劉懷雙 代曉峰 馮海燕

山東華魯恒升化工股份有限公司 山東 德州 253000

引言

流化床反應(yīng)器在具體應(yīng)用過程中具有很好的優(yōu)勢(shì)以及相應(yīng)的特點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，具備良好的混合效果，與此同時(shí)不需要投資過多。流化床反應(yīng)器能夠應(yīng)用到乙烯氣相聚合工藝中，在具體應(yīng)用過程中，不需要很長(zhǎng)的工藝流程，不需要使用太多的材料和溶劑，在生產(chǎn)全密度聚乙烯時(shí)，流化床反應(yīng)器能夠起到很好的作用，氣固流化床在多種乙烯工藝中都得到了很好的應(yīng)用，例如Spherilene聚乙烯工藝和Borstar工藝等。所以要科學(xué)合理的研究加壓條件下氣固流化床內(nèi)的流動(dòng)特性。

1 流化床特性

1.1 鼓泡流化床氣固流動(dòng)特性

目前在化工以及能源等行業(yè)中，加壓流化床得到了廣泛的應(yīng)用，這與硫化肽技術(shù)的發(fā)展有著一定的聯(lián)系。目前在研究和分析鼓泡流化床時(shí)，主要考慮到的是臨界流化風(fēng)速以及氣泡尺寸等各項(xiàng)因素。

1.1.1 臨界流化風(fēng)速。臨界流化風(fēng)速在相應(yīng)的工業(yè)設(shè)計(jì)和實(shí)際運(yùn)行過程中是比較基礎(chǔ)的參數(shù)。所以在對(duì)臨界流化風(fēng)速進(jìn)行確定時(shí)，要考慮到不同壓力以及不同溫度下的變化情況。目前在對(duì)最小臨界流化風(fēng)速進(jìn)行確定時(shí)，主要是依據(jù)操作壓力。

1.1.2 氣泡特性。流化床內(nèi)的顆粒在混合以及循環(huán)等過程中會(huì)受到氣泡運(yùn)動(dòng)的影響，主要會(huì)影響到埋管的換熱特性。氣泡的運(yùn)動(dòng)特性與硫化狀態(tài)以及相關(guān)的因素有著很大的聯(lián)系，氣固兩相，在進(jìn)行傳質(zhì)時(shí)會(huì)受到氣泡上升的影響啊，這主要是因?yàn)槠鋾?huì)與乳化相有一定程度的交換，在此過程中燃燒過程會(huì)受到氣泡運(yùn)動(dòng)特性的影響。目前在對(duì)氣泡特性進(jìn)行研究時(shí)，在加壓條件下，氣泡的尺寸以及上升速度會(huì)受到操作壓力的影響，隨著壓力的升高，相應(yīng)的參數(shù)會(huì)有所降低。

1.1.3 顆粒運(yùn)動(dòng)。相關(guān)人員在對(duì)三維氣固鼓泡流化床進(jìn)行研究時(shí)，主要采用的是雙流體模型，在此基礎(chǔ)上開展了數(shù)值模擬研究，在對(duì)顆粒的流動(dòng)性進(jìn)行分析時(shí)，考慮到了壓力條件的不同，并且探討了過于風(fēng)速對(duì)其產(chǎn)生的影響，主要考慮的對(duì)象是床層壓力波動(dòng)，氣泡和顆粒的流動(dòng)性等。最終的研究結(jié)果表明，空隙率分布，如果是在高操作壓力條件下，那么具備很好的均勻性，床層中氣泡的位置與其尺寸有著很大的聯(lián)系。在具體操作過程中，如果壓力處于1bar~2bar，那么隨著壓力的升高，氣泡的上升速度會(huì)有一定程度的增大，如果壓力過于大那么氣泡上升的速度會(huì)與壓力增加的速度成反比。傳承中心軸線處的顆粒流率，在較高的操作壓力條件下會(huì)呈現(xiàn)出比較大的狀態(tài)。

1.1.4 壓力波動(dòng)。在測(cè)量流化床中的氣固間流動(dòng)狀態(tài)時(shí)具備一定的難度，這主要是因?yàn)槠淞鲃?dòng)狀況比較復(fù)雜。流化床內(nèi)氣固兩相間的流動(dòng)特性能夠通過壓力信號(hào)進(jìn)行很好的體現(xiàn)，這主要是因?yàn)榇搀w幾何特性以及顆粒特性等各種因素能夠綜合反映出傳統(tǒng)的壓力信號(hào)，在此基礎(chǔ)上能夠很好地對(duì)綜合的動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行明確。

