張曉光

(中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100029)

流化床通過(guò)對(duì)不同物性顆粒的流化，可以實(shí)現(xiàn)混合顆粒的分離，同時(shí)在流化分級(jí)過(guò)程中可以完成干燥等過(guò)程，得到了研究者的廣泛關(guān)注[1-3]。袁竹林等[4]采用離散顆粒方法模擬了流化床中不同密度顆粒分布。研究發(fā)現(xiàn)，顆粒分離與表觀氣速和固體流率有關(guān)，當(dāng)風(fēng)速較大和固體流率增大時(shí)，分離程度逐漸減小。Lu等[5]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論研究了氣體鼓泡流化床中不同粒徑二元混合物流化行為，研究表明，顆粒大小，小顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)和氣速對(duì)二元混合體系分離有相當(dāng)大的影響。尹煒迪等[6]對(duì)選煤流化床內(nèi)氣固流動(dòng)和顆粒分層進(jìn)行了數(shù)值模擬。研究表明，靜壓梯度力占浮升作用的80%以上是主要作用力。

脈動(dòng)氣流的引入可以有效地調(diào)控流化床中的顆粒流化行為，當(dāng)處理不同種類或不同性質(zhì)的顆粒物料時(shí),會(huì)涉及到雙組分或多組分物料顆?；旌戏蛛x等問(wèn)題。李占勇等[7]實(shí)驗(yàn)探究了不同脈寬比下脈動(dòng)氣流輔助流化對(duì)顆?；旌铣潭鹊挠绊?。結(jié)果表明，添加輔助脈動(dòng)氣流有助于提高顆?；旌铣潭? 顆粒密度差別對(duì)雙組分顆?；旌系挠绊懘笥陬w粒直徑差別對(duì)其的影響。大多數(shù)脈動(dòng)氣流的引入是為了改善流化質(zhì)量，提高顆粒的混合。然而脈動(dòng)氣流同時(shí)也可以為顆粒分離提供一種有效的方法。Saidi等[8]通過(guò)實(shí)驗(yàn)的手段研究了氣流脈動(dòng)對(duì)流化床混合顆粒分離的影響。實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)改變固定流速下脈沖氣流的頻率，混合二元粒子的分離效率顯著提高。

基于雙流體模型，結(jié)合多組分顆粒動(dòng)理學(xué)理論，對(duì)脈動(dòng)流化床雙組分顆粒分離行為開展數(shù)值模擬，探討了脈動(dòng)氣流對(duì)分離行為的影響，分析了脈動(dòng)頻率和顆粒粒徑對(duì)分離效率的作用規(guī)律。

1 數(shù)學(xué)模型

為了研究雙組分顆粒分離行為，雙流體模型被采用。假設(shè)顆粒是球形顆粒，連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程被表達(dá)如下

(1)

(2)

(3)

(4)

為了描述顆粒的脈動(dòng)能量的輸運(yùn)，顆粒擬溫度被引入，顆粒擬溫度輸運(yùn)方程表達(dá)如下

(5)

為了實(shí)現(xiàn)模型的封閉，多組分顆粒動(dòng)理學(xué)理論被采用[9]。 氣固相間作用力和固固相間動(dòng)量交換分別采用Gidaspow曳力模型[10]和Syamlal-O'Brien模型[11]。

2 模擬對(duì)象

基于Saidi等[8]實(shí)驗(yàn)，脈動(dòng)流化床的三維模擬被實(shí)施，反應(yīng)器高度為0.5 m，床徑為0.11 m， 底部為速度入口，壓力出口位于反應(yīng)器頂部，壓力為1 atm。對(duì)于壁面，無(wú)滑移邊界條件被采用。顆粒的密度為2 650 kg/m3, 粒徑為0.92 mm和0.33 mm，屬于D類和B類顆粒。具體的操作條件和參數(shù)見(jiàn)表1。

模擬基于Ansys-Fluent商業(yè)軟件，通過(guò)自定義函數(shù)對(duì)邊界條件進(jìn)行修改以描述脈動(dòng)流，這里采用正弦波的脈動(dòng)形式，其進(jìn)口速度表達(dá)式如下

v=v0+v0sin(2πft)

(6)

計(jì)算時(shí)間為40 s，時(shí)間步長(zhǎng)為2×10-4s，通過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，考慮計(jì)算精度和成本，14 000個(gè)網(wǎng)格被采用。

