工藝參數對短接觸旋流反應器內顆粒流動特性影響的數值研究

張玉春，王振波，金有海

（中國石油大學 重質油國家重點實驗室，山東 青島266580）

旋流反應器是在旋流理論和技術應用不斷發展的基礎上發展起來的一種新型高效化工反應設備。它由傳統的旋風分離器與水力旋流器改進而成，能夠同時完成兩相反應或熱質傳遞和兩相分離過程［1］。旋流反應器在精細化工領域主要應用于反應過程中產物有密度差或相分離的體系［2-4］。在酯化反應中采用旋流反應器實現水與反應體系的分離，使化學平衡向酯化反應方向移動，并能夠大幅度降低能耗。

中國石油大學設計開發了新型的短接觸旋流反應器。利用器內各組分間充分接觸、快速反應、反應產物實時分離等特點［5］，將其應用于催化裂化、加氫裂化、乙烯裂解等重質油加工工藝過程，可大大緩解反應過程中系統設備的結焦［6］，避免因油、氣、催化劑在反應器中停留時間過長和返混而造成過裂化問題；可充分利用催化劑初始活性高、選擇性好等特點，使反應選擇性提高，使現有重質、劣質油加工過程對原料的適應能力大幅度提高。短接觸旋流反應器潛在的經濟效益和社會效益十分巨大，具有重要的理論和實際應用價值。氣、固兩相的充分接觸與均勻分布是提高反應效率的關鍵因素，是評價反應器優劣的重要內容。筆者利用CFD軟件Fluent 6.3.26版本，對反應器內的氣、固兩相流動狀況進行了深入研究，探求了顆粒循環流率、操作氣速以及顆粒粒徑對流動特性的影響，為短接觸旋流反應器的實際操作提供理論指導。

1 短接觸旋流反應器內顆粒流動特性的數值模擬方法

1.1 采用的模型

1.1.1 氣-固兩相流模型

業內人士分析指出，這一政策將直接惠及海外中小品牌，尤其是日韓品牌。相較于歐美成熟大牌，這些化妝品品牌上新快、頻次高，對市場的反應也更敏捷。

目前研究氣-固兩相流動的模型主要可分為歐拉／拉格朗日模型和歐拉／歐拉模型兩類。歐拉／拉格朗日模型是將流體作為連續相、顆粒作為離散介質［7］，在關于稀疏顆粒流動的研究中應用較多。歐拉／歐拉模型認為固相和氣相為共存的連續相并相互影響，能夠較完整地考慮顆粒相的湍流輸運過程，并通過顆粒壓力和黏度考察顆粒間的相互作用。在催化裂化工藝中，原料油VGO（Vacuum gas oil）在高溫條件下迅速氣化，而催化劑濃度較高，體積分數大于10%，因此在本研究中筆者采用空氣模擬原料油氣，而對催化劑則采用擬流體的處理方法，將其視為連續相介質。Fluent模擬多相流的模型主要有VOF（Volume of fluid）模型、Mixture混合模型和歐拉模型。由于歐拉模型主要用于模擬多相分離流及相互作用的相［8-10］，結合反應器特點，本研究選用歐拉模型。

1.1.2 湍流模型

在本研究中采用RNGk-ε湍流模型。該模型中k和ε的輸運方程分別如式（1）、（2）所示［11-13］。

1.2 幾何建模與邊界條件建立

采用速度入口，根據已知流量以及入口直徑，直接得到氣相入口速度，并計算出其他相應的湍流參數。根據顆粒循環量確定固相濃度和入口速度。具體操作參數：氣相速度vg＝6.0m／s，固相速度vs＝3.0m／s，固相體積分數φ＝15%，顆粒質量流量Gs＝7.5kg／s。催化劑密度為1000kg／m3，粒徑為10μm。

圖1 短接觸旋流反應器結構示意圖Fig.1 Structure of quick-contact reactor

圖2 短接觸旋流反應器網格Fig.2 Mesh of quick-contact reactor

1.2.1 進口邊界

“本來，我們認為到鼓樓醫院這樣的大醫院看病很難，是張醫生讓我們感受到溫暖。”患者這樣的表述，戳中了韓光曙內心的期許。這正是他所期待的“醫生、護士讓患者感到關愛，患者不吝嗇夸獎之詞讓醫護體會到尊重”的醫患關系，更是他主張優質研究型人文醫院建設與實踐的初衷。

