新型氣固環流反應器內顆粒流動的CFD模擬

孟振亮，劉夢溪，李飛，王維，盧春喜

（1中國石油大學（北京）重質油國家重點實驗室，北京 102249；2中國科學院過程工程研究所多相復雜系統國家重點實驗室，北京 100080）

新型氣固環流反應器內顆粒流動的CFD模擬

孟振亮1，2，劉夢溪1，李飛2，王維2，盧春喜1

（1中國石油大學（北京）重質油國家重點實驗室，北京 102249；2中國科學院過程工程研究所多相復雜系統國家重點實驗室，北京 100080）

采用基于結構的EMMS曳力模型，對一種新型氣固環流反應器中的顆粒流動特性進行數值模擬。模擬的固含率與顆粒速率預測值與實驗數據具有一致性，驗證了模型的適用性。模擬結果表明：導流筒表觀氣速增加，導流筒中的床層固含率減小，向上的顆粒速率增加；反應器中存在多個顆粒逆流和錯流混合區，促進了顆粒沿徑向的混合；槽孔處，導流筒中的固含率以及顆粒速率分布更加均勻，而環隙中存在顆粒濃集區；進料區在0≤L≤0.058 m，0〈r/R〈0.3的范圍內固含率增加并且顆粒存在明顯的徑向流動。

計算流體力學；循環流化床；多尺度；顆粒流動；氣固兩相

MENG Zhenliang1，2， LIU M engxi1， LI Fei2， WANG Wei2， LU Chunxi1

（1State Key Laboratory of Heavy Oil Processing， China University of Petroleum， Beijing 102249， China；2Institute of Process Engineering， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100080， China）

引　言

環流反應器具有結構簡單、傳質性能好、停留時間長、混合效率高等優點，在生物工程、污水處理、有機化工以及冶金工程等領域得到了廣泛應用，但這大都局限于氣液和氣液固體系［1-4］。近年來，研究者充分利用氣液環流反應器的優點，將氣液環流理論合理移植到了氣固體系，開發了一種高效的氣固反應器。目前，對氣固環流反應器的研究主要集中在兩個方面：（1）反應器中流體力學特性、傳質特性的研究及相關模型的建立；（2）結構優化及反應器應用的開發。

床層空隙率及環流速度是氣固環流反應器流體力學特性研究的重要內容。劉夢溪等［5］對環隙氣升式環流反應器中的空隙率進行了實驗研究與理論分析，并建立了相關預測模型。研究發現，環隙區床層空隙率隨著環隙區表觀氣速的增加而增加，與中心氣升式反應器相比，變化較為平穩，沒有發生流域的轉變。沈志遠等［6］對中心氣升式環流反應器進行了研究，發現固含率在導流筒區、底部區和氣固分離區呈中心區大邊壁小的不均勻分布形態；在導流筒區，沿軸向高度h=512～1112 mm內，床層密度分布比較均勻，而環隙區由于脫氣量的不同，床層密度變化程度不同。相比于空隙率，顆粒環流速度受表觀氣速、床層藏料量、底部間隙高度以及導流筒與環隙面積等多重因素的影響。嚴超宇等［7］采用實驗和模擬相結合的方法對環流反應器中顆粒流動和瞬態流體力學特性進行了研究，發現床層各徑向位置均存在顆粒的向上、向下運動，而顆粒的最大概率速度約是表觀氣速的2.6倍左右。劉夢溪等［5］發現在環隙氣升式環流反應器中環隙區顆粒流動速度基本不隨軸向位置的變化而變化，顆粒環流所受的阻力主要集中在底部區域，其次為氣固分離區，基于動量平衡建立的環流速度模型，能夠較為準確預測速度分布。Kim等［8］指出在內循環流化床中，當表觀氣速為最小流化速度的2～2.5倍時，才能夠形成環流。

