工艺参数对短接触旋流反应器内颗粒流动特性影响的数值研究

张玉春，王振波，金有海

（中国石油大学 重质油国家重点实验室，山东 青岛266580）

旋流反应器是在旋流理论和技术应用不断发展的基础上发展起来的一种新型高效化工反应设备。它由传统的旋风分离器与水力旋流器改进而成，能够同时完成两相反应或热质传递和两相分离过程［1］。旋流反应器在精细化工领域主要应用于反应过程中产物有密度差或相分离的体系［2-4］。在酯化反应中采用旋流反应器实现水与反应体系的分离，使化学平衡向酯化反应方向移动，并能够大幅度降低能耗。

中国石油大学设计开发了新型的短接触旋流反应器。利用器内各组分间充分接触、快速反应、反应产物实时分离等特点［5］，将其应用于催化裂化、加氢裂化、乙烯裂解等重质油加工工艺过程，可大大缓解反应过程中系统设备的结焦［6］，避免因油、气、催化剂在反应器中停留时间过长和返混而造成过裂化问题；可充分利用催化剂初始活性高、选择性好等特点，使反应选择性提高，使现有重质、劣质油加工过程对原料的适应能力大幅度提高。短接触旋流反应器潜在的经济效益和社会效益十分巨大，具有重要的理论和实际应用价值。气、固两相的充分接触与均匀分布是提高反应效率的关键因素，是评价反应器优劣的重要内容。笔者利用CFD软件Fluent 6.3.26版本，对反应器内的气、固两相流动状况进行了深入研究，探求了颗粒循环流率、操作气速以及颗粒粒径对流动特性的影响，为短接触旋流反应器的实际操作提供理论指导。

1 短接触旋流反应器内颗粒流动特性的数值模拟方法

1.1 采用的模型

1.1.1 气-固两相流模型

业内人士分析指出，这一政策将直接惠及海外中小品牌，尤其是日韩品牌。相较于欧美成熟大牌，这些化妆品品牌上新快、频次高，对市场的反应也更敏捷。

目前研究气-固两相流动的模型主要可分为欧拉／拉格朗日模型和欧拉／欧拉模型两类。欧拉／拉格朗日模型是将流体作为连续相、颗粒作为离散介质［7］，在关于稀疏颗粒流动的研究中应用较多。欧拉／欧拉模型认为固相和气相为共存的连续相并相互影响，能够较完整地考虑颗粒相的湍流输运过程，并通过颗粒压力和黏度考察颗粒间的相互作用。在催化裂化工艺中，原料油VGO（Vacuum gas oil）在高温条件下迅速气化，而催化剂浓度较高，体积分数大于10%，因此在本研究中笔者采用空气模拟原料油气，而对催化剂则采用拟流体的处理方法，将其视为连续相介质。Fluent模拟多相流的模型主要有VOF（Volume of fluid）模型、Mixture混合模型和欧拉模型。由于欧拉模型主要用于模拟多相分离流及相互作用的相［8-10］，结合反应器特点，本研究选用欧拉模型。

1.1.2 湍流模型

在本研究中采用RNGk-ε湍流模型。该模型中k和ε的输运方程分别如式（1）、（2）所示［11-13］。

1.2 几何建模与边界条件建立

采用速度入口，根据已知流量以及入口直径，直接得到气相入口速度，并计算出其他相应的湍流参数。根据颗粒循环量确定固相浓度和入口速度。具体操作参数：气相速度vg＝6.0m／s，固相速度vs＝3.0m／s，固相体积分数φ＝15%，颗粒质量流量Gs＝7.5kg／s。催化剂密度为1000kg／m3，粒径为10μm。

图1 短接触旋流反应器结构示意图Fig.1 Structure of quick-contact reactor

图2 短接触旋流反应器网格Fig.2 Mesh of quick-contact reactor

1.2.1 进口边界

“本来，我们认为到鼓楼医院这样的大医院看病很难，是张医生让我们感受到温暖。”患者这样的表述，戳中了韩光曙内心的期许。这正是他所期待的“医生、护士让患者感到关爱，患者不吝啬夸奖之词让医护体会到尊重”的医患关系，更是他主张优质研究型人文医院建设与实践的初衷。

