一种颗粒密度和粒径动态变化流化床的模拟方法技术

一种颗粒密度和粒径动态变化流化床的模拟方法，步骤一、流化床内基本流动反应模型的建立；步骤二、建立描述颗粒相密度和粒径变化规律的数学模型；步骤三、建立颗粒类型分段曳力模型；步骤四、流化床内流动反应特性的预测；该方法采用计算流体力学方法对颗粒密度和粒径动态变化的流化床进行模拟研究，结合描述颗粒相密度和粒径变化规律的数学模型对颗粒的密度和粒径进行实时修正，通过颗粒类型分段曳力模型描述多种颗粒类型并存体系的气‑颗粒相间作用力，从而准确预测颗粒密度和粒径动态变化流化床内的流动反应特性。该方法无需进行大量复杂昂贵的实验研究，可以节约大量的人力、物力及时间成本。

【技术实现步骤摘要】
一种颗粒密度和粒径动态变化流化床的模拟方法
本专利技术涉及流体力学领域，具体涉及一种基于计算流体力学预测颗粒密度和粒径动态变化流化床的模拟方法。
技术介绍
流化床内的固体颗粒在流体的作用下具有流体某些表观特性，颗粒表面全部暴露于周围剧烈湍动的流体中，从而强化了传热、传质和化学反应，因此广泛用于工业领域如生物质、煤等固体燃料的热解、燃烧或气化等过程。流化床内生物质或煤等颗粒的密度和粒径随着热解、燃烧或气化等非均相化学反应的进行往往发生动态变化，表现出一定的密度和粒径变化规律，影响着流化床内的流动反应特性。计算流体力学是对研究对象建立流动反应模型并采用计算机和离散化的数值方法进行数值模拟和分析的一种方法。该方法不受现有实验技术的限制，可以全面、高效且低成本地揭示流化床内的流动反应特性，因此广泛应用于流化床的研究当中。准确描述反应器内气相和颗粒的性质以及各种相互作用力是精确预测流化床反应器流动反应特性的重要基础。对于颗粒密度和粒径动态变化的流化床，在数值模拟时需要注意以下两点：(1)颗粒的密度和粒径分布：目前大部分模拟工作均假设颗粒在非均相化学反应过程中粒径保持恒定不变，这与流化床反应器内的真实情况相差甚远，从而严重影响着模拟结果的准确性。虽然申请者之前的专利提出了一种基于计算流体力学流化床内颗粒密度和粒径分布预测方法(201510079554.X)，但是由于该专利技术仅能用于单组分一步反应机理，无法适用于更为复杂准确的多组分多步平行-顺序反应机理。(2)颗粒的类型：Geldart依据颗粒的密度和粒径等性质将颗粒分成具有不同流态化特征的A、B、C及D类颗粒。在颗粒密度和粒径动态变化的流化床，极有可能同时存在着不同类型的颗粒。对于不同类型颗粒，其气-颗粒相间作用力(曳力)的计算方法存在较大的差异。而目前的模拟工作尚未考虑到颗粒类型可能发生的变化，对于指定的流化床反应器仅采用单一类型颗粒的曳力模型，难以准确描述多种颗粒类型并存体系的气-颗粒相间作用力。因此，现有的模拟方法难以准确预测颗粒密度和粒径动态变化流化床内的流动反应特性，无法为此类反应器的精准调控、优化设计及过程放大提供理论基础。
技术实现思路
为了解决现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种颗粒密度和粒径动态变化流化床的模拟方法，该方法采用计算流体力学方法对流化床进行模拟研究，结合描述颗粒相密度和粒径变化规律的数学模型对颗粒的密度和粒径进行实时修正，通过颗粒类型分段曳力模型描述多种颗粒类型并存体系的气-颗粒相间作用力，从而准确预测颗粒密度和粒径动态变化流化床内的流动反应特性。该方法不受现有实验技术的限制，可以全面、高效且低成本地揭示流化床内的流动反应特性，为此类反应器的精准调控、优化设计及过程放大提供理论基础。为达到以上目的，本专利技术采用如下技术方案：一种颗粒密度和粒径动态变化流化床的模拟方法，包括以下步骤：步骤一、流化床内基本流动反应模型的建立基于欧拉-欧拉方法，将气相和颗粒相均看作连续相，采用颗粒动力学理论描述颗粒相性质，颗粒相可以为一种或多种，根据实际情况确定，气相连续性方程：颗粒相连续性方程：其中下标g表示气相，下标pi表示第i种颗粒相；α为体积分数，ρ为密度，v为速度，Sm为非均相反应导致的质量变化源项；气相动量方程：颗粒相动量方程：其中p为压力，τ为黏性应力张量，g为重力加速度，β为气相和颗粒相的曳力系数，ζ为不同颗粒相间的曳力系数，Sv为非均相反