為了增加環流速度，減少底部區域的串氣量以及擴展反應器應用領域，研究者對反應器的結構進行了優化與拓展。劉夢溪等［9］考察了環隙氣升式反應器中分布器位置對流體力學性能的影響，發現分布器位置下移后可以有效改善區域的流化質量，減小滑移區，顆粒環流質量流率明顯提高，當分布器位置處于32 mm時，顆粒環流速度和質量流率都較大。嚴超宇等［10］提出了一種氣固密相環流與快速床管式技術相耦合的新型燃燒器結構，通過環流段與快速床燃燒焦管的耦合調控，實現高濃度、強返混、長停留時間及高循環倍率的工藝要求。通過研究發現，顆粒的環流流動具有剪切破碎氣泡的作用，有利于環流段內氣固的充分混合接觸。目前，基于氣固環流的汽提器、外取熱器等在石油煉制領域已經得到了工業化應用，并取得了顯著的經濟效益［11］。

為了改善產品分布、增加輕質油收率，近年來研究者提出了冷催化劑循環技術，通過降低再生劑溫度來顯著提高劑油比，而催化劑混合器則是該技術的關鍵設備。前人的研究表明，自由床中顆粒沿軸向的混合程度遠大于沿徑向的混合程度，二者的差別在工業裝置中尤其明顯。因此，能否實現催化劑沿徑向的均勻混合是顆粒混合器結構優化的重要方向。本文提出了一種基于氣固環流理論的混合器［12］，有效促進了流體沿徑向的流動及混合，并通過基于結構的EMMS曳力模型［13-15］，模擬研究了環流反應器中局部結構對顆粒流動的影響，為進一步拓展氣固環流反應器的結構型式與應用領域提供依據。

1　數值模型

1.1氣固兩相基本控制方程

模擬采用FLUENT?6.3.26作為求解器，雙流體模型作為基本控制方程，顆粒黏度及顆粒相壓力由顆粒動理論封閉，詳細的動力學方程可參見文獻［16-17］。

1.2基于結構的EMMS曳力模型

傳統的均勻化曳力模型不足以描述流態化系統中的氣固接觸，過大估計了氣固相間的作用力［18］，因此，對曳力進行修正顯得尤為重要。本文主要采用基于結構的 EMMS曳力模型［15］，具體如下所述。

基于結構的曳力系數（βe）為

基于結構的曳力模型將氣固流化系統分為稀相、密相以及相互作用相，不僅考慮了相內的氣固曳力（Fdf，Fdc分別表征稀相和密相曳力），同時考慮了相與相之間的相互作用（Fdi表征相互作用相曳力）。

根據Li等［13］的定義，采用非均勻結構因子（Hd）作為衡量結構對曳力系數的影響程度，即

其中，β為均勻化的曳力系數［19-20］，關聯式如下所示

Cd的表達式為

2　參數設置及模型驗證

2.1模擬條件

模擬裝置如圖1所示。反應器總高3.5 m、筒體尺寸為φ300 mm×7 mm，導流筒尺寸為φ219 mm×2 mm，高1 m，在導流筒上對稱開有4個矩形槽孔。實驗采用空氣作為氣相，平均粒徑為79 μm，顆粒密度為1498 kg·m-3的FCC催化劑作為固相。環隙區表觀氣速為0.05 m·s-1（以環隙橫截面積為基準），導流筒區表觀氣速為0.3、0.4 m·s-1（以導流筒橫截面積為基準）。顆粒循環流量為 100 kg·m-2·s-1（以底端出料口截面為基準）。

圖1　環流反應器三維構體Fig. 1　Schematic diagram of three-dimensional air loop reactor

為了研究方便，將環流反應器分為5個區域，即底部區、中心下料管進料區、槽孔區、氣固分離區和環隙區，如圖2所示。在導流筒和環隙區分別通入不同流量的氣體，形成兩個不同的流化床，通過控制氣量來控制兩個流化床內的固含率，并進而在底部區形成壓力差，推動顆粒在導流筒區和環隙區之間循環流動。當通入導流筒中的氣量大于環隙時，為中心氣升式，即固體在導流筒中上升，在環隙區下降；相反為環隙氣升式。

