外加電場(chǎng)下氣固流化床的數(shù)值模擬.pdf

1、氣固流化床具有傳質(zhì)傳熱效率高、顆粒易于混合均勻和適合大規(guī)模連續(xù)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于過(guò)程工業(yè)中。然而在氣相法聚乙烯生產(chǎn)的正常操作中，流化床內(nèi)顆粒與顆粒間及顆粒與壁面間的摩擦和碰撞將產(chǎn)生不可忽略的靜電效應(yīng)，靜電電荷的積累將會(huì)導(dǎo)致顆粒團(tuán)聚、粘壁和熔融結(jié)片，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成反應(yīng)器停車甚至放電爆炸等安全事故，給工業(yè)流化床穩(wěn)定、連續(xù)生產(chǎn)帶來(lái)眾多困擾。外加電場(chǎng)作為一種重要的過(guò)程強(qiáng)化手段，往往可以達(dá)到“化害為利”的作用，但由于靜電現(xiàn)象的復(fù)雜性、影

2、響因素的多樣性以及實(shí)驗(yàn)手段等客觀條件限制的局限，使得對(duì)流化床中的靜電現(xiàn)象和外加電場(chǎng)流化床的相關(guān)研究進(jìn)展緩慢。
　　本論文采用計(jì)算流體力學(xué)方法，按照無(wú)靜電——有靜電——外加電場(chǎng)逐漸遞進(jìn)的研究思路，依次對(duì)不考慮靜電效應(yīng)的傳統(tǒng)氣固流化床、考慮靜電效應(yīng)的氣固流化床、采用外加電場(chǎng)過(guò)程強(qiáng)化的外加電場(chǎng)氣固流化床進(jìn)行數(shù)值模擬研究。首先，研究模擬參數(shù)（求解方法、網(wǎng)格、收斂條件、曳力模型、湍流模型等）對(duì)流化床流化床內(nèi)氣泡產(chǎn)生過(guò)程的影響，確定后續(xù)模擬所

3、用的相關(guān)參數(shù)，為研究靜電對(duì)氣固流化床流體力學(xué)的影響奠定基礎(chǔ)。接著研究氣固流化床中的靜電特征，重點(diǎn)研究不同帶電量的顆粒流化對(duì)氣固流化床中流體力學(xué)行為和靜電場(chǎng)宏觀分布特征的影響，比較了Fox靜電模型和Grace靜電模型的異同，從理論上探討靜電對(duì)氣固流化床流體力學(xué)的影響。最后研究外加電場(chǎng)下流化床內(nèi)的流體力學(xué)特征，建立二維外加電場(chǎng)流化床模型，采用解耦求解方法分別計(jì)算顆粒自身產(chǎn)生的靜電力及外加電場(chǎng)產(chǎn)生的電場(chǎng)力，研究不同外加電場(chǎng)條件下氣固流化床流體

4、力學(xué)行為，為工業(yè)生產(chǎn)中采用外加電場(chǎng)調(diào)控氣固流化床流體力學(xué)行為的方法提供理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)。
　　本論文的主要研究工作如下:
　　第一，對(duì)不考慮靜電效應(yīng)的傳統(tǒng)氣固流化床進(jìn)行數(shù)值模擬，從數(shù)學(xué)參數(shù)（求解方法、網(wǎng)格、收斂條件等）和物理參數(shù)（曳力模型、湍流模型等）兩個(gè)方面考察了模擬參數(shù)對(duì)氣固流化床內(nèi)氣泡行為的影響。模擬發(fā)現(xiàn)，采用全區(qū)域求解比對(duì)稱求解所得的得到氣泡形狀更加符合實(shí)際;在網(wǎng)格總量相同的情況下，對(duì)流場(chǎng)變化劇烈的區(qū)域進(jìn)行加密，可以有

5、效改善模擬精確度;模擬的準(zhǔn)確度受到收斂條件控制，收斂條件的選擇必須滿足迭代誤差小于網(wǎng)格離散誤差;湍流模型對(duì)模擬結(jié)果的影響很小;曳力模型方面，EMMS/bubbling曳力模型無(wú)法直接應(yīng)用于中心射流流化床，修正Syamlal O'Brien模型和Gidaspow模型所得到的氣泡生長(zhǎng)過(guò)程基本相同，和無(wú)氣體泄漏的理論模型所得到的的變化規(guī)律吻合較好，Syamlal O'Brien曳力模型所得到氣泡尺寸最接近實(shí)驗(yàn)值，與Caram理論模型基本吻合，

6、模擬效果最好。
　　第二，分別采用Fox靜電模型和Grace靜電模型對(duì)氣固流化床進(jìn)行數(shù)值模擬，考察不同帶電量的顆粒流化對(duì)氣固流化床內(nèi)氣泡大小、氣泡脫離時(shí)間、電場(chǎng)分布及顆粒受力等的影響，并對(duì)兩種靜電模型進(jìn)行對(duì)比。研究結(jié)果表明靜電的存在會(huì)影響氣泡的大小和氣泡脫離時(shí)間，隨著荷質(zhì)比的增加，氣體泄漏率增強(qiáng)，氣泡尺寸減小，氣泡脫離時(shí)間縮短;靜電的存在導(dǎo)致流化床壁面處和近分布板處產(chǎn)生很強(qiáng)的電場(chǎng)，在靠近分布板的區(qū)域，電場(chǎng)指向流化床中心，而使得顆粒

7、受到向下的電場(chǎng)力，而在靠近料位處，顆粒卻受到向上的電場(chǎng)力。這兩種不同方向的作用力意味著靜電的存在使得顆粒更容易發(fā)生分離。流化床的中心處，電場(chǎng)主要是水平方向，使得顆粒有往壁面運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，更易發(fā)生粘壁;系統(tǒng)比較分析了Fox模型和Grace模型的異同，發(fā)現(xiàn)Fox模型和Grace模型均可以得到相似的靜電規(guī)律，但Grace模型由于考慮了極化力，F(xiàn)ox模型和Grace模型的區(qū)別主要體現(xiàn)在壁面、氣泡周圍和靠近分布板的三個(gè)區(qū)域，使得模擬結(jié)果受到靜電的影

8、響比Fox模型更大，采用Grace靜電模擬獲取的氣泡大小和氣泡脫離時(shí)間要比Fox模型得到的值更小。
　　第三，建立外加電場(chǎng)流化床CFD模型，在雙流體模型方法基礎(chǔ)上添加外加電場(chǎng)力的計(jì)算模型，采用解耦的求解方法分別獲得顆粒自身產(chǎn)生的靜電力及外加電場(chǎng)產(chǎn)生的電場(chǎng)力，在此基礎(chǔ)上研究不同的外加電場(chǎng)方式對(duì)流化床內(nèi)氣泡生長(zhǎng)、電荷分布、顆粒自身產(chǎn)生的電場(chǎng)分布及顆粒速度的影響，為采用外加電場(chǎng)調(diào)控氣固流化床流體力學(xué)行為的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)程強(qiáng)化提供理論基礎(chǔ)和