1.2 循環(huán)流化床氣固流動(dòng)特性

目前循環(huán)流化床在很多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，包括煤燃燒以及生物質(zhì)資源化利用等，這主要是因?yàn)槠渚邆浜芎玫膬?yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)高效性和低污染性。循環(huán)流化床中氣固混合以及顆粒運(yùn)動(dòng)等會(huì)受到顆粒濃度軸徑向分布等特性的影響。館內(nèi)的壓力分布以及顆粒停留的時(shí)間等，能夠通過提升管中的顆粒分布狀況進(jìn)行相應(yīng)的改變，除此之外，顆粒分布狀況還決定了氣固與化床壁面之間的換熱特性。流化分?jǐn)?shù)以及顆粒循環(huán)流率等都會(huì)影響到循環(huán)流化床中的氣固兩相流動(dòng)，除此之外，操作壓力以及氣固兩相間的相互作用等也是主要的影響因素。反應(yīng)器要想實(shí)現(xiàn)高效傳熱傳質(zhì)，那么就要保證氣固流動(dòng)狀態(tài)的良好，這樣才能夠有效地進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。目前國(guó)內(nèi)外都非常重視研究和分析，循環(huán)流化床中的氣固流動(dòng)特性。

1.2.1 顆粒濃度分布。有關(guān)人員在對(duì)床體結(jié)構(gòu)參數(shù)以及操作參數(shù)等進(jìn)行研究和分析時(shí)，都是在加壓條件下進(jìn)行的，結(jié)構(gòu)參數(shù)包含了反料器操作參數(shù)包含了床料量以及操作壓力等，相關(guān)參數(shù)的變化會(huì)影響到氣固流動(dòng)特性。最終的研究結(jié)果表明，如果壓力是不斷增加的那么對(duì)顆粒濃度進(jìn)行提升，最終會(huì)導(dǎo)致呈上小下大的分布規(guī)律，在此過程中，如果流化風(fēng)速逐漸增大，那么其分布會(huì)逐漸均勻。管上部區(qū)域的表觀顆粒體積分?jǐn)?shù)與操作壓力有著一定的聯(lián)系，如果流化風(fēng)速以及床料量是不變的，那么提高操作壓力能夠提升體積分?jǐn)?shù)。提升管內(nèi)的顆粒濃度分布狀況，不會(huì)隨著反料器之間的改變而發(fā)生變化，管頂部的顆粒濃度能夠使用凸頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行提升。

1.2.2 氣固滑移特性。在對(duì)循環(huán)流化床系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以及運(yùn)行時(shí)，要科學(xué)全面的認(rèn)識(shí)氣固流動(dòng)特性。床內(nèi)氣固兩相間存在著動(dòng)量以及熱量方面的交換，在此過程中提升管內(nèi)的氣固滑移特性會(huì)對(duì)其產(chǎn)生很大的影響[1]。目前在分析研究氣固滑移特性時(shí)，會(huì)在常壓條件下對(duì)循環(huán)流化床進(jìn)行相應(yīng)的分析。

2 研究方法

2.1 模擬對(duì)象和方法

該文章在進(jìn)行模擬分析和研究時(shí)，主要是對(duì)加壓條件下的氣固兩相流動(dòng)進(jìn)行模擬分析，相應(yīng)的數(shù)據(jù)在生產(chǎn)時(shí)主要應(yīng)用的是聚乙烯裝置。所使用的固體顆粒直徑都是均勻的屬于聚乙烯顆粒，無形參數(shù)與某乙烯氣象聚合反應(yīng)器內(nèi)的氣體性質(zhì)都是比較接近的。在具體研究過程中使用到了流體動(dòng)力學(xué)軟件，在相應(yīng)的平臺(tái)上開展了具體的模擬計(jì)算。首先，需要繪制三維流化床集合體，所使用到的平臺(tái)是Workbench，繪制完成之后需要導(dǎo)出文件，隨后再定義各個(gè)部分，包括進(jìn)出口等。其次，上述文件在完成之后需要進(jìn)行導(dǎo)入，然后設(shè)置參數(shù)以及邊界條件。最后要開展具體的求解。

2.2 加壓條件下流化床CFD模型建立

在對(duì)氣固流化床進(jìn)行相應(yīng)的模擬時(shí)采用的是加壓條件，主要應(yīng)用流程模擬，在此過程中需要進(jìn)行科學(xué)合理的計(jì)算，要想保證結(jié)果的，正確就要選擇不同的網(wǎng)格數(shù)量，在對(duì)網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行確定，是要保證參數(shù)不變，然后對(duì)比不同的模型，在此過程中還需要考慮到床層壓降和膨脹比，在建立CFD模型時(shí)，要保證是在前沿條件下進(jìn)行的，隨后需要比較模擬值和計(jì)算值，在此過程中要考慮到壓降以及床層膨脹比等，最終確保所見到的模型具備一定的有效性。在確定邊界條件時(shí)，可以使用速度進(jìn)口以及壓力出口，氣體的速度方向要與入口有一定的垂直度，其大小要具備均勻性。氣體在壁面處沒有出現(xiàn)滑移的情況。氣固兩相在雙流體模型中能夠遵守動(dòng)量守恒方程，在對(duì)方程組進(jìn)行封閉時(shí)，采用的是顆粒流的動(dòng)力學(xué)理論。在對(duì)動(dòng)量交換系數(shù)進(jìn)行表達(dá)時(shí)，采用的是Wen&Yu曳力模型，在具體模擬過程中使用的是非穩(wěn)態(tài)模擬法，在離散控制方程時(shí)，采用的是一階迎風(fēng)格式。

