提升管反应器油剂间传热传质及混合特性研究

以某炼厂180万t/a催化裂化装置提升管为模型,通过数值模拟研究了催化裂化初始原料油液雾(简称油雾)粒径对提升管反应器油剂间传热传质及混合特性的影响。结果显示,35μm油雾与70μm油雾相比,在低高度段油雾温度更低,且温度分布更加均匀;同一高度段油雾粒径越小油雾蒸发速度更快,35μm油雾达到98%蒸发量所需时间几乎是70μm油雾的一半;对于35μm油雾来说,催化剂在提升管中心的聚集效应较弱,在不同高度横截面上比70μm油雾的固含率低,且油气在横截面上分布的更加均匀,促使原料油与催化剂的均匀混合,有利于催化裂化反应,改善产品分布。

基于IDDES方法的受限撞击流反应器流动及混合特性

采用基于SSTk-ω模型的IDDES方法对CIJR内部的流动及混合过程进行数值模拟研究,较完整地识别了流场不同区域的大尺度涡结构,探讨了涡结构的生成和演化机制。讨论涡结构对相平均温度场和热通量场的影响,揭示了混合机理。研究结果表明:2股射流向圆顶区的交替偏转导致动量不相等,射流剪切层的自持振荡伴随涡旋的周期性运动,因此驻点出现周期性偏移现象。下游发展区K-H不稳定性的发展卷起大尺度展向涡。撞击区的流向涡对混合的促进作用局限在腔室轴线附近,下游发展区的展向涡能够激发大规模的热量输运,从而有效强化混合。

立式搅拌釜中固-液混合特性模拟研究

研究固-液混合特性对生产效率、能耗等指标的优化具有重要意义,实际生产中立式搅拌釜应用较多,本文采用CFD方法和DEM方法从颗粒密度、粒径、搅拌速度和初始液面高度等4个方面对立式搅拌釜的颗粒混合特性进行了数值模拟研究,并且从速度场、湍动能分布和颗粒混合度3个维度来评判颗粒的混合特性。结果表明,在这些影响因素中,颗粒密度和搅拌速度对混合特性的影响最大,特别是当颗粒密度为1200 kg/m3时,相对标准差值达到0.5左右,说明混合程度较好;搅拌速度越大,混合性能越好;颗粒粒径对混合性能的影响较小,但粒径越小,越容易悬浮,粒径增大,混合程度降低;初始液面高度的改变导致固含率的改变,但是对固液混合性能基本不产生影响。

多点喷射贫预混喷嘴燃料/空气混合特性研究

基于燃料喷射孔与叶片相耦合的发展趋势,提出了一种新型的带纯收敛出口段的贫预混喷嘴,其燃料喷射孔位于旋流器中空叶片上。验证了采用CO_(2)代替CH4研究混合特性的可行性,采用试验和数值计算相结合的方式研究了喷嘴关键结构参数(叶片角度、喷孔孔径和预混段长度)及气动参数(主流空气温度和压力)对喷嘴混合特性的影响。结果表明:旋流器叶片角度增大会增加旋流湍流度进而提高混合均匀度,而喷孔孔径通过控制穿透深度来影响燃料/空气混合特性,加长预混段尽管有利于混合更均匀,但同时会削弱旋流强度而影响燃烧室火焰稳定性。由于燃烧室流动处于“自模化区”,主流空气压力对混合均匀度无显著影响,而温度升高会缩短预混时间使混合均匀度降低。另外不同结构参数的喷嘴在回流区起始点所在截面的SMV (Spatial Mixing Variance)均低于5×10^(-4),验证了喷射孔与旋流器叶片相耦合的喷嘴能满足贫预混燃烧室混合均匀度要求。

一种连续流反应器内射流耦合搅拌流的混合特性

连续式搅拌反应器采用连续化工艺,可以保证生产过程的连续性,相较于传统反应器而言,连续式反应器内流场更复杂,进料口射流对于流场的影响较为明显。对传统的双层搅拌桨结构的微波反应釜进行连续化改造,基于计算流体力学CFD(Computational Fluid Dynamics)方法对不同射流方案下反应器内醇油混合液的流动及混合特性进行了数值模拟,得到反应器内混合液的流动特性和混合时间特征。结果表明:射流通过直接影响射流区的流场和改变反应器内的循环涡流位置间接影响全局流动;射流方向对于反应器内流型影响更大,逆时针射流时反应器内的速度梯度大,流体之间的剪切作用更强,混合性能最佳,相较于传统的间歇式搅拌反应器,混合时间缩短了33%。

