基于CFD的循环流化床脱碳系统中气固流动规律及CO2吸附特性研究

论文摘要

循环流化床反应器（Circulating Fluidized Bed Reactor,CFBR）因其气固接触效率高、传质传热性能好等优点而被广泛应用于化工、石油炼制、冶金、环保和制药等工业过程。前期工作表明,由于DCFBR结构的复杂性,人们对于其内部气固流动规律和反应特性仍不十分清楚,需要进一步深入探究。此外,随着计算机技术的发展,利用CFD（computational fluid dynamics）模拟技术来研究CFB流动及工业应用过程已成为重要手段,其优势在于不仅可以降低实验成本、节约资源,还能更清晰地了解床内各流场变化,为更好地调控操作稳定提供有效信息。因此,如何将CFD模拟与实验有效结合是本文所要解决的关键问题。为解决上述问题,本文主要从DCFBR最优CFD模型选取、反应器间相互作用和二维/三维（2D/3D）体系中CO2吸附特性分析开展了如下三个方面的研究工作:1.研究了不同湍流模型和曳力模型对CFBR内流动性能的影响,建立了二维CFB全循环最优CFD模型。首先,基于欧拉-欧拉框架下,采用了不同湍流模型,从气固相浓度分布、压力梯度、流动速度等角度分析了模拟结果,并与实验数据对比,优选出最佳湍流模型;进一步,采用上述最佳湍流模型,采用不同曳力模型,对模拟结果从上述角度进行分析,通过与实验数据对比,优选出最佳曳力模型。最终发现,欧拉-欧拉框架下,湍流模型选用RNG k-ε模型,曳力模型选用Gidaspow模型为最优CFD模型。2.基于上述最优CFD模型,从数值模拟角度系统研究了不同操作条件对提升管和鼓泡床内气固流动规律和反应器间相互作用的影响。通过改变提升管和鼓泡床操作气速,从固相体积分数、压力分布、颗粒速度等角度分析了不同条件下提升管和鼓泡床中气固流动及变化规律。结果表明,提升管操作气速对于提升管内气固流动影响较为明显,随着气速的增加,提升管内颗粒速度增大而浓度减小,导致颗粒循环速率增大,更多的颗粒流入鼓泡床内,进而使得鼓泡床内颗粒堆积增多,压降增大,进而影响气固相流动。而鼓泡床气速的增大,使得提升管顶部压力增大,颗粒进入鼓泡床需克服更大阻力,提升管内颗粒浓度变大。因此,根据工况不同,通过调节两反应器操作条件可以使反应器内气固接触和混合更为充分,达到最佳的反应效果。3.建立了基于缩核模型下同时考虑物理和化学吸附过程的CO2吸附反应模型,分析对比了二维和三维不同体系下CO2吸附反应的流动和反应特性,首次系统研究了二维和三维模拟对于不同初始条件的敏感程度。结果表明,二维和三维条件下,CO2吸附反应体系内的流体流动和反应特性具有相同的变化趋势,而在数值上则差异显著。其中,在固相体积分数分布、压力分布等方面表现为三维模拟值大于二维模拟值。当进气量不同时,二维和三维在预测进气量对反应器内固相体积分数和CO2摩尔浓度分布在变化趋势和数值上相差不大。当CO2初始摩尔分数不同时,二维和三维模拟在定性和定量预测CO2浓度分布时具有相同的结果,而在预测其他变量时则会有较大差距。此外,在研究气相温度的影响时发现,在一定范围内,温度的增加有利于加快吸附反应速率,当温度超过一定值时,则限制了反应的进行。与上述两因素不同的是,二维和三维模拟值均存在明显差异。因此,在研究气相温度影响时,为提高模拟准确性,应选择三维模拟。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 课题研究背景及意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 CFB实验研究进展
•     1.2.2 循环流化床CFD模型研究现状
•     1.2.3 CFB内气固流动特性及反应器间相互作用研究现状
• 2 吸附数值研究现状'>    1.2.4 流化床中CO₂吸附数值研究现状
•   1.3 研究目的及研究内容
•     1.3.1 研究目的
•     1.3.2 研究内容
• 第2章 数值模型及实验装置
•   2.1 模拟软件介绍
•   2.2 控制方程
•     2.2.1 连续性方程
•     2.2.2 动量方程
•     2.2.3 封闭方程
•     2.2.4 吸附反应动力学
•   2.3 实验装置及材料
• 第3章 二维CFB全循环模拟最优CFD模型验证
•   3.1 引言
•   3.2 实验与模拟部分
•     3.2.1 实验部分
•     3.2.2 模拟部分
•   3.3 结果与讨论
•     3.3.1 网格相关性研究
•     3.3.2 湍流模型的影响
•       3.3.2.1 压力分析
•       3.3.2.2 气固相体积分数
•       3.3.2.3 轴向颗粒速度和颗粒拟温度
•     3.3.3 曳力模型的影响
•       3.3.3.1 压力分析
•       3.3.3.2 空隙率
•       3.3.3.3 颗粒拟温度
•   3.4 小结
• 第4章 循环流化床双床反应器内气固流动及反应器间相互作用研究
•   4.1 引言
•   4.2 模拟参数设置
•   4.3 结果与讨论
•     4.3.1 提升管内流动特性
•       4.3.1.1 操作条件对提升管内固相体积分数分布的影响
•       4.3.1.2 操作条件对提升管内压力分布的影响
•       4.3.1.3 操作条件对提升管内颗粒速度矢量的影响
•       4.3.1.3 操作条件对提升管内颗粒贝克莱数的影响
•     4.3.2 鼓泡床内流动特性
•       4.3.2.1 操作条件对鼓泡床内固相体积分数分布的影响
•       4.3.2.2 操作条件对鼓泡床内压降的影响
•       4.3.2.3 操作条件对鼓泡床内颗粒速度矢量的影响
•     4.3.3 CFB全循环流动特性
•   4.4 小结
• 2 吸附数值研究'>第5章 基于缩核模型的2D/3D循环流化床中CO₂吸附数值研究
•   5.1 引言
•   5.2 边界条件及模型参数设置
•   5.3 结果与讨论
•     5.3.1 模型验证
•     5.3.2 网格无关性验证
•     5.3.3 2D模拟
•       5.3.3.1 反应器中流体动力学特性
•       5.3.3.2 反应器中热力学特性
•     5.3.4 3D模拟
•       5.3.4.1 反应器中流体动力学特性
•       5.3.4.2 反应器中热力学特性
•     5.3.5 2D versus3D
•       5.3.5.1 反应器内流动及反应特性
•       5.3.5.2 2D/3D体系中进气量的影响
• 2 初始摩尔分数的影响'>      5.3.5.3 2D/3D体系中CO₂初始摩尔分数的影响
•       5.3.5.4 2D/3D体系中进气温度的影响
•   5.4 小结
• 第6章 结论与展望
•   6.1 结论
•   6.2 创新
•   6.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 陆宇剑

导师: 周业丰,胡夏一

关键词: 最优模型,反应器间相互作用,吸附,模拟

来源: 湘潭大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 力学,无机化工,有机化工

单位: 湘潭大学

分类号: O35;TQ051.13

DOI: 10.27426/d.cnki.gxtdu.2019.000511

总页数: 89

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