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锥形喷嘴对流化床水平喷雾分散性的影响
摘要
在本文中，我们调查模拟了在流化床中锥形喷嘴对喷雾分散的影响。我们利用欧拉定理来模拟流通喷嘴和之后液滴与固体颗粒的相互作用。我们用工艺参数和材料特性相关的粘性液体的流动过程──沥青在热裂解时提炼──这样的可用实验数据。在考虑多种膨胀角度的连接件后，我们发现最好的液体分布是四十度角的连接件，因为这个形状的连接件使喷射的不稳定有利发展。
重点
流化床中颗粒喷射的相互作用研究。影响锥形喷嘴的因素评估。中间膨胀角可促进液体在流化床中更好的分布。
关键词
多相流动；数学模型；流化作用；颗粒；汽液喷射；喷嘴
- 介绍
流化床技术是化学，制药，石油，食品等多种生产加工过程中的核心技术。固体颗粒的混合速度很高，因此流化床用于需要快速混合试剂的场合。
介绍几种在流化床中反应物与颗粒物的混合方式。固体颗粒通常由类似螺旋杆的机械传送，气体材料用流化器混合或通过喷嘴注入混合，液体材料通常被雾化后进入反应器中。将气体和液体注入到反应器中的喷嘴布置可能不同，喷嘴可以向上形成一个喷口，向下通过流化床的表面，或者水平上方到达流化床侧面。此外，其他的角度也有可能对齐。一般来说，在喷射之后，气体或液体在流化床中会发生相互作用。显然，这种互相作用取决于喷嘴在流化床中的布置。这篇文章中我们主要考虑喷嘴在流化床下方的水平喷射，这种布置的选用与沥青在热裂解时的粘性流动过程有关。这个提炼过程与所需有效能量和环境的影响有关。现存的常用油和其他矿物燃料逐渐被耗尽，也没有挖掘出新的传统燃料，用核裂变产生能量在很多国家中遭到反对，而控制核聚变产生能量已经被实现，为满足不断增长的经济需求，用重油能量的需求也必然增加。这种情况下，保持提炼过程中的最优化对减少能量消耗和缓和环境的影响意义重大。
焦化提炼反应如左图1所示，将巨大的圆筒形容器从底部到顶部逐渐增加它的直径，在510-530℃下，由底部提供的焦化颗粒被汽化，沥青在通过喷嘴时发生雾化反应。在这个过程中，压缩蒸汽（~1MP）被注入，通过喷嘴的两个收敛截面和一个发散截面液化混合。接近喷嘴出口，因为压力的骤然下降气体迅速膨胀。这种膨胀使它的体积分数下降因此不能连续保持液体的状态，从而在表面实现液体到气体的连续变化。得到的液滴因惯性持续它们的运动从而形成喷雾，沥青液滴和焦炭颗粒接触从而在焦炭颗粒表面形成一层液态薄膜。由于沥青薄膜被加热，热量转移到颗粒表面后裂解反应就开始发生了。较轻的烃从表面蒸发并被收集用于下一步在反应器中反应产生“合成原油”，这是一种类似于在传统油中被发现的碳氢混合物。较重的碳氢化合物则留在颗粒上，最终形成一层附加焦炭层。
一般情况下，反应速度越快，收益率越高，如更轻的烃，反之亦然。反映的速度通过热传递而由温度控制，因此，加热越快越有益于得到更轻的沥青薄膜。所以对于匀速流动的沥青，这样可以使它最大限度的均匀分布在焦炭颗粒表面。
在喷涂沥青液滴到热焦炭颗粒表面时，确保其快速接触有利于传热和随后发生的裂解反应。然而可操作性却比较小。例如，当液体膜的厚度比较大时，会因为内部产品的破裂导致传质被限制使收益率下降。为优化喷雾性能和随后喷雾液滴与床中颗粒的相互反应，我们在出口增加一个连接装置。在各种形状的这样的装置中我们选择锥形进行分析。当然，这样的方法和结论还可以扩展到其他形状。此前，Pougatch和Salcudean研究了用于在空气中喷射水雾的连接装置的影响。本文提出的数学模型研究了锥形喷嘴件的几何形状和生产中的工艺条件对液体初始分布的影响。
基于这样一个特殊喷嘴的设计，对适用于提炼反应喷射区的流体力学资料很少。Ariyapadi et al(2004)Ariyapadi et al(2005)House et al(2004)House et al(2008)和MCMillan et al(2005)Portoghese(2008)等人的实验研究的是液体注入到小规模的流化床中，他们主要研究流射穿透，膨胀角度，夹带的颗粒及固液比等参数。在Pougatch系列主要模拟汽液混合物通过喷嘴中的收敛-发散截面时的情况。随后作者扩展了模型，包括喷气与流化床相互作用之后的雾化分散。这种计算模型可以成功预测以前通过实验得到的实验结果。
