流化床中气固两相流数值模拟技术研究进展

董晓赛 孙述杰 段振亚 蓝竹军 吴孝好 陈安猛 张 玲 张俊梅

（1.青岛科技大学a.机电工程学院；b.化工学院；2.山东新华制药股份有限公司）

气固流化床在石化、干燥及制药等领域得到了广泛应用，气固两相流的研究对于工业设备设计和操作条件优化具有重要意义。目前，对气固流化床的研究主要有实验研究和数值模拟两种方式：实验研究大多采用实验装置，工程量大且费用高，极少有人在工业装置上展开研究；数值模拟可以精确地对气固两相流进行计算、预测和研究，更直观地得到实验难以测量的气固流动在颗粒与网格尺度上的过程和细节，并由此获得丰富的微观信息，同时预测结果可为新型反应设备的开发、内构件的优化设计提供帮助。然而，数值模型的参数合理性与预测结果的可靠性难以从理论上得到验证，且很大程度上需要通过实验数据来进行验证和确定。因此，将数值模拟作为与实验研究互补的重要方法，将在气固流化床的分析和研究过程中起到重要作用。

传统的气固流化床中固体颗粒常为催化剂，反应前后不发生变化，易于在数值模拟时做简化处理，使模拟结果与实际流动工况吻合较好，也能有效指导反应器的设计与优化。然而，在制药与化工生产中存在着较多气固非催化反应，即固体颗粒与气体直接发生化学反应，不对反应起催化作用。例如，在水杨酸生产过程中，苯酚钠与二氧化碳的羧化反应，目前该类反应大多是以传统的搅拌设备为反应器的间歇生产过程，若能利用流化床技术实现连续化操作，则对于产品质量提高、产量提升和节能减排都具有重要意义。笔者所在课题组前期针对苯酚钠羧基化反应的工艺条件、反应热力学、反应机理和反应动力学进行了较为深入的研究，在此基础上，提出了能够实现气体与固体颗粒高效接触并连续反应生成固体颗粒产物的流化床新构思［1］，反应器进料方式和内构件设置方面与传统流化床有较大差异，自上端进入流化床的苯酚钠颗粒克服气固相间曳力下落并经内构件的作用均匀分布在床层，CO2气体既为流化介质又参与反应，主要解决固体颗粒与气体反应后生成固体颗粒的技术难题，有效保证了气固两相的充分接触，减少了固体颗粒的轴向返混，提高了反应效率。

近年来，对气固流化床的数值模拟研究主要集中在曳力模型修正和耦合算法、气固两相流场分布及固体颗粒的流动特性等方面，但也有少量文献涉及到传质与反应特性的模拟研究。通过对前人工作的总结，了解了数值模拟技术在气固两相流方面的研究进展与现状以及未来的发展方向，对于数值模拟技术应用于流化床领域和相关研究具有重要意义。笔者主要对近年来气固流化床反应器内流动特性与反应特性耦合方面的模拟方法及结果进行了归纳与分析，以期能为探索合理描述气固流化床内气固非催化反应的反应特性的数值模拟方法提供一定的帮助。

1 气固耦合算法与曳力模型

气固耦合算法可分为欧拉双流体模型（Two-Fluid Model，TFM）和欧拉-拉格朗日模型（Discrete Phase Model，DPM）。耦合算法的选择过程中，不仅需要决定是否考虑颗粒间的相互作用力，还要考虑颗粒浓度的影响。通常在颗粒浓度较低的情况下，为简化算法加快运算速度，可以选择DPM［2～6］，该模型中气体被视为连续相，在欧拉的框架下求解斯托克斯方程；颗粒被视为离散相，在拉格朗日的框架下求解轨道方程。DPM忽略了颗粒间的相互作用力，然而在稠密气固流化床中颗粒之间的相互作用不能被忽略，这时可以选择稠密离散相模型（Dense Discrete Phase Model，DDPM）［7］，该模型是对传统DPM的扩展。当颗粒浓度较高或需要精确研究气固两相流动特性时多使用TFM［8～22］，该模型将气固两相均视为连续介质，利用颗粒流动动力学理论（Kinetic Theory of Granular Flow，KTGF）和颗粒温度输运方程计算颗粒间的相互作用。其中，气相是在欧拉的框架下求解斯托克斯方程，颗粒相则是在欧拉框架下求解守恒方程。

除了传统的双流体模型外，国内外学者提出了多种耦合算法［2，7，23～28］对稠密气固两相流进行有效模拟，这些算法大多针对特定的工况，存在局限性大且适用范围单一的特点，难以推广使用。总之，面对愈加复杂的模拟需求，气固耦合算法越来越难以做到对应用范围、计算精确度及节省计算资源等方面的综合考虑。为此，进行特应性的改进与应用是当前数值模拟技术发展的新趋势。

