提升管内气固流动行为的数值模拟

第22卷第5期

2006年10月化学反应工程与工艺ChemicaIReactionEngineeringandTechnoIogyVoI22，No5Oct.2006

1001-7631（2006）05-0445-06文章编号：

提升管内气固流动行为的数值模拟

汤颜菲 王嘉骏 冯连芳 顾雪萍

（浙江大学化学工程联合国家重点实验室聚合反应工程分室，浙江 杭州 310027）

摘要：应用计算流体力学软件FIuent，对空气为连续相、固相为催化裂化反应催化剂的循环流化床提升

管内的气固流动行为进行模拟。采用用户自定义函数引入颗粒与壁面的恢复系数和颗粒的镜面反射系数，

对颗粒在边壁处的部分滑移运动进行描述。采用不同的计算动力学模型及参数，数值模拟了径向颗粒浓

度、轴向床层压降的空间分布，以及用以描述颗粒脉动动能的颗粒温度与固含率的关系，并与文献报道的

实验和数值模拟结果进行对比分析。结果表明，选取的颗粒动力学理论模型及参数、颗粒部分滑移边界条

件及气固曳力模型，可计算得到合理的颗粒轴向及径向分布，验证了提升管中存在典型的径向环核流动结

构和轴向压降分布。进一步分析表明固含率显著影响颗粒温度，当固含率为0.05~0.1，颗粒温度存在转

折区。

关键词：提升管；气固多相流；颗粒动力学模型；计算流体力学

中图分类号：TO021.1；TO018 文献标识码：A

气固循环流化床以气固高效无气泡接触、传热及传质效果好等优势，近年来在石油化工、能源和环保领域得到越来越广泛的应用。循环流化床提升管段存在典型的环核流动结构以及颗粒团聚物，气固流动行为十分复杂。

多相计算流体力学发展的主流为双流体模型，其将颗粒相看作是拟流体相，气固两相动量方程都

［1~3］由Navier-stokes方程描述。savage等在类比稠密气体分子运动理论的基础之上，建立并发展颗粒

动力学理论，推导出颗粒温度的概念来描述颗粒相应力表达式，有效地封闭了欧拉场的守恒方程组，为气固多相流模型的发展提供新思路。定义颗粒温度用以衡量颗粒脉动能量的大小，Gidaspow和［4］Lu研究了提升管局部固含率对颗粒温度的影响，得到了简单的对应关系。颗粒温度与固含率等宏观变量有直接联系，但关于这方面的研究仍然很缺乏。

本工作基于气固两相欧拉双流体模型及颗粒动力学理论模型，应用计算流体力学软件FIuent6.1，并引入用户自定义函数，对提升管内气固两相流动进行数值模拟。通过考察床层轴向压降、局部颗粒浓度空间分布以及颗粒温度与固含率的关系，对提升管内的气固多相流动行为及数值模型的建立及应用有了深入的了解。

1 气固两相流模型设置

采用EuIerian双流体模型对气固二维提升管进行模拟。双流体模型认为气固两相在网格内可以相

［5］互渗透，并具有各自的体积、速度和压力，两相流动控制方程见FIuent用户手册。为了封闭方程，

［3］固相压力和粘度可由颗粒动力学理论计算，气固相互作用则通过Gidaspow曳力模型来实现。

1.1 两相流动控制方程

连续性方程：!!"）+呷 （!i"iui）=0， !tiiz"i=0（1）收稿日期：2006-01-16；修订日期：2006-04-13

，女，硕士研究生；王嘉骏（1973-），男，副教授，通讯联系人。EmaiI：mixer@作者简介：汤颜菲（1981-）

基金项目：国家自然科学基金重大项目（20490200）

446

： 动量方程 化学反应工程与工艺 2006年l0月!p U）+呷 （pi iUiUi）=- i呷p+呷 Ti-B（Ui-U ）+pi ig!tiii（2）

!."#颗粒动力学理论

颗粒动力学理论考虑了颗粒与颗粒、颗粒与气体相互作用产生的能量传递与耗散，完整地描述了颗粒的脉动行为，其核心是定义颗粒温度@和表征颗粒碰撞概率的径向分布函数g0。本计算体系选

