【正文】 瑞德，拉里P哈克曼，雷 可可，和約翰 芬德利CSIRO數(shù)學(xué)信息和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，312號(hào)，南克萊頓，維多利亞，3169，澳大利亞加拿大Syncrude有限公司，9421第17大街，埃德蒙頓，AB，加拿大固體顆粒研究公司，4201 W第36街，200號(hào)，芝加哥，伊利諾伊州60632，美國摘要：在流化態(tài)煉焦單元里，被焦炭沉積物結(jié)垢的旋風(fēng)分離器可以設(shè)置單元的運(yùn)行長度。隨著時(shí)間的推移，焦炭沉積物積累，阻礙旋流器，這將限制生產(chǎn)量，并導(dǎo)致停工。出于這個(gè)原因，要在反應(yīng)器喇叭腔之間產(chǎn)生更均勻的焦炭分布格局可能增大回轉(zhuǎn)時(shí)的間隙。在最近的關(guān)于焦化反應(yīng)器的自由空間的半工業(yè)規(guī)模的實(shí)驗(yàn)里,旋風(fēng)分離器的喇叭腔出口決定了分離器中焦炭的分布,但是提供了對(duì)潛在的液體動(dòng)力系統(tǒng)的有限的了解。在這個(gè)過程中，一個(gè)兩相計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型（CFD）的實(shí)驗(yàn)設(shè)備開放出來了。焦炭就像單分散的顆粒直徑的歐拉固體顆粒流一樣成型。研究發(fā)現(xiàn)，焦炭直徑的選擇能夠預(yù)測(cè)焦炭的直徑分布，一個(gè)合適的選擇有利于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的觀察。最近的研究證明167um的結(jié)果實(shí)際上比139的索特平均直徑更有價(jià)值。研究發(fā)現(xiàn)，在知道流體動(dòng)力學(xué)的前提下，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型在一定程度上能預(yù)測(cè)焦炭分布在流化態(tài)煉焦反應(yīng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的自由空間里。當(dāng)模擬在單分散的顆粒直徑的顆粒分布時(shí)，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較對(duì)識(shí)別焦炭直徑和最優(yōu)化模型是很必要的。1 前言流化態(tài)煉焦單元操作的運(yùn)行周期是由旋風(fēng)分離器的焦炭沉積物組成設(shè)置。隨著焦炭沉積物的持續(xù)增長，會(huì)引起每個(gè)分離器的不均勻堵塞。一旦分離器被堵住，單元生產(chǎn)量就會(huì)被限制，甚至?xí)９砬宄固砍练e物。在流化態(tài)煉焦單元中，分離器污垢產(chǎn)生的機(jī)理是碳?xì)浠衔镫S著表面焦化而冷凝。從密相床來的碳?xì)浠衔锸窃诮咏饵c(diǎn)的偽氣液平衡狀態(tài)下形成的。環(huán)境的低溫或者組成的改變都會(huì)使露點(diǎn)下降和烴類聚合。反應(yīng)堆里的精煉焦線（SCL）是為了提供過熱混合物進(jìn)入分離器，這樣氣體就會(huì)高于露點(diǎn)而不會(huì)冷凝了。每個(gè)分離器中的不均勻分布可能會(huì)導(dǎo)致在特定分離器中的焦炭組成。在喇叭腔周邊氣體和焦炭的流體動(dòng)力學(xué)的深入了解能使這個(gè)問題更清楚的闡釋。自從分離器結(jié)垢能夠設(shè)置流化態(tài)煉焦單元的運(yùn)轉(zhuǎn)周期，生產(chǎn)一個(gè)更專業(yè)的在喇叭腔反應(yīng)器里的焦炭分布模式可能會(huì)增加轉(zhuǎn)場(chǎng)間的間隔。流化態(tài)煉焦工藝是由?？松梨谘芯吭O(shè)計(jì)國際公司研究出來的，是使重渣油變成輕烴。加拿大油砂作業(yè)公司在加拿大亞伯達(dá)亞達(dá)巴斯卡河對(duì)流化態(tài)煉焦反應(yīng)進(jìn)行應(yīng)用。這個(gè)工藝要用兩個(gè)反應(yīng)容器：反應(yīng)器和燃燒器。反應(yīng)器包含了由蒸汽和碳?xì)浠衔餁怏w組成的焦炭固體顆粒流化床。