应用CFD方法对化工过程两相流问题的研究

论文摘要

化工两相流包括气体-液滴、气体-固体、液体-固体与液体-气泡等多种不同体系。各体系由于受两相物性、操作条件和过程环境等的影响,其流型又是多种多样,其流体力学行为非常复杂。本文主要研究了多孔介质碳化硅塔盘的流体力学行为及催化裂化装置中流化床反应器中的气固两相流问题,研究的主要内容如下:对于多孔介质碳化硅塔盘,使用CFX提供的多孔介质模型对多孔介质塔盘进行了二维单相模拟,得到与实验结果类似的干板压降随气相动能因子变化曲线。然后,使用软件中的双欧拉两相流模型并结合多孔介质模型,模拟得到的湿板压降与实验结果基本吻合。从液体体积分率分布和气相速度分布等方面,将多孔介质塔盘的模拟结果与筛孔塔板的模拟结果进行对比,说明多孔介质塔盘具有更好的气液分布性能,气液接触面更大,气体速度扰动更剧烈,这都更有利于气液传质的进行。对于流化床反应器,改造前,混合碳四和原料油气进入反应器后没有任何扰动和混合,直接离开反应器。这不利于反应物与催化剂的反应,原料的利用率很低。而且催化剂颗粒在反应器内分布不均。径向上,催化剂颗粒主要集中在反应器中央,壁面处的原料无法与催化剂接触并反应;轴向上,反应器中上部颗粒体积分率很低,进入的混合原料油气几乎不能反应。根据对改造前结构模拟的结果分析,对反应器两种进料管及反应器相关尺寸做出了改进与优化。改进后,催化剂颗粒在反应器内分布状况明显得到改善,颗粒分布更均匀,而且壁面附近也有一定量的催化剂颗粒存在,促进了壁面处反应的进行,提高了原料的利用率。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 计算流体力学概述
• 1.1.1 特点
• 1.1.2 基本步骤
• 1.2 数值方法
• 1.2.1 基本方程
• 1.2.2 离散化方法
• 1.3 网格生成技术
• 1.3.1 结构化网格
• 1.3.2 非结构化网格
• 1.3.3 ICEM CFD 网格生成特点
• 1.4 CFX 概述
• 1.4.1 前处理
• 1.4.2 求解器
• 1.4.3 后处理
• 1.5 Eulerian-Eulerian 多相流模型
• 1.5.1 非均匀模型
• 1.5.2 均匀模型
• 1.5.3 固体颗粒碰撞模型
• 1.6 CFD 在化工两相流中的应用
• 第二章 多孔介质数学模型及多孔介质塔盘的网格划分
• 2.1 数学模型
• 2.1.1 CFX 内的多孔介质数学模型
• 2.1.2 多孔介质中流型的判断
• 2.1.3 成功例证
• 2.2 多孔介质塔盘的网格划分
• 2.2.1 固阀及塔板的结构和尺寸
• 2.2.2 几何建模及网格划分
• 2.3 本章小结
• 第三章 多孔介质塔盘上气液两相流的CFD 模拟及结果分析
• 3.1 前处理
• 3.1.1 两相流模型选择
• 3.1.2 多孔固阀的制备方法及优点
• 3.1.3 定义域及边界条件
• 3.2 模拟结果与讨论
• 3.2.1 干板压降
• 3.2.2 湿板压降
• 3.2.3 两相流场分析并与筛孔塔板比较
• 3.3 本章小结
• 第四章 流化床提升管反应器中气固两相流的CFD 模拟
• 4.1 研究背景
• 4.2 气固两相流模型的选择
• 4.3 对改造前一段预提升管的模拟
• 4.3.1 几何结构
• 4.3.2 网格划分
• 4.3.3 定义域、边界条件
• 4.3.4 模拟结果及分析
• 4.4 对改造后一段预提升管的模拟
• 4.4.1 几何结构及前处理
• 4.4.2 模拟结果及分析
• 4.5 预提升管结构优化
• 4.5.1 直管进料管与竖直方向所成角度为20°的模拟结果及分析
• 4.5.2 直管进料管与竖直方向所成角度为15°的模拟结果及分析
• 4.6 改造前、改造后及进一步优化后的模拟结果对照
• 4.7 本章小结
• 第五章 结论
• 5.1 结论
• 符号说明
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