3 結(jié)果與討論

為了驗(yàn)證模型的可行性，圖1給出了速度為0.16 m/s時(shí)模擬得到的分離效率與實(shí)驗(yàn)值的比較。

圖1 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)的比較

由圖可見(jiàn)，模型能夠?qū)?shí)驗(yàn)結(jié)果給出一個(gè)合理的預(yù)測(cè)。盡管有一些差異，可能是由于在模擬中布風(fēng)板的影響沒(méi)有被考慮，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)中分離層厚度的測(cè)量有一定的誤差，總的來(lái)說(shuō)，模型具有一定的可行性。

圖2給出了在連續(xù)流中，顆粒在不同時(shí)刻的顆粒濃度瞬時(shí)云圖。從圖中可以看到，氣泡的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致顆粒床層的變化。隨著時(shí)間的推移，顆粒逐漸被分離，粗顆粒逐漸沉積在床層底部，細(xì)顆粒集中在床層上部。

圖2 不同時(shí)刻下連續(xù)流的流化床顆粒濃度分布

圖3進(jìn)一步給出了在脈動(dòng)流中，顆粒在不同時(shí)刻的顆粒濃度瞬時(shí)云圖。相比之下，連續(xù)流引起的分離在后期逐漸趨于穩(wěn)定，隨時(shí)間變化不是很顯著。

圖3 不同時(shí)刻下脈動(dòng)流的流化床顆粒濃度分布(f=1 Hz)

圖4給出了氣流停止進(jìn)入，床層穩(wěn)定后的顆粒濃度分布。相較于連續(xù)流，脈動(dòng)流的粗顆粒沉積層更厚，細(xì)顆粒和粗顆粒交界面顆粒濃度變化更加顯著，而連續(xù)流，粗細(xì)顆粒分界面較為模糊，顆粒床層上部顆粒濃度依然較大，這說(shuō)明脈動(dòng)流有益于顆粒的分離。

圖4 不同床型下顆粒濃度分布

圖5給出了脈動(dòng)流化床大小顆粒份額沿高度的變化。從圖中可以看到，大顆粒集中在床層底部0.01 m以下，而隨著高度進(jìn)一步增加進(jìn)入到了大小顆?；旌蠀^(qū)，此時(shí)大顆粒濃度迅速減小，而小顆粒濃度劇增，在床層頂部，主要以小顆粒為主，盡管此時(shí)大顆粒仍有一些，總的來(lái)說(shuō)顆粒分離效果較好。

圖5 大小顆粒份額沿高度的變化(f=1 Hz)

脈動(dòng)頻率是脈動(dòng)流化床控制的重要因素。圖6給出了脈動(dòng)頻率對(duì)流化床分離效率的影響?？梢钥吹?，隨著脈動(dòng)頻率的增加，分離效率的變化并非線性的，而是呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。盡管脈動(dòng)流會(huì)促進(jìn)顆粒的分離，然而過(guò)高的脈動(dòng)頻率會(huì)加大布風(fēng)板上方氣體的擾動(dòng)，進(jìn)而使得多組分顆?；旌铣潭缺淮龠M(jìn)，導(dǎo)致分離效率的降低。

圖6 脈動(dòng)頻率對(duì)分離效率的影響

圖7給出了小顆粒粒徑的變化對(duì)雙組份顆粒分離效率的影響。可以看到隨著小顆粒粒徑的增大，分離效率逐漸減小，這主要是由于顆粒粒徑差異變小，進(jìn)而使兩者的終端速度差異變小，顆粒的流動(dòng)行為趨于相似而使分離效果變差。

圖7 顆粒粒徑對(duì)分離效率的影響

4 結(jié)論

基于雙流體模型，對(duì)脈動(dòng)床雙組分顆粒分離行為進(jìn)行模擬研究，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合較好，比較了連續(xù)流和脈動(dòng)流對(duì)流化床顆粒分離行為，同時(shí)分析了不同脈動(dòng)頻率對(duì)雙組份顆粒分離的影響。主要研究結(jié)論如下：

(1)相較于連續(xù)流，脈動(dòng)流可以極大的提高顆粒的分離效率。

(2)顆粒的分離效率與脈動(dòng)頻率并非線性的，過(guò)高的脈動(dòng)頻率由于會(huì)增加床內(nèi)的氣流擾動(dòng)造成分離效率下降。

(3)通過(guò)研究小顆粒粒徑對(duì)分離效率的影響發(fā)現(xiàn)，顆粒的增大會(huì)降低顆粒的分離效果。