CN109145370B - 一种基于cfd的循环流化床回料管结构优化设计方法 - Google Patents

一种基于cfd的循环流化床回料管结构优化设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于CFD的循环流化床回料管结构优化设计方法，包括以下步骤：（1）建立多种不同结构的三维提升管模型，包括分别改变回料管管径、安装高度和安装角度；（2）在CFD软件中设置模拟所需的模型参数和变量参数；（3）运行CFD计算获取提升管内各流动参数值和各流场分布特征；（4）提取并计算提升管内轴向空隙率、轴向压力梯度和不同高度轴向颗粒速度的径向分布，确定最佳回料管管径；（5）基于步骤（4）中最佳的回料管管径，比较不同回料管安装高度下的模拟结果，重复步骤（1）~（4），分别确定回料管最佳安装高度和角度。本发明有效克服了实验研究投资大、风险高、周期长等缺点，为优化反应器结构、提高产品性能提供指导。

Description

一种基于CFD的循环流化床回料管结构优化设计方法
技术领域
本发明涉及一种基于CFD的循环流化床回料管结构优化设计方法。
背景技术
循环流化床是一种具有复杂结构的流化床装置，广泛应用于在化学链燃烧、生物质气化以及催化裂化等工业过程。而在流化床中，随着气速和床层结构的变化，床层中会出现不同的流型，如鼓泡流态化、湍动流态化等。由于在气固两相流中涉及颗粒体系的运动过程十分复杂，使得反应器中不同操作条件下流动状态存在着较大的差异，这对反应装置的气固混合、传质传热、反应过程都有着重要影响，并直接关系着反应器的生产能力、收率和选择性。回料管作为连接返料阀与提升管的重要装置，对于物料的顺利输运和循环体系的稳定运行起重要作用。然而，由于实验研究具有可操作性低、材料资金消耗大等缺点，目前对于回料管的实验研究尚未完善。
随着计算机和CFD（Computational Fluid Dynamic）模拟技术的发展，运用模拟手段研究循环流化床受到广泛关注，其优势在于不仅可以降低研究成本、节约资源，还能更清晰地了解床内各流场变化，为更好地控制操作条件提供关键信息。近年来，越来越多的研究人员通过CFD模拟系统研究了循环流化床结构对流体流动的影响，尤其是提升管内流场结构。如Zhao等人 (Chem. Eng. Sci. , 2015, 134, 477-488) 基于CFD模拟，研究了提升管出口结构对流动状态的影响。同样，Lu等人 (Chem. Eng. Sci. , 2017, 171, 244-255)借助CFD模拟研究了不同尺寸下提升管内流动特性。然而，鲜有文献报道回料管的相关研究。基于以上讨论，本发明采用CFD模拟技术，对循环流化床回料管进行研究，通过考察回料管管径、安装高度和安装角度等影响，对于改进循环流化床装置结构、优化反应器性能具有重要的指导意义。
发明内容
本发明的目的是基于CFD模拟，提出一种回料管结构优化设计方法，其步骤如下：
（1）采用GAMBIT软件包建立多种不同结构的三维提升管模型，并进行网格划分，将生成的网格文件导入CFD 软件；其中不同结构包括分别改变回料管管径、安装高度和安装角度。
（2）在CFD软件中设置模拟所需的模型参数和变量参数；其中所述模型参数包括多相流模型和湍流模型，变量参数包括操作条件和离散压力、动量、湍动能及湍动能耗散率；
（3）运行CFD计算获取提升管内各流动参数值和各流场分布特征；
（4）基于只改变不同回料管条件的模拟方案，提取并计算提升管内轴向空隙率、轴向压力梯度和不同高度轴向颗粒速度的径向分布，确定回料管管径优化范围；
（5）基于步骤（4）中最佳的回料管管径，比较不同回料管安装高度下的模拟结果，重复步骤（1）~（4），确定回料管最佳安装高度；
（6）基于步骤（4）（5）中最佳的回料管管径和安装高度，比较不同回料管安装角度下的模拟结果，重复步骤（1）~（4），确定回料管最佳安装角度。
步骤（1）中所述三维提升管模型由提升管、回料管和出口管组成。
步骤（1）中所述网格文件为*.msh文件。
步骤（2）中所述多相流模型和湍流模型分别为双欧拉模型和标准k-ε模型。
步骤（2）中所述操作条件包括入口气速、出口压力和循环入口颗粒流率。
步骤（2）中所述变量参数离散方法为二阶迎风格式。
步骤（3）中所述流动参数值包括提升管轴向空隙率分布、压力梯度和轴向颗粒速度的径向分布。
本发明适用于设计和优化大中小型实验和工业循环流化床回料管装置，为优化反应器结构、提高产品性能提供指导性意见。
本发明采用CFD模拟技术，有效克服了实验研究投资大、风险高、周期长等缺点，直观再现了不同回料管设计与安装条件下提升管内气固两相流动特性。
附图说明
图1是三维提升管模拟方法流程图；
图2是三维提升管及网格划分示意图；
图3-6是不同管径下提升管及其结果图；其中，图3是不同管径下轴向空隙率分布，图4是不同管径下轴向压力梯度分布，图5-6是不同管径下轴向颗粒速度的径向分布，D为提升管直径，d为回料管直径；
图7-10是不同安装高度下提升管及其结果图；其中，图7是不同安装高度下轴向空隙率分布，图8是不同安装高度下轴向压力梯度分布，图9-10是不同安装高度下轴向颗粒速度的径向分布，h为回料管中心线距分布板的高度；
图11-14是不同安装角度下提升管及其结果图；其中，图11是不同安装角度下轴向空隙率分布，图12是不同安装角度下轴向压力梯度分布，图13-14是不同安装角度下轴向颗粒速度的径向分布，θ为安装角度，取逆时针为正。
具体实施方法
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细阐述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
实施例1
如图2所示的三维提升管物理模型包含了回料管和T型出口，其中提升管高16.8m，直径为0.305 m；出口直径为0.2 m，且管中心线距提升管顶部0.91 m。
利用Gambit软件中完成几何建模，采用六面体结构型网格和四面体非结构型网格进行网格划分。
流化介质为空气，固相采用高密度聚乙烯颗粒（HDPE）。不同案例在模拟过程中，提升管气速、颗粒循环速率及出口压力均设置为定值。
实施例2
图2所示为三维提升管模拟流程图。
所有案列均在欧拉-欧拉框架下完成，并结合了颗粒动力学理论（KTGF），湍流模型采用标准k-ε模型，曳力系数采用Gidaspow模型。
在边界条件设置中，提升管底部设置为速度入口，大小为7.58 m/s；侧边颗粒循环入口设置为质量流率入口，大小为14 kg/s；顶部设置为压力出口，大小为105 kPa；同时考虑重力影响。
求解器设置包括离散格式、欠松弛因子、残差监测、时间步长及迭代方式。
结果后处理采用CFD-post软件和Tecplot软件。
实施例3
该实施例是基于仅改变回料管管径条件下进行的。图3是提升管内轴向空隙率分布，与d/D=0.33, 0.49, 1.00下的空隙率相比，当d/D=0.75时，提升管内空隙率较小，即颗粒浓度较大，这在工业燃烧、催化等反应过程中有利于反应物的充分接触和反应，提高转化效率。图4是提升管内轴向压力梯度分布，同样，d/D=0.75时压力梯度较大，压力梯度增加，有利于颗粒循环。由图5、6中可以看出，回料管管径对于轴向颗粒速度的径向分布有较大影响，于其他管径相比，当d/D=0.75时可以明显改善轴向颗粒速度的径向分布，同样有利于工业中反应物的充分反应，提高反应效率。
实施例4
图7-10分别表示提升管内轴向空隙率分布、轴向压力梯度分布和X、Y方向上轴向颗粒速度径向分布。本实施例与实施例3区别在于，基于上述实施例所得最佳回料管管径，即d/D=0.75，选取不同的安装高度h进行对比。由图中可以看出，回料管安装高度对轴向空隙率分布和压力梯度分布影响较小。此外，安装高度较低时轴向空隙率明显较大，而压力梯度较小，表明提升管内颗粒浓度较小，不利于反应物充分反应和颗粒循环。与h/D=0.39,0.98, 1.97相比，当h/D=1.40时，可以明显改善轴向颗粒速度径向分布。如实施例3所述，此时有利于反应器内物料的充分接触和反应。
实施例5
本实施例是基于实施例3和实施例4所得结果，通过考察回料管安装角度来进行结构优化。图11-14是回料管不同安装角度下提升管内气固流动特性。如图中所示，回料管安装角度对提升管内轴向空隙率和压力梯度分布影响甚微，尤其是在提升管中上部，其空隙率和压力梯度变化较小。而对于轴向颗粒速度径向分布，与安装角度为θ=-30°,30°,45°,60°相比，安装角度θ=0°时可以明显改善其径向分布，尤其在X方向。如前所述，这在工业生产中有利于提高产品转化率。
实施例6
基于实施例3~5所述，回料管管径、安装高度及安装角度对提升管内气固两相流动行为均有一定影响。其优化项应设置为d/D=0.40-1.00，h/D=0.50-2.00。而对于回料管安装角度，考虑到其对提升管内轴向颗粒分布和压力梯度影响较小，因此其安装角度可在θ=0-60°。