3 結(jié)果與討論

該文章在對(duì)流體力學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算時(shí)使用的是乙烯氣象聚合流化床反應(yīng)器，并且是在加壓條件下進(jìn)行分析的，并且研究了相應(yīng)的流動(dòng)特性。

3.1 壓力對(duì)反應(yīng)器床層壓降的影響

圖1是床層的沿床壓降，并且是針對(duì)不同壓力條件下的情況進(jìn)行繪制的圖。由圖可以看出，如果壓力相同，并且高度在一定的范圍內(nèi)，那么壓降會(huì)隨著顆粒濃度以及床層高度的增加，而呈現(xiàn)出線性減小的情況。如果高度達(dá)到一定的值，壓降逐漸趨于常數(shù)，并且沒有固體顆粒。隨著高度范圍的不斷變化，床層內(nèi)固含率會(huì)受到床層高度的影響，如果高度增加那么床層內(nèi)固含率會(huì)出現(xiàn)略微減小的情況，表現(xiàn)在圖上則是曲線斜率有一定程度的減小。通過對(duì)壓降曲線進(jìn)行分析，可以看出，床層內(nèi)的壓降會(huì)隨著壓力的增大而提升，但是其高度是相同的。

圖1 不同壓力下床層沿床壓降

3.2 壓力對(duì)固含率分布的影響

圖2是床層固含率的軸向分布，同樣表征的是不同壓力條件下的分布情況。有圖可以看出長(zhǎng)存固含率會(huì)隨著周向高度的增加，而呈現(xiàn)出減小的狀況，并且是在同一壓力下所得到的，床層的上部和下部分為稀相區(qū)和密相區(qū)[2]。在此過程中出現(xiàn)了固含率增大的趨勢(shì)，這主要是因?yàn)榈撞抗毯试O(shè)置為0。在不同壓力條件下，固含率的變化情況是不同的，如果小于35cm那么同一高度的固含率會(huì)隨著壓力的降低而增大，如果是在35cm以上，那么同一高度的固含率會(huì)隨著壓力的減小而降低。長(zhǎng)城的膨脹高度會(huì)隨著壓力的增大而增加，逆向區(qū)的長(zhǎng)城會(huì)隨著固含率的下降而逐漸均勻。氣體密度會(huì)隨著壓力的增加而有一定程度的提升。

圖2 壓力對(duì)固含率軸向分布的影響

在5cm和20cm處，不同壓力下的固含率徑向分布情況。通過分布圖可以看出其具備一定的規(guī)律，一般情況下是中間均勻而周圍逐漸增大，該種結(jié)構(gòu)屬于環(huán)核結(jié)構(gòu)，在此過程中，顆粒的濃度是比較大的，尤其是大于中心區(qū)域，但是不具備較大的速度。通過分布圖可以看出固含率會(huì)隨著壓力的增大，而呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)。不同區(qū)域的壓力對(duì)固含率所產(chǎn)生的影響是不同的，在床層的中部所產(chǎn)生的影響是比較大的，該區(qū)域的固含率徑向分布會(huì)隨著壓力的增大，而呈現(xiàn)出均勻的趨勢(shì)。

3.3 壓力對(duì)顆粒速率的影響

該文章在探討壓力對(duì)速率所產(chǎn)生的影響時(shí)，對(duì)不同壓力條件下，可以走向速率的徑向分布情況進(jìn)行了比較。最終的結(jié)果表明，顆粒像速率會(huì)呈現(xiàn)出循環(huán)流動(dòng)的模式，并且具備中心向上以及4周向下的特點(diǎn)[3]。這主要是因?yàn)殡p層底部堆積的固體顆粒受到了顆粒流化的影響，而出現(xiàn)了向上運(yùn)動(dòng)的情況，在此過程中氣泡會(huì)出現(xiàn)破裂，顆粒會(huì)出現(xiàn)回落，最終形成像樣的循環(huán)結(jié)構(gòu)。床層底部顆粒相的上升速率和下降速率會(huì)隨著壓力的增大而有一定程度的增加，但是不會(huì)影響到中部的顆粒速率，這主要是因?yàn)閴毫?huì)大大的影響到床層底部的固含率。所以要想很好的保證流化床底部顆粒的流化，就要保證壓力增大，并且要確保流化速率的增大。

4 結(jié)束語

綜上所述，再分析和比較氣泡行為，軸徑向分部以及顆粒速率時(shí)，建立了相應(yīng)的CFD模型。最終的研究結(jié)果顯示，床層底部的顆粒速率，能夠通過壓力的升高而有一定程度的增加，在此基礎(chǔ)上床層的膨脹高度以及分布的均勻性都會(huì)得到有效的提升和改善。如果壓力以及氣含率都增大，那么氣泡的數(shù)量會(huì)增大，并且會(huì)出現(xiàn)破裂和合并。