圖1為反應器的結構示意圖。反應器混合腔上部設有2個軸向催化劑進料口，2個進氣口，并有2個橫向進氣管與混合腔相切。混合腔內主要進行油氣與催化劑的接觸反應，在分離腔內反應產物與催化劑快速分離，保障反應效果，抑制過裂化與結焦問題。圖2為建立的計算模型及網格劃分結果。建立模型時，在未連通區域（內部導氣管外）設置5mm壁厚，導向葉片壁厚為6mm，采用分區劃分網格的方法［14-16］。絕大部分區域采用結構化網格［17］，尺寸扭曲率和角度扭曲率均在0.6以內，表明網格質量較好。最終劃分26萬網格，且經過網格無關性驗證。建立的坐標系如圖1所示，圓點取在混合腔頂部中心位置，豎直向下為z軸正方向。

Gs——顆粒質量流量，kg／s；

按照湍流流動充分發展處理氣體出口，采用自由出流Outflow。顆粒出口（Dust cone）采用固壁邊界。

1.2.3 固壁邊界

本文根據嘉興A配送中心的配送站點分布及配送運量，對其配送線路進行優化。根據配送中心目前運營中的突出問題，將其優化目標設定為路程最短和成本最低。

壁面為無滑移邊界條件，默認壁面粗糙度為0.5，采用標準壁面函數法［18-20］處理邊界湍流。

2 結果與分析

2.1 短接觸旋流反應器內顆粒流動特性模型基準條件的模擬結果

實驗模型與計算模型一致，采用有機玻璃制成。依據氣體繞流球體原理，采用智能型七孔球探針測試儀測量反應器內各點速度。圖3為實驗測量與數值模擬結果的對比。從圖3可見，切向速度vt與軸向速度va的實驗值與模擬值吻合較好，兩者的平均誤差均不超過5%。

采購計劃子平臺是現代企業物流采購管理平臺構建中的一項重要內容。對于采購計劃子平臺的構建，首先要梳理采購的基本流程和標準，對物資參考成本指標體系進行設置，將企業生產計劃以及物資消耗定額作為參考標準，監控價格漲跌變化規律，并根據實際情況，建立動態滾動管理模式，進一步增強系統的實用性及準確性。其次明確采購的基本原則和注意事項，減少采購計劃制訂錯誤，利用采購計劃子系統將采購的具體內容等進行全面展示。同時，通過信息網絡技術，對采購工作進行合理的邏輯分析和歸類，提高采購計劃管理的實效性。

圖3 短接觸旋流反應器內顆粒流動特性模型基準條件模擬值與實驗值對比Fig.3 Comparison between experimental data and simulation results for particle flow characteristics in quick-contact cyclone reactor

短接觸旋流反應器內的氣、固流動過程較為復雜。催化劑由2個軸向進料口進入反應器，而高溫原料油氣從混合腔頂部的切向進氣管和另外2個軸向進氣管噴射進入反應器。如圖4（a）所示，由于反應器內流動的準自由渦，強化了傳質傳熱。圖4（b）是分離腔約中間位置截面的切向與徑向速度合成矢量圖。可以看出，氣流在分離腔里作旋轉運動，且內外旋流的旋轉方向一致。進一步對z＝700mm截面的三維速度進行分析，結果示于圖5。從圖5可見，在該截面上，切向速度與軸向速度遠大于徑向速度，這是由于經過導向葉片的加速作用后形成了旋轉下行氣流。切向速度的最大值出現在r＝±40mm附近，呈現明顯的Rankin渦［21］；軸向速度方向不完全一致，約半徑30mm范圍內形成了與催化劑顆粒分離后的凈化氣體上行流，最終由排氣管排出反應器，而靠近壁面四周的其余部分為夾帶大量催化劑顆粒的螺旋下行氣流；徑向速度曲線近似呈“W”型，最大值出現在r＝±25mm左右，即半徑的中間位置，基本呈中心對稱分布。徑向速度的存在說明氣流作離心運動，顆粒會在離心力的作用下被甩向邊壁而被分離。

