^表示平均空隙率；e。表示 密相空隙率；Sf表示稀相空隙率；Z)m表示分子扩散速率；/表示团聚物 密相体积分率；a表示团聚物密相内颗粒气体传质系数；^表示稀相
C，S - ，
内颗粒气体传质系数；^表示颗粒比表面积；"。,表示单位床层团聚物的 外比表面积密相向稀相传质项；m^,表示稀密相间质量交换速率；《,表 示团聚物直径；f表示时间；x。表示密相组分浓度；Xf表示稀相组分浓度；x^表示颗粒表面组分浓度；上述参数设置如下:
<formula>formula see original document page 20</formula>
如图1所示，本发明的的测量颗粒流体两相流反应器内组分浓度参
数分布的方法包括以下步骤
步骤10:根据实际物性和反应器的操作条件情况，初始化流场及边 界条件，设定初始的流体密度；
步骤20:利用双流体模型计算(CFD)代码或商业化计算流体力学
软件，计算每个微元内的质量守恒方程、动量守恒方程，得到速度、颗
粒浓度分布；本步骤所述的计算流体力学软件可采用CFX， Fluent, Phoenics， STAR-CD等；速度和浓度分布可用(R,《,Sg)表示。R和R
分别代表微元内流体和固体的表观速度。f g代表微元内平均空隙率；
步骤30:根据已知的反应器整体操作条件，计算得到满足全局动力 学的非稳态、非线性方程组的所有变量根的组合。在本步骤中，非稳态、 非线性方程组是指动力学方程(12)—(1S)，在这7个方程中，有ll个 变量，由7个方程得到变量根^,Sf，yX,，^,《f，^,《^，5f,《)的组合；
步骤40:从上步骤30所有变量根的组合中，寻找满足极值条件的最优根，并保存其中的介观结构参数&， &，力，所述的&表示密相空隙率， 所述的&表示稀相空隙率，所述的A表示团聚物直径。在本发明中，极
值条件是指单位质量的颗粒悬浮输送能量趋于最小，即Nst—min;
步骤50:由步骤20得到的速度、浓度分布(RA，eg)和步骤40得到
的介观结构参数(&， &， A)，在反应器的每个微元空间求解满足微观 局部流动动力学非稳态、非线性方程组(12) — (18)的所有变量根的
组合；所述的变量根包括^Sf，/X,，C^,《f,《e,《。,5i,5f,《；其中^代表
稀相流体速度，《f代表稀相颗粒速度，f7g。代表团聚物密相流体速度，l
代表团聚物密相颗粒速度，/代表密相体积分数，5i代表介观界面加速 度，5。代表密相加速度，5f代表稀相加速度，s。代表密相空隙率，&代 表稀相空隙率和《,代表团聚物直径；
步骤60:由步骤50得到的变量根的组合，获得稀密相结构参数在空
间的离散分布构成的矩阵，分别为,M,h],K,],pg。],[^f],[&],[&]扭],W说，其中^代表稀相流体 表观速度，《f代表稀相颗粒表观速度，R。代表团聚物密相流体表观速度，
c^代表团聚物密相颗粒表观速度，/代表密相体积分数，《代表介观界
面加速度，5。代表密相加速度，5f代表稀相加速度，《，代表团聚物直 径构成的空间，s。代表团聚物密相空隙率；ff代表稀相空隙率；以上所 有速度和加速度为矢量，适应于二维或三维空间；
步骤70:根据步骤60得到计算空间区域稀密相结构参数在空间的离 散分布所构成的矩阵和相间质量交换方程(23)，计算每一个微元内稀密 相间质量交换速率 i;步骤80:根据步骤60得到的稀密相非均匀结构离散化矩阵和步骤
70的微元内相间质量交换速率^Vi ，在每一微元内进行多尺度传质方程 (21) — (22)的离散数值求解，得到稀相和密相的组分浓度(xc， jcf)，
所述Xc代表微元内密相组分浓度，所述;Cf代表微元内密相组分浓度；该
多尺度传质方程的数值计算可以通过比如有限容积法或有限差分法或 有限元法完成。
步骤90:根据步骤80得到的组分浓度值(Xe， Xf)，计算维元内的流
体平均密度，若所得新的流体密度和步骤20中质量守恒方程和动量守
恒方程采用的流体密度之差满足精度要求，则输出流固速度，颗粒浓度
和组分浓度，并结束操作；否则执行下一步。
步骤100:将步骤90计算得到的稀密相内流体密度代入步骤20中， 开始下一次迭代。
本发明的测量颗粒流体两相流反应器组分浓度分布可以应用循环流 化床气固传质或反应的模拟。由图2可知，考虑了结构因素的传质速率 和基于均匀化结构假设的传质速率有很较大区别，二者之比跨越了 1~10-4的四个数量级区域。下面通过本发明的几个应用实例来说明本发 明的优点。 实例1
本实例将本发明应用于循环流化床FCC臭氧催化分解过程的分解 预测。颗粒密度p^l380松/m、，气体密度p尸1.212Ag/m、，颗粒直径 4=65，，操作表观气体速率C/g-3.8w/y,固体提升管循环量 Gs=106^/w^，臭氧分解速率57.217/,。臭氧分解反应为一级反应03 —1.502。提升管床高10.85w，床径0.254m。计算在商业化的CFD软 件平台上进行，本发明方法将计算框图的计算思路编制成接口程序嵌入 到软件内部进行臭氧分解的模拟。首先提升管构体按照l: l进行，选
择计算方式为双欧拉坐标下的双流体模型；其次根据物料性质设定颗 粒、气体性质；提升管内物料堆积设置为自然堆积状态，堆积空隙率为 0.6，气体从提升管底部进入，速度设定为3.9mA，颗粒进口速度采用提 升管出口质量流率与进口质量流率相等的方式隐性给定。将计算接口文 件调入和编译运行。计算按照与时间相关的动态模拟方式进行，计算时 间为40秒。本方法得到臭氧浓度分布和转化率，预测转化率为93.2%， 与实际的实验结果91.0%较为符合；而不考虑流动结构的直接模拟所得 转化率接近100%，与实验结果相差较大，图3为截面平均浓度沿高度 的分布，本发明的模拟结果(一)与实验值(■)吻合较好，而不考虑 结构的直接模拟结果(--)则相差较大。
