流化床的案例
CFD與DEM仿真如何提升石油石化流化床工藝效率？
在石油石化工業體系中，流化床設備是催化裂化、加氫處理、氣化等核心工藝的 “心臟” 部件。其內部氣固兩相的流動、傳熱、傳質與化學反應交織耦合，形成了極為復雜的多物理場環境。長期以來，行業依賴經驗積累與物理實驗進行流化床設計優化，不僅面臨研發成本高、周期長的困境，更難以突破 “黑箱效應”—— 無法精準捕捉設備內部微觀機理，導致設計方案常存在性能短板，難以適配高效、低耗的生產需求。
隨著數值模擬技術的迭代升級，計算流體動力學（CFD）與離散單元法（DEM）軟件逐漸成為破解這一難題的關鍵工具。它們以精準的數值計算為基礎，將流化床內部不可見的復雜過程可視化、可量化，為設備設計優化提供了從宏觀到微觀的全方位支撐，徹底改變了傳統研發模式，推動石油石化流化床工藝邁向高效化、精細化發展新階段。
一、流化床設備工作原理、分類及應用場景
流化床設備
流化床是利用流體以一定速度通過顆粒層，使顆粒懸浮并表現出類似液體的流動性。當流體流速逐漸增大，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。流化過程中，流體與顆粒的相互作用導致顆粒隨機運動和分散，實現流態化。這一過程受流速、顆粒性質和流體性質的共同影響。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，床層中顆粒的運動更加劇烈和無規則，床層的湍動性增強，顆粒與氣體之間的混合更加充分。其傳熱和傳質速率高，適用于氣固相反應。
快速流化床：當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循環。固含率分布均勻，氣固接觸和混合良好，床層溫度均勻。
展開 流化床反應器內部結構、特點和應用全都告訴你
流化床反應器分類
按固體顆粒是否在系統內循環分
（1）單器流化床，或稱作非循環操作的流化床
（2）雙器流化床，或稱作循環操作的流化床
按床層的外型分
（1）圓筒形流化床反應器
（2）圓錐形流化床反應器
按床層中是否置有內部構件分
（1）自由床流化床反應器
（2）限制床流化床反應器
按反應器內層數的多少分
（1）單層流化床反應器
（2）多層流化床反應器
流化床反應器特點
與固定床反應器相比，流化床反應器的優點是：
（1）可以實現固體物料的連續輸入和輸出；
（2）流體和顆粒的運動使床層具有良好的傳熱性能，床層內部溫度均勻，而且易于控制，特別適用于強放熱反應；
（3）便于進行催化劑的連續再生和循環操作，適于催化劑失活速率高的過程的進行，石油餾分催化流化床裂化的迅速發展就是這一方面的典型例子。
展開 【往年優秀論文賞析】氣固流化床CFD 模擬曳力模型的選用及驗證
Gidaspow模型模擬出的氣泡較Syamlal-O，brien 模型初始氣泡更大些，中心射流明顯但分布板區流場欠佳。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循環運動，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。對照冷態裝置實驗結果，可判斷修正后的Syamlal-O，brien 模型與實驗現象更吻合，故選擇修正后的Syamlal-O，brien 模型作為曵力模型進行后續的模擬計算。
3.2 CFD 模擬結果與冷態實驗的對比
按照表2 所述的模擬條件，對三個算例進行計算，同時以相同物性的實驗原料進行冷態實驗，與模擬結果進行對比驗證，主要結果如下：
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則和阿基米德準則，得到計算最小流化速度的簡約公式，經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固定床，同時記下相應的氣體速度u 和床層壓降從而繪制出關系曲線，確定最小流化速度。
對于均勻顆粒組成的床層，當通過床層的氣流速度較低時，床層處于固定床狀態。隨著氣流速度的增加，床層壓降成正比例增加，當氣流速度達到一定值時，床層的壓降達到最大值，該值略高于整個床層的靜壓，如果繼續增加氣流速度，固定床會突然“解鎖”，床層壓降降至床層的靜壓，此時對應的氣流速度即為最小流化速度。當氣流速度超過最小流化速度后，床層就會出現膨脹或鼓泡現象，進入流化床狀態。
展開 旋流器、旋轉流化床等化工設備的多相流分析
TASK