群汊河道出口汇流断面污染物混合特性研究

准确预报群汊河道中污染物扩散范围与混合过程,可为工业和市政排放工程的设计、取水口保护区范围的确定、水资源保护等提供科学依据。选取存在3~5个分汊岛的群汊河道,开展不同上游流量和排污位置工况的3种典型群汊河道污染物输移物理模型试验,在群汊段各汊道布置污染物浓度测量断面。选取代表断面并计算污染物混合偏差程度值,分析不同上游流量和排污位置条件下,污染物浓度分布在群汊段沿程变化情况。计算群汊河道出口汇流断面的污染物混合偏差程度值,分析上游流量和排污位置对出口汇流断面浓度分布的影响。结果表明,在相同流量、同一排污位置条件下,断面混合偏差程度值沿程减小;在同一排污位置条件下,随着分汊岛数量的增多,群汊段出口汇流断面混合偏差程度值越小。

水平转筒内大豆颗粒随机运动与混合特性模拟

基于离散单元法,利用EDEM软件对水平转筒内大豆颗粒运动的随机性与混合特性进行了模拟研究,分析了转筒转速与装载量对颗粒随机运动及混合特性的影响。结果表明:转筒转速的提高有利于改善颗粒的随机运动过程,而且颗粒的混合效果增强,混合速度加快。装载量的影响相反,随着装载量的增大,颗粒在转筒径向方向的随机运动虽有增大,但堆积现象比较明显,沿转筒轴向方向的随机运动明显降低,颗粒的混合速度变慢,混合效果变差。

新型同心双轴搅拌器功率与混合特性的数值模拟

基于同心双轴搅拌器的结构与运行特点,建立了兼顾其流动、混合过程的三维数学模型,并以过程工业应用较多的两种不同尺寸双层组合桨作为内桨、框式桨作为外桨构成的同心双轴搅拌器为研究对象,数值模拟了其在中高黏牛顿流体中同向及反向转动模式的功率特性、流场特性及混合特性。模拟结果表明,同向转动模式下,整个系统的搅拌功耗更小、混合效率更高;外桨功耗受内桨影响较大,一般随内桨转速的增大,恒速外桨的功耗同向转动时会减小、反向转动时会增大;对由桨式搅拌器构成的组合式内桨而言,当内桨直径与釜体直径之比为0.35左右时,相同Reynolds数下的单位体积混合能更小;中高黏牛顿流体中,同心双轴搅拌器的内桨采用上层六斜叶桨+下层六直叶桨的组合形式时更高效节能,仅在体系Reynolds数小于36时,上层二斜叶桨+下层二直叶桨的内桨组合形式才具有相对优势。

滚筒干燥器中杆状颗粒混合特性的三维数值模拟

为研究杆状颗粒在滚筒干燥器中的混合运动,建立了杆状颗粒运动特性的三维数值实验平台.采用离散元法直接跟踪滚筒中的每一个颗粒,对杆状颗粒在滚筒干燥器中碰撞、摩擦的混合运动过程进行数值模拟,并把杆状颗粒和球形颗粒在滚筒中的混合特性进行对比.结果表明:随着转速的增加,颗粒混合均匀的速度加快;滚筒内杆状颗粒和球形颗粒均在近壁区域混合程度好;杆状颗粒混合达到均匀的速度较球形颗粒快;杆状颗粒整体混合均匀程度优于球形颗粒.模拟结果还表明,杆状颗粒的混合特性与球状颗粒的混合特性存在很大区别,在以往数值模拟中将杆状颗粒假设成球形颗粒存在较大误差,对杆状颗粒所建立的模型能更好地符合杆状颗粒的运动规律.

水平浓淡燃烧器出口气固浓淡射流的混合特性研究

水平浓淡燃烧器出口射流在水平方向上分为浓淡两股,浓煤粉射流位于向火侧而淡煤粉射流位于背火侧,以实现稳定着火,防止炉内结渣和高温腐蚀,并起到降低氮氧化物(NOx)排放的作用,但由于浓淡两股煤粉空气射流之间仅有较薄的隔板加以分隔,因此往往存在浓淡煤粉射流是否在出口后不久即发生混合,导致浓淡分离效果丧失的疑 虑。该文通过气固两相模化实验,采用基于光学波动法的激光光纤探针对水平浓淡气固两相射流在燃烧器出口外浓淡两股射流的混合特性进行了试验研究,结果表明水平浓淡燃烧器出口气固两相射流的浓淡分离效果能在较长的射程内得以维持,从而保证了浓淡燃烧的优点。