圖4 短接觸旋流反應器不同截面速度矢量圖Fig.4 Velocity vector graphics of different sections in quick-contact cyclone reactor

圖5 短接觸旋流反應器z＝700mm截面的三維速度分布Fig.5 The distributions of 3Dvelocity at z＝700mm section in quick-contact cyclone reactor

2.2 操作參數和顆粒直徑對短接觸旋流反應器內顆粒流動特性的影響

2.2.1 操作參數的影響

由表5可見，5個評價參數的統計量值都小于Z1-ɑ/2(1.645)，屬于下降趨勢，說明近年來對古宇廟水庫治理工作使得污染有所減輕。

4.選擇“清除Ksy-SK”，輸入正確的SK碼(SK碼可以根據車架號聯系4S店服務站查詢)，點擊“確定”，如圖4所示。選擇“將Key-SK寫入Base系統”，核對SK碼無誤后點擊“確認”。

為研究短接觸旋流反應器內顆粒質量循環流率和操作氣速對氣、固流動特性，尤其是對顆粒分布規律的影響，改變操作條件進行數值模擬。采用基準條件各參數，另設 Case 1：vg＝6.0m／s，vs＝5.0m／s，φ＝22%，Gs＝12.6kg／s；Case 2：vg＝8.0m／s，vs＝3.0m／s，φ＝11%，Gs＝7.5kg／s。計算結果示于圖6。

毛細支氣管炎主要由呼吸道合胞病毒（RSV）感染造成，是一種特殊類型的肺炎，在臨床上發病率較高，部分患兒起病急、病情重，＜6個月齡和高危嬰兒有較高的病死率[1]。Han R-F等研究發現，毛細支氣管炎患兒反復喘息發生率高達68%，日后哮喘發生率高達30%[2]，因而加強對該病的防治具有重要臨床意義。

由于短接觸旋流反應器混合腔是一環形結構，半徑為35mm的中心圓柱體為排氣管，所以圖中數據點僅在-125mm～-35mm與35mm～125mm范圍內。由圖6（a）可見，基準條件下，混合腔上部z＝50mm截面上顆粒幾乎具有對稱的濃度分布，峰值約在進料口的豎直下方r＝±75mm處，在氣相湍流作用下顆粒在混合腔內擴散，到z＝100mm時濃度梯度已明顯降低，顆粒分布均勻性不斷改善，到達混合腔底部時呈現出較理想的分布狀態。由圖6（b）可見，提高質量循環流率后，在z＝50mm截面與基準條件的分布形態基本相同，濃度峰值達到8%左右，向下濃度梯度也呈現逐漸減小的趨勢，但是可見左側壁面顆粒出現堆積，且并沒有隨氣流下移而得到改善，這種情況嚴重影響了氣、固兩相的接觸效果。當質量循環流率增大時，固相體積分數增大，氣體對顆粒的沖擊與攜帶作用受到影響，顆粒流出現聚團的可能性變大，由于混合腔的切向進氣形成一定的旋轉流動，此時顆粒團受到較大的離心力作用，因此在邊壁處出現了濃度聚集的情況。由圖6（c）可見，當操作氣速提高后，固相體積分數減小，在z＝50mm截面左右兩側呈不對稱分布，右側峰值明顯低于左側；下部各截面的顆粒分布較均勻，僅在壁面附近體積分數略高，但整體上與前兩種情況相比，各數據點明顯較小。原因在于固相減少，固體顆粒對氣體的曳力減小，混合腔內的湍流帶動顆粒擴散，而混合腔空間較大，固體顆粒在各部位的體積分數明顯減小，較低的體積分布對于接觸效率同樣造成不良影響。因此，在不影響催化劑顆粒有效擴散的情況下，應盡量加大劑／油比，對增強反應效果具有重要意義。