- 数学模型
由Pougatch等人提出的数学模型应用于增加了喷嘴装置之后的计算研究。这个模型采用欧拉定理描述所有的相，包含气体、液体及固态颗粒。气体可以作为气相连续存在或形成气泡，同理，液体也可以连续存在或形成液滴。颗粒总是有一个固态的芯部，外部可能被液态薄膜包裹。气体或液体的局部连续相是由局部的体积分数确定的。因此，雾化有一个气相位突然变化的体积分数的临界值。液滴/气泡的平均直径用于表示各种液滴及气泡的大小。在整个流场中直径不断变化，其变化用粒子密度数来表示。模型包括传热和传质，但不考虑沥青裂解时的化学反应。由于这个项目的目的是评估初始的业液态分布，假设只是喷嘴附近一个相对较小的区域，在这个区域里，大多数液体没有时间加热到开始反应的初始温度，这个假设在5.2节的计算结果的基础上再得到确认。
图一。
图解沥青炼制过程
2.1守恒方程
该模型的守恒方程由Navier-Stokes方程得到。这里只列举所有变量被统一后的最后结果。为了方便演示及转换成计算机代码，方程中的相位尽可能写成独立的形式。由于该模型可作为一个独立的坐标使用，因此适用于几何形状为曲线的情况。为简化方程，我们利用Kronecker,即i等于j时delta;ij守恒反之等于零。质量守恒采取以下形式
同理，动量守恒可以写成
注意，右侧方程源于液滴在传质过程中粒子的相互作用，通过固态核芯的质量分数及密度和液体薄膜中颗粒的密度可以得到。
Boussinesq将其近似推广到多相流来计算洛伦兹力
在等式（4）中，lsquo;crsquo;指代局部气体或液体的连续相。下一步，用能量守恒表示气体和液体中颗粒相的组成部分。
其焓由等式(6)、（7）定义
为了将气体密度与压力相连接，这里将其看为理想气体状态
接下来我们添加颗粒相的组成部分，即固体芯和液体保护膜的等式
2.2闭合方程
上文提出的守恒方程在整个计算域的局部连续相上均有效。然而，上述守恒方程并不足以描述整个流动。为了提供微观物理现象与宏观变量之间的联系，需要更多的封闭关系。这些方程会因特定的流动而不同，在此基础上基础上选择，修改，扩展多个子模型。在这里，为了简单起见，我们只采用子模型。
在众多力中，我们考虑阻力，虚拟质量力和流动分散力。基于假设相位的波动速度与流动响应系数成正比，我们用气相和液相的波动表示混合流动的模型。颗粒的波动运动用动力学中的颗粒流模拟，液滴或气泡的平均直径在空间中的变化粒子数密度决定。通过气泡或液滴破裂和聚结的频率完成对等式的补充。液滴与颗粒之间的相互作用导致的聚结或分离决定了碰撞参数，也可能是一部分液体与颗粒碰撞而另一部分分离。常以努塞尔数为基础建立界面的传热模型。固态芯的热传导是为了区分空间平均值和表面温度，得到更准确的热通量。颗粒中的水分和热量传输被认为是一种自由扩散与粒子间的碰撞机制。在喷嘴入口处，液体与气体以恒定流速分配。扩展壁上的多项函数应用于喷嘴壁上，颗粒流理论的边界条件应用于流化床内壁。所有其他的内壁，我们认为其压力相等。如果边界位于床内区域，则假定其在特定阶段流入时是一个恒定的体积分数。
2.3 数学方法
数学代码利用由哥伦比亚大学研究的的气体-液体-固体在复杂形状中的多相流动，该代码解决了多段曲线在网格内动量耦合的瞬间多相流方程，利用限制变量的方法，二阶迎风对流近似于除了体积分数与粒子密度方程的所有对流项。用ILU的Krylov子空间算法得到线性方程的解。
2.4模型验证
基于各种定量实验数据该模型已被验证，如沿喷嘴壁测量压力，喷流流量和平均粒径分布，累积液体在有及无流化床导流筒中的分布。验证实验时再无水及乙醇的真空，即标准条件下进行，因为在工艺条件下使用的蒸汽和沥青是不可行的。尽管如此，在广泛的材料及工艺性能下预计该模型仍有效，包括本文中流动方式的相似。
3 模型建立
3.1 项目描述
我们选取以前Pougatch与Salcudean研究类似的几何形状。它是一个标准的锥形连接件加独立喷嘴，如图2所示。我们在保持长度不变的同时研究了它的几个连接角度，跟随他们的研究，我们限定了喷嘴的膨胀角为10°，20°，40°和80°。调查的连接角对应的出口高度的值被列在表1中。此外，我们还设置了一个没有连线的情况，也可以被视为扩展角为180°作为比较。