熱焦炭進(jìn)入容器的自由空間里，然后出來，同時(shí)，被蒸汽霧化的瀝青落在它影響焦炭顆粒的地方。吸熱裂化反應(yīng)發(fā)生在焦炭的表面，然后輕烴產(chǎn)生了。焦炭經(jīng)過自由空間進(jìn)入一個(gè)洗滌器，然后從反應(yīng)器出來。冷焦炭轉(zhuǎn)移到燃燒器進(jìn)行部分燃燒和部分加熱。從燃燒器出來的熱焦炭再進(jìn)入反應(yīng)器。當(dāng)輕烴從自由空間出來，它們經(jīng)過了一系列的旋風(fēng)分離器，從蒸汽流中沾上了一部分的焦炭。旋風(fēng)分離器的侵入管是浸沒在反應(yīng)器的密相床以保證焦炭在系統(tǒng)中。夾帶的焦炭有可能來自流化床本身，也可能來自從燃燒器進(jìn)入反應(yīng)器自由空間的熱焦炭流。馬洛里展示了在分離器入口，氣體出口管，浸入管出口組成的典型位置。沉積物能完全堵塞分離器，導(dǎo)致停工。為了試著消除焦炭的沉積物，獨(dú)立的清洗焦炭輸送管路一般會(huì)放在旋風(fēng)分離器的喇叭腔周圍。用清洗粘著焦炭的分離器的方法清洗焦炭是為了試著阻止焦炭沉積物的形成，也可以用增加碳?xì)浠衔镎羝臏囟葋頊p少被冷凝的可能性。在分離器和喇叭腔的中心清洗焦炭是非常困難的，因?yàn)橐奢斔凸苈吠飶潯Ｈ绻軌蛟诿總€(gè)分離器里很均衡的清洗焦炭，這是否會(huì)影響焦炭的組成呢？這是目前所不知道的。在已發(fā)布的文獻(xiàn)調(diào)查中，流化態(tài)煉焦單元操作已經(jīng)集中于反應(yīng)器和汽提塔的動(dòng)力學(xué)上，也就是說，在流化床的上和下面部分獨(dú)自的反應(yīng)區(qū)域。利用半工業(yè)規(guī)模的合成原油的冷模型中，克尼普研究了所有的流化床的流動(dòng)示意圖，識(shí)別出了傳統(tǒng)的流動(dòng)環(huán)形孔模型的局限性。畢研究出了在相同模型汽提塔的流體動(dòng)力學(xué)和液泛現(xiàn)象，識(shí)別出在液泛很可能發(fā)生的情況下。進(jìn)一步的研究是對(duì)在汽提塔的氣固混合物得研究，用示蹤法將氣體固體都標(biāo)記，而反應(yīng)器里就只標(biāo)記氣體。在不同的條件下觀察和研究這些充分混合的混合物，觀察到流體環(huán)形孔結(jié)構(gòu)在反應(yīng)器地步消失了。豪斯觀察到在煉焦器的蒸汽或?yàn)r青的最佳注入位置，提出了一個(gè)新的噴嘴，更有利于液體或固體的混合。流態(tài)化煉焦裝置焦炭的性質(zhì)已經(jīng)用一系列的方法研究出來了。.德熱伯研究了焦炭本身并開發(fā)了一個(gè)數(shù)學(xué)模型來預(yù)測(cè)結(jié)塊的傾向。該模型認(rèn)為當(dāng)氣溫上升超過503176。C會(huì)加劇。馬洛里專門研究焦炭牙垢形成焦化退出氣旋內(nèi)從氣相沉積。結(jié)果表明，焦炭可直接從氣相中沉積，這種沉積物可以縮小，在與流化床表面的蒸氣的溫度相同的溫度下。無論是什么規(guī)模，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型被流化床系統(tǒng)應(yīng)用。兩相流化床詳細(xì)的計(jì)算分析已經(jīng)被Benyahia計(jì)算出來，同時(shí)，更多的是Schwarz and Lee提出的流化床的催化裂化模型單元，包括焦炭在床層燃燒和加熱轉(zhuǎn)變的計(jì)算。Sundaresan討論了用相對(duì)粗糙的網(wǎng)片來建模流化床系統(tǒng)的局限。當(dāng)用粗網(wǎng)格的時(shí)候，小于網(wǎng)格空間的結(jié)構(gòu)將不能的到解決。這些中尺度的結(jié)構(gòu)對(duì)大規(guī)模系統(tǒng)產(chǎn)生影響。比如，大家都知道很難預(yù)測(cè)Geldart A物體在流化床的正確膨脹度。McKeen、Pugsley、Zimmermann 和 Taghipour對(duì)曳力關(guān)系進(jìn)行了改正，從而能更好的預(yù)測(cè)Geldart A物體在流化床的正確膨脹度。在各種情況下，因?yàn)閷?duì)曳力關(guān)系的修正，使得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確性得到了改善。但是，這個(gè)修正也是一個(gè)獨(dú)立的問題，它在任何情況下也是不可預(yù)測(cè)的。