[發明專利]一種顆粒密度和粒徑動態變化流化床的模擬方法

有效

• 申請號: 201710313335.2
• 申請日: 2017-05-05
• 公開（公告）號: CN107132156B
• 公開（公告）日: 2019-05-10
• 發明（設計）人: 鐘漢斌;張君濤;梁生榮
• 申請（專利權）人: 西安石油大學
• 主分類號: G01N11/00
• 分類號: G01N11/00;G01N15/00;G06F17/50
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 弋才富

1.一種顆粒密度和粒徑動態變化流化床的模擬方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一、流化床內基本流動反應模型的建立；

步驟二、建立描述顆粒相密度和粒徑變化規律的數學模型；

步驟三、建立顆粒類型分段曳力模型；

步驟四、流化床內流動反應特性的預測；

基于流動反應模型和顆粒相密度和粒徑變化數學模型對流化床內密度和粒徑分布狀態進行模擬預測，首先根據流化床結構對模擬體系進行網格劃分，設置基本流動反應模型，輸入各化合物、顆粒的物性及反應動力學數據，定義出入口和壁面邊界條件，設置時間步長和收斂條件開始求解；求解時先計算氣-顆粒相曳力系數，然后求解連續性、動量和顆粒擬溫度方程，隨后求解能量方程，再求解組分方程，根據各組分含量和相應的顆粒密度和粒徑變化數學模型，對顆粒相密度和粒徑進行修正更新，若整個計算體系內連續性方程、動量方程、顆粒擬溫度方程、能量方程和組分方程兩側差值的絕對值之和均小于0.001，則計算結果收斂，否則不收斂；如不收斂則重復迭代，如收斂則判斷計算時間是否完成，如未完成則進入下一時間步進行求解，如完成則停止計算求解，導出模擬結果，獲得流化床內的流動反應特性；

步驟二具體為：

當顆粒在流化床內發生非均相化學反應時，多組分多步平行-順序反應，由以下反應式表示：

式中A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L為反應物和產物，下標n表示第n種組分，括號內s和g分別表示顆粒相組分和氣相組分，k1_n、k2_n、k3_n、k4_n、k5_n為相應的速率常數；

對于密度和粒徑動態變化的顆粒，其顆粒相密度變化數學模型可由下式表示：

式中Y_i和ρ_i分別為顆粒相中i組分的質量分數和密度；

而顆粒相粒徑變化數學模型，則可根據顆粒尺度的質量守恒，由顆粒相的質量和密度變化數學模型獲得，因此，需確定顆粒相的質量；

依據化學反應工程理論對反應式進行分析，對各顆粒相組分的生成\消耗速率建立一系列偏微分方程組，如下所示：

通過求解以上的偏微分方程組，即可獲得顆粒相各組分的質量，從而可確定顆粒相的總質量和各組分的質量分數，最終根據綜合密度變化數學模型方程(31)和顆粒尺度的質量守恒獲得顆粒相粒徑變化數學模型；

在求解偏微分方程時可采取兩種方法，一種是求解析解，適用于相對較為簡單的熱解機理；另一種是求數值解，適用于極其復雜的熱解機理；

(1)解析解法

該方法首先將各顆粒相組分的生成/消耗速率相比，即可消除反應時間項，獲得各顆粒相組分之間的關系式；再根據顆粒相組分質量分數和密度變化數學模型，結合顆粒尺度的質量守恒分析獲得粒徑變化數學模型；

(2)數值解法

對于極其復雜的熱解機理，由于組分數目多且反應步驟復雜，難以獲得反應速率偏微分方程組的解析解；但是可運用數學軟件對偏微分方程進行數值求解，獲得不同反應時間下各顆粒相組分的質量，進而求得不同反應時間下顆粒質量及各顆粒相組分的質量分數，在數學軟件中通過數據擬合的方法獲得顆粒質量與各顆粒相組分質量分數的關聯式，最后與密度變化數學模型結合進行顆粒尺度質量守恒分析獲得粒徑變化數學模型；

以上兩種方法所建立粒徑變化數學模型的通用形式為：

d_p＝f(Y_i,ρ_i)d_p0

式中d_p0為顆粒的初始粒徑。