粉-粒喷动床内纵向涡流强化多相传递机理分析及模拟优化

It is disadvantageous for heat and mass transfer in traditional spouted bed because of laminated flow of particle and gas in the transverse direction of spouted bed.A novel spouted bed structure is developed to solve this problem, which is consisted of a guide plate with the longitudinal vortex generators.The Particle Image Velocimetry measurement (PIV) technique is adopted to obtain the transient flow infromation of multiphase in the power-particle spouted bed. The effect of longitudinal vortex generator on the fluid flow,mixture and heat transfer characteristics of bed layer in the multiphase chemical reations of powder and liquid drops are investigated, also the coupling characteristics of multi-scale between gas, liquid and solid on the liquid drop and powder scale are analysised. The heat and mass transfer coupled model is built to investigate the interphase transmission of the gas, particle and slurry. The three-dimensional numerical simulation model is built, the two-fluid model are adopted to simulate the transient process of multphase transmision in the powder-particle spouted bed. The optimizations for critical paremeters of vortex generator, i.e., the attack angle, size, number and position of longitudinal vortex generatior，are permormed. These research works are beneficial to the optimal design and amplification work of powder-particle spouted bed.

传统喷动床内的介质颗粒具有明显的内外分层流动特点，床层内颗粒缺少横向混合，使得部分颗粒的表面未能获得充分利用，对床内传热传质产生不利的影响。针对这一缺陷，本项目提出一种新颖的带纵向涡流发生器导流板的喷动床结构来改善喷动床内的传热、传质过程。通过粒子图像测速法测速技术获取粉-粒喷动床内的整场瞬态流动信息，考察粉-粒喷动床内水汽化过程中纵向涡流对床层尺度的传递、混合及换热特性的影响规律。在理论分析方面，构建气体/颗粒/料浆三相间的传热、传质耦合过程的数学物理模型，发展粉-粒喷动床水汽化过程三维数值模拟模型；采用多流体模型模拟分析粉-粒喷动床内水汽化过程多相间热、质耦合传递的非稳态过程；模拟分析纵向涡发生器的攻角、数量、布置间距及外形尺寸等关键参数对喷动床内整体流动、传热及传质的影响规律，并对喷动床结构及运行参数进行模拟优化，为粉-粒喷动床脱硫过程的设计及放大提供理论依据。

传统喷动床内的介质颗粒具有明显的内外分层流动特点，床层内颗粒缺少横向混合，使得部分颗粒的表面未能获得充分利用，对床内传热传质产生不利的影响。针对这一缺陷，本项目提出一种新颖的带纵向涡流发生器导流板的喷动床结构来改善喷动床内的传热、传质过程。本项目通过实验与理论相结合的方法考察了喷动床内冷模、热模过程中纵向涡流对颗粒径向运动的强化规律及水汽化脱硫过程规律。. 在实验分析方面采用粒子图像测速法测速技术获取喷动床内颗粒场的瞬态流动信息，考察纵向涡流对喷动床内喷射区及环隙区颗粒速度的影响规律，分析纵向涡流对颗粒、气体运动的影响。实验表明增加纵向涡流扰流件会增加气体、颗粒在喷动床内的运动阻力，同时有效的强化了颗粒的径向向混合能力，从而有利于提高喷动床内物料处理与反应过程的效率。此外，实验研究了不同纵向涡流发生器扰流件形状，设计尺寸、排数、颗粒直径与颗粒密度等因素对喷动床内颗粒相运动的影响。研究表明：喷动床内纵向涡发生器对颗粒运动的强化作用存在空间的不均匀性，在喷动床有限的空间范围内，存在最佳的静床层高度使得纵向涡流发生器对颗粒径向运动的强化效果达到最佳。. 在理论分析方面，构建气体/颗粒/料浆三相间的传热、传质耦合过程的数学物理模型，发展粉-粒喷动床气固两相流动与水汽化过程的数值模拟模型；发展了水汽化过程脱硫剂的溶解模型及参数优化；采用多流体模型模拟分析粉-粒喷动床内水汽化过程多相间热、质耦合传递的非稳态过程；模拟分析纵向涡发生器的数量、布置间距及外形尺寸等关键参数对喷动床内整体气固两相流动的影响规律，并对喷动床结构及运行参数进行模拟优化。研究表明：扰流件的存在能够改善喷动床内轴向及径向颗粒体积分布情况，使得颗粒浓度沿喷动床轴心高度分布变得更加均匀；针对喷动床内气固两相流动特征，单一影响参数的设计方法上存在最合理的设计参数，使得纵向涡流发生器结构对喷动床内气固两相流动的改善效果达到最佳。