移动床中颗粒物料卸料特性的离散模拟研究

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作为一种常见的反应装置,移动床在化工领域得到广泛的应用。移动床中颗粒物料一般呈紧密堆积状态。由于其离散特性,紧密堆积颗粒物料内部的应力分布通常呈强烈的各向异性和空间非均匀性特征,系统内形成以力链为代表的介尺度结构。这些独特力学特性可能会导致移动床内颗粒物料的流动不均匀或不稳定,进而引发相关传递、反应现象的异常。因此,研究移动床内颗粒物料的流动特性,不仅具有重要的理论意义,也有助于指导移动床的优化设计和安全操作。  中国科学院过程工程研究所基于“煤专项”项目创新研制了煤热解移动床反应器。该反应器的设计和操作要求颗粒物料在轴向流通截面上整体均匀流动、避免流动死区和流动堵塞现象的发生。基于此目标,本研究采用离散单元法模拟和实验验证相结合的方式,考察了移动床内颗粒物料的流动特性,重点研究了颗粒属性和出口结构对流动区宽度的影响。论文主要研究结果如下:  (1)颗粒属性对卸料特性的影响。随着平动摩擦系数的增大,颗粒质量流率呈现先减小后增大并趋于一稳定值的趋势;随着转动摩擦系数的增大,颗粒质量流率逐渐减小;在不形成堵塞的条件下,颗粒粒径对质量流率的影响近似可忽略。分析表明,流动区宽度与颗粒粒径分布近似无关,随平动和转动摩擦系数的增大而减小,但后者的影响要弱于前者。  (2)单出口下出口设置对卸料特性的影响。实验和模拟结果表明,随着移动床出口宽度的增大,流动区宽度单调增大。对于给定的颗粒物料,存在一临界出口宽度,大于此宽度后流动区宽度迅速增大;在固定移动床底部锥形区高度和出口宽度的条件下,颗粒质量流率随锥形区角度的增大而单调增大,流动区宽度在锥形区角度为35°到45°呈现极大值。  (3)两出口下出口设置对卸料特性的影响。等出口宽度情况下,颗粒质量流率近似与出口间距无关,等于单出口下的颗粒质量流率;当出口宽度不相等时,小出口处颗粒质量流率随大出口宽度及出口间距的减小而增大,但大出口处的颗粒质量流率近似保持恒定,等于单出口下的颗粒质量流率。在等出口宽度条件下,流动区宽度等于单出口条件下流动区宽度、出口间距及出口宽度的加和。
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