這個(gè)運(yùn)用是與在仿真模擬中顆粒直徑的應(yīng)用是對(duì)等的。由于拖動(dòng)法的一個(gè)特設(shè)的修改是不能預(yù)測(cè)的，并且它使用的篩目尺寸足夠小，以預(yù)測(cè)中尺度結(jié)構(gòu)來模擬商業(yè)規(guī)模的流化床是不切實(shí)際的。Sundaresan和他的同事已經(jīng)開發(fā)出一種合理接近包括亞格影響的中尺度結(jié)構(gòu)的粗網(wǎng)格模擬。他們的方法包括進(jìn)行高度解決了傳統(tǒng)阻力的顆粒流制定的法律和動(dòng)力學(xué)理論模擬使用在一個(gè)相對(duì)較小的控制量。預(yù)測(cè)的流場(chǎng)，然后用于構(gòu)建拖動(dòng)、固體壓力、粘度和包括次網(wǎng)格效果的固體的關(guān)系。這些關(guān)系又在粗網(wǎng)格模擬的商業(yè)規(guī)模的容器中使用。目前正在開發(fā)的另一項(xiàng)技術(shù)由中國社科院科學(xué)和被稱為多尺度能量最小化（EMMS）方法。此方法與Sundaresan組修改拖關(guān)系時(shí)開發(fā)的方法是相似的，但它的不同之處這些關(guān)系是如何導(dǎo)出和固體粘度和固體的壓力實(shí)際上額外的關(guān)系還沒有解出來。能量最小化在這種方法的名稱是指假設(shè)該在流化床內(nèi)組成的系統(tǒng)能量要求被暫停運(yùn)輸?shù)墓腆w的將被最小化。此能量最小化的概念是用來關(guān)閉一組方程表示的質(zhì)量和動(dòng)量結(jié)余密集區(qū)和稀相流化床。過濾和EMMS方法的模型不是在應(yīng)用在當(dāng)前的工作，其目的是為了更好地了解使用商業(yè)軟件和一個(gè)簡(jiǎn)單的方法來解決問題的流體動(dòng)力學(xué)。相反，正確的夾帶率預(yù)測(cè)通過修改仿真中使用的中值粒徑。在本研究中這是唯一可能的，因?yàn)橐c之比較的模型預(yù)測(cè)了一套完整的實(shí)驗(yàn)。第一步，在流態(tài)化煉焦反應(yīng)器中，對(duì)自由空間和喇叭腔反應(yīng)堆的焦炭流動(dòng)的理解，Syncrude委托的固體顆粒的研究公司（PSRI）制定的室溫空氣/焦炭實(shí)驗(yàn)室模型的過程。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅挥脕硌芯可鲜龈魉膫€(gè)氣旋干舷焦炭分布的流化床?？諝夂徒固苛魉俚淖兓挠绊?，洗擦焦線出口管道的布置進(jìn)行了調(diào)查。然而，鉆機(jī)只允許有限的觀察空氣焦炭在血管內(nèi)的血流動(dòng)力學(xué)，不能使用調(diào)查工作在工廠的規(guī)模和經(jīng)營條件。為了增加對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的理解，試驗(yàn)型的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的方設(shè)備被設(shè)計(jì)出來了。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)能詳細(xì)的預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備里流體的運(yùn)動(dòng)，使對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的理解又增加到一個(gè)新的高度。此外，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)有一定的確定性，在擴(kuò)展它的試驗(yàn)規(guī)模有一定的準(zhǔn)確性。本文展示了一個(gè)試驗(yàn)態(tài)的流化態(tài)煉焦反應(yīng)器的計(jì)算模型的發(fā)展和確定。模型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的使用性能進(jìn)行了優(yōu)化在基本情況下，體現(xiàn)了預(yù)測(cè)的流場(chǎng)。