【摘 要】
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流化床反应器在工业生产过程中应用广泛,反应器体系内设置合适的内构件可强化传质与传热并提高反应器性能。但由于流化床两相流的作用,内构件会受到动态变化的不规则力,致使内构件振动甚至受到破坏,进而导致工业装置出现故障而不得不进行非计划停工。因此,为了保障流化床内构件的长周期可靠性,就必须掌握内构件在流化床内的受力特性。前期实验证实流化床启动工况下内构件会受到较大的载荷冲击,而床层启动阶段这一流态转变过程
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流化床反应器在工业生产过程中应用广泛,反应器体系内设置合适的内构件可强化传质与传热并提高反应器性能。但由于流化床两相流的作用,内构件会受到动态变化的不规则力,致使内构件振动甚至受到破坏,进而导致工业装置出现故障而不得不进行非计划停工。因此,为了保障流化床内构件的长周期可靠性,就必须掌握内构件在流化床内的受力特性。前期实验证实流化床启动工况下内构件会受到较大的载荷冲击,而床层启动阶段这一流态转变过程的持续时间较短,实验难以通过观察或摄像等技术手段观测气固两相对内构件的作用机制。为此,本研究在前期实验研究的基础上,将B类石英砂颗粒三维方形流化床作为研究体系,采用欧拉-拉格朗日方法(CFD-DEM,计算流体力学-离散单元法),以工业上常用的斜片挡板内构件为研究对象,模拟研究单个水平挡板内构件对流化床内气固流动行为的影响。此外,还建立了挡板内构件表面受力载荷强度的统计计算方法,将微观颗粒相信息转换为宏观挡板受力载荷信息,并基于此统计计算公式,对启动阶段床层中水平挡板内构件的受力特性进行了分析研究。研究结果显示,在气固流动行为影响方面,斜片挡板的存在影响了流化床内颗粒的循环特性,将颗粒循环区域在挡板上、下方分割成多个局部循环区域,增强了挡板周围区域的气固流动;在鼓泡流化床中,气泡颗粒温度比局部颗粒温度大几个数量级,气泡的运动行为是导致气固两相间速度脉动程度强烈与颗粒间碰撞作用剧烈的主要原因。且随着表观气速的增加,局部颗粒温度与气泡颗粒温度均增大,床层中的颗粒速度脉动程度增强,气泡破碎与聚并导致其形貌骤变的现象更为强烈。一块体积占比不足密相床层1%的斜片挡板的置入,可对全床的气固脉动特性产生较大的影响,使全床的局部颗粒温度在高、低气速下均明显减小,而对于全床气泡颗粒温度,则在低气速下使其减小,高气速下使其增大。在受力特性影响方面,参考颗粒体系内壁面边界存在时固相应力张量表达式形式,基于镜像系统处理方法和虚拟平面法,建立了密相床层中内构件表面受力载荷强度的统计计算公式,并与前期实验测量数据对比验证,可定性和(半)定量复现实验中启动阶段内构件表面受到的动态碰撞载荷信号;在CFD-DEM模拟采用的颗粒碰撞模型参数中,杨氏模量是影响内构件受力特性的关键性因素,而碰撞恢复系数、滑动摩擦系数和滚动摩擦系数对挡板内构件的受力影响并不显著。杨氏模量的影响主要体现在流化床自启动开始至出现第一个完整峰值脉冲载荷阶段,不同的颗粒杨氏模量下,内构件受力的峰值载荷大小与峰值出现的时间均受到影响发生相应变化,而后阶段载荷的变化几乎不再受颗粒杨氏模量的影响;所建立的载荷统计计算模型成功预测了表观气速和颗粒粒径对挡板峰值载荷强度的影响规律,预测结果与实验趋势吻合良好,进一步说明了载荷统计计算模型的可行性。
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