圖2　環流反應器分區Fig. 2　Different regions of air loop reactor

采用Gambit?2.4進行網格及構體劃分，總網格數約為 58萬。分布器進氣孔作為源面直接均勻進氣。固體出口設為流量出口，氣體出口為壓力出口，氣體和固體進口均設為速度進口。壁面邊界條件：氣相為無滑移，固相為半滑移［21-22］。為了保證裝置運行穩定，模擬時間設為40 s，后10 s進行數據時均統計。時間步長設為0.0003 s，每一步最大迭代次數為40次，保證了計算的收斂。模擬基本參數設置如表1所示。

表1　模擬參數設置Table 1　Parameters settings

2.2模型驗證

為驗證數學模型的有效性，在間歇狀況下（即裝置無進料與出料）對反應器進行了模擬，模擬條件為：導流筒區表觀氣速 0.4 m·s-1，環隙區表觀氣速0.05 m·s-1。在此操作條件下，顆粒在反應器內部的環隙區與導流筒之間循環流動。將高度分別為z=0.41 m和1.25 m時（以分布板為基準，下同）固含率與顆粒速率沿徑向分布的時均模擬值與實驗值進行了對比，分別如圖3和圖4所示。

圖3　時均固含率模擬值與實驗值的對比Fig. 3　Comparison of time-averaged simulated solid holdup and experimental data

圖4　時均顆粒速率模擬值與實驗值的對比Fig. 4　Comparison of time-averaged simulated particles velocity and experimental data

由比較結果可知，模擬的預測值與實驗值趨勢一致，數值比較接近，從而驗證了所建模型的可靠性。

3　結果分析與討論

3.1底部區的顆粒流動特性

圖5　底部區時均固體顆粒速度矢量圖Fig. 5　Time-averaged particles vector velocity distribution in bottom region （ugd=0.4 m·s-1， ugr=0.05 m·s-1，Gs=100 kg·m-2·s-1）

底部區域的氣固流動十分復雜，為控制通入導流筒區和環隙區的氣量，底部區域內分別設置有兩個氣體分布器，氣固兩相的流動受分布器的影響比較大。圖5給出了底部區顆粒速度矢量圖，由圖可以看出，環隙區內的固體顆粒向下流入底部區，在區域內水平流動，并與向上的氣體射流錯流接觸，在氣體射流強烈的擾動作用下，顆粒間產生了劇烈的混合。隨后，顆粒改為向上流動并進入導流筒內。

圖6　底部區時均固含率和時均顆粒速率的徑向分布Fig. 6　Time-averaged radial distribution of solid holdup and particles velocity in bottom region

圖6分別給出了底部區固含率以及顆粒速率沿徑向的時均分布。在環隙底部投影區（0.8〈r/R〈1.0），顆粒以較小的速率向下運動，而固含率較大，略小于起始流化固含率，這是由于環隙區表觀氣速較低并且顆粒因環隙分布器的阻擋，由向下流動改為水平流動，流動方向的轉變增加了流動阻力。0.7 〈r/R〈0.8的區域處于兩個分布器之間，部分顆粒經兩個分布器之間的空隙向下流出環流區域，使得該區域的固含率降低，同時，分布器的阻擋消失，顆粒流動阻力減小，向下的速率增加。顆粒進入導流筒底部區域之后，氣體不斷地將顆粒帶入導流筒中，隨著徑向位置的減小，固含率不斷降低，顆粒向上的速率逐漸增加。當導流筒區表觀氣速 ugd較大時，導流筒投影區中固含率稍有減小，但向上的顆粒速率明顯增大，而環隙投影區固含率有明顯增大，顆粒速率基本不變。

