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催化裂化提升管内气固多相流的数值计算

作　者: 张和香
导　师: 钮根林；赵辉
学　校: 中国石油大学
专　业: 化学工艺
关键词: 计算流体力学 气固多相流 二元颗粒 颗粒分级
分类号: TE624.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


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会对裂化反应产生深刻影响,因此,系统的研究催化剂颗粒在提升管内的流动特征就显得尤为重要。本论文从提升管内气固流动规律出发,利用实验室提升管冷模装置的实验数据,运用流体力学理论分析催化裂化提升管反应器内单组分颗粒气固流动行为,使用数值模拟软件建立小型提升管单组分颗粒流态化的数学模型。通过对不同模型(颗粒动力学模型、气-固曳力模型、固相粘度模型)的模拟结果与实验数据进行比较分析,得到适于模拟实验室提升管装置的最优模型。利用所建立模型考察催化剂在提升管中的分布状况受提升管进口结构、提升管长度、催化剂性质差异等因素的影响。模拟结果表明,在三维模拟中,为了使模拟条件与实验条件相吻合,固相最好采用侧面进料方式;催化剂颗粒浓度的径向分布和轴向分布都随提升管长度的增加和催化剂粒径的减小而变得更加均匀。随着催化裂化原料趋于重质化,环保对清洁燃料的要求以及社会对催化裂化产品的多元化需求,使得催化裂化催化剂也发生着日新月异的变化。而且,为了实现能量的综合利用,一些研究者考虑将不同工艺的催化剂进行混合流化传热,这都会涉及到多组分颗粒流化床中的混合与分离问题。可见,研究提升管内多组分颗粒的流态化是非常必要的。本论文拟在小型提升管单组分颗粒气固流动模型的基础上,对气相动量方程、固相连续性方程、固相动量方程以及各相本构方程进行适当修改,建立多组分颗粒流态化数学模型。利用此模型,运用MFIX编码,对二元颗粒在提升管内的流动状况进行模拟,得到了二元颗粒在提升管内的浓度、速度、平均颗粒直径、颗粒拟温度的分布,并与Mathiesen等实验结果进行了比较。通过对不同固-固曳力模型和颗粒碰撞恢复系数的比较,确定了适于二元气固流化体系的最佳固-固曳力模型和颗粒碰撞恢复系数。利用所建立的气固多相流模型,考察了颗粒组成和表观气速对床层密度的影响。模拟结果表明,当颗粒尺寸较大,流化困难时,可适当的加入较小的颗粒,以改善气固流化状态,使颗粒在提升管内的分布更加均匀。而且,加入细颗粒以后,对于给定的初始床层高度,气速越大,床层密度沿轴向的分布越均匀。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-13
第一章 前言  13-28
  1.1 提升管式流化催化裂化的应用及发展  13-15
  1.2 循环流化床提升管内多相流的数值模拟  15-25
    1.2.1 连续流体模型  15-16
    1.2.2 双流体模型及其延伸模型  16-20
    1.2.3 颗粒轨道模型及离散单元法  20-25
  1.3 课题的提出和意义  25-26
  1.4 本文的主要工作内容  26-28
第二章 提升管内单组分颗粒流态化的数值计算  28-49
  2.1 单组分颗粒的气-固双流体模型  28-36
    2.1.1 质量守恒方程  28
    2.1.2 动量守恒方程  28-30
    2.1.3 湍流动能守恒方程  30-31
    2.1.4 初始和边界条件  31-32
    2.1.5 模拟和实验系统描述  32-34
    2.1.6 求解方法和运算控制  34-36
  2.2 计算结果与讨论  36-48
    2.2.1 不同颗粒动力学模型的影响  36-38
    2.2.2 不同气固曳力模型的影响  38-41
    2.2.3 不同固相粘度模型的影响  41-43
    2.2.4 不同固相进料方式的影响  43-44
    2.2.5 提升管长度的影响  44-46
    2.2.6 催化剂性质的影响  46-48
  2.3 小结  48-49
第三章 提升管内多组分颗粒流态化的数值模拟  49-77
  3.1 多组分颗粒的气-固多相流模型  49-54
    3.1.1 质量守恒方程  49
    3.1.2 动量守恒方程  49-50
    3.1.3 湍流动能守恒方程  50
    3.1.4 本构方程  50-52
    3.1.5 初始、边界条件和计算方法  52
    3.1.6 模拟和实验系统的描述  52-54
  3.2 模拟结果与讨论  54-75
    3.2.1 固相体积分率分布  54-57
    3.2.2 平均颗粒直径分布  57-60
    3.2.3 颗粒速度分布  60-61
    3.2.4 颗粒拟温度分布  61-63
    3.2.5 颗粒间曳力模型的影响  63-68
    3.2.6 颗粒间碰撞恢复系数的影响  68-71
    3.2.7 二元颗粒组成和表观气速对床层密度的影响  71-75
  3.3 小结  75-77
第四章 结论与展望  77-79
参考文献  79-85
致谢  85

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中图分类: > 工业技术 > 石油、天然气工业 > 石油、天然气加工工业 > 石油炼制 > 炼油工艺过程 > 催化转化 > 催化裂化
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