图1为反应器的结构示意图。反应器混合腔上部设有2个轴向催化剂进料口，2个进气口，并有2个横向进气管与混合腔相切。混合腔内主要进行油气与催化剂的接触反应，在分离腔内反应产物与催化剂快速分离，保障反应效果，抑制过裂化与结焦问题。图2为建立的计算模型及网格划分结果。建立模型时，在未连通区域（内部导气管外）设置5mm壁厚，导向叶片壁厚为6mm，采用分区划分网格的方法［14-16］。绝大部分区域采用结构化网格［17］，尺寸扭曲率和角度扭曲率均在0.6以内，表明网格质量较好。最终划分26万网格，且经过网格无关性验证。建立的坐标系如图1所示，圆点取在混合腔顶部中心位置，竖直向下为z轴正方向。

Gs——颗粒质量流量，kg／s；

按照湍流流动充分发展处理气体出口，采用自由出流Outflow。颗粒出口（Dust cone）采用固壁边界。

1.2.3 固壁边界

本文根据嘉兴A配送中心的配送站点分布及配送运量，对其配送线路进行优化。根据配送中心目前运营中的突出问题，将其优化目标设定为路程最短和成本最低。

壁面为无滑移边界条件，默认壁面粗糙度为0.5，采用标准壁面函数法［18-20］处理边界湍流。

2 结果与分析

2.1 短接触旋流反应器内颗粒流动特性模型基准条件的模拟结果

实验模型与计算模型一致，采用有机玻璃制成。依据气体绕流球体原理，采用智能型七孔球探针测试仪测量反应器内各点速度。图3为实验测量与数值模拟结果的对比。从图3可见，切向速度vt与轴向速度va的实验值与模拟值吻合较好，两者的平均误差均不超过5%。

采购计划子平台是现代企业物流采购管理平台构建中的一项重要内容。对于采购计划子平台的构建，首先要梳理采购的基本流程和标准，对物资参考成本指标体系进行设置，将企业生产计划以及物资消耗定额作为参考标准，监控价格涨跌变化规律，并根据实际情况，建立动态滚动管理模式，进一步增强系统的实用性及准确性。其次明确采购的基本原则和注意事项，减少采购计划制订错误，利用采购计划子系统将采购的具体内容等进行全面展示。同时，通过信息网络技术，对采购工作进行合理的逻辑分析和归类，提高采购计划管理的实效性。

图3 短接触旋流反应器内颗粒流动特性模型基准条件模拟值与实验值对比Fig.3 Comparison between experimental data and simulation results for particle flow characteristics in quick-contact cyclone reactor

短接触旋流反应器内的气、固流动过程较为复杂。催化剂由2个轴向进料口进入反应器，而高温原料油气从混合腔顶部的切向进气管和另外2个轴向进气管喷射进入反应器。如图4（a）所示，由于反应器内流动的准自由涡，强化了传质传热。图4（b）是分离腔约中间位置截面的切向与径向速度合成矢量图。可以看出，气流在分离腔里作旋转运动，且内外旋流的旋转方向一致。进一步对z＝700mm截面的三维速度进行分析，结果示于图5。从图5可见，在该截面上，切向速度与轴向速度远大于径向速度，这是由于经过导向叶片的加速作用后形成了旋转下行气流。切向速度的最大值出现在r＝±40mm附近，呈现明显的Rankin涡［21］；轴向速度方向不完全一致，约半径30mm范围内形成了与催化剂颗粒分离后的净化气体上行流，最终由排气管排出反应器，而靠近壁面四周的其余部分为夹带大量催化剂颗粒的螺旋下行气流；径向速度曲线近似呈“W”型，最大值出现在r＝±25mm左右，即半径的中间位置，基本呈中心对称分布。径向速度的存在说明气流作离心运动，颗粒会在离心力的作用下被甩向边壁而被分离。

图4 短接触旋流反应器不同截面速度矢量图Fig.4 Velocity vector graphics of different sections in quick-contact cyclone reactor

图5 短接触旋流反应器z＝700mm截面的三维速度分布Fig.5 The distributions of 3Dvelocity at z＝700mm section in quick-contact cyclone reactor

