《超臨界水-顆粒流態化的流型分布特性及轉變規律》是依託西安交通大學，由金輝擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：超臨界水-顆粒流態化的流型分布特性及轉變規律
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：金輝
- 依託單位：西安交通大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
流態化可以強化流體與顆粒間的接觸和傳遞，已廣泛套用於能源、化工等工業領域。常規流態化系統主要涉及氣、液、固系統，而最新的進展是流化介質已拓展到超臨界流體，超臨界水流化床反應器在生物質/煤的超臨界水氣化領域中展示出良好的套用前景。超臨界水-顆粒流態化的流型分布特性及轉變規律是反應器設計與運行的基礎，而高的運行參數及水在擬臨界溫度附近劇烈變化的物性導致相關研究面臨困難。本項目擬構建超臨界水-顆粒流態化測試系統，通過對壓力信號的採集與非線性分析，獲得流型種類、特徵、流型轉變規律，闡明其與系統參數之間的內在關聯；同時通過理論分析，建立超臨界水中顆粒繞流物理模型，採用數值方法求解顆粒所受曳力與超臨界水劇烈變化物性間的耦合定量關係。以此為基礎對超臨界水流化床的流場分布及顆粒運動特性進行數值模擬，探索超臨界水物性對系統參數與流型分布關聯的影響，與實驗結果相互驗證。研究成果有望豐富超臨界水流態化理論。
結題摘要
流態化可以強化流體與顆粒間的接觸和傳遞，已廣泛套用於能源、化工等工業領域。常規流態化系統主要涉及氣、液、固系統，而最新的進展是流化介質已拓展到超臨界流體，超臨界水流化床反應器在生物質/煤的超臨界水氣化領域中展示出良好的套用前景。超臨界水-顆粒流態化的流型分布特性及轉變規律是反應器設計與運行的基礎，而高的運行參數及水在擬臨界溫度附近劇烈變化的物性導致相關研究面臨困難。 首先，顆粒與超臨界水之間的相互作用是超臨界水-流態化的流型分布及轉變特性的基礎。本項目構建了超臨界水流場中單顆粒曳力模型，由通過數值實驗得出結論，在不考慮傳熱各向同性超臨界水流場中，傳統的Turton&Levenspiel公式可以適用，但在考慮傳熱的工況下，由於超臨界水物性變化呈現劇烈的非線性，傳統的曳力係數計算公式在預測過程中就有較大誤差；其次，由於顆粒擾動流場所造成顆粒群中單顆粒所受曳力需要修正。本項目建立了超臨界水中雙顆粒受力分析模型，研究發現迎風前後兩個顆粒的曳力係數均降低，其中後面顆粒收到影響相對嚴重，且兩顆粒之間間距越小降低越明顯，初步獲得了孔隙率與曳力修正係數的關係。再次，通過引入計算顆粒的概念，對具有相同性質（種類，尺寸，位置，速度等）的顆粒群體進行“打包”，獲得了顆粒-超臨界水流態化反應器中的壓力脈動特性、流型分布特性及演變規律，並採用了調整分布板幾何結構的方式對流型以壓力脈動進行調控。最後，構建了超臨界水流化床反應器測試系統，採用多孔介質模擬床層顆粒開展滲流壓降特性研究。研究結果表明，Ergun公式在預測床層壓降的時候會出現高估黏性力項和低估慣性力項的問題。 基於以上多相流熱物理方面的成果，與團隊已有的多相流熱化學成果相結合，指導了煤炭超臨界水流化床反應器的最佳化與設計，並依此為核心構建了五模組並聯的煤炭超臨界水氣化制氫小型示範系統，目前已經連續穩定運行數千小時，為本項目成果提供有效的驗證。