3.2中心下料管進料區的顆粒流動特性

圖7為中心下料管進料區的顆粒速度矢量圖。由圖可以看出，導流筒中向上流動的固體顆粒與中心下料管中流出的固體顆粒逆流接觸，兩股顆粒混合之后由中心下料管外側向上流動。在該區域，不僅存在顆粒的逆流混合，而且顆粒向外側運動，又與向上運動的顆粒形成了錯流接觸，進一步促進了顆粒沿徑向的混合。以中心下料管出料口所在截面為基準面，即L=0 m，比較了不同截面固含率以及顆粒速率沿徑向的時均分布，如圖8所示。由圖8（a）可知，在距出料口分別為L=0.108 m和0.158 m的截面，固含率分布比較一致，在中心區分布較為均勻，而靠近邊壁處，由于壁面效應，固含率明顯增大，隨著與出料口距離的減小，即L=0.058 m和 0.008 m時，在0〈r/R〈0.3的區域，固含率顯著增大，這是因為中心下料管的直徑為-0.266〈r/R〈0.266，顆粒從進料口端面流入導流筒，并與導流筒中向上流動的顆粒逆流接觸，發生強烈的混合，阻礙了顆粒向上運動。此外，可以看出L=0.008 m的截面上固含率在0.28〈r/R〈0.4的范圍內明顯偏低，這是由于流出下料管的顆粒發生了繞流，如圖7所示。圖8（b）為不同截面顆粒速率沿徑向的分布，在L=0.108 m 和0.158 m的截面，中心區顆粒向上的速率較邊壁區大，且分布比較均勻，而當L=0.058 m和0.008 m時，在 0〈r/R〈0.3的區域內，同樣由于中心下料管進料的原因，顆粒向上運動的速率減小。

圖7　中心下料管進料區時均固體顆粒速度矢量圖Fig. 7　Time-averaged particles vector velocity distribution in central down-comer inlet region （ugd=0.4 m·s-1，ugr=0.05 m·s-1， Gs=100 kg·m-2·s-1）

在此區域，導流筒中向上流動的固體顆粒與中心下料管中流出的固體顆粒逆流混合之后，沿徑向向外運動，圖9對比了不同截面徑向速率的時均分布。由圖可以看出，在距出料口截面高度分別為L=0.108和0.158 m時，顆粒徑向速率基本為0，只是在中心區域有十分微弱的徑向移動，徑向的混合幾乎可以忽略。當L=0.058 m和0.008 m時，顆粒徑向速率由中心向外先增大后減小，在 r/R=0.266處，即中心下料管邊壁下方，顆粒徑向速率最大，有效促進了顆粒沿徑向的混合。

圖8　中心下料管進料區時均固含率和時均顆粒速率的徑向分布Fig. 8　Time-averaged radial distribution of solid holdup and particles velocity in central down-comer region

圖9　中心下料管進料區不同高度時均顆粒徑向速率分布Fig. 9　Time-averaged distribution of particles radial velocity w ith different axial heights in central down-comer region

3.3槽孔區的顆粒流動特性

圖10給出了槽孔區顆粒的流動狀況，可以看出顆粒經過槽孔時分成了兩部分：一部分經槽孔水平流入環隙區，與環隙區向下流動的顆粒錯流接觸，大大強化了顆粒沿徑向的混合；另一部分顆粒則繼續向上流動進入氣固分離區。

圖11和圖12比較了未開槽處和開槽處固含率和顆粒速率沿徑向的時均分布。槽孔高0.08 m，下沿所在截面高度為z=0.86 m。由圖可見，未開槽處（z=0.66 m），由于壁面效應導流筒邊壁處的固含率明顯偏大，而顆粒速率偏小；槽孔處（z=0.91 m），固含率在導流筒中沿徑向分布比較均勻，在環隙中固含率隨著半徑的增加逐漸增大，這是由于氣體攜帶固體顆粒經槽孔流入環隙區并且與環隙向下的固體顆粒在槽孔處錯流混合。槽孔處，由于流通面積增大，使得導流筒中向上的顆粒速率和環隙向下的顆粒速率均減小。在該區域，當 ugd較大時，導流筒中顆粒向上的速率增大，固含率減小，而環隙中顆粒向下的速率增大，固含率變化不明顯。

