流化床
關(guān)注創(chuàng)建者：紅樓齋主 創(chuàng)建時間：2016-11-26
流化床的視頻教程
Fluent專家-多相流- 三維流化床
Fluent-多相流- （三維流化床） 模型如下圖所示 其尺寸為1mx0.15mx0.15m的流化床，進(jìn)口空氣速度為0.25m/s，頂部以壓力出口來處理，床體固體顆粒的體積分?jǐn)?shù)為0.55.
￥40 16分鐘 57播放
查看
Fluent模擬疏水性側(cè)壁氣泡產(chǎn)生、上升、聚并破碎等問題
氣泡或粒子流動問題在實際工況中非常普遍，例如鼓泡塔、流化床、燃料電池等領(lǐng)域?qū)Υ祟悊栴}研究較多，因此在工程上，能夠運(yùn)用數(shù)值方法有效模擬氣泡或粒子流動等問題變得十分有意義。此案例利用VOF模型來模擬氣泡生成上升聚并等問題，屬于多相流中的氣液兩相流問題，主要講解氣泡脫離壁面的主要設(shè)置以及Fluent操作流程。
￥25 32分鐘 194播放
查看
流化床的實例教程
在石油石化工業(yè)體系中，流化床設(shè)備是催化裂化、加氫處理、氣化等核心工藝的 “心臟” 部件。其內(nèi)部氣固兩相的流動、傳熱、傳質(zhì)與化學(xué)反應(yīng)交織耦合，形成了極為復(fù)雜的多物理場環(huán)境。長期以來，行業(yè)依賴經(jīng)驗積累與物理實驗進(jìn)行流化床設(shè)計優(yōu)化，不僅面臨研發(fā)成本高、周期長的困境，更難以突破 “黑箱效應(yīng)”—— 無法精準(zhǔn)捕捉設(shè)備內(nèi)部微觀機(jī)理，導(dǎo)致設(shè)計方案常存在性能短板，難以適配高效、低耗的生產(chǎn)需求。
隨著數(shù)值模擬技術(shù)的迭代升級，計算流體動力學(xué)（CFD）與離散單元法（DEM）軟件逐漸成為破解這一難題的關(guān)鍵工具。它們以精準(zhǔn)的數(shù)值計算為基礎(chǔ)，將流化床內(nèi)部不可見的復(fù)雜過程可視化、可量化，為設(shè)備設(shè)計優(yōu)化提供了從宏觀到微觀的全方位支撐，徹底改變了傳統(tǒng)研發(fā)模式，推動石油石化流化床工藝邁向高效化、精細(xì)化發(fā)展新階段。
一、流化床設(shè)備工作原理、分類及應(yīng)用場景
流化床設(shè)備
流化床是利用流體以一定速度通過顆粒層，使顆粒懸浮并表現(xiàn)出類似液體的流動性。當(dāng)流體流速逐漸增大，顆粒所受的浮力和阻力克服了顆粒的重量，顆粒開始松動并懸浮，形成流化狀態(tài)。流化過程中，流體與顆粒的相互作用導(dǎo)致顆粒隨機(jī)運(yùn)動和分散，實現(xiàn)流態(tài)化。這一過程受流速、顆粒性質(zhì)和流體性質(zhì)的共同影響。主要分類如下：
鼓泡流化床：氣流速度較低時，流體通過顆粒床層使顆粒懸浮，形成類似水沸騰時的氣泡，氣泡逐漸長大至一定尺寸后離開床層。這是最基本的流化床形式，操作穩(wěn)定，適用于常壓操作。
湍流流化床：氣流速度較高時，床層中顆粒的運(yùn)動更加劇烈和無規(guī)則，床層的湍動性增強(qiáng)，顆粒與氣體之間的混合更加充分。其傳熱和傳質(zhì)速率高，適用于氣固相反應(yīng)。
快速流化床：當(dāng)氣流速度超過顆粒的帶出速度時，顆粒被氣流帶走，在返料裝置作用下形成內(nèi)循環(huán)。固含率分布均勻，氣固接觸和混合良好，床層溫度均勻。
展開 流化床反應(yīng)器分類
按固體顆粒是否在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)分
（1）單器流化床，或稱作非循環(huán)操作的流化床
（2）雙器流化床，或稱作循環(huán)操作的流化床
按床層的外型分
（1）圓筒形流化床反應(yīng)器
（2）圓錐形流化床反應(yīng)器
按床層中是否置有內(nèi)部構(gòu)件分
（1）自由床流化床反應(yīng)器
（2）限制床流化床反應(yīng)器
按反應(yīng)器內(nèi)層數(shù)的多少分