实例2
本实例为苏黎世瑞士联邦理工大学过程工程研究所(Institute of Process Engineering, ETH Zurich)建立的循环流化锅炉冷态中型试验装 置上的固体颗粒催化臭氧分解预测。该装置由两部分构成提升管和下 降管。臭氧分解在提升管内完成，提升管直径0.411m，高约8.5m,固 体颗粒平均直径0.134mm，颗粒密度3320kg/m3，反应温度60。C。设计 一次风量1000NmVh， 二次风量1600Nm3/h。臭氧分解为一级反应，反 应速率26 62s"。在商业软件平台上将本发明方法用于预测非均流动结构条件下的匀臭氧浓度分布，以替代不考虑流动结构对臭氧分解影响的 平均化方法。计算时首先对中型试验装置采用1: l的比例进行几何构 体，选择计算方式为欧拉坐标下的双流体模型；其次按照设定温度给定 颗粒和气体性质；装置内部物料初始状态采用堆积自然堆积状态，堆积 空隙率为0.6，提升管底部进口表观气速按照一次风量计算，二次及三 次风通过在相应高度位置在气相方程中添加质量源的方式实现，颗粒物 料由顶部侧面出料并循环至提升管底部进行循环。臭氧分解预测采用商 业软件提供的计算接口程序进行多尺度传质方程的数值求解代码编译 运行。图4为臭氧截面平均浓度沿提升管高度的分布，本发明的模拟结 果(一)与实验值(■)吻合较好，而不考虑结构的直接模拟结果(~) 则相差较大。
实例3
本实例为国内某运行的循环流化床锅炉，炉膛高约39m，宽约 13.88m，深约7.22m，给煤量约64t/h， 一次风量264000NmVh， 二次风 量216000Nm3/h，物料颗粒平均直径0.2mm，物料平均密度2000kg/m3， 炉膛温度约900°C。在商业软件平台上将本发明方法用于预测非均匀流 动结构条件下的主要气相反应物氧气浓度分布，该浓度的分布直接关系 到煤粉燃烧的充分程度和产物成份，是循环流化床运行状态的一个重要 指标。计算时首先对循环流化床锅炉按照h 1的比例进行几何构体， 选择计算方式为欧拉坐标下的双流体模型；其次按照设定温度给定颗粒 和气体性质；进口表观气速表观气速按照一次风量计算，二次风量的给 定通过在相应高度位置的气相方程添加质量源实现，固体物料从顶部排出。氧气浓度预测采用商业软件提供的计算接口程序进行编译运行。图 5为氧气截面平均浓度沿提升管高度的分布，本发明的模拟结果(一) 与实验值(■)吻合较好，而不考虑结构的直接模拟结果(--)则相差 较大。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非 限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人 员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本 发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当 中。
权利要求
1、测量颗粒流体两相流反应器内组分浓度分布的方法，包括如下步骤S1，计算颗粒流体两相流反应器测量区域内每个微元内的质量守恒方程、动量守恒方程，得到每个微元的流固速度( id="icf0001" file="A2007100654320002C1.tif" wi="5" he="5" top= "62" left = "132" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/> id="icf0002" file="A2007100654320002C2.tif" wi="4" he="4" top= "62" left = "139" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>)和颗粒浓度分布εs；S2，获得稀密相结构参数在空间的离散分布构成的矩阵，分别为[f]，[εgc]，[εgf]，[dcl]， id="icf0003" file="A2007100654320002C3.tif" wi="11" he="7" top= "94" left = "61" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/> id="icf0004" file="A2007100654320002C4.tif" wi="11" he="6" top= "94" left = "73" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/> id="icf0005" file="A2007100654320002C5.tif" wi="11" he="6" top= "94" left = "84" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/> id="icf0006" file="A2007100654320002C6.tif" wi="11" he="6" top= "94" left = "95" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/> id="icf0007" file="A2007100654320002C7.tif" wi="7" he="5" top= "95" left = "107" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/> id="icf0008" file="A2007100654320002C8.tif" wi="7" he="5" top= "95" left = "115" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/> id="icf0009" file="A2007100654320002C9.tif" wi="8" he="5" top= "95" left = "124" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>其中 id="icf0010" file="A2007100654320002C10.tif" wi="5" he="5" top= "95" left = "144" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>代表稀相流体表观速度， id="icf0011" file="A2007100654320002C11.tif" wi="6" he="6" top= "105" left = "50" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>代表稀相颗粒表观速度， id="icf0012" file="A2007100654320002C12.tif" wi="6" he="6" top= "105" left = "109" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>代表密相流体表观速度， id="icf0013" file="A2007100654320002C13.tif" wi="7" he="6" top= "106" left = "169" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>代表密相颗粒表观速度，f代表密相体积分数， id="icf0014" file="A2007100654320002C14.tif" wi="4" he="5" top= "117" left = "123" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>代表介观界面加速度， id="icf0015" file="A2007100654320002C15.tif" wi="5" he="5" top= "128" left = "22" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>代表密相加速度， id="icf0016" file="A2007100654320002C16.tif" wi="4" he="4" top= "128" left = "67" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>代表稀相加速度，dcl代表密相团聚物直径，εc代表密相空隙率；εf代表稀相空隙率；S3，获得稀相和密相的组分浓度(Xc，Xf)；S4，由稀相和密相的组分浓度计算微元内的流体平均密度，若所得到的流体平均密度和步骤S1中质量守恒方程和动量守恒方程采用的流体密度之差满足精度要求，则输出流固速度，颗粒浓度和组分浓度，并结束操作；否则，将计算得到的稀密相内流体平均密度代入步骤S1的质量守恒方程和动量守恒方程中，开始下一次迭代。
2、 根据权利要求1所述的测量颗粒流体两相流反应器内组分浓度 分布的方法，所述步骤S2具体包括如下步骤1)根据反应器整体操作条件，计算得到满足全局动力学的非稳态、非线性方程组的所有变量根的组合<formula>formula see original document page 2</formula>^;所述整体操作条件包括床内流体相表观速度&和固相表观速度t/s ;2) 从所有变量根的组合中，寻找满足极值条件为单位质量的颗粒 悬浮输送能量最小的最优根，得到其中的介观结构参数，所述介观结构 参数包括密相空隙率e。、稀相空隙率sf和团聚物直径《,；3) 由每个微元的流固速度(《,f7g)、颗粒浓度^和介观结构参数 (S。,Sf,《,)，在反应器的每个微元空间求解满足微观局部流动动力学非稳态、非线性方程组的所有变量根的组合；所述的变量根的组合包括稀 相流体表观速度(^，稀相颗粒表观速度《f，团聚物密相流体表观速度 R。，团聚物密相颗粒表观速度R。，密相体积分数/，介观界面加速度《， 密相加速度5。，稀相加速度5f，密相空隙率e。，稀相空隙率Sf和团聚物4) 由上步骤3)的变量根的组合，从中得到满足极值条件为单位质 量的颗粒悬浮输送能量最小的最优根；所有微元空间最优根的组合构成 稀密相结构参数在空间的离散分布的矩阵。