应导致的动量变化源项；气相能量方程：颗粒相能量方程：其中H为焓值，λ为导热系数，T为温度，hgpi为气相和颗粒相之间的对流传热系数，由于在流化床反应器中新加入的物料通常仅占炉内床料总量的5％以下，因此忽略颗粒相和颗粒相之间的热量传递，Sh为由于非均相反应引起的能量变化源项：其中Nupi为无因次Nusselt准数，对于气固两相流体系采用Gunn的经验关联式计算；其中cp为比热容，μ为粘度，d为颗粒直径；气相组分输送方程：其中Ygi为气相中组分i的质量分数，Di,m为气相中组分i的扩散系数，Rgi为气相中组分i的均相反应速率，Srgi为气相中组分i的非均相反应速率；颗粒相组分输送方程：其中Ypi,j为第i种颗粒相中组分j的质量分数，Dj,m为第i种颗粒相中组分j的扩散系数，Rpi,j为第i种颗粒相中组分j的均相反应速率，Srpi,j为第i种颗粒相中组分j的非均相反应速率；颗粒拟温度方程：其中Θ为颗粒拟温度；气相剪应力：颗粒相剪应力：其中I为单位张量，σ为颗粒体相黏度；颗粒相压力：其中e为碰撞恢复系数；径向分布函数：对于包含多种颗粒相的体系，最大堆积极限并不是一个固定的值，以下为计算颗粒最大堆积极限的关联式：当否则其中颗粒体相黏度：颗粒相剪切黏度由碰撞项、动力项及摩擦项三项组成：其中I2D为偏应力张量的第二不变量；颗粒拟温度的输送系数：颗粒碰撞导致的颗粒拟温度耗散项：颗粒相与颗粒相之间的曳力系数采用Syamlal曳力模型：其中Cfr为颗粒间的摩擦系数；均相和非均相化学反应速率均可采用阿伦尼乌斯方程描述：Ri＝kΠ(Ci)n(29)其中Ri为i组分的化学反应速率，k为速率常数，A为指前因子，E为反应活化能，R为理想气体常数，Ci为i组分摩尔浓度，n为反应级数；步骤二、建立描述颗粒相密度和粒径变化规律的数学模型当颗粒在流化床内发生非均相化学反应时，通常多组分多步平行-顺序反应，可由以下反应式表示：式中A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L为反应物和产物，下标n表示第n种组分，括号内s和g分别表示颗粒相组分和气相组分，k1n、k2n、k3n、k4n、k5n为相应的速率常数；对于密度和粒径动态变化的颗粒，其颗粒相密度变化数学模型可由下式表示：式中Yi和ρi分别为颗粒相中i组分的质量分数和密度；而颗粒相粒径变化数学模型，则可根据颗粒尺度的质量守恒，由颗粒相的质量和密度变化数学模型获得，因此，需确定颗粒相的质量。依据化学反应工程理论对反应式进行分析，对各颗粒相组分的生成\消耗速率建立一系列偏微分方程组，如下所示：通过求解以上的偏微分方程组，即可获得颗粒相各组分的质量，从而可确定颗粒相的总质量和各组分的质量分数，最终根据综合密度变化数学模型方程(31)和颗粒尺度的质量守恒获得颗粒相粒径变化数学模型；在求解偏微分方程时可采取两种方法，一种是求解析解，适用于相对较为简单的热解机理；另一种是求数值解，适用于极其复杂的热解机理。(1)解析解法该方法首先将各颗粒相组分的生成/消耗速率相比，即可消除反应时间项，获得各颗粒相组分之间的关系式。再根据颗粒相组分质量分数和密度变化数学模型，结合颗粒尺度的质量守恒分析获得粒径变化数学模型。(2)数值解法对于极其复杂的热解机理，由于组分数目多且反应步骤复杂，难以获得反应速率偏微分方程组的解析解。但是可运用数学软件对偏微分方程进行数值求解，获得不同反应时间下各颗粒相组分的质量，进而求得不同反应时间下颗粒质量及各颗粒相组分的质量分数，在数学软件中通过数据拟合的方法获得颗粒质量与各颗粒相组分质量分数的关联式，最后与密度变化数学模型结合进行颗粒尺度质量守恒分析获得粒径变化数学模型。