[发明专利]一种颗粒密度和粒径动态变化流化床的模拟方法

摘要

一种颗粒密度和粒径动态变化流化床的模拟方法，步骤一、流化床内基本流动反应模型的建立；步骤二、建立描述颗粒相密度和粒径变化规律的数学模型；步骤三、建立颗粒类型分段曳力模型；步骤四、流化床内流动反应特性的预测；该方法采用计算流体力学方法对颗粒密度和粒径动态变化的流化床进行模拟研究，结合描述颗粒相密度和粒径变化规律的数学模型对颗粒的密度和粒径进行实时修正，通过颗粒类型分段曳力模型描述多种颗粒类型并存体系的气‑颗粒相间作用力，从而准确预测颗粒密度和粒径动态变化流化床内的流动反应特性。该方法无需进行大量复杂昂贵的实验研究，可以节约大量的人力、物力及时间成本。

主权项

1.一种颗粒密度和粒径动态变化流化床的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、流化床内基本流动反应模型的建立；步骤二、建立描述颗粒相密度和粒径变化规律的数学模型；步骤三、建立颗粒类型分段曳力模型；步骤四、流化床内流动反应特性的预测；基于流动反应模型和颗粒相密度和粒径变化数学模型对流化床内密度和粒径分布状态进行模拟预测，首先根据流化床结构对模拟体系进行网格划分，设置基本流动反应模型，输入各化合物、颗粒的物性及反应动力学数据，定义出入口和壁面边界条件，设置时间步长和收敛条件开始求解；求解时先计算气‑颗粒相曳力系数，然后求解连续性、动量和颗粒拟温度方程，随后求解能量方程，再求解组分方程，根据各组分含量和相应的颗粒密度和粒径变化数学模型，对颗粒相密度和粒径进行修正更新，若整个计算体系内连续性方程、动量方程、颗粒拟温度方程、能量方程和组分方程两侧差值的绝对值之和均小于0.001，则计算结果收敛，否则不收敛；如不收敛则重复迭代，如收敛则判断计算时间是否完成，如未完成则进入下一时间步进行求解，如完成则停止计算求解，导出模拟结果，获得流化床内的流动反应特性；步骤二具体为：当颗粒在流化床内发生非均相化学反应时，多组分多步平行‑顺序反应，由以下反应式表示：式中A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L为反应物和产物，下标n表示第n种组分，括号内s和g分别表示颗粒相组分和气相组分，k1_n、k2_n、k3_n、k4_n、k5_n为相应的速率常数；对于密度和粒径动态变化的颗粒，其颗粒相密度变化数学模型可由下式表示：式中Y_i和ρ_i分别为颗粒相中i组分的质量分数和密度；而颗粒相粒径变化数学模型，则可根据颗粒尺度的质量守恒，由颗粒相的质量和密度变化数学模型获得，因此，需确定颗粒相的质量；依据化学反应工程理论对反应式进行分析，对各颗粒相组分的生成\消耗速率建立一系列偏微分方程组，如下所示：通过求解以上的偏微分方程组，即可获得颗粒相各组分的质量，从而可确定颗粒相的总质量和各组分的质量分数，最终根据综合密度变化数学模型方程(31)和颗粒尺度的质量守恒获得颗粒相粒径变化数学模型；在求解偏微分方程时可采取两种方法，一种是求解析解，适用于相对较为简单的热解机理；另一种是求数值解，适用于极其复杂的热解机理；(1)解析解法该方法首先将各颗粒相组分的生成/消耗速率相比，即可消除反应时间项，获得各颗粒相组分之间的关系式；再根据颗粒相组分质量分数和密度变化数学模型，结合颗粒尺度的质量守恒分析获得粒径变化数学模型；(2)数值解法对于极其复杂的热解机理，由于组分数目多且反应步骤复杂，难以获得反应速率偏微分方程组的解析解；但是可运用数学软件对偏微分方程进行数值求解，获得不同反应时间下各颗粒相组分的质量，进而求得不同反应时间下颗粒质量及各颗粒相组分的质量分数，在数学软件中通过数据拟合的方法获得颗粒质量与各颗粒相组分质量分数的关联式，最后与密度变化数学模型结合进行颗粒尺度质量守恒分析获得粒径变化数学模型；以上两种方法所建立粒径变化数学模型的通用形式为：d_p＝f(Y_i,ρ_i)d_p0式中d_p0为颗粒的初始粒径。