加压流化床气固流动特性分析

刘怀双 代晓峰 冯海燕

山东华鲁恒升化工股份有限公司 山东 德州 253000

引言

流化床反应器在具体应用过程中具有很好的优势以及相应的特点，其结构比较简单，具备良好的混合效果，与此同时不需要投资过多。流化床反应器能够应用到乙烯气相聚合工艺中，在具体应用过程中，不需要很长的工艺流程，不需要使用太多的材料和溶剂，在生产全密度聚乙烯时，流化床反应器能够起到很好的作用，气固流化床在多种乙烯工艺中都得到了很好的应用，例如Spherilene聚乙烯工艺和Borstar工艺等。所以要科学合理的研究加压条件下气固流化床内的流动特性。

1 流化床特性

1.1 鼓泡流化床气固流动特性

目前在化工以及能源等行业中，加压流化床得到了广泛的应用，这与硫化肽技术的发展有着一定的联系。目前在研究和分析鼓泡流化床时，主要考虑到的是临界流化风速以及气泡尺寸等各项因素。

1.1.1 临界流化风速。临界流化风速在相应的工业设计和实际运行过程中是比较基础的参数。所以在对临界流化风速进行确定时，要考虑到不同压力以及不同温度下的变化情况。目前在对最小临界流化风速进行确定时，主要是依据操作压力。

1.1.2 气泡特性。流化床内的颗粒在混合以及循环等过程中会受到气泡运动的影响，主要会影响到埋管的换热特性。气泡的运动特性与硫化状态以及相关的因素有着很大的联系，气固两相，在进行传质时会受到气泡上升的影响啊，这主要是因为其会与乳化相有一定程度的交换，在此过程中燃烧过程会受到气泡运动特性的影响。目前在对气泡特性进行研究时，在加压条件下，气泡的尺寸以及上升速度会受到操作压力的影响，随着压力的升高，相应的参数会有所降低。

1.1.3 颗粒运动。相关人员在对三维气固鼓泡流化床进行研究时，主要采用的是双流体模型，在此基础上开展了数值模拟研究，在对颗粒的流动性进行分析时，考虑到了压力条件的不同，并且探讨了过于风速对其产生的影响，主要考虑的对象是床层压力波动，气泡和颗粒的流动性等。最终的研究结果表明，空隙率分布，如果是在高操作压力条件下，那么具备很好的均匀性，床层中气泡的位置与其尺寸有着很大的联系。在具体操作过程中，如果压力处于1bar~2bar，那么随着压力的升高，气泡的上升速度会有一定程度的增大，如果压力过于大那么气泡上升的速度会与压力增加的速度成反比。传承中心轴线处的颗粒流率，在较高的操作压力条件下会呈现出比较大的状态。

1.1.4 压力波动。在测量流化床中的气固间流动状态时具备一定的难度，这主要是因为其流动状况比较复杂。流化床内气固两相间的流动特性能够通过压力信号进行很好的体现，这主要是因为床体几何特性以及颗粒特性等各种因素能够综合反映出传统的压力信号，在此基础上能够很好地对综合的动态特征进行明确。

1.2 循环流化床气固流动特性

目前循环流化床在很多领域都得到了广泛的应用，包括煤燃烧以及生物质资源化利用等，这主要是因为其具备很好的优点，能够实现高效性和低污染性。循环流化床中气固混合以及颗粒运动等会受到颗粒浓度轴径向分布等特性的影响。馆内的压力分布以及颗粒停留的时间等，能够通过提升管中的颗粒分布状况进行相应的改变，除此之外，颗粒分布状况还决定了气固与化床壁面之间的换热特性。流化分数以及颗粒循环流率等都会影响到循环流化床中的气固两相流动，除此之外，操作压力以及气固两相间的相互作用等也是主要的影响因素。反应器要想实现高效传热传质，那么就要保证气固流动状态的良好，这样才能够有效地进行化学反应。目前国内外都非常重视研究和分析，循环流化床中的气固流动特性。

1.2.1 颗粒浓度分布。有关人员在对床体结构参数以及操作参数等进行研究和分析时，都是在加压条件下进行的，结构参数包含了反料器操作参数包含了床料量以及操作压力等，相关参数的变化会影响到气固流动特性。最终的研究结果表明，如果压力是不断增加的那么对颗粒浓度进行提升，最终会导致呈上小下大的分布规律，在此过程中，如果流化风速逐渐增大，那么其分布会逐渐均匀。管上部区域的表观颗粒体积分数与操作压力有着一定的联系，如果流化风速以及床料量是不变的，那么提高操作压力能够提升体积分数。提升管内的颗粒浓度分布状况，不会随着反料器之间的改变而发生变化，管顶部的颗粒浓度能够使用凸头结构进行提升。

1.2.2 气固滑移特性。在对循环流化床系统进行设计，以及运行时，要科学全面的认识气固流动特性。床内气固两相间存在着动量以及热量方面的交换，在此过程中提升管内的气固滑移特性会对其产生很大的影响[1]。目前在分析研究气固滑移特性时，会在常压条件下对循环流化床进行相应的分析。