2.2 操作参数和颗粒直径对短接触旋流反应器内颗粒流动特性的影响

2.2.1 操作参数的影响

由表5可见，5个评价参数的统计量值都小于Z1-ɑ/2(1.645)，属于下降趋势，说明近年来对古宇庙水库治理工作使得污染有所减轻。

4.选择“清除Ksy-SK”，输入正确的SK码(SK码可以根据车架号联系4S店服务站查询)，点击“确定”，如图4所示。选择“将Key-SK写入Base系统”，核对SK码无误后点击“确认”。

为研究短接触旋流反应器内颗粒质量循环流率和操作气速对气、固流动特性，尤其是对颗粒分布规律的影响，改变操作条件进行数值模拟。采用基准条件各参数，另设 Case 1：vg＝6.0m／s，vs＝5.0m／s，φ＝22%，Gs＝12.6kg／s；Case 2：vg＝8.0m／s，vs＝3.0m／s，φ＝11%，Gs＝7.5kg／s。计算结果示于图6。

毛细支气管炎主要由呼吸道合胞病毒（RSV）感染造成，是一种特殊类型的肺炎，在临床上发病率较高，部分患儿起病急、病情重，＜6个月龄和高危婴儿有较高的病死率[1]。Han R-F等研究发现，毛细支气管炎患儿反复喘息发生率高达68%，日后哮喘发生率高达30%[2]，因而加强对该病的防治具有重要临床意义。

由于短接触旋流反应器混合腔是一环形结构，半径为35mm的中心圆柱体为排气管，所以图中数据点仅在-125mm～-35mm与35mm～125mm范围内。由图6（a）可见，基准条件下，混合腔上部z＝50mm截面上颗粒几乎具有对称的浓度分布，峰值约在进料口的竖直下方r＝±75mm处，在气相湍流作用下颗粒在混合腔内扩散，到z＝100mm时浓度梯度已明显降低，颗粒分布均匀性不断改善，到达混合腔底部时呈现出较理想的分布状态。由图6（b）可见，提高质量循环流率后，在z＝50mm截面与基准条件的分布形态基本相同，浓度峰值达到8%左右，向下浓度梯度也呈现逐渐减小的趋势，但是可见左侧壁面颗粒出现堆积，且并没有随气流下移而得到改善，这种情况严重影响了气、固两相的接触效果。当质量循环流率增大时，固相体积分数增大，气体对颗粒的冲击与携带作用受到影响，颗粒流出现聚团的可能性变大，由于混合腔的切向进气形成一定的旋转流动，此时颗粒团受到较大的离心力作用，因此在边壁处出现了浓度聚集的情况。由图6（c）可见，当操作气速提高后，固相体积分数减小，在z＝50mm截面左右两侧呈不对称分布，右侧峰值明显低于左侧；下部各截面的颗粒分布较均匀，仅在壁面附近体积分数略高，但整体上与前两种情况相比，各数据点明显较小。原因在于固相减少，固体颗粒对气体的曳力减小，混合腔内的湍流带动颗粒扩散，而混合腔空间较大，固体颗粒在各部位的体积分数明显减小，较低的体积分布对于接触效率同样造成不良影响。因此，在不影响催化剂颗粒有效扩散的情况下，应尽量加大剂／油比，对增强反应效果具有重要意义。

大数据时代的到来，市场营销不仅仅是一种简单的交易过程了。新形势下，企业在市场营销的过程当中，应将企业文化、服务、信誉进行有机的融合，进而销售给消费者，最终在传播企业文化的同时，促进企业经济效益的增长。但是，按照现状来看，部分企业并没有重视起对营销模式的改革，依然采取以往传统的营销手段，这对于接下来的管理工作以及企业的发展来说是极为不利的。

本研究结果显示，阿奇霉素联合孟鲁司特治疗的观察组，在治疗结束后临床表现消失时间、治疗疗效、不良反应的发生率，优于阿奇霉素治疗的对照组，差异具有统计学意义（P＜0.05）。由此证实了，阿奇霉素联合孟鲁司特在运用到对对肺炎支原体引起小儿呼吸道感染患儿实施治疗后，可以减轻其临床症状，并控制感染，以促使患儿尽早获得康复。

图6 操作参数对短接触旋流反应器混合腔不同高度各截面颗粒分布的影响Fig.6 Effects of operation conditions on volume fraction of solids at different sections in mixing cavity of quick-contact cyclone reactor

va——轴向速度，m／s；

图7 操作参数对短接触旋流反应器分离腔z＝700mm截面上颗粒分布的影响Fig.7 Effects of operation conditions on volume fraction of solids at z＝700mm section in separation cavity of quick-contact cyclone reactor