半圆管曲面涡轮搅拌槽内混合特性的数值模拟

在商业化软件ANSYSCFX10.0平台上,采用多重参考系法来解决挡板与桨叶之间的相对转动问题,由标准k-ε模型对半圆管曲面涡轮搅拌槽内流动和混合过程进行了详细的数值模拟,本模拟所得的功率准数和设计值以及相关文献值吻合良好。结果表明:当搅拌桨离底距离由搅拌槽直径的1/2处变为1/3处时,搅拌槽内的流型均为典型的'双循环流型',而当搅拌桨离底距离由搅拌槽直径的1/3处降低至1/6处时,槽内流型由典型的'双循环流型'转变为'单循环流型';通过对不同时刻不同桨叶离底距离下的示踪剂浓度分布图分析表明槽内的混合过程与流动场密切相关;加料点位置对于最终的流场混合效果有着显著影响,对于混合时间数据的采集应注意不同加料位置时监测点的选取。CFD模拟结果表明本文所采用的模型可以很好的预测半圆管曲面涡轮搅拌槽内的混合特性,为进一步改进和优化半圆管曲面涡轮的设计提供了一定的参考。

三螺杆挤出机螺杆元件混合特性的数值研究

采用聚合物流体分析软件Polyflow对倒三角形三螺杆挤出机的6种螺杆元件的流道模型进行了三维等温数值模拟。使用Fieldview软件对结果进行统计处理,并采用不同的评价指标来表征混合性能,进而比较螺杆元件之间的混合特性。结果表明,捏合块的剪切和拉伸作用均强于螺纹元件;中性捏合块和左旋元件的回流效果好于其他元件;SME元件剪切弱于螺纹元件,但其拉伸作用和回流效果强于螺纹元件。因此,可根据物料对剪切的敏感性来合理地选择螺杆元件,以获得所期望的产品性能。

新型大双叶片搅拌器功率与混合特性的数值模拟

针对过程工业体系特性复杂多变的特点,开发了新型大双叶片宽适应性搅拌器,并建立了描述其流动、混合过程的综合数学模型,模拟分析了搅拌釜内的功率特性、流场特性和混合特性。模拟结果表明:新型大双叶片搅拌器所形成流场中存在着上部叶片区域循环流、下部叶片区域循环流以及纵贯全釜的整体循环流;随体系黏度增加,新型大双叶片搅拌器所产生流场的轴向速度、径向速度和切向速度均波动趋缓,且仍保持良好的功率与混合特性,对流态和黏度具有宽适应性;对新型大双叶片搅拌器而言,近液面加料方式不利于整体混合,适宜的加料点应在上下叶片之间,以缩短混合时间;在消耗相同单位体积功率的前提下,新型大双叶片搅拌器较同尺寸规格的FZ搅拌器的混合效率更高,具有高效节能的竞争优势。模拟结果对改进和优化新型大双叶片搅拌器的结构与运行具有参考价值。

升流式厌氧污泥层反应器水力混合特性研究

对升流式厌氧污泥层反应器在常温下处理生活污水启动，培养颗粒污泥及运行的水力混合问题进行了系统研究，试验结果表明，当ＨＲＴ在４．２８－１１．７ｈ时，死区容积只占反应器总容积的２．１％－６．７％。反应器在实际运行中可忽略不良水力混合的影响，水力负荷（Ｌ）和沼气容积产量（Ｇ）共同影响水流流速在升流方向上的均匀性，它们与离散数Ｄ（无因次）之间存在着如下关系：Ｄ＝０．００３３Ｌ＋０．０４５Ｇ＋０．０７３．提出了用Ｄ定量地表示升流筛分强度，在本试验条件下，当Ｄ在０．０８８－０．０９５时，形成了颗粒污泥。

旋流叶片轴向排列对静态混合器混合特性的影响

为了预测旋流静态混合器内非稳态宏观混合特性,基于体积加权混合法则结合脉冲示踪法,在简化模型的基础上,利用计算流体力学的SSTk-ω湍流模型,通过湍流流场数值计算求解示踪剂的浓度输运方程,得到了不同混合组件和混合元件级数下静态混合器内的浓度响应曲线,比较了MSM、KSM、SSM、RSM4种旋流静态混合器的强化混合效果.数值模拟表明:KSM型静态混合器流阻Z因子与文献实验对比吻合较好;KSM的强化能力最大,SSM的强化能力最小.根据提出的强化因子评价混合器级数的强化效果,发现径向强化系数与螺旋叶片级数的幂函数呈线性关系.