大數據時代的到來，市場營銷不僅僅是一種簡單的交易過程了。新形勢下，企業在市場營銷的過程當中，應將企業文化、服務、信譽進行有機的融合，進而銷售給消費者，最終在傳播企業文化的同時，促進企業經濟效益的增長。但是，按照現狀來看，部分企業并沒有重視起對營銷模式的改革，依然采取以往傳統的營銷手段，這對于接下來的管理工作以及企業的發展來說是極為不利的。

本研究結果顯示，阿奇霉素聯合孟魯司特治療的觀察組，在治療結束后臨床表現消失時間、治療療效、不良反應的發生率，優于阿奇霉素治療的對照組，差異具有統計學意義（P＜0.05）。由此證實了，阿奇霉素聯合孟魯司特在運用到對對肺炎支原體引起小兒呼吸道感染患兒實施治療后，可以減輕其臨床癥狀，并控制感染，以促使患兒盡早獲得康復。

圖6 操作參數對短接觸旋流反應器混合腔不同高度各截面顆粒分布的影響Fig.6 Effects of operation conditions on volume fraction of solids at different sections in mixing cavity of quick-contact cyclone reactor

va——軸向速度，m／s；

圖7 操作參數對短接觸旋流反應器分離腔z＝700mm截面上顆粒分布的影響Fig.7 Effects of operation conditions on volume fraction of solids at z＝700mm section in separation cavity of quick-contact cyclone reactor

2.2.2 顆粒直徑的影響

選取顆粒直徑分別為5和30μm的算例Case 3和Case 4，與基準條件下的算例作對比，短接觸旋流反應器混合腔內顆粒的分布規律如圖8所示。

圖8（a）與圖6（a）相同，圖8（b）、（c）分別為5和30μm粒徑顆粒的分布情況。從圖8（b）可見，左側在z＝50mm截面顆粒體積分數最高僅達到5%，其余截面基本為零，即出現了顆粒屏蔽“死區”；右側顯示各截面顆粒分布梯度很大，下部區域顆粒分布情況也并沒有得到改善，各截面顆粒體積分數最高值在15%左右。從圖8（c）可見，z＝50mm截面與基準結構類似，之后在下部空間顆粒分布梯度仍然較大，各截面差別很小。

由此可以看出，5μm粒徑顆粒的分布是所有情況中最不均勻的，由于粒徑較小，其流動的不確定性最大，氣流對顆粒的沖擊作用效果最明顯。在短接觸條件下，混合腔內的平均停留時間僅為0.25s，在這么短的時間內細小顆粒的聚團行為難以得到改善，因此出現了圖8（b）所示的極不均勻情況，且各截面差別較小。30μm粒徑顆粒的計算結果與基準條件明顯不同在于，基準條件下隨著混合腔位置下移，邊壁濃度出現略有變大的趨勢，圖8（c）則顯示混合腔下部截面由中間到兩邊的顆粒濃度逐漸減小，且顆粒仍基本集中在軸向進料口的豎直下方。出現這種情況的原因可能是由于顆粒粒徑變大，對氣體的曳力增大，嚴重干擾混合腔內的旋轉下行湍流，顆粒由進料口進入混合腔后因沒有得到有效擴散而較為集中，接觸效果較差。

圖8 顆粒直徑對短接觸旋流反應器混合腔不同高度截面顆粒分布的影響Fig.8 Effects of particle diameter on volume fraction of solids at different sections in mixing cavity of quick-contact cyclone reactor

圖9為不同粒徑顆粒在短接觸旋流反應器分離腔z＝700mm截面的分布情況。由圖9可以看出，分離效果較好，與圖7的規律基本相同。仔細觀察可以發現，細小區別在于5μm顆粒在r約為-20～20mm的范圍內濃度大于零，因此也導致在邊壁附近Case 3的濃度小于Case 4，而基準條件時的情況處于兩種情況之間。5μm顆粒在截面中間區域出現是因為顆粒粒徑小，從而被中心區域形成的上行氣流攜帶。在這種情況下原本被分離下來的顆粒重新卷入凈化氣流中，大大降低了分離效率，對后續作業產生嚴重不良影響，應盡量避免這種情況發生，因此選擇合適粒徑的催化劑顆粒對于接觸與分離過程都非常重要。