（1）單層流化床反應(yīng)器
（2）多層流化床反應(yīng)器
流化床反應(yīng)器特點
與固定床反應(yīng)器相比，流化床反應(yīng)器的優(yōu)點是：
（1）可以實現(xiàn)固體物料的連續(xù)輸入和輸出；
（2）流體和顆粒的運(yùn)動使床層具有良好的傳熱性能，床層內(nèi)部溫度均勻，而且易于控制，特別適用于強(qiáng)放熱反應(yīng)；
（3）便于進(jìn)行催化劑的連續(xù)再生和循環(huán)操作，適于催化劑失活速率高的過程的進(jìn)行，石油餾分催化流化床裂化的迅速發(fā)展就是這一方面的典型例子。
展開 Gidaspow模型模擬出的氣泡較Syamlal-O，brien 模型初始?xì)馀莞笮行纳淞髅黠@但分布板區(qū)流場欠佳。修正后的Syamlal-O，brien 模型存在徑向返混，在氣泡的作用下形成內(nèi)循環(huán)運(yùn)動，同時分布板和中心射流均形成氣泡，壁面阻力較小時氣泡沿壁面上升。對照冷態(tài)裝置實驗結(jié)果，可判斷修正后的Syamlal-O，brien 模型與實驗現(xiàn)象更吻合，故選擇修正后的Syamlal-O，brien 模型作為曵力模型進(jìn)行后續(xù)的模擬計算。
3.2 CFD 模擬結(jié)果與冷態(tài)實驗的對比
按照表2 所述的模擬條件，對三個算例進(jìn)行計算，同時以相同物性的實驗原料進(jìn)行冷態(tài)實驗，與模擬結(jié)果進(jìn)行對比驗證，主要結(jié)果如下：
3.2.1 最小流化速度對比
最小流化速度umf 是流化床操作的最低速度，是描述流化床十分重要的參數(shù)之一。確定最小流化速度的主要方法主要有理論計算和實驗測定兩種。
常用的最小流化速度計算公式為Wen-Yu&Ergun 公式如下：
通過引入雷諾臨界準(zhǔn)則和阿基米德準(zhǔn)則，得到計算最小流化速度的簡約公式，經(jīng)過計算本實驗條件下，顆粒的最小流化速度為0.1550m/s。
確定最小流化速度umf 最好方法是通過實驗測定。降低流速u 使床層自流化床緩慢的恢復(fù)固定床，同時記下相應(yīng)的氣體速度u 和床層壓降從而繪制出關(guān)系曲線，確定最小流化速度。
對于均勻顆粒組成的床層，當(dāng)通過床層的氣流速度較低時，床層處于固定床狀態(tài)。隨著氣流速度的增加，床層壓降成正比例增加，當(dāng)氣流速度達(dá)到一定值時，床層的壓降達(dá)到最大值，該值略高于整個床層的靜壓，如果繼續(xù)增加氣流速度，固定床會突然“解鎖”，床層壓降降至床層的靜壓，此時對應(yīng)的氣流速度即為最小流化速度。當(dāng)氣流速度超過最小流化速度后，床層就會出現(xiàn)膨脹或鼓泡現(xiàn)象，進(jìn)入流化床狀態(tài)。
展開 TASK
l 計算旋流器中氣液固三相的分布，得出顆粒分級曲線，為改進(jìn)旋流器構(gòu)造提供依據(jù)；
l 計算旋轉(zhuǎn)流化床中的炭顆粒分布，傳熱性質(zhì)。
SOLUTION
主要技術(shù)挑戰(zhàn)
l 內(nèi)流場為高速旋轉(zhuǎn)流，計算工作量大，流場的速度分布不難以精確展現(xiàn)。
l 既要考慮到主流場的液體流動，還要模擬出旋流器中心形成的空氣柱現(xiàn)象，準(zhǔn)確捕捉氣液交界面。
l 需要考慮顆粒的噴射參數(shù)對顆粒運(yùn)動的影響，考慮顆粒-顆粒之間的相互作用。
解決方案
l 用ANSYS Fluent高級的湍流模型——大渦模擬的方法模擬旋轉(zhuǎn)流場
l 用VOF的方法模擬出旋流器高速運(yùn)轉(zhuǎn)時旋流器中的空氣柱、用modified HRIC高精度分界面模型捕捉氣液分解面
l 用DPM方法模擬固體顆粒的運(yùn)動，并且用DPM UDF自定義顆粒-顆粒間的相互作用
l 用歐拉-歐拉模型模擬旋轉(zhuǎn)床中的顆粒分布
結(jié)論
得到不同操作條件下旋流器中的高速旋轉(zhuǎn)流場，很好吻合實驗數(shù)據(jù)
得到旋流器運(yùn)轉(zhuǎn)中空氣柱的分布