以上两种方法所建立粒径变化数学模型的通用形式为：dp＝f(Yi,ρi)dp0(38)式中dp0为颗粒的初始本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种颗粒密度和粒径动态变化流化床的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、流化床内基本流动反应模型的建立；步骤二、建立描述颗粒相密度和粒径变化规律的数学模型；步骤三、建立颗粒类型分段曳力模型；步骤四、流化床内流动反应特性的预测；基于流动反应模型和颗粒相密度和粒径变化数学模型对流化床内密度和和粒径分布状态进行模拟预测，首先根据流化床结构对模拟体系进行网格划分，设置基本流动反应模型，输入各化合物、颗粒的物性及反应动力学数据，定义出入口和壁面边界条件，设置时间步长和收敛条件开始求解；求解时先计算气‑颗粒相曳力系数，然后求解连续性、动量和颗粒拟温度方程，随后求解能量方程，再求解组分方程，根据各组分含量和相应的颗粒密度和粒径变化数学模型，对颗粒相密度和粒径进行修正更新，若整个计算体系内连续性方程、动量方程、颗粒拟温度方程、能量方程和组分方程两侧差值的绝对值之和均小于0.001，则计算结果收敛，否则不收敛；如不收敛则重复迭代，如收敛则判断计算时间是否完成，如未完成刚进入下一时间步进行求解，如完成则停止计算求解，导出模拟结果，获得流化床内的流动反应特性。

【技术特征摘要】
1.一种颗粒密度和粒径动态变化流化床的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、流化床内基本流动反应模型的建立；步骤二、建立描述颗粒相密度和粒径变化规律的数学模型；步骤三、建立颗粒类型分段曳力模型；步骤四、流化床内流动反应特性的预测；基于流动反应模型和颗粒相密度和粒径变化数学模型对流化床内密度和和粒径分布状态进行模拟预测，首先根据流化床结构对模拟体系进行网格划分，设置基本流动反应模型，输入各化合物、颗粒的物性及反应动力学数据，定义出入口和壁面边界条件，设置时间步长和收敛条件开始求解；求解时先计算气-颗粒相曳力系数，然后求解连续性、动量和颗粒拟温度方程，随后求解能量方程，再求解组分方程，根据各组分含量和相应的颗粒密度和粒径变化数学模型，对颗粒相密度和粒径进行修正更新，若整个计算体系内连续性方程、动量方程、颗粒拟温度方程、能量方程和组分方程两侧差值的绝对值之和均小于0.001，则计算结果收敛，否则不收敛；如不收敛则重复迭代，如收敛则判断计算时间是否完成，如未完成刚进入下一时间步进行求解，如完成则停止计算求解，导出模拟结果，获得流化床内的流动反应特性。2.根据权利要求1所述的一种颗粒密度和粒径动态变化流化床的模拟方法，其特征在于，步骤一具体为：基于欧拉-欧拉方法，将气相和颗粒相均看作连续相，采用颗粒动力学理论描述颗粒相性质，颗粒相可以为一种或多种，根据实际情况确定，气相连续性方程：颗粒相连续性方程：其中下标g表示气相，下标pi表示第i种颗粒相；α为体积分数，ρ为密度，v为速度，Sm为非均相反应导致的质量变化源项；气相动量方程：颗粒相动量方程：其中p为压力，τ为黏性应力张量，g为重力加速度，β为气相和颗粒相的曳力系数，ζ为不同颗粒相间的曳力系数，Sv为非均相反应导致的动量变化源项；气相能量方程：颗粒相能量方程：其中H为焓值，λ为导热系数，T为温度，hgpi为气相和颗粒相之间的对流传热系数，由于在流化床反应器中新加入的物料通常仅占炉内床料总量的5％以下，因此忽略颗粒相和颗粒相之间的热量传递，Sh为由于非均相反应引起的能量变化源项：其中Nupi为无因次Nusselt准数，对于气固两相流体系采用Gunn的经验关联式计算；其中cp为比热容，μ为粘度，d为颗粒直径；气相组分输送方程：其中Ygi为气相中组分i的质量分数，Di,m为气相中组分i的扩散系数，Rgi为气相中组分i的均相反应速率，Srgi为气相中组分i的非均相反应速率；颗粒相组分输送方程：其中Ypi,j为第i种颗粒相中组分j的质量分数，Dj,m为第i种颗粒相中组分j的扩散系数，Rpi,j为第i种颗粒相中组分j的均相反应速率，Srpi,j为第i种颗粒相中组分j的非均相反应速率；颗粒拟温度方程：其中Θ为颗粒拟温度；气相剪应力：颗粒相剪应力：其中I为单位张量，σ为颗粒体相黏度；颗粒相压力：其中e为碰撞恢复系数；径向分布函数：对于包含多种颗粒相的体系，最大堆积极限并不是一个固定的值，以下为计算颗粒最大堆积极限的关联式：当

【专利技术属性】
技术研发人员：钟汉斌，张君涛，梁生荣，
申请(专利权)人：西安石油大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61