论文部分内容阅读
针对中国石油大学(北京)重质油国家重点实验室提出的“双气固流态化反应过程直接耦合系统”，设计并搭建了一套大差异多元颗粒气固流化床冷态实验装置，既能实现两种大差异多元颗粒的有效混合，又能实现两种颗粒的有效分离。以此气固流化床为研究对象，采用实验考察和数值模拟两种方法对其中的多元颗粒混合、流动和分离进行了系统研究，为双气固流态化反应过程直接耦合奠定了理论基础。
考察了流化床内不同颗粒组成的混合颗粒的流动状况，包括床层内压降、床内颗粒轴向密度分布以及轴径向的粒径分布等；大差异双组份混合颗粒气固流化床的膨胀特性受两种单组份颗粒的床膨胀特性以及混合颗粒组成的共同影响，混合颗粒床的膨胀特性接近于颗粒含量高的单组份颗粒的膨胀特性；给出了密相床膨胀系数、稀相内轴向颗粒浓度分布的无因次化关联式；得到了不同比例大差异多元混合颗粒的起始流化速度、最小流化速度以及完全流化速度；利用Chiba关于完全分离体系的最小流化速度计算公式，计算出实验条件下的混合颗粒的最小流化速度，并将其与实验值进行对比，二者能够较好的吻合。
考察了流化床内两种大差异混合颗粒的分离情况，发现表观气速、混合颗粒平均停留时间、混合进料浓度为影响分级效率的主要操作因素；依托稀相夹带的湍流扩散模型，借用二元液体蒸馏的处理方法，建立了分级效率模型，给出了流化床分级效率的无因次化关联式；流化床床体结构对分级效率有一定影响，良好的气体分布板设计和顺畅的排气结构都有利于分级效率的提高；以此结果为指导，提出合适的大差异多元颗粒气固流化床结构改进方案，可用于今后更为详尽和细致地利用组合流化床进行大差异多元颗粒的混合、流动和分离的研究，并预测了改进后装置的最终分离效率。
全面考察了FCC催化剂颗粒稠密气固两相流动数值模拟计算中各因素的影响规律，发现曳力模型是最主要因素；在将流化床内的流动空间按不同的颗粒密度分为四部分，即密相段、次密相段、类快速床稀相段和极稀疏段的基础上，结合快速流化床内稀相曳力模型修正和颗粒当量直径修正密相床内曳力模型，提出了针对FCC催化剂颗粒的分段曳力模型，合理反映了FCC催化剂颗粒稠密气固流化床内的流动本质，并以此模型对实验工况进行了计算，计算结果与实验结果较为一致；进一步又考虑温度对FCC催化剂颗粒稠密气固流化床内流动的影响，建立了温度影响的FCC催化剂颗粒稠密气固两相流动模型，并将所建立的模型用于高温工业再生器内FCC催化剂颗粒流动的计算，计算结果与实验测量结果吻合很好。同时建立大粒径颗粒稠密气固流动模型用于实验工况的计算，结果吻合较好。
结合建立的FCC催化剂颗粒稠密气固流动模型和大粒径颗粒稠密气固流动模型，向其中添加颗粒—颗粒间作用力源项，结合实验现象确定了合适的颗粒间作用力模型和颗粒最大堆积比，建立了二元颗粒气固流动模型，以此模型进行大差异二元颗粒气固流化床的数值模拟研究，考察操作气速、颗粒组成、颗粒粒径和颗粒密度等因素对混合颗粒流动的影响，计算结果与实验得到的现象一致。利用建立的大差异二元颗粒稠密气固流动模型对实验工况进行计算，床层颗粒密度轴向分布规律与实验测量结果基本吻合，同时还计算得到了实验中无法得到的床层内部流动规律，验证了所建立模型的实用性和可靠性。