基于Fluent模擬氣固循環(huán)流化床反應器內流化情況

2017-01-11  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網

基于Fluent模擬氣固循環(huán)流化床反應器內流化情況

1. 模擬原理和結果

采用Fluent計算流體力學軟件,建立數學理論模型基,于雙歐拉模型對氣固循環(huán)流化床反應器內流動特性進行數值模擬。

雙流體模型具有嚴格的理論性、計算量小、應用范圍廣等特點,是目前描述氣固兩相流,尤其是稠密氣固兩相流最先進的模型之一。

首先,列出氣相和顆粒相質量守恒方程(連續(xù)性方程)。 其中,顆粒相粘性力,對于該力在經典的方法中把它表示為三部分之和,即壓力梯度、顆粒的碰撞粘度與動力粘度之和。

不同的動力粘度的表達式,即構成不同雙歐拉模型,一般有Syamlal et al與 Gidaspow et al 兩種表達關系式。然后利用有限體積法法建立離散方程,即控制容積積分法,該方法的優(yōu)點在于它具有較為明確的物理意義,因為它在整個計算區(qū)域,質量、動量及能量這些物理量的積分守恒都可以得到精確的滿足。

最后通過設置步長和松弛因子等,再通過不斷地迭代,可以模擬出不同組分在氣固循環(huán)流化床反應器中的流化情況,結果如下。

1.1 丙烷的流化情況

在0~10s內,每隔1秒,反應物丙烷的流化情況如圖1所示。

圖1. 0~10s內反應物丙烷的流化情況

從上圖中可以得出結論,隨著時間的不斷增加,氣固循環(huán)流化床反應器中反應物丙烷的湍動程度越來越劇烈,反應物丙烷的摩爾濃度不斷減小。

在0~10s內反應物丙烷的摩爾濃度隨氣固循環(huán)流化床的高度變化而變化的情況如圖2所示。

圖2. 反應物丙烷的摩爾濃度隨氣固循環(huán)流化床的高度變化而變化的情況

從上圖中可以看出,隨著氣固循環(huán)流化床的高度的不斷增加,反應物丙烷的摩爾濃度先急劇減小,后急劇增大,最后再緩慢減小與增大,進行著波動,這與反應物丙烷的湍動程度有一定的關系。

1.2 氧氣的流化情況

在0~10s內,每隔1秒,反應物氧氣的流化情況如圖3所示。

圖3. 0~10s內反應物氧氣的流化情況

從上圖中可以得出結論,隨著時間的不斷增加,氣固循環(huán)流化床反應器中反應物氧氣的湍動程度越來越劇烈,反應物氧氣的摩爾濃度不斷減小。

在0~10s內反應物氧氣的摩爾濃度隨氣固循環(huán)流化床的高度變化而變化的情況如圖4所示。

圖4. 反應物氧氣的摩爾濃度隨氣固循環(huán)流化床的高度變化而變化的情況

從上圖中可以看出,隨著氣固循環(huán)流化床的高度的不斷增加,反應物氧氣的摩爾濃度先急劇減小,后急劇增大,最后再緩慢減小與增大,進行著波動,這與反應物氧氣的湍動程度有一定的關系。

1.3 丙烯酸的流化情況

在0~10s內,每隔1秒,生成物丙烯酸的流化情況如圖5所示。

圖5. 0~10s內生成物丙烯酸的流化情況

從上圖中可以得出結論,隨著時間的不斷增加,氣固循環(huán)流化床反應器中生成物丙烯酸的湍動程度越來越劇烈,生成物丙烯酸的摩爾濃度不斷增大。

在0~10s內生成物丙烯酸的摩爾濃度隨氣固循環(huán)流化床的高度變化而變化的情況如圖6所示。

圖6. 生成物丙烯酸的摩爾濃度隨氣固循環(huán)流化床的高度變化而變化的情況

從上圖中可以看出,隨著氣固循環(huán)流化床的高度的不斷增加,生成物丙烯酸的摩爾濃度先急劇增大,后急劇減小,最后再緩慢增大與減小,進行著波動,這與生成物丙烯酸的湍動程度有一定的關系。

1.4水的流化情況

在0~10s內,每隔1秒,生成物水蒸氣的流化情況如圖7所示。

圖7. 0~10s內生成物水蒸氣的流化情況

從上圖中可以得出結論,隨著時間的不斷增加,氣固循環(huán)流化床反應器中生成物水蒸氣的湍動程度越來越劇烈,生成物水蒸氣的摩爾濃度不斷增大。

在0~10s內生成物水蒸氣的摩爾濃度隨氣固循環(huán)流化床的高度變化而變化的情況如圖8所示。

圖8. 生成物水蒸氣的摩爾濃度隨氣固循環(huán)流化床的高度變化而變化的情況

從上圖中可以看出,隨著氣固循環(huán)流化床的高度的不斷增加,生成物水蒸氣酸的摩爾濃度先急劇增大,后急劇減小,最后再緩慢增大與減小,進行著波動,這與生成物水蒸氣的湍動程度有一定的關系。

1.5 催化劑的流化情況

在0~1s內,催化劑的流化情況如圖9所示。

圖9. 在0~1s內催化劑在不同提升管高度下的流化情況(側視圖和俯視圖)

從上圖中可以看出,隨著氣固循環(huán)流化床的高度的不斷增加,催化劑的流化情況減弱,趨于均勻。

1.6氣固兩相的體積分數

1.6.1氣相的體積分數

在0~1s內氣相的體積分數隨氣固循環(huán)流化床的高度變化而變化的情況如圖11所示。

圖11. 在0~1s內氣相的體積分數隨氣固循環(huán)流化床的高度變化而變化的情況

1.6.2 固相的體積分數

在0~1s內固相的體積分數隨氣固循環(huán)流化床的高度變化而變化的情況如圖12所示。

圖12. 在0~1s內固相的體積分數隨氣固循環(huán)流化床的高度變化而變化的情況

1.7 氣相的壓力

在0~1s內氣相的壓力隨氣固循環(huán)流化床的高度變化而變化的情況如圖13所示。

圖13. 在0~1s內氣相的壓力隨氣固循環(huán)流化床的高度變化而變化的情況

1.7 求解殘差

在0~1s內求解殘差隨氣固循環(huán)流化床的高度變化而變化的情況如圖14所示。

圖14. 在0~1s內求解殘差隨氣固循環(huán)流化床的高度變化而變化的情況

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