基于时变性聚团识别方法的高密度循环流化床内聚团分布特性

为研究高密度提升管内的聚团分布特性,在18 m高循环流化床提升管系统中测定了不同固体循环速率下(G_(s)=100~1800 kg·m^(-2)·s^(-1))的瞬时颗粒浓度。采用基于时变性的聚团识别方法对聚团进行识别,进而得到了聚团浓度、聚团持续时间和聚团速度在提升管中的分布。研究结果表明,高密度循环流化床中的颗粒浓度和聚团特性参数和与低密度循环流化床相比存在较大差异。高密度条件下,提升管内聚团浓度最高可达0.41。聚团持续时间最高可达5.5 ms。提升管截面内的聚团净向上运动,r/R=0.949时,聚团的净运动速度高达1.83 m·s^(-1)。此外,在极高的颗粒循环速率下(G_(s)=1800 kg·m^(-2)·s^(-1)),聚团特性参数的轴径向分布变得更均匀。

搅拌槽内两种桨型组合固液悬浮的数值模拟

本文对工业搅拌罐内原搅拌桨型组合和改造的搅拌桨型组合产生的固液两相流动进行了数值模拟,通过对原搅拌方案和改造后的搅拌方案搅拌罐内所形成的流场、固含率分布以及功率消耗等方面的分析,发现改造方案底层桨叶排出流体的倾斜角更大,形成的搅拌循环更高。原方案搅拌罐内底部固含率很高,从下往上固含率逐渐降低,而搅拌桨型组合改造方案能够形成比较均匀的固含率。改造方案的固液悬浮效果更好,并且改造后的搅拌功率没有增加。

半间歇式沸腾床反应器中液相循环速度的测定

采用内径286 mm、高7.2 m的气-液-固三相沸腾床反应器进行了液相间歇、气相连续的操作研究,以水、空气、Al_(2)O_(3)球形颗粒构成三相体系,在固含率(体积分数)12%~30%和表观气速0.086~0.216 m/s下对宏观液相循环速度进行了测定。采用示踪剂法测定反应器进出口的多组示踪剂浓度曲线,使用MATLAB软件对液相轴向扩散系数进行求解,再代入爱因斯坦扩散系数定义式得到液相循环速度。实验结果表明,随着表观气速增大,液相循环速度相应增大;在固含率低于30%时,随着固含率增加,液相循环速度相应增加;但随着固含率进一步增大,液相循环速度的增幅越来越小。

高固含率搅拌槽内临界转速的CFD模拟

现有的针对液-固两相搅拌体系临界转速的研究多集中于低固含率体系,但工业中的高固含率体系十分常见。采用计算流体力学(CFD)方法对高固含率搅拌罐内的液-固两相流体流动进行了数值模拟,实现了对高固含率固-液搅拌罐内液固流动行为的直观预测,研究了颗粒物性(颗粒尺寸、颗粒密度)对颗粒悬浮特性的影响,结果表明,随着颗粒尺寸或颗粒密度的增加,颗粒的悬浮高度逐渐降低,最大固相体积分率增大。基于CFD方法的完全离底悬浮临界搅拌转速的预测方法,得到了高固含率搅拌罐内不同颗粒物性下关键参数离底悬浮临界转速Nc的变化规律:Nc随着固液密度差的增加而增加,随着颗粒直径的增加而增加;变化规律可用公式表示为:N_(c)^(∝)(ρ_(s)-ρ_(l))^(0.751 7),N_(c)^(∝)(d_(s))^(0.934 3)。

内循环生物流化床工艺试验研究

考察了不同生物载体的挂膜特性,研究了气量、水量和固含率对内循环生物流化床流态的影响,并详细考察了水力停留时间HRT、容积负荷和空气量对载体挂膜的影响,分析挂膜成功后对废水COD的去除效果。结果表明:最佳载体为粒径1~2 mm的生物陶粒;最佳固含率为5%。反应器快速挂膜启动的最佳条件为:HRT 0.5~1 h,污泥质量浓度1 g·L^(-1),固含率2%~4%,气量0.2~0.4 m^(3)·h^(-1),容积负荷4~5 kg(COD)·m^(-3)·d^(-1);反应器运行稳定后,废水COD去除率可达80%以上。

