颗粒流研究最新进展与挑战

颗粒流研究最新进展

以及催化装置内颗粒流模型的建立

摘.要:..本文从颗粒流态出发,探讨颗粒不同流态特征及其转化机制,并分析了颗粒流动

过程中的应力本构关系,总结了非均匀颗粒流动特殊分选现象的研究成果,以点带面方式分析颗粒流研究的重要进展.同时,本文还分析了颗粒流研究所面临的挑战.催化裂化提

升管反应器内原料油和催化剂颗粒间存在强烈地传质、传热和动量传递,同时进行着复杂地裂化反应。描述流化状态的催化剂颗粒流动特征非常困难,而它对裂化反应的影响又至关重要,因此本文从颗粒速度分布函数出发,推导出催化剂颗粒相流动方程结合油气湍流流动,耦合集总动力学模型,得到了催化裂化提升管反应器数学模型,为进一步研究

提升管内的反应特征和反应历程提供了有力手段。

关键词: 颗粒流;.应力;.分选;催化裂化;.提升管反应器;.颗粒动力学模型;.数学模型;.数

值模拟

1.引言

颗粒流是大量颗粒物质在外力作用和内部应力发生变化时产生的类似流体的运动

状颗粒流的存在范围很广,自然界中,滑坡、泥石流、雪崩、沙丘演化都是典型的颗粒流例子;.工农业生产过程中,制药、陶瓷、水泥、冶金、食品、能源和环保等领域都会遇

到颗粒流问题.颗粒流动过程中表现出了各种复杂的物理特性,对它的研究已成为国际物理前沿热点之一.虽然颗粒流是一种流动现象,但它具有区别于液态和气态流动的特点,

在不同边界条件和外力作用下会呈现出不同的流态,不同流态的颗粒流在其内部结构和应力上存在很大的差别,并由此引发出各种特殊的流动现象.了解颗粒在不同流态的产生条件及转化机制,探究颗粒在不同流动状态下的内部结构和应力状况,对解释颗粒流动机理以及流动过程产生的特殊现象,具有十分重要的理论和现实意义.文章拟从颗粒流流态、颗粒应力本构关系以及颗粒流动的特殊现象.流动分选三个重要内容出发,对颗粒流研究的现状和进展进行分析,以期以点带面的挖掘颗粒流研究进展的重要信息,促进颗粒流的后续研究.

催化裂化是一项重要的石油加工工艺,其总加工能力已列各种转化工艺的前茅,其技术复杂程度也居各类炼油工艺首位。由于催化裂化反应过程的原料油组成和化学反应

非常复杂,反应过程受各种操作条件及催化剂活性、选择性、失活的影响,所以建立能比较精确完整地描述该反应体系的数学模型十分困难。目前开发出的数学模型基本分为

2种:.关联模型和集总模型。[1]关联模型实际上是对大量实验数据和生产实测数据进行回归,整理得到计算产率和有关性质的关联式。集总模型是考察催化裂化反应的有效途

径,但该模型只注重裂化反应的动力学过程,而忽视了提升管反应器内流动与传热的影响。催化裂化反应包括原料油气的外扩散、内扩散、吸附、表面化学反应,以及反应产物的

脱附、内扩散和外扩散等7个反应步骤,属于典型的非均相反应。原料油气在催化剂表面或催化剂微孔内与催化活性中心接触,进行裂化反应。显然,反应的与否、反应的快慢和催化剂活性中心数息息相关,而活性中心数是与催化剂浓度(单位体积内催化剂颗粒数).成正比,因此,催化裂化提升管反应器内颗粒浓度分布和颗粒的速度分布必然对裂化

反应产生深刻影响,催化裂化反应的数学模型关键和难点就在于精确地描述催化剂颗粒的流动特征。流化催化裂化自诞生之日就因传热传质效果好、操作简单方便等优点而

成为主要的炼油工艺。但到目前为止,对于提升管内催化剂颗粒的流动过程和相关流动特征,以及反应油气的反应历程尚确乏足够的认识。国内外已经建立了不少关于循环流化床的数学模型,其中颗粒动力学模型是近10年来新兴的有效方法,该模型是建立在非

