短接触旋流反应器混合腔内离散颗粒分布特性的模拟.pdf

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1、第41卷第3期化工机械357短接触旋流反应器混合腔内离散颗粒分布特性的模拟‘王振波料张玉春徐春明(中国石油大学重质油国家重点实验室)摘要应用DPM模型对新型催化裂化短接触旋流反应器内的颗粒分布特性进行数值模拟，主要考察混合腔内气、固两相速度与浓度分布的基本特征。模拟结果表明：l一30ttm粒径颗粒受到重力场和旋流场的作用，在混合腔内沿气流方向旋转扩散，充满整个混合区域且逐渐螺旋下行；而50、70、100／LLm粒径的颗粒由于粒径相对较大。不易被气流夹带，在混合腔内的流动更为复杂，浓度分布的不均匀度增大。研究结果为新型反应器的设计和优化提供了重要理论

2、依据。关键词短接触旋流反应器DPM模型数值模拟分布特性中图分类号TQ052文献标识码A文章编号0254-6094(2014)03-0357-05借鉴催化蒸馏工艺，设想在催化裂化工艺中将反应过程与分离过程相结合，在反应器中同时进行超短接触反应和反应产物的实时快速分离⋯，以期解决现有提升管反应器气固分布不均匀、较严重的返混及催化剂结焦失活等问题口“。。在这一思想的推动下，在旋风分离器基础上研究开发的新型短接触旋流反应器应运而生。为深入了解和掌握新型短接触旋流反应器内气、固两相湍流流动的机理性行为，为旋流反应器的改进和优化提供理论依据，笔者采用离散颗粒方

3、法(DiscreteParticleModel，DPM)，利用计算流体力学软件(CFD)对短接触旋流反应器内湍流气固两相流动状况进行数值模拟，分析不同粒径颗粒在反应器内的流动特点。1数值模拟1．1湍流模型笔者采用的是RNGk-s湍流模型¨。J。该模型中k和占的输运方程分别为：丝+螋：立f丝一akl+G。-pe(1)c)tc)x．Oxf＼or‘OX．／‘、’丝at+半卫俨扪8)一(c∥。“∥)(2)j、or弘i7、“‘”。、’sOxorOxk其中p。fr=p+卢。，p。=pcpk2／e，C。l=1．42一'r／(卜vl／710)／(1+砌3)，，，=

4、Sk／e，S=、啄，C。=0．085，盯I=or。：0．7179，C。2=1．68，田o=4．28，口=0．015‘引。1。2颗粒相模型笔者采用随机轨道模型模拟反应器内的两相流动∽1，其颗粒运动方程为：警=(五“吨)饥(3)警=(；“q)斤。+”：么+g(4)ddw__t2=(面+l￡，’一埘I)／丁d一口I埘l／ri(5)其中，u¨秽。、伽。是颗粒的瞬时轴向、径向和切向速度；五、；、面和Ⅱ’、矽’、W’分别是气体在3个方向上的时平均速度和脉动速度。1．3模拟对象和计算参数设定图I为反应器的结构示意图，在混合腔内与再生催化剂混合、流动、传热和反应，

5、经过导向叶片加速作用后，油气和催化剂在离心力作用下最终分离。图2为网格划分结果，网格划分遵循结构化网格优于非结构化网格的原则¨¨12]，只在切}国家自然科学基金(21276281)和中国石油大学重质油国家重点实验室开放基金(SKLOP201103008)。··王振波，男，1971年11月生，教授。山东省青岛市，266580。358化工机械2014年向进气管与混合腔采用非结构化网格，最终划分26万网格，且经过网格无关性验证。建立坐标系如图l所示，圆点取在混合腔顶部中心位置。＼厂]几1，丈一～＼——＼——／／混合腔导向叶排气管分离腔排剂El图1短接触旋

6、流反应器结构示意图图2短接触旋流反应器网格介质物性：气相采用常温下的空气，固相催化剂密度为2000kg／m3，中位粒径为60lxm。入口边界条件：在进口处，将颗粒群按初始尺寸分组，使不同的颗粒从人口截面上均匀分布射人反应器，颗粒的初始速度为2．5m／s，气体的人口速度为5．Om／s。根据反应器壁面轴向位置的不同，分别设定不同的碰撞系数，在混合腔取碰撞系数为1．00，环形空间为0．95，分离空间为0．85，锥体段为0．60，灰斗壁面为0．30；当颗粒运动到排气口边界时，从出IZl逃逸，此时停止对颗粒的跟踪，设置为escape；当颗粒运动到料腿捕集口时

7、，被壁面捕集，此时也停止对颗粒的跟踪，设置为trap。2计算结果及分析2．1模拟结果准确性验证笔者对比分离腔z=400mm截面的切向速度秽，、轴向速度移。的计算值与实验值(图3)，验证模拟结果的准确性。实验采用智能型七孑L球探针测试仪测量旋流反应器内各点速度，在每个测点位置测量10次后取平均值。由图3可以看出实验值与模拟值吻合较好，说明模拟结果能够有效预测反应器内的气、固流动情况。a．切向速度b．轴向速厦图3z=400mm截面速度模拟值与实验值对比2．2混合腔气相速度分布图4为混合腔不同截面气相三维速度随径向位置的变化曲线。由图4a可以看出，轴向速

8、度基本呈双w形分布，各截面趋势基本相同，并且随着混合腔轴向下移梯度逐渐减小，在径向r=±120mm和r=±50mm处向下运