［3，4］（3）~（l0），颗粒温度满足偏微分的能量方程。取的模型描述见公式

颗粒温度的定义式：

l22l2l222 O=zUi-Um）@=Or+O9+Oz）=Or+Oz，333Ni=l径向分布函数：

颗粒压力：

颗粒相容积粘度：

颗粒相剪切粘度：

2MS，dil4MS=l+l+e）g0 S（l+e）g05g0=N（3）(l-( )) SS，maxl-l（4）（5）（6） S= SpS@+2 S2p（g0@Sl+e）ES=32@2g（） SpSd（Sl+e）04"()2+42@l/2g（），SpSd（Sl+e）05"（7）

MS，dil=5l/2pSdS@96

对于弹性球体碰撞，颗粒温度满足如下偏微分能量方程：

3（I@）-v p@）+呷 （ SpS@US）=TS 呷US+呷 2!tSS()（8）

能量传递系数：

2Idil6I=l+l+e）g0 S（l+e）g05()2+2 S2pSd（g（Sl+e）0@2），"（9）

Idil=

碰撞能耗散：

!.$#边界条件v=75l/2pSdS@384pS S@23/2l2（l-e2）g0，SSdS（l0）

提升管内颗粒与壁面发生碰撞，引发一系列的能量传输，影响颗粒在近壁区的流动行为，合理的

［6］边界条件对提升管内的气固流动行为模拟十分重要，计算中颗粒采用Jolnson和Jackson部分滑移边

界条件，通过用户自定义函数UDF嵌入Fiuent计算，气相为无滑移边界条件。模拟时取镜面反射系数L经验值为0.0l，颗粒与壁面的恢复系数ew为0.9。

颗粒速度边界条件：

颗粒温度边界条件：US，w=-A6MS S，!US，wmax， A=!IL Sg0!@w+B2@w=-Bl!I（ll）（l2）

（l3）3/23/2"LpS SUS2"（l-ew2）pS Sg0@I@，Slipg0@Bl=， B2=， vw=6 S，4 S，vwvmaxwmax

［4］值较低。Gidaspow和Lu指出当固含率趋于0时，颗粒温度急剧减小，存在奇点，其规律还有待于

进一步的研究。而当固含率大于0.1，颗粒主要是以颗粒团的形式运动，单颗粒运动的平均自由程减小，颗粒脉动能量降低，颗粒温度值很小且随固含率的变化不显著。当固含率处于0.05~0.1，颗

［11］粒处于单颗粒和颗粒团共存的过渡区，颗粒温度值发生转折。郑雨等也认为固含率是影响颗粒温

度的重要因素，一定条件下固含率的变化会导致颗粒微相结构存在一个突变的过程，从单颗粒为主快速过渡到颗粒团聚为主的运动形式，从而直接影响到颗粒的微观脉动行为，导致颗粒温度的突变。!"结"论

应用计算流体力学软件Fiuent，对提升管内气固两相流动行为以及反映颗粒脉动动能的颗粒温度与宏观变量固含率的关系进行研究。采用用户自定义函数引入颗粒与壁面的恢复系数、颗粒的镜面反射系数，对颗粒在边壁处的部分滑移运动进行描述。模拟计算得到了颗粒相浓度径向分布典型的环核流动结构，表明所选取的颗粒边界条件及径向分布函数是合理的；与Benyahia等的数值结果对比表明，考虑到稀浓两区不同的气固作用，主要由气固曳力模型决定的轴向床层压降分布模拟值与实验值更为吻合。宏观变量固含率显著影响微观颗粒脉动，颗粒温度在固含率为0.05~0.1时产生转折，这是颗粒的微相结构发生变化造成的，颗粒运动从单颗粒过渡到颗粒团为主。模拟结果与实验值还存在偏差，模型有待于进一步完善。