圖10　槽孔區時均固體顆粒速度矢量圖Fig. 10　Time-averaged particles vector velocity distribution in groove region （ugd=0.4 m·s-1， ugr=0.05 m·s-1，Gs=100 kg·m-2·s-1）

圖13給出了槽孔處固含率及顆粒速度矢量分布。由圖13（a）固含率分布可知，在環隙區由于顆粒的徑向流動及顆粒的錯流混合，造成了邊壁處固含率增大，形成了顆粒濃集區，將其中一個槽孔中心線所在位置標記為0°，那么濃集區的邊界范圍近似為-10°～10°，與槽孔邊緣半徑的延長線基本重合。由圖13（b）速度矢量分布進一步發現，導流筒中的固體顆粒在槽孔附近向外流動，徑向速率約為 0.28 m·s-1，顆粒進入環隙之后向兩側流動，由相鄰槽孔流入的固體顆粒在兩個槽孔之間的區域逆流接觸，混合之后改變方向向下流動，實現了顆粒在徑向和周向的混合。

圖11　未開槽處時均固含率及時均顆粒速率的徑向分布Fig. 11　Time-averaged radial distribution of solid holdup and particles velocity in no groove region

圖12　槽孔處時均固含率及時均顆粒速率的徑向分布Fig. 12　Time-averaged radial distribution of solid holdup and particles velocity in groove region

圖13　槽孔截面時均固含率及時均顆粒速度矢量分布Fig. 13　Time-averaged distribution of solid holdup and particles vector velocity in groove region（ugd=0.4 m·s-1，ugr=0.05 m·s-1， Gs=100 kg·m-2·s-1）

圖14比較了0°和45°兩個周向上的固含率時均分布。在0°方向，導流筒邊壁效應消失，固含率在導流筒邊壁處減小，沿徑向分布更加均勻；在環隙區，由于顆粒經槽孔的水平流入，0°方向的固含率較大。圖15給出了環隙區截面平均固含率沿軸向的時均分布。槽孔所在高度為0.86 m≤z≤0.94 m，由圖可以看出槽孔所在截面平均固含率顯著增加，并且槽孔中心所在截面（z=0.9 m）的平均固含率最大。

3.4氣固分離區及環隙區的顆粒流動特性

固體顆粒進入氣固分離區之后，沿徑向逐漸向外流動，而后進入環隙區。氣固分離區沿徑向流動的顆粒與導流筒上升的顆粒同樣會發生錯流混合，對顆粒沿徑向的混合有一定的促進作用。圖16給出了氣固分離區固含率以及顆粒速率沿徑向的時均分布。由圖可以看出，氣固分離區的固含率在中心區分布比較均勻，靠近邊壁處固含率略有增加，在導流筒上方區（0.27〈r/R〈0.76）顆粒向上運動，而在環隙上方區（0.76〈r/R〈1）顆粒向下運動。當導流筒區表觀氣速較大時，固含率較小，顆粒在導流筒區向上運動的速率增加，而在環隙區向下運動的速率增加。

圖14　槽孔處不同周向位置時均固含率徑向分布Fig. 14　Time-averaged radial distribution of solid holdup w ith different circum ferential positions in groove region

圖15　環隙區不同軸向高度截面平均固含率Fig. 15　Average solid holdup w ith different axial heights in annulus region

顆粒由氣固分離區向外流動進入環隙區，在環隙區的固含率及顆粒速率時均分布如圖 17所示。固含率和顆粒速率沿徑向的分布都比較均勻，并且固含率較其他區域明顯偏大。隨著表觀氣速的增加，固含率變化不明顯，而顆粒向下的速率明顯增加。