均匀稠密气体理论基础上Lun等人首先将动力学理论应用于颗粒,Sinclair.andJackson

首先将颗粒流模型应用于垂直管内充分发展的气粒两相流,DingandGi2daspow推导了

颗粒粘度及颗粒压力的表达式,颗粒粘度及颗粒压力均是颗粒“拟温度”的函数。Nieuwland运用颗粒动力学模型对循环流化床内气固两相流动进行了数值模拟计算,模

拟结果和实验结果在定性分布趋势上符合较好,在定量上低于实验值。但这些模型仅限于气体和颗粒间无反应的两相流体系,且忽略了湍流脉动对流动传热的影响。而实际上提升管反应器内两相流动、传质、传热、反应是高度耦合在一起的,任一因素的改变都

会对其它因素产生影响。本文在前人研究成果的基础上,成功地把湍动能模型耦合到颗粒动力学模型中考虑颗粒湍流效应,从而表征出催化剂颗粒的流动,运用k2ε模型表征气相的流动特征,运用催化裂化13集总动力学模型表征原料油的反应动力学,并详细考虑

了原料油物性参数的影响,从而得到催化裂化提升管反应器内催化裂化反应的数学模型。

2.颗粒流不同流态及其转化

颗粒在不同流速下表现出不同的流态,不同流动状态之间既有区别又有联系.它们之间区别是什么,用什么来表征;.它们之间的联系又是什么,如何转化?.总结最新的研究成果,并进行细致的分析,对颗粒流的系统研究是十分有意义的.

2.1颗粒的不同流态

不少学者发现,当紧密堆积的颗粒受到剪切时,颗粒间应力主要通过力链变形来传递.图1是Howell等在剪切室实验过程中,通过光弹性技术拍摄到的颗粒间形成的力链,图

中白色部分就是颗粒间形成的力链.

从图1中可以清晰地看到,力链并不是完全分布在整个颗粒内部的,而是随机的分布在颗粒系统内部.颗粒在受到剪切的过程中,在某个范围内簇集在一起而形成力链,力链

上颗粒的应力很强,而其旁边的颗粒受力可很弱,甚至不受力.力链形成后在外力的作用

下会发生轻微旋转,很快会变得不稳定并最终崩塌,但又会在很短的时间内又形成新的力

链.这种密度流中力链结构的存在,决定了颗粒弹性与颗粒内部应力的密切关系.试想一下,颗粒应力通过力链变形传递应力,如果处于力链上的颗粒弹性增加一倍,那么力链变形也增加一倍,相应的应力也会增加一倍.Compbell.采用颗粒刚度k表示颗粒的弹性特征,将颗粒的弹性特征引入颗粒流中.这种弹性特征的引入揭示了颗粒流的本质,由此将颗粒流划分为弹性区和惯性区两个小流区,图2是颗粒系统结构图.

弹性区主要针对颗粒堆积相对紧密的密度流,其重要特征是颗粒内部应力主要通过力链变形传递.弹性区又被划分为弹性-.准静态流和弹性-.惯性流两种副状态,这两种流态并没有本质上的区别,都是依靠力链变形传递内部应力.与弹性-准静态流略有区别的是,当处于弹性-.惯性流系统的颗粒受到较高的剪切率时,颗粒系统应力不只与颗粒弹性有关,还受颗粒惯性力的影响,其由力链结构变形产生的力有如下形式

F=.a+.bγ.(1)

a是颗粒的基本弹性应力,γ为剪切率dudy.,b是颗粒的惯性增强相.所以,此时颗粒系统的总应力关系为

(2)

相比弹性-.准静态流系统内部应力,它多了一个增强相.多数情况下,b远小于a,因此颗粒系统表现为弹性-准静态流动;.而当b增大到与a接近的量级时,颗粒剪切率对应力的影响就会很明显,颗粒系统就会由弹性-.准静态流进入到弹性-.惯性流区,此时颗粒系统的应力与颗粒剪切率呈线性增长.惯性区也可以划分为两个副流态:.惯性-.非碰撞流和惯性-.碰撞流(即快速流)..颗粒流处于惯性区的明显特征可引用Bagnold的关系式表示,即颗粒的应力变化和颗粒剪切率之间的平方关系

.(3)