Claims (8)

1.一种基于CFD的循环流化床回料管结构优化设计方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)采用GAMBIT软件包建立多种不同结构的三维提升管模型，并进行网格划分，将生成的网格文件导入CFD软件；其中不同结构包括回料管管径、安装高度和安装角度；
(2)在CFD软件中设置模拟所需的模型参数和变量参数；其中所述模型参数包括多相流模型和湍流模型，变量参数包括操作条件和离散压力、动量、湍动能及湍动能耗散率；
(3)运行CFD计算并获取提升管内各流动参数值和各流场分布特征；
(4)基于只改变回料管管径的模拟方案，提取并计算提升管内轴向空隙率、轴向压力梯度和不同高度轴向颗粒速度的径向分布，分析并确定回料管管径优化范围；结果表明，回料管管径的优化范围为d/D＝0.40-1.00，d为回料管直径，D为提升管直径；
(5)基于步骤(4)中最佳的回料管管径，比较不同回料管安装高度下的模拟结果，重复步骤(1)～(4)，确定回料管最佳安装高度；结果表明，回料管高度的优化范围为h/D＝0.50-2.00，h为回料管中心线距分布板的高度；
(6)基于步骤(4)(5)中最佳的回料管管径和安装高度，比较不同回料管安装角度下的模拟结果，重复步骤(1)～(4)，确定回料管最佳安装角度；结果表明，回料管角度的优化范围为θ＝0-60°，θ为安装角度。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(1)中所述三维提升管模型由提升管、回料管和出口管组成。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(1)中所述网格划采用四面体和六面体网格，输出的网格文件为*.msh文件。
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(2)中所述多相流模型和湍流模型分别为双欧拉模型和标准k-ε模型。
5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(2)中所述操作条件包括入口气速、出口压力和循环入口颗粒流率。
6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(2)中所述变量参数离散方法为二阶迎风格式。
7.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(3)中所述流动参数值包括提升管轴向空隙率分布、压力梯度和轴向颗粒速度的径向分布。
8.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述回料管优化结构范围为d/D＝0.40-1.00，h/D＝0.50-2.00，θ＝0-60°。
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