上流式反应器气-液-固三相床层气含率模型研究

从热力学基本定律——熵增定律和能量最低定律出发,考虑系统宏观动能、势能及内能的转化,通过对系统各种能量的表达,建立上流式反应器气-液-固三相床层气含率与系统条件(如流体流速、黏度、催化剂物性)的定量关系。在热力学定律基础上,提出相关物理量“变动级数”的概念,结合不同操作条件和不同催化剂装填方案的冷模试验,研究流体及催化剂物性对床层气含率的影响规律。采用所建立的气含率模型拟合各种操作条件及多种催化剂装填方案下的试验数据,拟合平均相对偏差均小于5%,参数合理且能反映气、液、固三相性质对床层气含率的影响规律。建立一个优良的模型来描述上流式反应器气-液-固三相床层气含率,对上流式加氢工艺的研究具有重要指导意义。

气液固流化床气泡特性及气含率预测模型

气含率及气泡直径会直接影响流化床内的反应进程及传质效率,为更好地认识局部流动结构,径向气含率及气泡直径分布成为重点研究内容,特别是径向气含率预测模型的建立具有重要意义.已有平均气含率预测模型都有各自的适用范围,对不同实验体系的应用会表现出局限性.针对以上问题,本文结合电导探针测量法与流体仿真技术,以直径为100 mm和高度为1.5 m的气液固流化床为研究对象,系统地研究了在气相表观速度为0.014~0.283 m/s、液相表观速度为0.007~0.028 m/s、液相黏度为1~40 mPa·s、液相表面张力为0.053~0.072 N/m及固相体积分数为0~30%条件下径向气含率及气泡直径分布特征.结合本实验系统及相关研究数据,提出一种适用于气液固系统的平均气含率预测模型.基于此预测模型,进一步考虑气相表观速度及表面张力对径向气含率分布的影响,采用粒子群优化算法建立气液两相体系的径向气含率预测模型.结果表明:两相及三相体系平均气含率预测模型充分考虑了气液相表观速度、液相物性、固相物性及管径对平均气含率的影响,相比现有经典平均气含率预测模型,拓宽了适用范围并提高预测精度,其平均绝对百分比误差(mean absolute percentage error,MAPE)分别为17.14%和18.36%,超出90%数据点的相对误差在±30%之内.径向气含率预测模型对靠近管道中心处的气含率预测更加准确,其MAPE可达到12.26%.以上预测模型的建立对理解管内全局及局部传质问题、流化床反应器设计都具有指导意义.

循环床气固提升管中颗粒浓度的轴向分布

以 16m高循环床提升管中气固两相流压力梯度的大量实验数据为基础 ,从能量耗散的观点分析研究了平均颗粒浓度的轴向分布特征及其操作条件的影响 ,并与相同条件下 6m高提升管中颗粒浓度的轴向分布进行了对比。结果表明 ,增加颗粒循环量Gs 或减小表观气速Ug 时 ,由于单位质量颗粒加速和输送的能量减少 ,提升管各高度位置的颗粒浓度εs增大 ,颗粒浓度的轴向分布亦更不均匀 ;提升管高度对平均颗粒浓度及其轴向分布具有显著影响 ,提升管高度增加 ,提升管各高度截面上的平均颗粒浓度减小 ,颗粒浓度的轴向分布也更加均匀 ,给定表观气速对应的颗粒饱和夹带量也将提高。

泥水盾构泥膜形成二维理论分析

在各种复杂环境下采用泥水盾构法修建隧道工程,需要解决在开挖面上如何及时形成安全有效的泥膜支护问题。采用修正的剑桥模型中正常固结黏土各向等压固结曲线规律,建立泥膜固含率与有效应力之间的关系,结合圆球形颗粒孔隙理想模型的渗透率以及泥膜固含率、渗透率和比阻三者之间的关系,确立新的泥膜形成本构关系模型。将泥膜形成一维模型拓展为二维模型,基于增量分析方法分析泥膜的增长规律,给出泥膜滤失量和厚度分别与位置、时间、重度比和盾构直径等因素的关系。结果表明,修正的剑桥模型能够较好地表征泥膜压缩固结特性;对于高压泥浆,泥浆重度对泥膜增长的影响较小,但对超大直径的盾构其影响不可忽略。