l 計算旋流器中氣液固三相的分布，得出顆粒分級曲線，為改進旋流器構造提供依據；
l 計算旋轉流化床中的炭顆粒分布，傳熱性質。
SOLUTION
主要技術挑戰
l 內流場為高速旋轉流，計算工作量大，流場的速度分布不難以精確展現。
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象，準確捕捉氣液交界面。
l 需要考慮顆粒的噴射參數對顆粒運動的影響，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流場
l 用VOF的方法模擬出旋流器高速運轉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-歐拉模型模擬旋轉床中的顆粒分布
結論
得到不同操作條件下旋流器中的高速旋轉流場，很好吻合實驗數據
得到旋流器運轉中空氣柱的分布
通過統計顆粒排除情況，獲得顆粒分級曲線
Customer Benefit
基于操作狀態的分析結果，優化最佳的旋流器、旋轉流化床設計參數，使得運轉中的能耗降低；同時，為設計不同用途，如分離細微顆粒、得到最佳階段率、高效液液分離等的新型旋流器提供技術支撐。
旋流器中顆粒瞬態分布
旋轉流化床設備網格
旋轉流化床不同截面位置煤炭顆粒分布情況
展開 
氧化鋯氧氣傳感器在循環流化床鍋爐燃燒系統煙氣氧含量控制中的應用
循環流化床（CFB，Circulating Fluidized Bed）鍋爐作為一種高效且環保的燃燒設備，在發電廠和工業供熱領域得到了廣泛應用。它通過在爐膛內構建高速流動的顆粒床層，實現燃料的高效燃燒，并且具備處理多種燃料的能力，涵蓋劣質煤、生物質等。為保障燃燒過程的高效與環保，精準控制煙氣中的氧含量顯得非常關鍵。
燃燒控制系統的特性
對循環流化床鍋爐的燃燒系統進行分析可知，該系統具有多輸入、多輸出以及滯后性顯著等非線性時變特征，各參數在強耦合狀態下相互作用，具體表現如下：
其一，在控制某一參數時，往往受到多個條件變量的影響。例如，在控制煙氣含氧量時，需對一級風量、二級風量、燃燒量等多個參數進行協同操作與調節。
其二，一個參數的調整又會對其他多個參數產生影響。比如，調節一次風量時，會波及床溫、煙氣含氧量等參數。因此，要重視并加強對鍋爐燃燒效率的分析，首先需著重研究各參數之間的強耦合性。一般的自動控制系統難以勝任此任務，需采用有效方法對參數的過度變化情況進行控制。
循環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流化床鍋爐的燃燒效率，進而實現節能減排。而要提升鍋爐的燃燒效率，關鍵在于確保燃料量與空氣量達到最佳配比。若配比比例不當，無論是過大還是過小，都會降低鍋爐的燃燒效率。
當空氣比例過大時，會產生額外的能量損耗。由于空氣中氮氣占比達 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，導致這些熱量被帶走。盡管此類能量損耗難以完全避免，但可通過有效手段加以控制。反之，若運行過程中空氣比例過小，燃料將無法充分燃燒，不僅會造成燃料中熱量的損失，還會產生氫氣和一氧化碳等有毒可燃氣體，對大氣環境造成污染。
展開 HardALU研發流化床技術 縮減鋁制鑄件的厚度
流化床（fluidized bed）技術
對汽車業而言，高性能的輕量化鋁制部件極為重要，可替代較重的鑄鐵件，該類部件通常被用于發動機外殼，實現減重。然而，這類部件無法使用常規熱處理工藝（會起泡，blistering）。為此，該類部件通常做得很厚重。
HardALU工藝的核心在于流化床方案，只需7-10分鐘，使得大型發動機外殼的溫度達到490-540攝氏度，其熱傳輸速率必須是常規強制通風技術的3-4倍。
該項目協調員Jaume Tort先生回憶道：“該細沙粒的流體化工藝已成為該項目的最大挑戰，為此，研究人員進行了大量的測試及修正。最終，在西班牙馬德里卡洛斯三世大學的幫助下，最終獲得了正確的流體化校準值。”
從環保角度考量，憑借該項技術，各零件可進行早前無法達到的熱處理加工，從而縮減了其厚度、降低了重量，從而降低了車輛的油耗，最終降低了車輛的二氧化碳排放。此外，隨著處理時間的縮短，其制造時的耗電量也將有所縮減。
該系統目前配置在客戶的設施內，正在經受嚴苛的工業級應用測試，未來還將提供給潛在客戶進行技術演示。