在兩種幾何變化優(yōu)化模型預(yù)測(cè)焦炭分布的能力對(duì)鉆機(jī)以下進(jìn)行了調(diào)查，和對(duì)結(jié)果進(jìn)行了討論。2實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑榱颂接懺谛L(fēng)分離器出口，焦化器的自由空間里的焦炭分布，工廠規(guī)模的冷實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)已經(jīng)建成和運(yùn)行。，模擬的反應(yīng)床和自由空間。床包含的工廠焦炭都是由合成原油公司提供，是一個(gè)空氣流化床。容器的上面一部分縮小至一個(gè)直徑為0,279m的喇叭腔，使四個(gè)分布器均勻的分布于東南西北。焦炭通過2個(gè)管道進(jìn)入容器和喇叭腔，這2個(gè)管道分別是：。在室溫條件模型操作，將模擬的“熱焦炭”線在這里作為“回收焦炭”線，即RCL?；y是被用于控制從每個(gè)輸送管線的床層的焦炭抽提率，空氣是由返回容器的焦炭帶來的。每個(gè)旋風(fēng)分離器的的固體流都是由關(guān)閉在每個(gè)分離器的侵入管的蝶形閥所決定的，由短期管線里的固體的收集率所測(cè)量出來的。蝶形閥的位置在侵入管床層高度以上，接近不會(huì)導(dǎo)致侵入管壓力改變的閥門在它已經(jīng)被侵入管床層封閉的時(shí)候。在喇叭腔的焦炭分布是用一個(gè)抽提探針測(cè)量出來的。固體團(tuán)流量是通過由兩個(gè)成90176。的喇叭腔的10個(gè)徑向位置測(cè)量出來的。通過整合得到的固體焊劑公司在該區(qū)域的喇叭腔室，由四個(gè)收集率氣旋計(jì)算的總固體流率和比較所夾帶的磁通是可能的。由額定功率為2500w的鼓風(fēng)機(jī)提供的流態(tài)化狀態(tài)和空氣的運(yùn)輸在一個(gè)接近12磅每平方英寸的壓力下。，在放空之前。3數(shù)學(xué)模型這個(gè)模型使用的商業(yè)計(jì)算模型制定包ANSYS CFX11，解決了雷諾平均數(shù)和斯托克斯方程。這個(gè)模型自名為兩相歐拉模擬，焦炭在單相歐拉空氣粒子流成型。為了計(jì)算流場(chǎng)，以時(shí)間為基準(zhǔn)的雷洛茲平均斯托克斯方程1和2是用來解兩相歐拉方程的每一項(xiàng)。在這些方程中，下標(biāo)α是指兩個(gè)階段中的每一個(gè)（α= a為連續(xù)相，空氣，α= c表示離散粒子階段，焦炭），而Rα是α相的體積分?jǐn)?shù)。此外，它需要的體積分?jǐn)?shù)相關(guān)（r）的總和為一個(gè)單元，各相共享相同的壓力場(chǎng)，p，所以雷諾應(yīng)力計(jì)算右側(cè)的存在式（2）表示上面的方程組不是封閉的。要獲得價(jià)值為雷諾應(yīng)力條款和關(guān)閉公式設(shè)置湍流模型。此外，式（2）的右邊的項(xiàng)Mα表示相間動(dòng)量轉(zhuǎn)移條款。寫入這些方程不允許傳質(zhì)的可能性，在不考慮當(dāng)前的工作的情況下。所有額外的源項(xiàng)的動(dòng)量（除從浮力，用ραg標(biāo)記）被忽略不計(jì)。最廣泛使用的湍流模型是Launder and Spalding的kε模型，它是基于Boussinesq的方法。在當(dāng)前的工作的kε模型的空氣相，使α=a。雷諾應(yīng)力用下列公式近似計(jì)算其中μTa為空氣湍流或渦流粘度，由公式5得到然后，可以定義一個(gè)有效的粘度（μA=μA+μTa）。求解等式6和7取得ka和εA，這是湍流動(dòng)能和湍流能量耗散率，分別為連續(xù)相。應(yīng)力產(chǎn)生，Pa，式（8）中定義的標(biāo)準(zhǔn)kε常量模型由Launder和Sharma給出。kε模型中的連續(xù)相是適合使用該模型。然而，這是不適合的分散顆粒階段。相反，代數(shù)渦粘度模型應(yīng)用分散顆粒湍流，由ANSYS建議的。分散相零方程模型有效設(shè)置分散相粘度是成正比的連續(xù)相渦粘度，如式9所示在方程9中σ是一個(gè)湍流普朗特?cái)?shù)有關(guān)分散相渦粘度（μTc）到連續(xù)相渦粘度（μTa）。在動(dòng)量交換中間項(xiàng)可能包含了許多成分，在方程2中Mα。