循环流化床提升管中团聚物颗粒浓度的实验研究

基于FCC和河沙颗粒的局部瞬时颗粒浓度时间序列，研究了循环床上行气固两相流中团聚物的颗粒浓度及其与时均颗粒浓度之间的关系。实验分析揭示出团聚物内部颗粒浓度与当地时均颗粒浓度不仅具有明显的相关性，而且两种浓度在径向上亦具有相同的自相似分布特征，并由此给出了团聚物内部颗粒浓度与当地时均颗粒浓度相互关系的经验关联式，研究结果对描述气固上行两相流的结构形态和建立流动模型有重要意义。

猪粪流变特性与表观粘度模型研究

采用旋转粘度计测定了不同含固率、温度条件下新鲜猪粪的流变曲线,并对含固率、温度对猪粪流变特性的影响进行了分析。结果表明:猪粪为假塑性流体且符合幂率方程。表观粘度随含固率的增大呈现增大趋势,但温度对其影响不大;表观粘度与含固率曲线存在临界点,可以作为非牛顿流体(猪粪)近似视为牛顿流体的标准;表观粘度与剪切速率曲线也存在一个临界D值,提出搅拌死区可以从剪切速度角度来定义。同时对温度影响猪粪表观粘度的机理进行了讨论;最后对表观粘度与含固率、剪切速率的关系进行了多元非线性回归分析,建立了表观粘度模型且拟合效果很好,为涉及非牛顿流体(猪粪)的工艺设计和优化提供了函数形式的物性参数关系式。

三相环流反应器中的局部相含率

将压差法与气?液相间滑移速度相结合,提出了利用压差法测量三相区局部相含率的新方法,将测得的局部固含率进行轴向平均并与由颗粒装填量计算所得的固含率进行比较,证明了此方法的可靠性.利用所提出的测量方法,考察了三相环流反应器中气含率和固含率随操作条件的变化规律.结果表明,气含率随表观气速的升高而增大,且随轴向位置的升高而增大;大颗粒具有破碎气泡的作用,能够增大反应器内的气含率;固含率随表观气速的增加而降低,且沿轴向变化较大.表观气速较高时,固含率沿轴向近似呈S形分布.

秸秆厌氧消化试验研究

采用清瓶培养消化方法,在中温(32～35℃)环境下,研究了小麦秸秆在不同固含率下的厌氧消化状态。结果表明,小麦秸秆在固含率5%～25%范围内,理论产气数值与实际气体量成线性相关,方程:y=1.8462x-448.73,R2=0.9265;无论产气还是产酸和用酸平衡上,固含率25%是较适宜物料厌氧消化的浓度,产气量超过理论数值109.0mL·g-1;3种不同粒径的产气量最大是<0.5cm,其次1～2cm,3～5cm,考虑到粒径小容易酸化的原因,故选择秸秆厌氧消化的粒径范围<2.0cm。

无挡板搅拌槽中液-固体系的分散特性

在内径0.3m、高0.45m的无挡板搅拌槽内,采用直径0.15m的三叶70o下推斜叶透平桨(PBTD,Pitched Blade Turbine Downflow)进行水-二氧化硅两相体系液固分散特性的研究.应用PC-6A粉体浓度测量仪对体系中颗粒局部浓度进行测定.考察了颗粒平均相含率为0.005的条件下,不同搅拌转速、搅拌桨离底高度对颗粒局部浓度分布的影响.结果表明,采用较高搅拌转速、较低的搅拌桨离底高度有利于固体颗粒的悬浮.本实验中,在搅拌转速为173r/min、搅拌桨离底高度为0.08m的操作条件下,颗粒悬浮效果最好.

连续内环流三相反应器局部流动特性

在Ф200mm×2500mm连续内环流三相反应器内,考察了空气-水-玻璃珠体系反应器内局部流动参数随操作条件的变化规律。结果表明,导流筒内截面平均气含率随表观气速的增大而增大;较之气液两相流,在低固含率时,加入固体对气含率影响不明显,而在较高固含率下,气含率有明显降低,但固体再增加时对气含率变化影响不大。在较低表观气速下,进料浆速对导流筒内气含率轴向分布趋势有一定的影响,但在较高表观气速下影响不大;导流筒内的气含率大于环隙内的气含率且随气速增大差别更加明显;浆相连续有利于气相分散并增大环隙内的气含率。导流筒内循环浆速径向分布呈抛物状,中心高、近壁处低,受进料浆速和入口固含率影响都不大。浆相循环强度最低为20,高可达180。固含率轴、径向分布受表观气速和进料浆速的影响,固含率轴、径向分布基本均匀;随进料浆速增加,反应器内固含率降低。