Tort表示：“令人倍感興奮的是，該技術將推動其壓鑄鋁（aluminium die casting）在結構件中的應用拓展。例如，該類結構件就包括車載懸架，該部件目前尚用于純鋼打造。流化床技術是一項重要的技術突破，可縮減復雜零件的厚度，其依賴于高效的熱處理來確保其強度及可靠性。”
展開 STAR CCM+｜利用Coarse Grain Particle模型模擬流化床
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+隨機案例，相關文件可自行在官網下載。
1 問題描述
流化是指通過在氣體或液體中懸浮，將固體顆粒轉化為類似流體的狀態的過程。顆粒流化是許多工業過程的一部分，包括生物質燃料生產、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器。
本教程演示了使用DEM技術建模流化床的工作流程，該工作流程在結果的準確性和仿真速度之間達到了平衡。在這個仿真中，不考慮熱量和質量傳遞。使用一個簡單的圓柱形幾何體來模擬流化床反應器。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，將反應器的鼓風室多孔區域與被流化顆粒占據的內部空間分開。
下圖顯示了本教程中使用的幾何體：
空氣以1.49 kg/s的指定流量通過質量流量入口流入反應器，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入區域，從而減少了它們在反應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，如果顆粒數量很大，則統計方法更實用。為此，STAR-CCM+提供了Parcel Contact Coarse Grain Particle模型，其中減少數量的計算包裹統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（如流化床應用）的仿真。線性內聚模型也被應用于模擬顆粒之間的分子吸引力或濕顆粒之間的內聚作用。
展開 FLUENT多相流案例之六：基于歐拉模型并考慮臭氧分解反應的流化床氣/固兩相流仿真 ￥99
流化床主要用于氣體/固體傳質過程，是重要的工業設備。臭氧(O3)的分解，粒子就可以作為催化劑，創造了一個合適的低溫環境傳質。本算例為仿真流化床中臭氧分解的瞬態過程。流體是臭氧和空氣的混合物，而固體是由直徑為87.75微米的沙粒組成。采用UDF定義流化過程的阻力和化學反應速率，其中流化過程的阻力表達式與FLUENT多相流案例之五：基于歐拉模型的二維均勻流化床仿真中一致。
而化學反應速度定義的UDF截圖如下：
臭氧分布結果
臭氧速度云圖
收費文件列表
四十二、Fluent歐拉模型流化床模擬
流化床概念</strong></p><p> </p><p>流態化床，簡稱流化床，是一種利用氣體或液體通過顆粒狀固體層而使固體顆粒處于懸浮運動狀態，并進行氣固相反應過程或液固相反應過程的反應器。</p><p> <img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_gif/8tJMdLVYZy9JWfQkAdbkW7eJGv05bQzMib2TibBxzOCEVeadGr94BLZJuACeG5CspNPnEqkAAKTPWyWE0XSNgQ3A/640?wx_fmt=gif" width="100%"> </p><p>歐拉模型：</p><p>歐拉多相流模型可以模擬顆粒流動，但是與DPM離散模型不同，歐拉模型模擬顆粒物流動是將顆粒物看成流體進行模擬的，其無法追蹤顆粒粒子軌跡。Chapter40 Fluent 顆粒\氣泡PBM模型也是如此</p><p><br></p><p><strong>2. 模型描述</strong></p><p> </p><p>氣體通過流化床底部向上流動，流化床下半部有固體顆粒。空氣流過固體顆粒可將顆粒吹起懸浮。同時流化床底部有一個小孔，氣體可從小孔流出。</p><p><br></p><p> <img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/8tJMdLVYZy9JWfQkAdbkW7eJGv05bQzMxZbEGfia8f2bNhEPk8E054KJog9U2IV27jtYE39Sb9ib4H85f2sVUDrg/640?wx_fmt=jpeg" width="552" style=""> </p><p><br></p><p><strong>3.