通過統(tǒng)計顆粒排除情況，獲得顆粒分級曲線
Customer Benefit
基于操作狀態(tài)的分析結(jié)果，優(yōu)化最佳的旋流器、旋轉(zhuǎn)流化床設(shè)計參數(shù)，使得運(yùn)轉(zhuǎn)中的能耗降低；同時，為設(shè)計不同用途，如分離細(xì)微顆粒、得到最佳階段率、高效液液分離等的新型旋流器提供技術(shù)支撐。
旋流器中顆粒瞬態(tài)分布
旋轉(zhuǎn)流化床設(shè)備網(wǎng)格
旋轉(zhuǎn)流化床不同截面位置煤炭顆粒分布情況
展開 本案例演示利用STAR CCM+的粗顆粒（Coarse Grain Particle）模型模擬流化床問題。
注：本案例為STAR CCM+隨機(jī)案例，相關(guān)文件可自行在官網(wǎng)下載。
1 問題描述
流化是指通過在氣體或液體中懸浮，將固體顆粒轉(zhuǎn)化為類似流體的狀態(tài)的過程。顆粒流化是許多工業(yè)過程的一部分，包括生物質(zhì)燃料生產(chǎn)、流體催化裂化(FCC)和流化床氣化器。容納流化床的容器稱為流化床反應(yīng)器。
本教程演示了使用DEM技術(shù)建模流化床的工作流程，該工作流程在結(jié)果的準(zhǔn)確性和仿真速度之間達(dá)到了平衡。在這個仿真中，不考慮熱量和質(zhì)量傳遞。使用一個簡單的圓柱形幾何體來模擬流化床反應(yīng)器。幾何體的底部入口邊界模擬了氣體分配器（如噴射器）的行為，將反應(yīng)器的鼓風(fēng)室多孔區(qū)域與被流化顆粒占據(jù)的內(nèi)部空間分開。
下圖顯示了本教程中使用的幾何體：
空氣以1.49 kg/s的指定流量通過質(zhì)量流量入口流入反應(yīng)器，從而提供恒定的表觀速度，該速度高于最小流化速度。空氣通過壓力出口離開計算域。流入和流出邊界對固體顆粒不透水。所有固體顆粒都在第一個時間步進(jìn)入?yún)^(qū)域，從而減少了它們在反應(yīng)器中沉降所需的時間。
對于涉及相對較少顆粒的流動，可以為每個顆粒制定并求解控制方程。但是，如果顆粒數(shù)量很大，則統(tǒng)計方法更實用。為此，STAR-CCM+提供了Parcel Contact Coarse Grain Particle模型，其中減少數(shù)量的計算包裹統(tǒng)計地代表多個較小的相同顆粒。這種方法減少了DEM仿真的計算時間，特別是那些具有高裝載量的小固體顆粒（如流化床應(yīng)用）的仿真。線性內(nèi)聚模型也被應(yīng)用于模擬顆粒之間的分子吸引力或濕顆粒之間的內(nèi)聚作用。
展開 
流化床的相關(guān)專題、標(biāo)簽、搜索
流化床的最新內(nèi)容
培訓(xùn)內(nèi)容：
1、 歐拉顆粒流模型
2、稠密顆粒流模型
3、歐拉壁膜模型
4、案例--氣力輸運(yùn)過程模擬
5、案例--流化床模擬
6、案例--機(jī)翼液滴收集模擬
7、案例--攪拌器內(nèi)流場模擬
8、PBM模型基礎(chǔ)理論
9、案例--氣泡匯聚與破碎
時間：2月26日，9:00-11:00
合作伙伴：上海恒士達(dá)科技有限公司
地點：線上
費用：免費
立即報名
該解決方案廣泛應(yīng)用于各類形狀顆粒物料（從谷物到大宗粉末）的精準(zhǔn)仿真，為食品加工全流程的各類操作與工藝提供深度洞察 —— 涵蓋物料輸送（螺旋輸送、流化床、氣力輸送、料斗、傳送帶）、混合、粉碎、干燥、擠壓，以及包裝（裝瓶、裝袋）等多個環(huán)節(jié)。
該解決方案廣泛應(yīng)用于各類形狀顆粒物料（從谷物到大宗粉末）的精準(zhǔn)仿真，為食品加工全流程的各類操作與工藝提供深度洞察 —— 涵蓋物料輸送（螺旋輸送、流化床、氣力輸送、料斗、傳送帶）、混合、粉碎、干燥、擠壓，以及包裝（裝瓶、裝袋）等多個環(huán)節(jié)。
（組委會）陸亮（組委會）138（組委會）1821（組委會）9172（組委會）
展示范圍：
1.化工制藥專用干燥設(shè)備：真空、沸騰、冷凍、噴霧造粒干燥機(jī)；回轉(zhuǎn)、槳葉、旋轉(zhuǎn)閃蒸、