ANSYS提供了由于拖曳，上舉，虛質(zhì)量，墻潤滑，分散相湍流，固體顆粒碰撞而變化的標(biāo)準(zhǔn)模型。大部分的關(guān)系公式是沒有被當(dāng)前所應(yīng)用的，所以他們?cè)O(shè)初值為零。但是，因?yàn)楣腆w顆粒碰撞的間隔拖曳力，與固體壓力一樣，都是規(guī)定的數(shù)值。在持續(xù)流動(dòng)的體系中分散粒子之間通用的拖曳力系數(shù)已經(jīng)被Schiller 和 Naumann詳細(xì)說明，如方程10所示?！白畲蟆钡墓δ苁且源_保CD的值，保持理對(duì)高顆粒雷諾數(shù)數(shù)量的極限的敏感度，Re。有人指出，在非常局部區(qū)域的流量，焦炭量分?jǐn)?shù)變大，使焦炭流不能再考慮分散。在這種情況下，溫和俞的阻力模型是比較合適的，但地區(qū)較高的焦炭顆粒體積分?jǐn)?shù)和本地化，并分別使用了兩個(gè)模型產(chǎn)生的結(jié)果相比差異不大，所以席勒和瑙曼模型被用于這項(xiàng)工作。通過實(shí)施固體壓力，Gidaspow這種方法并不直接確定的固體壓力的固體粒子碰撞，而是決定固體壓力梯度注意到標(biāo)“C”代表的焦炭階段，固體壓力梯度，?pc在下式中列出在式（11），G0為基準(zhǔn)的彈性模量，K是壓實(shí)模量，和RC，最大最大的包裝參數(shù)的G0和K有沒有普世價(jià)值，然而，ANSYS推薦K = 1和G0取值范圍為20?600 Pa的較小的值的G0得到更高的靈敏度包裝，并且由于高焦炭填料的區(qū)域被限制在小體積的流場(chǎng)（基本上是在焦炭傳輸線的彎曲和在頂部的喇叭腔）的較小值G0 = 20被選擇的K值= 1，如上所述。計(jì)算式（11）的使用并沒有一個(gè)顯著的影響，因?yàn)榻^大多數(shù)的流量有非常小的顆粒體積分?jǐn)?shù)，然而，它最初被包括在內(nèi)，因?yàn)樗恢朗裁唇固康姆植紝⑹且粋€(gè)先驗(yàn)，然后離開，因?yàn)樗穷A(yù)計(jì)將有運(yùn)行時(shí)間的影響微乎其微。 CFD模型幾何體和網(wǎng)格CFD模型認(rèn)為流體的流向是從流化床表面上到每個(gè)旋風(fēng)分離器的入口，而SCL和RCL建模是其上游部分的最終彎曲線直徑的約10倍，網(wǎng)格模型使用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格軟件ANSYS Cad2Mesh組織起來的。網(wǎng)格精煉在喇叭腔和分離器入口，而通脹層被應(yīng)用到所有固體邊界，在他們存在的地方使邊界層形成。對(duì)于基本幾何學(xué)。SCL出口的的周圍幾何修改的其他精煉需要使用多達(dá)373萬個(gè)細(xì)胞，這使得更長長的SCL出口管和沖擊板的細(xì)節(jié)部分有待解決。對(duì)所有流量幾何模型和入口邊界條件都進(jìn)行了總結(jié)。一系列的六個(gè)計(jì)算流量（M1AD，M2，M3），表現(xiàn)了共三個(gè)實(shí)驗(yàn)條件（E1，E2和E3）。每個(gè)實(shí)驗(yàn)條件下用不同的幾何出口SCL。該模型有三個(gè)進(jìn)氣口：SCL和RCL入口，以及床層表面（流化床上表面）。在SCL和RCL入口上正常速度和各相的體積分?jǐn)?shù)直接指定。運(yùn)行M1AM1D在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)條件下所采用的流率分別取自焦炭的質(zhì)量流量（c）中的粒子的體積分?jǐn)?shù)（rc）的，與正常速度的空氣和焦炭的詳細(xì)信息。M2和M3運(yùn)行模擬實(shí)驗(yàn)運(yùn)行E2和E3，分別運(yùn)行了略有不同的空氣和焦炭流率，最值得注意的是，這些運(yùn)行的的RCL焦炭匯率上升超過44％ E1的實(shí)驗(yàn)中所用的。對(duì)于床面邊界，它被稱為氣流通過這個(gè)邊界進(jìn)入流域，而凈焦炭流經(jīng)邊界離開流域的自由空間較低，上層床表面的焦炭流，粗箭頭表示流RCL焦在床的表面本身有較小焦夾帶率約12％的焦炭被夾帶到自由空間出到氣旋，和剩余的焦炭回落至床上。從床上重新進(jìn)入了床上。然而，在床面焦炭的凈流量是放回床上和流域。 為了適應(yīng)這種情況的空氣流量通過邊界的行為直接指定上面的