圖9 顆粒直徑對短接觸旋流反應器分離腔z＝700mm截面顆粒分布的影響Fig.9 Effects of particle diameter on volume fraction of solids at z＝700mm section in separation cavity of quick-contact cyclone reactor

3 結 論

（1）短接觸旋流反應器混合腔內氣、固相流動形成的準自由渦，強化了傳質傳熱；分離腔內氣、固兩相流動形態呈螺旋線狀，且內外旋流的旋轉方向一致。

（2）質量循環流率和操作氣速都影響著短接觸旋流反應器混合腔和分離腔內的顆粒濃度分布。質量循環流率不變而增大操作氣速會降低混合腔內的接觸效果，而在不影響催化劑顆粒有效擴散的情況下，應盡量加大質量循環流率，對增強氣-固接觸效果具有重要意義。

（3）模擬計算結果表明，在短接觸旋流反應器中，5和30μm顆粒的濃度分布均勻性較差，且5μm顆粒出現返混夾帶現象。因此，催化劑顆粒宜選用平均粒徑為10μm左右的顆粒，既可以保證顆粒有效擴散，增強氣-固接觸效果，又可以減少因粒徑太小造成的返混與逃逸。

符號說明：

鼻內鏡下嚴重外傷性歪鼻畸形肋軟骨整形及同期鼻中隔偏曲矯正一例（何川 秦喜昕 吳曉平 楊俊慧）5∶389

Cε1——經驗常數，Cε1＝1.42-

Cε2——經驗常數，Cε2＝1.68；

Cμ——經驗常數，Cμ＝0.085；

Gk——湍動能的產生項，m2／s2；

1.2.2 出口邊界

k——湍動能，m2／s2；

在用水管理中，引導和支持農民用水合作機構的構建，科學設置崗位，并對用水戶進行精細化管理，由農民用水合作機構進行水費的計收與管理，從而促進供水工程管理和用水管理。將使用權與管理權交由農民用水合作機構，由行政主管部門進行監管，通過民主管理的方式，控制水價成本和定價程序，促進水價改革的不斷發展。同時，要進一步加強工序管理，推行供給側結構性改革，完善水利工程運行體系，大力推廣農業節水灌溉技術，有效提高供水效率與供水效益。

r——徑向距離，mm；

S——用戶定義源項；S＝

Sij——網格節點處的源項；

vg——氣相速度，m／s；

vs——固相速度，m／s；

氣體與催化劑顆粒離開混合腔后，經過導向葉片的導向作用進入分離空間，流動呈螺旋線狀。由于氣、固兩相的密度差，催化劑顆粒在旋轉離心力作用下逐漸被甩向邊壁，實現氣、固兩相分離。由圖7也可看出，僅在徑向-50mm～-40mm與40mm～50mm范圍內存在顆粒，其余部分基本為零，說明分離效果較好。

vt——切向速度，m／s；

xj——坐標方向；

z——軸向高度，mm；

β——熱膨脹系數，β＝0.015；

ε——湍流耗散率，m2／s3；

μ——流體動力黏度，Pa·s；

免疫熒光染色呈紅色為CD14陽性，A、B、C組中Kupffer細胞CD14呈陰性，而D組中Kupffer細胞CD14呈陽性，提示肝纖維化過程中Kupffer細胞活化，而復方鱉甲軟肝方干預或治療后，Kupffer細胞活化情況明顯改善。見圖2。

μeff——有效黏性系數，Pa·s，μeff＝μ＋μt；

μt——流體湍動黏度，Pa·s，μt＝ρCμk；

ρ——流體密度，kg／m3；

σk——與湍動能相關的普朗特數，σk＝σε＝0.7179；

σε——與湍流耗散率相關的普朗特數；

η——應變率，＝4.28，η＝；

長海縣、岱山縣和普陀區的海島綜合實力最高，而定海區、長島縣和崇明縣的海島實力較低，應該找到短板，大力發展漁業產業，努力提高海島縣的居民收入水平，才能促進我國海島縣經濟實力健康協調發展。

φ——固相體積分數。

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