[发明专利]一种基于CFD的循环流化床回料管结构优化设计方法

说明书

本发明公开了一种基于CFD的循环流化床回料管结构优化设计方法，包括以下步骤：（1）建立多种不同结构的三维提升管模型，包括分别改变回料管管径、安装高度和安装角度；（2）在CFD软件中设置模拟所需的模型参数和变量参数；（3）运行CFD计算获取提升管内各流动参数值和各流场分布特征；（4）提取并计算提升管内轴向空隙率、轴向压力梯度和不同高度轴向颗粒速度的径向分布，确定最佳回料管管径；（5）基于步骤（4）中最佳的回料管管径，比较不同回料管安装高度下的模拟结果，重复步骤（1）~（4），分别确定回料管最佳安装高度和角度。本发明有效克服了实验研究投资大、风险高、周期长等缺点，为优化反应器结构、提高产品性能提供指导。

技术领域

本发明涉及一种基于CFD的循环流化床回料管结构优化设计方法。

背景技术

循环流化床是一种具有复杂结构的流化床装置，广泛应用于在化学链燃烧、生物质气化以及催化裂化等工业过程。而在流化床中，随着气速和床层结构的变化，床层中会出现不同的流型，如鼓泡流态化、湍动流态化等。由于在气固两相流中涉及颗粒体系的运动过程十分复杂，使得反应器中不同操作条件下流动状态存在着较大的差异，这对反应装置的气固混合、传质传热、反应过程都有着重要影响，并直接关系着反应器的生产能力、收率和选择性。回料管作为连接返料阀与提升管的重要装置，对于物料的顺利输运和循环体系的稳定运行起重要作用。然而，由于实验研究具有可操作性低、材料资金消耗大等缺点，目前对于回料管的实验研究尚未完善。

随着计算机和CFD（Computational Fluid Dynamic）模拟技术的发展，运用模拟手段研究循环流化床受到广泛关注，其优势在于不仅可以降低研究成本、节约资源，还能更清晰地了解床内各流场变化，为更好地控制操作条件提供关键信息。近年来，越来越多的研究人员通过CFD模拟系统研究了循环流化床结构对流体流动的影响，尤其是提升管内流场结构。如Zhao等人 (Chem. Eng. Sci. , 2015, 134, 477-488) 基于CFD模拟，研究了提升管出口结构对流动状态的影响。同样，Lu等人 (Chem. Eng. Sci. , 2017, 171, 244-255)借助CFD模拟研究了不同尺寸下提升管内流动特性。然而，鲜有文献报道回料管的相关研究。基于以上讨论，本发明采用CFD模拟技术，对循环流化床回料管进行研究，通过考察回料管管径、安装高度和安装角度等影响，对于改进循环流化床装置结构、优化反应器性能具有重要的指导意义。

发明内容

本发明的目的是基于CFD模拟，提出一种回料管结构优化设计方法，其步骤如下：

（1）采用GAMBIT软件包建立多种不同结构的三维提升管模型，并进行网格划分，将生成的网格文件导入CFD 软件；其中不同结构包括分别改变回料管管径、安装高度和安装角度。

（2）在CFD软件中设置模拟所需的模型参数和变量参数；其中所述模型参数包括多相流模型和湍流模型，变量参数包括操作条件和离散压力、动量、湍动能及湍动能耗散率；

（3）运行CFD计算获取提升管内各流动参数值和各流场分布特征；

（4）基于只改变不同回料管条件的模拟方案，提取并计算提升管内轴向空隙率、轴向压力梯度和不同高度轴向颗粒速度的径向分布，确定回料管管径优化范围；

（5）基于步骤（4）中最佳的回料管管径，比较不同回料管安装高度下的模拟结果，重复步骤（1）~（4），确定回料管最佳安装高度；

（6）基于步骤（4）（5）中最佳的回料管管径和安装高度，比较不同回料管安装角度下的模拟结果，重复步骤（1）~（4），确定回料管最佳安装角度。

步骤（1）中所述三维提升管模型由提升管、回料管和出口管组成。

步骤（1）中所述网格文件为*.msh文件。

步骤（2）中所述多相流模型和湍流模型分别为双欧拉模型和标准k-ε模型。