Bian W等对比了TFM、DPM和实验中稠密流化床内的气固流动，强调了相间曳力的重要性［29］。曳力是气固两相垂直流动中的主要作用力，是表征气固两相之间相互作用和动量交换的重要参数，相应的曳力模型和曳力系数是数值模拟中准确描述气固两相运动的关键［30，31］。有研究表明，Gidaspow模型对于气固流化床内大颗粒的流化和流动特点的模拟效果更好，Stocks曳力方程则更适用于对小直径颗粒的曳力进行表征［10］。而现有的曳力模型难以准确描述愈加复杂的工业生产现状，因此有不少学者对原基础曳力模型进行整合与改进［8，9，32］，取得了较好的效果。也有学者提出了基于气泡或者颗粒团簇等的气固曳力 模 型［14，33，34］，这 些 模 型 可 以 精 确 表 征 特 定 工 况下特定区域内的气固相间曳力，但是适用范围较窄，对具有复杂结构的流化床设备或同一设备中不同区域气固相流动差异较大的情况难以全面反映其流动特点。因此，国内外学者对分段使用曳 力 模 型 展 开 了 大 量 工 作［11，13］，以 预 测 实 验 中 观测到的不同区域的瞬态颗粒分布情况。这也表明，同气固耦合方式一样，曳力模型在数值模拟中的应用越来越区域化和特定化，使用不同的曳力模型对数值模型中不同流动区域进行表征是使数值模拟结果更加精确的重要因素。

2 气固流动特性及颗粒特性研究

气固两相流的模拟对象主要涉及流化床反应器、喷动床及燃煤锅炉等，实验条件下难以对设备内部的气固两相流动特性进行直接观测。为此，数值模拟方法逐渐成为该研究领域的主流方法。国内外学者对气固两相流场特性的研究较为成熟，主要涉 及气固相间 混合特性［19，25，35～38］、扩散特 性［36］、颗 粒 聚 团［39，40］、分 离 特 性［20，41］、返 混 现象［40，42］、均匀度［43，44］及传热现象［45～47］等。 而颗粒的属性较为复杂，对于颗粒特性的考察主要集中在颗粒的运动规律［17，18，20，30，39，42，43，48～53］、颗粒的浓度分布［17，18，20，35，39，42～44，49，50，52，53］等 方 面，因 此 寻 求 一 个 科学有效的方法对颗粒在流化床内的流动状态进行直观表征是目前研究面临的难题。

流化床自身结构及其内构件的设置可以明显改变气固两相的流动状态和混合效果，合理的选型和设计能有效实现特定的工业生产目的，提升工业生产效率。几何尺寸、床体结构等都会直接影响流化床内气固流动特性和流化床性能［54～61］。横向内构件（例如格栅）会增加颗粒相的紊流程度，延长颗粒的停留时间，提升反应效率［15，22，62，63］。 气 体 分 布 板 则 一 般 位 于 气 相 入 口 后方，流入设备的气体经气体分布板的再分布作用均匀分布在床层内部，可有效提高气固两相的混合 效 率，增 强 设 备 操 作 的 可 控 性［55，64］。 表 观 气速［2，3，16，22，30，39，44，54，55，65～67］、初 始 颗 粒 堆 积 高 度［3，66］及进料位置［7，20］等操作条件对流化床内颗粒浓度分布、粒级分离效率及颗粒停留时间等的影响不容忽视，将这些变量应用于数值模拟中，可以实现数值模拟与实验研究的有机结合，获得的结果可有效预测实际操作时设备内部的流场情况。流化床内气固两相流的研究对工业设备的设计和运行条件的优化具有重要意义，但直至目前，很少有研究对于流化床内气固逆向流动或更复杂流体特性进行考察。

3 气固两相流传质及反应特性研究

通过对气固耦合算法与曳力模型的不断优化以及气固两相流流场特性研究的不断成熟，CFD逐渐被用于对气固两相流传质传热和反应特性的研究，对于流化床内的反应特征，多用参与 反 应 的 气 固 两 相 的 浓 度 分 布［40，68～73］、速 度 分布［72，73］、温 度 分 布［69，73～75］、设 备 内 部 反 应 转 化 速率［73，76，77］、反 应 效 率［6，21，69，70，74］及 反 应 物 组 分 配比［73，74，78］等因素来表征。

早期，学者对于反应特性的研究多集中在固体颗粒作为催化剂的气-气 反应［6，68，69，74，78，79］和燃 烧 反 应［47，72，75，77］，在 这 类 反 应 中，颗 粒 物 并 不直接参与反应，因此可以更容易对数值模型进行简化。随着工业水平的发展，制药及化工行业对连续化生产工艺的需求不断加深，学界对流化床内气固两相直接接触产生的传质行为和反应特性进行研究逐渐成为一种新的研究趋势［39，40，71］，其 研 究 方 法 可 为 本 课 题 组 以 新 型 流 化床为反应器的气固羧化反应特性模拟提供借鉴。

4 结论

4.1 现有的气固耦合算法和曳力模型难以精确表征越来越复杂的数值模型。因此，气固耦合方式的特应性改进、曳力模型的区域化应用是近期数值模拟技术发展的趋势。

4.2 国内外学者通过数值模拟技术对流化床内气固流动特性的研究较为成熟，但是对于气固逆向流动或更复杂流体特性的考察较少，且需要寻求科学有效的方法对于颗粒的流动特征进行定量表征。

4.3 气固流化床中流动特性与反应特性耦合的研究开展较少，但已经有学者开始进行该方面的工作。工程实际中存在着较多固体参与反应且生成固体产物的反应过程，建立与完善能够体现反应特性对其流动特性影响的数值模拟方法，对开发与使用新型流化床反应器实现气固连续化反应具有非常重要的意义。