符号说明

ds

e

p

ui

um———————————————颗粒直径，m颗粒间恢复系数压力，Pa瞬时颗粒速度，m s-1平均颗粒速度，m s-1t!s"s#s$———————————————时间，s颗粒体积分率颗粒剪切粘度，Pa s颗粒密度，kg m-3标准偏差

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ZhengYu，LiuFei，WeiFei，etai.NumericaiSimuiationoftheGas-ParticieFiowBehaviourinRisers.JournaiofChemicaiEngineeringofChineseUniversities，2003，3（17）：304~313

CFDSimulationofGasandSolidFlowBehaviorinaRiser

TangYanfei WangJiajun FengLianfang GuXueping

（StateKeyLaboratoryofChemicaiEngineering，ZhejiangUniversity，Hangzhou 3l0027，China）

Abstract： Gas-particiefiowbehaviorintherisersectionofacircuiatingfiuidizedbed（CFB）wassimuiatedusingcomputationaifiuiddynamics（CFD）software-Fiuent.Thekinetictheoryofgranuiarfiow（KTGF）wasappiiedtodescribethegranuiarpressureandstresstociosethegoverningeguations.Fiuidcataiyticcrack-ing（FCC）particiesandairwereusedasthesoiidandgasphases，respectiveiy.Thepart-siipboundarycon-ditionofsoiidwasdescribedusingtheuserdefinedfunctionintheFiuent.Toidentifythevaiidityofthemodeiandvariousconditionsadoptedinthissimuiation，gasandparticiefiowprofiieswereobtainedfortime-averagedradiaisoiidvoiumefractionandaxiaibedpressuredrop.Furthermore，thetypicaicore-annuiarfiowstructurewasobserved.Thegranuiartemperaturewhichisthescaieofthefiuctuantenergyofsingieparticiecouidbepredictedbysimuiation.Itwasinvestigatedthatthegranuiartemperaturewasreiatedwithsoiidvoiumefrac-tion.Whensoiidvoiumefractionrangedfrom0!0lto0!05，granuiartemperaturewasinthetransitionregionfromdispersedvaiuestoweii-reguiatedones.

Keywords：riser；gasandsoiidmuitiphasefiow；kinetictheoryofgranuiarfiow；computationaifiuiddy-

namics

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4-丁二醇生产工艺日三菱化学改进l，

4-丁二醇生产工艺中的乙酰氧基化反应一直采用固定床反应器，从顶部丁二烯法l，

3-丁二烯、醋酸和空气，以滴流床方式反应。为避免反应器入口处氧气与l，3-加入l，

丁二烯的组成进入爆炸范围，将氧浓度低的反应器出口气体与循环空气相混合，以控制氧浓度在爆炸极限以下，因此为了确保反应所需的氧气分压，必须在9Mpa高压下反

3-丁二烯与醋酸液体中混入微细气泡形式的空气，从固定床反应器应。改进的工艺是l，

底部加入原料，器内连续相为液相，以固定床上流式反应。反应可在较低压力下进行，采用液体循环的方式除去反应热。还开发了适应固定床上流式操作的催化剂与催化剂装填方式，解决了催化剂流动磨损，微细气泡空气混入液相时发生气相爆炸等问题。因此

4-丁二醇可省去气体循环压缩机，降低设备费用和电耗。采用该改进工艺的5万t/al，

装置自2002年9月投入运行，已连续稳定操作3a。

：92摘自 日petroTech，2006，29（2）

提升管内气固流动行为的数值模拟

作者：

作者单位：

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年，卷(期)：

被引用次数：汤颜菲， 王嘉骏， 冯连芳， 顾雪萍， Tang Yanfei， Wang Jiajun， Feng Lianfang， Gu Xueping浙江大学化学工程联合国家重点实验室聚合反应工程分室,浙江,杭州,310027化学反应工程与工艺CHEMICAL REACTION ENGINEERING AND TECHNOLOGY2006,22(5)1次

参考文献(10条)

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引证文献(1条)

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本文链接：/Periodical_hxfygcygy200605012.aspx

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