[发明专利]一种复杂流化系统整体动力学特性的快速预测方法

说明书

技术领域

本发明涉及气固流态化系统设计技术领域，具体地说，本发明涉及一种复杂流化系统整体动力学特性的快速预测方法。

背景技术

气固流态化系统被广泛应用于石油、化工、制药等行业中，其中一个典型的应用实例就是炼油行业中的流化催化裂化(FCC)工艺。该工艺一般包含提升管、沉降器和再生器，但为了适应日益严格的环境限制和逐渐丰富的产品需求，其具体组织形式逐渐呈现多样化和复杂化。譬如，为了增加汽油辛烷值而降低其烯烃含量，中石化开发了一种以催化剂二次循环和提升管中段扩径为主要特征的多产异构烷烃(MIP)的复杂FCC新工艺[许友好，张久顺，龙军.石油炼制与化工，2001，32：1-5]。该工艺中各反应器或同一反应器各段的构型、尺寸以及操作条件(主要是指表观气速和颗粒通量)各不相同，而现有的商业计算流体力学(CFD)软件在处理这类具有复杂边界和操作条件的系统时往往费时费力，有时甚至无能为力。实际上，虽然数值模拟能够提供反应器内流体从非稳态到稳态的动态演化过程，但这类些工业装置一般都希望在一个定态上操作，以实现装置运行和产品质量的稳定，因此稳态动力学行为对此类工艺的设计和放大具有更重要的参考和指导意义。尽管已经有大量实验数据和许多经验关联式能够对具有圆柱状等简单构型反应器的稳态动力学进行预测，但目前仍然缺乏能够合理描述复杂循环流化床反应系统的整个回路、同一反应器具有复杂变径结构的区段、或反应系统操作在流域转变点上时的定态流场的通用性理论或经验预测方法。

气固流态化本身的复杂性主要表现在随着表观气速和颗粒通量等操作条件的改变，颗粒层会呈现鼓泡、湍动、快速流化和稀相输送等不同的被称为“流域”的状态。在多数流域，总体上会呈现上稀下浓的轴向S形浓度分布和中间稀边壁浓的径向环核结构，而在局部则呈现连续的稀相乳状物包围离散的密相颗粒团聚物的特征。针对这种状况，李静海[颗粒流体两相流多尺度作用模型和能量最小方法.博士学位论文.中国科学院过程工程研究所，北京.1987]提出了并流上行气固流态化系统的能量最小多尺度(EMMS)模型。该模型提出并论证了气固流化系统中的稀密两相结构是由颗粒悬浮输送能最小决定的，且在考虑微观流动机理(稀密相的单颗粒绕流和相界面上的压降平衡)的基础上，能够准确捕捉给定宏观操作参数(表观气速和颗粒通量)、具有圆柱状简单构型的气固流化系统的颗粒浓度以及流域转变等主要流体动力学特征。然而，目前的EMMS模型仅适用于圆柱状的简单构型的气固流化系统，不能直接应用于对具有复杂结构和形状的流化系统的整体动力学特征的预测。

因此，当前迫切需要一种能够快速预测复杂气固流化系统整体动力学特征的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种复杂流化系统整体动力学特性的快速预测方法。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种复杂流化系统整体动力学特性的快速预测方法，包括下列步骤：

1)将具有复杂几何结构和不同操作条件的气固流化系统分解成若干基本流化单元，基本流化单元是形状为圆柱状、圆台状或倒圆台状，且操作条件单一的子流化单元；所述操作条件是指所述基本流化单元的表观气速和颗粒通量条件；

2)将圆台状或倒圆台状的子流化单元进一步近似为多个不同直径圆柱状片段的组合体；

3)在已知气固流化系统气体流率的基础上设定气固流化系统的颗粒流率；

4)根据当前所设定的气固流化系统的颗粒流率，计算各圆柱状子流化单元和各圆台状或倒圆台状子流化单元的各圆柱状片段的表观气速和颗粒通量条件；然后根据所计算的表观气速和颗粒通量条件，基于EMMS模型或相应的经验关联式，计算各圆柱状子流化单元或圆柱状片段的颗粒浓度、压降和颗粒存料量；

5)根据上述各子单元颗粒浓度、压降和颗粒存料量计算结果，在已知全系统气体流率、总存料量以及颗粒流率控制阀门开度的情况下，判断上述各圆柱状子流化单元和圆柱状片段的颗粒存料量和压降之和是否同时满足所述复杂流化系统的总存料量平衡、进出口压力平衡以及系统内部各循环回路的压力平衡条件；如果不满足，则重新设定气固流化系统的颗粒流率，回到步骤4)；如果满足，进入步骤6)；

6)根据当前所计算出的各圆柱状子流化单元和各圆柱状片段的颗粒浓度、压降和颗粒存料量计算各子单元的颗粒浓度分布并按气固流化系统的原有结构进行组合得出全系统的整体动力学特征。