3、 根据权利要求1所述的测量颗粒流体两相流反应器内组分浓度 分布的方法，所述步骤S3具体包括如下步骤-1) 根据所述稀密相结构参数的空间分布所构成矩阵和相间质量交 换方程计算每一个微元内稀密相间质量交换速率；2) 根据所述稀密相结构参数的空间分布构成矩阵和微元内稀密相 间质量交换速率，在每一微元内求解稀相和密相组分传质方程，得到稀 相和密相的组分浓度。
4、 根据权利要求2或3所述的测量颗粒流体两相流反应器内组分浓度分布的方法，所述非稳态、非线性方程组包括单位体积微元空间内，浓相团聚物颗粒曳力,d,。平衡方程附^=^^^,一1"一;《=(A _Pg)(1_—1);单位体积微元空间内，稀相颗粒受曳力Fd，f平衡方程单位体积微元空间内介观相界面的曳力Fdi平衡方程附A=^7^cD''5Pglt7sup'il^p'if《=/(A—Pg)(￡g-￡c)(5i—f);颗粒和流体相的质量守恒方程eg=/sc+(l-/)ef;其中，p表示密度，其下标的意义将在后面介绍；《。表示密相流体 表观速度；f^表示稀相流体表观速度，《。表示密相颗粒表观速度；《f 表示稀相颗粒表观速度；^ip，。表示密相颗粒流体滑移速度；《,ip,f表示稀 相颗粒流体滑移速度；Rip，i表示相间滑移速度；^表示平均空隙率；s。表 示密相空隙率；Sf表示稀相空隙率；d表示颗粒直径；《,表示团聚物直 径；5。表示密相加速度；5f表示稀相加速度；《表示介观界面加速度；f 表示重力加速度；下标g表示流体相；下标s表示固相；下标c表示浓 相；下标f表示稀相，下标i表示介观相；C。，。表示密相平均单颗粒曳 力系数；C。,f表示稀相平均单颗粒曳力系数；C。,i表示介观相间平均单个 团聚物曳力系数，m。代表单位床层中密相颗粒个数，附f代表单位床层中稀相颗粒个数，附,代表单位床层中团聚物个数，具体如下: CD,f =(24 + 3.6Rer7)/(Resf47),Ref =《P,slip,f|///g CD,c=(24 + 3.6R<formula>formula see original document page 5</formula>各表观滑移速度为 <formula>formula see original document page 5</formula><formula>formula see original document page 5</formula>团聚物直径为<formula>formula see original document page 5</formula>其中，下标mf代表^=^时的广义最小流化状态，u代表最小流 化状态时的空隙率，下标max代表Sg-^J寸的稀疏极限状态，s^为存 在颗粒团聚的最大空隙率；&代表单位质量的颗粒悬浮输送能量，极值条件为单位质量的颗粒悬浮输送能量最<formula>formula see original document page 5</formula>
5、根据权利要求3所述的测量颗粒流体两相流反应器内组分浓度分布的方法，所述相间质量交换方程为<formula>formula see original document page 5</formula>所述密相组分传质微分方程为:<formula>formula see original document page 6</formula>所述稀相组分传质微分方程为<formula>formula see original document page 6</formula>其中，/v表示密相流体密度；^表示稀相流体密度；C7g。表示密相 流体表观速度；〖^表示稀相流体表观速度；^表示平均空隙率；s。表示 密相空隙率；Sf表示稀相空隙率；亿表示分子扩散速率；/表示团聚物 密相体积分率；、表示团聚物密相内颗粒流体传质系数； 表示稀相 内颗粒流体传质系数；fl,表示颗粒比表面积； 表示单位床层团聚物的 外比表面积密相向稀相传质项；附^表示稀密相间质量交换速率；《表 示团聚物直径；f表示时间；x。表示密相组分浓度；^表示稀相组分浓度； ^rf表示颗粒表面组分浓度；上述参数设置如下<formula>formula see original document page 6</formula>
6、根据权利要求1所述的测量颗粒流体两相流反应器内组分浓度页分布的方法，所述颗粒流体两相流反应器是流化床反应器或气固并流提 升管反应器。
7、根据权利要求5所述的测量颗粒流体两相流反应器内组分浓度 分布的方法，通过有限容积法或有限差分法或有限元法求解所述稀相和 密相组分传质方程。
全文摘要
测量颗粒流体两相流反应器内组分浓度分布的方法，包括如下步骤S1，计算颗粒流体两相流反应器测量区域内每个微元内的质量守恒方程、动量守恒方程，得到每个微元的流固速度和颗粒浓度分布；S2，获得稀密相结构参数在空间的离散分布构成的矩阵；S3，获得稀相和密相的组分浓度；S4，由稀相和密相的组分浓度计算微元内的流体平均密度，若流体平均密度满足精度要求，则输出流固速度，颗粒浓度和组分浓度，并结束操作；否则，将计算得到的稀密相内流体平均密度代入步骤S1中，开始下一次迭代。本发明将多尺度流动结构引入到颗粒流体传质测量过程中，充分考虑了局部传质的不均衡性，更加准确地测量颗粒流体两相流反应器内组分浓度分布。
文档编号G06F17/00GK101285753SQ20071006543
公开日2008年10月15日 申请日期2007年4月13日 优先权日2007年4月13日
发明者李静海, 维 王, 董卫刚 申请人:中国科学院过程工程研究所