2 研究方法

2.1 模拟对象和方法

该文章在进行模拟分析和研究时，主要是对加压条件下的气固两相流动进行模拟分析，相应的数据在生产时主要应用的是聚乙烯装置。所使用的固体颗粒直径都是均匀的属于聚乙烯颗粒，无形参数与某乙烯气象聚合反应器内的气体性质都是比较接近的。在具体研究过程中使用到了流体动力学软件，在相应的平台上开展了具体的模拟计算。首先，需要绘制三维流化床集合体，所使用到的平台是Workbench，绘制完成之后需要导出文件，随后再定义各个部分，包括进出口等。其次，上述文件在完成之后需要进行导入，然后设置参数以及边界条件。最后要开展具体的求解。

2.2 加压条件下流化床CFD模型建立

在对气固流化床进行相应的模拟时采用的是加压条件，主要应用流程模拟，在此过程中需要进行科学合理的计算，要想保证结果的，正确就要选择不同的网格数量，在对网格数量进行确定，是要保证参数不变，然后对比不同的模型，在此过程中还需要考虑到床层压降和膨胀比，在建立CFD模型时，要保证是在前沿条件下进行的，随后需要比较模拟值和计算值，在此过程中要考虑到压降以及床层膨胀比等，最终确保所见到的模型具备一定的有效性。在确定边界条件时，可以使用速度进口以及压力出口，气体的速度方向要与入口有一定的垂直度，其大小要具备均匀性。气体在壁面处没有出现滑移的情况。气固两相在双流体模型中能够遵守动量守恒方程，在对方程组进行封闭时，采用的是颗粒流的动力学理论。在对动量交换系数进行表达时，采用的是Wen&Yu曳力模型，在具体模拟过程中使用的是非稳态模拟法，在离散控制方程时，采用的是一阶迎风格式。

3 结果与讨论

该文章在对流体力学模型进行计算时使用的是乙烯气象聚合流化床反应器，并且是在加压条件下进行分析的，并且研究了相应的流动特性。

3.1 压力对反应器床层压降的影响

图1是床层的沿床压降，并且是针对不同压力条件下的情况进行绘制的图。由图可以看出，如果压力相同，并且高度在一定的范围内，那么压降会随着颗粒浓度以及床层高度的增加，而呈现出线性减小的情况。如果高度达到一定的值，压降逐渐趋于常数，并且没有固体颗粒。随着高度范围的不断变化，床层内固含率会受到床层高度的影响，如果高度增加那么床层内固含率会出现略微减小的情况，表现在图上则是曲线斜率有一定程度的减小。通过对压降曲线进行分析，可以看出，床层内的压降会随着压力的增大而提升，但是其高度是相同的。

图1 不同压力下床层沿床压降

3.2 压力对固含率分布的影响

图2是床层固含率的轴向分布，同样表征的是不同压力条件下的分布情况。有图可以看出长存固含率会随着周向高度的增加，而呈现出减小的状况，并且是在同一压力下所得到的，床层的上部和下部分为稀相区和密相区[2]。在此过程中出现了固含率增大的趋势，这主要是因为底部固含率设置为0。在不同压力条件下，固含率的变化情况是不同的，如果小于35cm那么同一高度的固含率会随着压力的降低而增大，如果是在35cm以上，那么同一高度的固含率会随着压力的减小而降低。长城的膨胀高度会随着压力的增大而增加，逆向区的长城会随着固含率的下降而逐渐均匀。气体密度会随着压力的增加而有一定程度的提升。

图2 压力对固含率轴向分布的影响

在5cm和20cm处，不同压力下的固含率径向分布情况。通过分布图可以看出其具备一定的规律，一般情况下是中间均匀而周围逐渐增大，该种结构属于环核结构，在此过程中，颗粒的浓度是比较大的，尤其是大于中心区域，但是不具备较大的速度。通过分布图可以看出固含率会随着压力的增大，而呈现出减小的趋势。不同区域的压力对固含率所产生的影响是不同的，在床层的中部所产生的影响是比较大的，该区域的固含率径向分布会随着压力的增大，而呈现出均匀的趋势。

3.3 压力对颗粒速率的影响

该文章在探讨压力对速率所产生的影响时，对不同压力条件下，可以走向速率的径向分布情况进行了比较。最终的结果表明，颗粒像速率会呈现出循环流动的模式，并且具备中心向上以及4周向下的特点[3]。这主要是因为双层底部堆积的固体颗粒受到了颗粒流化的影响，而出现了向上运动的情况，在此过程中气泡会出现破裂，颗粒会出现回落，最终形成像样的循环结构。床层底部颗粒相的上升速率和下降速率会随着压力的增大而有一定程度的增加，但是不会影响到中部的颗粒速率，这主要是因为压力会大大的影响到床层底部的固含率。所以要想很好的保证流化床底部颗粒的流化，就要保证压力增大，并且要确保流化速率的增大。

4 结束语

综上所述，再分析和比较气泡行为，轴径向分部以及颗粒速率时，建立了相应的CFD模型。最终的研究结果显示，床层底部的颗粒速率，能够通过压力的升高而有一定程度的增加，在此基础上床层的膨胀高度以及分布的均匀性都会得到有效的提升和改善。如果压力以及气含率都增大，那么气泡的数量会增大，并且会出现破裂和合并。