提升管与流化床耦合反应器内固含率的轴向分布

针对催化裂化汽油辅助反应器改质降烯烃工艺,结合提升管与流化床的特点,建立了一套提升管与流化床耦合反应器大型冷态实验装置。在不同操作条件下,采用多点压力密度仪测定了提升管内轴向压力梯度及截面平均固含率沿轴向的分布规律。结果表明,提升管内固含率的轴向分布呈上下两端大、中间小的C型分布特征,颗粒在提升管内沿轴向的运动可分为颗粒加速区、充分发展区和颗粒约束返混区;提升管内截面平均固含率随颗粒循环强度的增大而增大,随表观气速的增大而减小;提升管出口的流化床内颗粒静床高度只对颗粒约束返混区固含率有影响,而对颗粒约束返混区长度及颗粒约束返混区以下区域固含率影响较小。利用实验数据回归出了提升管内截面平均固含率的轴向分布及颗粒约束返混区最大颗粒返混比的经验模型,其计算值与实验值吻合较好。

超声多普勒测速仪在液-固和气-液两相流测量中的应用

This work aims to investigate the application of ultrasound Doppler velocimetry in multiphase flow.The experimental results show that in the homogeneous liquid-solid system,the amplitude of the received echo energy decreases exponentially with measurement depth,and attenuation rate increases with increase of solid holdup monotonously.A model based on the ultrasound reflection and refraction law and scatter characteristics of particles is proposed to predict the relationship between received echo energy and solid holdup.In the gas-liquid system,liquid velocity and bubble rise velocity can be directly obtained from the velocity profile by Dop 2000 when the bubble number is small,while in medium gas velocity range,FFT must be executed to calculate velocity distribution, resulting in a two-peak distribution,which in turn can be used to obtain liquid velocity and bubble velocity by further data processing.

16m高气固提升管中的压力梯度与流动行为研究

在较宽操作条件范围内对16m高提升管中气-固两相流(空气-FCC颗粒)的压力梯度进行了实验测试，进一步揭示了快速流态化和密相气力输送这两种流动形态的动力学特征及其与操作参数的关系。结果表明，在表观气速增大的过程中气固提升管中的轴向压力梯度并非总是不断趋于均匀分布；提升管高度对从快速流态化到密相气力输送状态的过渡有重要影响，对于给定的表观气速，提升管高度增加将使过渡点所对应的颗粒循环量和床层颗粒浓度都减小。本实验条件下所有过渡点对应的床层颗粒浓度较为一致，平均为0.0104，并由此得到过渡点操作参数Ug与Gs的关联式。本文研究表明，在以往工作基础上进一步研究提升管高度对流动行为的影响极有必要。

加压循环流化床气固流动特性实验研究Ⅰ:颗粒体积分数分布特性

针对加压煤气化和化学链燃烧的发展需求,建立了一种加压循环流化床的冷态实验装置,研究了不同操作压力(0.1～0.5 MPa)下,平均粒径为137μm、密度为2 490 kg/m3的Geldart B类颗粒在提升管内的压降和表观颗粒体积分数分布特性.实验结果表明,上升管压降随固气质量比的增大而线性增加,增加的速率随操作压力的增加而增加,且基本不受操作气速和固体通量的影响.加压条件下,表观颗粒体积分数呈上小下大的分布,且随固体通量的增加而增加,随标态表观气速的增加而减小.在固体通量和操作气速一定的情况下,增加操作压力可以显著提高上升管内表观颗粒体积分数,并使其轴向分布更加均匀.

上行气固两相流充分发展段颗粒浓度关联及预测

在高度分别为15.1m和10.5m的两套实验装置上,对快速流态化到稀相气力输送流型下提升管内的轴向压力梯度进行了系统测试,以研究提升管充分发展段内不同颗粒的浓度变化及其与操作参数的关系.实验在其中175组操作条件下展现出明显的充分发展段(> 2.8 m).结果表明,表观气速在3～8 m·s-1之间变化时,对充分发展段颗粒浓度随终端颗粒浓度的变化关系影响显著,但当表观气速>8 m·s-1或< 3 m·s-1时,其对充分发展段颗粒浓度随终端颗粒浓度线性增加的关系影响极弱;在此基础上提出的预测关联式更明确地反映了操作条件等因素对充分发展段颗粒浓度的定量影响关系,其计算结果与本实验和相关文献的实验数据吻合良好.