流化床干燥機(jī)；盤式、耙式、管束、滾筒、帶式干燥機(jī)等；食藥品專用烘箱、真空干燥箱、干燥滅菌烘箱、熱風(fēng)循環(huán)烘箱、隧道烘箱等；提取、濃縮設(shè)備、粉碎、混合、篩分及輸送設(shè)備等；
2.環(huán)保及化工物料干燥設(shè)備
它們以精準(zhǔn)的數(shù)值計算為基礎(chǔ)，將流化床內(nèi)部不可見的復(fù)雜過程可視化、可量化，為設(shè)備設(shè)計優(yōu)化提供了從宏觀到微觀的全方位支撐，徹底改變了傳統(tǒng)研發(fā)模式，推動石油石化流化床工藝邁向高效化、精細(xì)化發(fā)展新階段。
一、流化床設(shè)備工作原理、分類及應(yīng)用場景
流化床設(shè)備
流化床是利用流體以一定速度通過顆粒層，使顆粒懸浮并表現(xiàn)出類似液體的流動性。
一期一會 | 什么是流體流動？8個月前
常見的兩相流包括：
蒸發(fā)器和冷凝器中的氣-液流
生物反應(yīng)器中的氣-固流
泥漿運(yùn)輸和沉積系統(tǒng)中的液-固流
三相流包括氣-液-固體流（例如化學(xué)反應(yīng)器和流化床中）和氣-液-液流（存在于石油回收系統(tǒng)中）。
由于不同相之間的相互作用，多相流建模非常復(fù)雜。
前言
氣-液-固三相流體系廣泛存在于化工、能源、環(huán)境等工業(yè)領(lǐng)域，如費托合成漿態(tài)床、流化床反應(yīng)器及礦物浮選過程。由于氣-液- 固三相漿態(tài)體系內(nèi)在機(jī)理的復(fù)雜性，與兩相流模擬相比，基于氣-液-固三相CFD模擬相對不成熟，其計算流體力學(xué)（CFD）模擬一直是多相流領(lǐng)域的研究難點。下文介紹目前常見的氣-液-固三相體系CFD 模擬方法。
圖 4.2溢洪道場景
圖 4.3潰壩場景
3.3 化工領(lǐng)域
在化工生產(chǎn)中，許多化學(xué)反應(yīng)過程都涉及到多相流現(xiàn)象，如氣液反應(yīng)、液液萃取、氣液固三相流化床反應(yīng)等。Level-set方法可以用于模擬這些過程中的相間傳熱、傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)等復(fù)雜現(xiàn)象，幫助研究人員深入理解反應(yīng)過程的物理化學(xué)機(jī)制，優(yōu)化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和操作條件，提高反應(yīng)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。
循環(huán)流化床鍋爐煙氣氧含量的控制
控制煙氣氧含量的主要目的在于提高循環(huán)流化床鍋爐的燃燒效率，進(jìn)而實現(xiàn)節(jié)能減排。而要提升鍋爐的燃燒效率，關(guān)鍵在于確保燃料量與空氣量達(dá)到最佳配比。若配比比例不當(dāng)，無論是過大還是過小，都會降低鍋爐的燃燒效率。
當(dāng)空氣比例過大時，會產(chǎn)生額外的能量損耗。由于空氣中氮氣占比達(dá) 79%，而氮氣無法參與燃燒，且在燃燒過程中會吸收一定熱量并排放到大氣中，導(dǎo)致這些熱量被帶走。
通過 DEM 模擬，能夠為流化床反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和操作參數(shù)優(yōu)化提供更準(zhǔn)確的依據(jù)，提高反應(yīng)器的運(yùn)行穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率。
基于離散模擬軟件DEMms的氣固流化床設(shè)計優(yōu)化模擬
（二）冶金行業(yè)：高爐煉鐵過程分析
在冶金行業(yè)的高爐煉鐵過程中，涉及到爐料（鐵礦石、焦炭等顆粒）與高溫氣流的相互作用。CFD 可以對高爐內(nèi)的氣流分布、溫度場進(jìn)行模擬，幫助工程師了解高爐內(nèi)的宏觀熱工狀態(tài)。