图2。
喷嘴示意图。所有尺寸均为毫米。
表1。
所调查喷嘴扩展角度和出口高度。
为了简化计算，我们忽略重力并使用一个对称轴假设。这样的假设很容易适应注入开放区域时的情况，但没有注入流化床时直观。我们的原始任务是三维模拟喷雾注入流化床的全过程，表明在喷嘴出口的下游区域流体动量是主要影响而不是在床中的流体力学。因此，流束可近似看做对称。然而这个长度取决于混合流速和一些其他参数。先前调查的一个小规模喷嘴，对称轴距离约10cm，这是三分之一的流束穿透全长。如果我们利用Ariyapadi等人提出的与本例相关的流动情况，估计流束可能穿透的长度为2.6m，假设三分之一穿透长度的流束高度有效，则调查的工作区域与轴对称区域距离为80cm。因此轴对称假说可用于评估喷嘴附近区域发生的主要液相分散。Pougatch和Salcudean所用于计算网格大约包括10000个完全一样的网格。即使它从喷嘴出口延伸出一米，也只有部分接近喷嘴的区域与工业生产有关，其余的通常不能确定其移动并且远离调查区域的边界。
我们考虑蒸汽及沥青的流束，为使流束值与工业生产相关，设定蒸汽流速为0.026kg/s，沥青流速为3kg/s。汽液质量比为0.87%，注射温度是350℃，流化床温度为-350℃，床中压力为-3.4475times;105Pa。
3.2 材料性能
虽然蒸汽的物理性质被广泛使用，但沥青的非常难获得。Aminu等人研究的阿萨巴斯减压工艺是提炼工艺的代表。虽然他们研究的重点是探寻化学反应的进展情况，但我们仍可以获得一些没有反应的与这个项目所需的沥青相关的数据。因为液体在我们的研究区域来不及发生液体性质与温度的变化，所以目前没有数据。因此我们正在寻找喷射温度为350℃的沥青性质。表面张力不能显示温度的变化（和化学反应的变化），但它可以由400℃及503℃时推断出350℃的情况。因此，当350℃时表面张力为0.018N/m。但另一方面，粘度更明显随着温度的变化而变化，使得提取数据更加困难。我们从Aminu等人的试验中发现粘度在180℃时是0.15帕，在270℃时为0.03帕。由此看出，不仅值的变化相当大，而且推算区间也很大。简单的有足够表面张力的线性推算将导致我们研究的温度区间粘度值为负。因此，我们尝试一个更复杂的方式。西顿推算的的适用于烃类的粘度──温度相关曲线，虽然它比沥青的含碳量低一些。相关曲线表达式如下
其中K0是零阶修正贝塞尔函数的第二类，A和B是拟合参数。我们确定这些在低温下的已知粘度参数点后根据式12推算其他。这个方法确定了350℃时粘度值为0.0122帕。这个简单的指数推算
给出了我们感兴趣的温度下粘度为0.007帕。由于沥青粘度值的不确定性，我们在计算中设其为0.01帕。其他为不随温度变化的不重要属性，如沥青密度，比热容，导热系数等。焦炭的密度为1500kg/msup3;,比热容850J/kg·K,导热系数为0.05W/kg·K。
4、无颗粒条件下的喷雾分散
与Pougatch与Salcudeam的调查研究类似， 我们初始的分析是考虑没有固体颗粒的情况，在本文中我们用上一节提到的与工业相关的工艺条件下，所有模拟情况下产生的结论都可以被视为可用的稳定状态，即任何瞬态变化都可以忽略不计。一个典型结论就是图3所示的20°喷射角的情况。为了方便描述喷出后状态的轮廓，我们把完整的轴向截面设置为轴对称图形。可以看到，在连接件周边喷雾出现最大液滴浓度。由横截面的液体流速分布可以观察到Pougatch与Salcudeam的结论，随着锥角的增大，喷雾扩散角增大到一个最值后便不在增加。从图4中可以清楚的看到连接件的角度为四十度及以上时情况相同。有趣的是，用一个独立喷嘴实验得到的结论与加了大角度的连接件不同，它似乎从喷嘴处获得的喷雾很少分散。可以推测在圆锥形喷嘴的出口，喷雾分散处减少了外部空气的进入，并且导致液滴可以更长时间保持它们的径向动量。这种现象在空气---水试验中没有被观察到，因为他们通常用更宽的发散覆盖范围代替长距离，因此没有关注到径向传播的情况。
图3。
20°的液滴体积分数等值线。
图4。
距离喷嘴出口的径向横截面为0.3048米沥青流动率分布。
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