[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

一種顆粒密度和粒徑動態變化流化床的模擬方法，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；該方法采用計算流體力學方法對顆粒密度和粒徑動態變化的流化床進行模擬研究，結合描述顆粒相密度和粒徑變化規律的數學模型對顆粒的密度和粒徑進行實時修正，通過顆粒類型分段曳力模型描述多種顆粒類型并存體系的氣?顆粒相間作用力，從而準確預測顆粒密度和粒徑動態變化流化床內的流動反應特性。該方法無需進行大量復雜昂貴的實驗研究，可以節約大量的人力、物力及時間成本。

技術領域

本發明涉及流體力學領域，具體涉及一種基于計算流體力學預測顆粒密度和粒徑動態變化流化床的模擬方法。

背景技術

流化床內的固體顆粒在流體的作用下具有流體某些表觀特性，顆粒表面全部暴露于周圍劇烈湍動的流體中，從而強化了傳熱、傳質和化學反應，因此廣泛用于工業領域如生物質、煤等固體燃料的熱解、燃燒或氣化等過程。流化床內生物質或煤等顆粒的密度和粒徑隨著熱解、燃燒或氣化等非均相化學反應的進行往往發生動態變化，表現出一定的密度和粒徑變化規律，影響著流化床內的流動反應特性。計算流體力學是對研究對象建立流動反應模型并采用計算機和離散化的數值方法進行數值模擬和分析的一種方法。該方法不受現有實驗技術的限制，可以全面、高效且低成本地揭示流化床內的流動反應特性，因此廣泛應用于流化床的研究當中。

準確描述反應器內氣相和顆粒的性質以及各種相互作用力是精確預測流化床反應器流動反應特性的重要基礎。對于顆粒密度和粒徑動態變化的流化床，在數值模擬時需要注意以下兩點：

(1)顆粒的密度和粒徑分布：目前大部分模擬工作均假設顆粒在非均相化學反應過程中粒徑保持恒定不變，這與流化床反應器內的真實情況相差甚遠，從而嚴重影響著模擬結果的準確性。雖然申請者之前的專利提出了一種基于計算流體力學流化床內顆粒密度和粒徑分布預測方法(201510079554.X)，但是由于該發明僅能用于單組分一步反應機理，無法適用于更為復雜準確的多組分多步平行-順序反應機理。

(2)顆粒的類型：Geldart依據顆粒的密度和粒徑等性質將顆粒分成具有不同流態化特征的A、B、C及D類顆粒。在顆粒密度和粒徑動態變化的流化床，極有可能同時存在著不同類型的顆粒。對于不同類型顆粒，其氣-顆粒相間作用力(曳力)的計算方法存在較大的差異。而目前的模擬工作尚未考慮到顆粒類型可能發生的變化，對于指定的流化床反應器僅采用單一類型顆粒的曳力模型，難以準確描述多種顆粒類型并存體系的氣-顆粒相間作用力。

因此，現有的模擬方法難以準確預測顆粒密度和粒徑動態變化流化床內的流動反應特性，無法為此類反應器的精準調控、優化設計及過程放大提供理論基礎。

發明內容

為了解決現有技術存在的問題，本發明的目的在于提供一種顆粒密度和粒徑動態變化流化床的模擬方法，該方法采用計算流體力學方法對流化床進行模擬研究，結合描述顆粒相密度和粒徑變化規律的數學模型對顆粒的密度和粒徑進行實時修正，通過顆粒類型分段曳力模型描述多種顆粒類型并存體系的氣-顆粒相間作用力，從而準確預測顆粒密度和粒徑動態變化流化床內的流動反應特性。該方法不受現有實驗技術的限制，可以全面、高效且低成本地揭示流化床內的流動反應特性，為此類反應器的精準調控、優化設計及過程放大提供理論基礎。

為達到以上目的，本發明采用如下技術方案：

一種顆粒密度和粒徑動態變化流化床的模擬方法，包括以下步驟：

步驟一、流化床內基本流動反應模型的建立

基于歐拉-歐拉方法，將氣相和顆粒相均看作連續相，采用顆粒動力學理論描述顆粒相性質，顆粒相可以為一種或多種，根據實際情況確定，

氣相連續性方程：

顆粒相連續性方程：