布风方式对流化床混合特性的影响

通过将离散单元法同计算流体力学相结合,对流化床内物料混合过程进行了研究。给出了水平布风板均匀布风、倾斜布风板非均匀布风2种情况下的示踪颗粒场历变过程。模拟结果表明:瞬时颗粒场组图能够较为直观表征床内混合现象;其中,在均匀布风情况下,床内气泡横向运动受到限制,颗粒整体横向运动能力较弱,混合方式以扩散混合为主;而对于非均匀布风流化床,床内存在较大的横向颗粒浓度梯度,对流混和起主要作用,且混合速度较为迅速。

强化混合条件下乙醇柴油和柴油的喷雾混合特性

通过可视化定容燃烧弹试验台,采用纹影法研究了强化混合条件对乙醇柴油（E 20）和柴油喷雾混合特性的影响,喷油压力为50~200,MPa,燃油温度为343~423,K.试验表明：随喷油压力提高,喷雾锥角略有减小,但喷雾贯穿距和喷雾体积显著增大,喷雾的油气混合速率大幅提高;随燃油温度增加,喷雾锥角、喷雾贯穿距和喷雾体积变化不大,喷雾混合速率变化不明显.尽管乙醇的挥发性高于柴油,但添加乙醇对柴油喷雾的贯穿距和喷雾锥角影响不大.E 20喷雾贯穿距略小于柴油,喷雾锥角比柴油的约大5%,卷吸的空气体积比柴油稍大,燃空当量比小于柴油,形成稀混合气所需的时间更短.降低氧体积分数将使燃空当量比增大.提高喷油压力和掺混乙醇是加快柴油喷雾稀混合气形成速率的可行方法.

非对称分离重组扇形空腔微混合器的混合特性

基于平面内非对称分离重组微混合原理设计了一种新型的被动式微混合器,并对该结构微混合器的混合特性进行了三维数值模拟。模型使用有限体积法离散、SIMPLE算法进行层流计算,采用混合强度值作为衡量指标,分析了Reynolds数在1~80范围间的混合强度值变化。分析结果显示,在次通道上布置扇形空腔对非对称式微混合器的混合强度值有明显提高,同时扇形空腔的几何结构参数值对该微混合器的混合效果也有一定影响。本文模拟结果在综合考虑混合强度与泵功消耗等条件下,当主次通道宽度与扇形空腔结构宽度比为（w3/w1）=1/3时非对称分离重组扇形空腔微混合器的混合强度值可达到78%左右。

翼片间距和尾距对HEV型静态混合器混合特性的影响

以变异系数作为评价混合器混合性能的指标,利用实验和数值模拟相结合的方法研究了翼片间距和尾距对HEV型静态混合器混合特性的影响。首先利用实验方法测量了静态混合器出口处示踪流体的体积分数,基于实验结果对数值模拟中的5种湍流模型(standard k-ε、RNGk-ε、realizable k-ε、SSTk-ω、standard k-ω)进行对比分析,选出最优计算模型,在此基础上,模拟研究了不同翼片间距在同一基准断面处示踪流体变异系数的变化规律,以及翼片间距在0.8 D～2.0 D之间时,出口处示踪流体的变异系数随着尾距的变化规律。结果表明:RNGk-ε模型模拟的结果与实验结果最为接近(相对误差为3.37%),即该模型最能真实地反映此混合器的流场特性;HEV型静态混合器混合的均匀程度随着翼片间距的增大呈现先提高再降低的趋势,当翼片间距≤1.7 D时,随着翼片间距的增大,变异系数迅速降低,当翼片间距≥1.7 D时,随着翼片间距的增大,变异系数呈上升趋势,翼片间距为1.7 D时,CV值最低,混合效果最好;在一定长度范围内,出口处示踪流体的变异系数随着尾距的增加迅速降低,但是尾距增加到一定距离以后,继续增加尾距对混合效果的改善不明显。

同向圆射流混合特性实验研究

利用声学多普勒流速仪(Acoustic Doppler Velocimetry,ADV)自动测速系统和平面激光诱导荧光(Plane Laser In-duced Florescence,PLIF)系统对同向圆射流的速度场和浓度场进行了系统的研究,并与前人的工作进行了比较和讨论。时均特性测量结果表明,射流主体段下游各断面的速度和浓度横向分布是自相似的,且近似可用高斯分布来表示;随着射流向下游传播,射流中心流速逐渐衰减,在强射流区和弱射流区遵循不同的规律;紊动特性测量结果表明,下游各断面的紊动强度横向分布是自相似的。