展開 循環流化床鍋爐富氧燃燒技術
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CFB鍋爐富氧燃燒改造的研究
本文以某電站210MWCFB鍋爐為模型，進行CFB鍋爐富氧燃燒改造的研究，該鍋爐為哈爾濱鍋爐廠制造的670t/h超高壓、單汽包、一次中間再熱、自然循環、配備4個外置床的CFB鍋爐。針對帶外置床的CFB鍋爐，可對二次風系統進行富氧燃燒改造，外置床返料風和流化風仍采取常規的空氣，在富氧燃燒狀態下，由于氧氣濃度增大，爐內燃燒需要的總風量減少，容易造成爐膛布風板、外置床的流化不良。對此，可以采用煙氣再循環的方式，將引風機出口煙氣引入一次風機入口，引風機出口煙氣O2體積分數為8％，利用鍋爐煙氣O2體積分數較低的特點，在不改變一次風流量，保證鍋爐流化效率的情況下，降低一次風及密相區氧量，在密相區形成還原性氛圍，同時抑制床溫，以降低NOX的生成量。為補充被代替的一次風氧量，對二次風進行富氧燃燒改造，為空氣分級創造了條件。（圖1）
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改造后床溫的調整方式
外置床是循環流化床鍋爐的重要部件之一，其功能有三個：①返料。將分離下來的飛灰順利地送入爐內，并隨鍋爐參數及負荷的變化完成對循環物料量的自動調節；②#1、#2外置床用來調節再熱汽溫；#3、#4外置床用來調整床溫；③密封。防止爐膛的煙氣反竄進入旋風分離器。210MW負荷進行了外置床性能試驗。試驗表明，在保證返料正常的情況下，開大內、外均流風有利于返料穩定、降低溫床，減少減溫水用量。當鍋爐負荷變化時，可通過開大或關小外置床均流風來控制進入爐膛的循環灰量，以此來控制爐膛溫度。當密相區床溫過高時，可以開大#3、#4外置床均流風，增加循環灰量，降低床溫；反之，關小#3、#4外置床均流風，減少循環灰量，提高床溫。
展開 歐拉模擬流化床內氣泡形成過程與壓降 ￥9.9
歐拉模擬流化床內氣泡形成過程與壓降
case data mesh
[模擬實例]440t循環流化床-燃燒-3維全尺寸模擬 ￥2000
440t循環流化床-燃燒-3維全尺寸模擬，難點：循環物質從出口逃逸的量=循環物質從入口增加的量，通過UDF實現，保持內部循環粒子守恒
溫度場：
濃度場：
視頻：溫度場
濃度場
本例子出售，價格2000元，有意者QQ 103614652
本人承接學生課題，碩士課題 5000元起步 ，博士課題 10000元起步，視難度增加費用。 如果你覺得價格高，請勿擾，非常感謝！
FLUENT多相流案例之五：基于歐拉模型的二維均勻流化床仿真 ￥299
均勻流化床壓降的預測一直是過程控制關注的問題。Fluent軟件的歐拉模型為研究含復雜相間遷移的固體顆粒流動提供了重要的建模工具。盡管歐拉模型對相關物理進行了嚴格的數學描述，但模型中使用的阻力定律在本質上仍然是半經驗的。因此，正確地預測顆粒床由于界面阻力和物體力之間的平衡而處于懸浮狀態的臨界或最小流態化條件是至關重要的。本算例的以UDF的形式定義該關系式，有兩個DEFINE_EXCHANGE_PROPERTY函數，僅列出部分截圖。
流化過程動畫
收費文件列表
循環流化床鍋爐低負荷下超低 NOx排放研究
文獻信息
段
守保,辛勝偉,顧從陽,杜佳軍,王虎,謝國威,鄔萬竹.循環流化床鍋爐低負荷下超低NO_x排放研究[J].潔凈煤技術,2021,27(S2):299-303.DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.21120901.
焦爐煙道氣余熱利用技術
目前以焦爐煙道廢氣為熱源的煤調濕工藝主要有流化床式、風動選擇式和沸騰流化床式等。
2.2.1、流化床煤調濕
1996年10月日本在北海制鐵公司室蘭廠投產了采用焦爐煙道廢氣對煤料干燥的流化床煤調濕裝置，其工藝流程為：將粉碎后的煤料由煤倉送往流化床干燥機，從分布板進入的焦爐煙道廢氣直接與煤料接觸，對煤料進行干燥，調濕后的粗煤粒從干燥機排入螺旋輸送機，剩余的煤粉隨焦爐煙道廢氣進入袋式除塵器，回收的煤粉通過螺旋輸送機送入皮帶機上，為抑制揚塵，采用加濕機對干煤粉適當加濕，使煤粉和粗煤粒一起經皮帶機送到焦爐煤塔，工藝流程圖見圖2。
流化床煤調濕的工藝特點：該裝置位于備煤車間粉碎機后，在流化床干燥機內，利用布風噴嘴噴出高速斜向氣流使煤料流化而移向出口；只干燥和脫粉，不分級。
2.2.2、風動選擇煤調濕
2007年濟鋼投產了一套風動選擇煤調濕裝置。該裝置位于粉碎機前，具有風選功能，首先將＜3 mm合格粒度的煤料風選出來，減輕粉碎機負荷；布袋除塵器濾出的煤粉，壓成型煤，入爐煉焦。其工藝流程：配合煤A 經布料器首先進入風選調濕器，焦爐煙道廢氣用鼓風機在風選調濕器的下部鼓入，在風選調濕器的上方流動的煤層建立沸騰層，輕質顆粒、細顆粒被干燥分離成細顆粒煤流B直接進入焦爐煤塔。而重質顆粒、大顆粒被分離成粗顆粒煤流 C，送入破碎機粉碎，在此粉碎的煤料D，經過轉運站，在風選調濕器入口前重新與配合煤初次煤流A合流后成煤料E，進入風選調濕器進行再次調濕。其工藝流程圖如圖3所示。
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