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典型化工设备中气固两相流动特性的研究

典型化工设备中气固两相流动特性的研究

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作者：王一泽南昌大学

学位级别：硕士

撞击流装置、喷动床与旋转流化床均是化工过程中的典型设备。撞击流中细颗粒物的黏附流与喷动床、旋转流化床气力混合设备中粉体物料的混合在本质上都属于气固两相流动问题。本文对撞击流中干、湿细颗粒物及其在化学团聚作用下的黏附团... 详细信息

撞击流装置、喷动床与旋转流化床均是化工过程中的典型设备。撞击流中细颗粒物的黏附流与喷动床、旋转流化床气力混合设备中粉体物料的混合在本质上都属于气固两相流动问题。本文对撞击流中干、湿细颗粒物及其在化学团聚作用下的黏附团聚过程与运动行为规律进行了研究;基于相似原理与流动相似理论对工业级气力混合设备中粉体混合问题进行了工程缩放，并分别对喷动床与旋转流化床气力混合设备中气固两相的运动行为规律及混合均匀性进行了研究。　　首先，基于CFD-DEM(Computationalfluiddynamics-discreteelementmethod)耦合方法对水平同轴两喷嘴撞击流中气固两相流动特性进行了数值模拟，分析了流体相的速度、压力和湍流强度分布、颗粒反向渗透的最大距离、颗粒数浓度分布、颗粒黏附团聚等行为规律。结果表明：撞击流中流体速度、静压力，湍流强度基本上呈现出关于撞击面的镜像对称分布;细颗粒在撞击流中的撞击面附近做往复的阻尼振荡减幅运动，对于粒径10μm的细颗粒，其在撞击流的反向气流中渗透的最大距离为4.3mm;细颗粒物在撞击面附近的往复运动，增加了细颗粒物在撞击区的停留时间，使得撞击区中细颗粒物数量浓度增大;细颗粒在撞击区富集并黏附团聚形成颗粒团，颗粒团在重力作用下发生沉降。　　其次，对不同化学团聚剂作用下撞击流中湿颗粒的黏附团聚与运动行为规律进行了研究;理论计算了不同化学团聚剂作用下湿颗粒黏附的表面能，分析了表面能对细颗粒间的碰撞次数、碰撞相对速度、颗粒间接触次数等参数的影响规律。结果表明：与干颗粒相比，添加不同含水量或化学团聚剂作用下湿颗粒的表面能增大;随着细颗粒表面能的增大，颗粒间接触黏附作用力增大，颗粒接触碰撞次数快速减小，接触黏附次数增大;细颗粒表面能γmod大于4.2mJ·m-2时，撞击区中接触碰撞的细颗粒可完全实现黏附团聚;细颗粒接触黏附的表面能对颗粒碰撞速度影响较小，细颗粒发生接触碰撞时，其中80%的细颗粒之间的相对速度在0-2m·s-1之间;化学团聚作用可进一步促进撞击流中细颗粒物的黏附团聚，黏附团聚形成的颗粒团在重力作用下发生沉降。　　然后，基于相似原理对工业级喷动床与旋转流化床气力混合设备进行了工程缩放，分别对喷动床与旋转流化床中粉体物料的行动行为规律及混合均匀性进行了研究，分析了两种不同结构的气力混合设备中气流与粉体的速度分布，粉体循环运动时间，粉体混合均匀性指数等参数。结果表明：喷动床中，粉体物料在气流作用下向上运动后在喷泉区扩散;在混合过程中，粉体在喷射区、喷泉区、环隙区做周期性的循环运动，直至粉体混合均匀;喷动床中粉体的混合主要发生在喷泉区;混合时间为19.5s时，喷动床中粉体混合均匀性指数达到0.95。旋转流化床中，粉体在气流作用下从床层底部旋转上升至床层表面，在旋转流化区剧烈混合，之后在重力作用下运动至床层底部，粉体做周期性的循环运动，直至混合均匀;旋转流化床中粉体的混合主要发生在鼓泡流化区;混合时间为6.25s时，旋转流化床气力混合设备中粉体混合均匀性指数达到0.95。　　此后，进一步研究了旋转流化床混合设备的结构参数与操作参数对粉体运动与混合规律的影响。分析了旋转流化床中进气速度、进气管数量、进气管倾斜角度与两种物料密度比等参数对粉体混合均匀性指数与混合速率的影响规律。结果表明：进气速度从17.5m·s-1增大到25m·s-1，粉体混合速率增大，达到混合均匀(Lacey指数为0.95)所需要的的时间由8s减小至6.21s;进气管倾斜角度从30°增大到58°时，混合速率先增大后减小，混合均匀时间先减小后增大，适宜的进气管倾斜角度为46°。　　最后，基于上述相关研究结果，对喷动床与旋转流化床混合过程中混合均匀性指数、颗粒循环运动周期、轴向与径向混合速率进行了对比分析。结果表明：气力混合设备的结构与进气方式由喷动床改为旋转流化床后，粉体混合均匀(Lacey指数为0.95)的时间由19.5s减小至6.25s;喷动床中粉体循环运动周期约为9.4s，旋转流化床中粉体循环运动周期约为2s;旋转流化床轴向混合速率与径向混合速率分别是喷动床的2.15与1.87倍。

关键词：撞击流黏附团聚喷动床旋转流化床气固两相流

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