4　結　論

本文采用基于結構的EMMS模型，對一種新型結構的氣固環流反應器中顆粒流動特性進行模擬研究，得出以下結論。

（1）導流筒區表觀氣速增加，導流筒中床層固含率減小，顆粒速率增加。

（2）反應器中顆粒多次形成逆流和錯流接觸，可有效改善反應器的混合程度，特別是沿徑向的顆粒混合。

（3）下料管出料口附近 0≤L≤0.058 m，0〈r/R〈0.3，固含率較大，顆粒存在明顯的徑向流動。

（4）導流筒中的固含率及顆粒速率在槽孔處分布更加均勻，0.86 m≤z≤0.94 m的環隙存在顆粒濃集區。

圖16　氣固分離區時均固含率和時均顆粒速率的徑向分布Fig. 16　Time-averaged radial distribution of solid holdup and particles velocity in gas-solid separation region

圖17　環隙區時均固含率和時均顆粒速率的徑向分布Fig. 17　Time-averaged radial distribution of solid holdup and particles velocity in annulus region

符號說明

Cd——單顆粒（氣泡）曳力系數

d ——直徑，m

Fd——曳力，N

f ——密相體積分數

G ——顆粒進料量，kg·m-2·s-1

g ——重力加速度，m·s-2

Hd——非均勻結構因子

L ——距中心下料管出口截面的高度，m

R ——環流外筒體內半徑，m

Re ——Reynolds數

r ——半徑，m

Uslip——表觀滑移速度，m·s-1

u ——顆粒軸向速度，m·s-1

ugd——導流筒表觀氣速，m·s-1

ugr——環隙區表觀氣速，m·s-1

u* ——顆粒徑向速度，m·s-1

v ——顆粒（氣體）真實速度，m·s-1

z ——以分布板為基準的軸向高度，m

β ——均勻曳力系數，kg·m-3·s-1

βe——基于結構的曳力系數，kg·m-3·s-1

εg——空隙率

εs——固含率

θ ——周向角度，（°）

μ ——黏度，Pa·s

ρ ——密度，kg·m-3

下角標

c ——密相

f ——稀相

g ——氣體

i ——相互作用相

p——顆粒

s——固體

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CFD simulation of particle flow in new type of gas-solid air loop reactor

The behavior of particle flow in a new type of gas-solid air loop reactor （GSALR）， which acted as a particle mixer， was numerically simulated by multi-scale computational fluid dynamics （CFD） w ith the structure-dependent EMMS drag model. The suitability of the drag model was verified by agreement of the simulated results and the experimental data in time averages of solid holdup and particle velocity. The particle upward velocity increased but the mean solid holdup on beds decreased when the superficial gas velocity increased in the draft tube. Several m ixing regions of particle crossflow and mixed flow in GSALR improved the efficiency of radial particle m ixing. In the groove region， the distributions of solid holdup and particle velocity were more uniform， while a particle concentrating area was formed at circular overlap due to particle flow from the groove. In the region of 0≤L≤0.058 m and 0〈r/R〈0.3， the solid holdup was increased and particle flow was evidently enhanced along the radial direction.

CFD；circulating fluidized bed；multi-scale；particle flow；gas-solid two phase

date: 2016-03-31.

LIU Mengxi， mengxiliu@sina.com； LI Fei，lifei@ipe.ac.cn

supported by the National Basic Research Program of China （2012CB215000）.

TQ 052.5

A

0438—1157（2016）08—3234—10

10.11949/j.issn.0438-1157.20160388

2016-03-31收到初稿，2016-06-05收到修改稿。

聯系人：劉夢溪，李飛。第一作者：孟振亮（1987—），男，博士研究生。

國家重點基礎研究發展計劃項目（2012CB215000）。