2.2.2 颗粒直径的影响

选取颗粒直径分别为5和30μm的算例Case 3和Case 4，与基准条件下的算例作对比，短接触旋流反应器混合腔内颗粒的分布规律如图8所示。

图8（a）与图6（a）相同，图8（b）、（c）分别为5和30μm粒径颗粒的分布情况。从图8（b）可见，左侧在z＝50mm截面颗粒体积分数最高仅达到5%，其余截面基本为零，即出现了颗粒屏蔽“死区”；右侧显示各截面颗粒分布梯度很大，下部区域颗粒分布情况也并没有得到改善，各截面颗粒体积分数最高值在15%左右。从图8（c）可见，z＝50mm截面与基准结构类似，之后在下部空间颗粒分布梯度仍然较大，各截面差别很小。

由此可以看出，5μm粒径颗粒的分布是所有情况中最不均匀的，由于粒径较小，其流动的不确定性最大，气流对颗粒的冲击作用效果最明显。在短接触条件下，混合腔内的平均停留时间仅为0.25s，在这么短的时间内细小颗粒的聚团行为难以得到改善，因此出现了图8（b）所示的极不均匀情况，且各截面差别较小。30μm粒径颗粒的计算结果与基准条件明显不同在于，基准条件下随着混合腔位置下移，边壁浓度出现略有变大的趋势，图8（c）则显示混合腔下部截面由中间到两边的颗粒浓度逐渐减小，且颗粒仍基本集中在轴向进料口的竖直下方。出现这种情况的原因可能是由于颗粒粒径变大，对气体的曳力增大，严重干扰混合腔内的旋转下行湍流，颗粒由进料口进入混合腔后因没有得到有效扩散而较为集中，接触效果较差。

图8 颗粒直径对短接触旋流反应器混合腔不同高度截面颗粒分布的影响Fig.8 Effects of particle diameter on volume fraction of solids at different sections in mixing cavity of quick-contact cyclone reactor

图9为不同粒径颗粒在短接触旋流反应器分离腔z＝700mm截面的分布情况。由图9可以看出，分离效果较好，与图7的规律基本相同。仔细观察可以发现，细小区别在于5μm颗粒在r约为-20～20mm的范围内浓度大于零，因此也导致在边壁附近Case 3的浓度小于Case 4，而基准条件时的情况处于两种情况之间。5μm颗粒在截面中间区域出现是因为颗粒粒径小，从而被中心区域形成的上行气流携带。在这种情况下原本被分离下来的颗粒重新卷入净化气流中，大大降低了分离效率，对后续作业产生严重不良影响，应尽量避免这种情况发生，因此选择合适粒径的催化剂颗粒对于接触与分离过程都非常重要。

图9 颗粒直径对短接触旋流反应器分离腔z＝700mm截面颗粒分布的影响Fig.9 Effects of particle diameter on volume fraction of solids at z＝700mm section in separation cavity of quick-contact cyclone reactor

3 结 论

（1）短接触旋流反应器混合腔内气、固相流动形成的准自由涡，强化了传质传热；分离腔内气、固两相流动形态呈螺旋线状，且内外旋流的旋转方向一致。

（2）质量循环流率和操作气速都影响着短接触旋流反应器混合腔和分离腔内的颗粒浓度分布。质量循环流率不变而增大操作气速会降低混合腔内的接触效果，而在不影响催化剂颗粒有效扩散的情况下，应尽量加大质量循环流率，对增强气-固接触效果具有重要意义。

（3）模拟计算结果表明，在短接触旋流反应器中，5和30μm颗粒的浓度分布均匀性较差，且5μm颗粒出现返混夹带现象。因此，催化剂颗粒宜选用平均粒径为10μm左右的颗粒，既可以保证颗粒有效扩散，增强气-固接触效果，又可以减少因粒径太小造成的返混与逃逸。

符号说明：

鼻内镜下严重外伤性歪鼻畸形肋软骨整形及同期鼻中隔偏曲矫正一例（何川 秦喜昕 吴晓平 杨俊慧）5∶389

Cε1——经验常数，Cε1＝1.42-

Cε2——经验常数，Cε2＝1.68；

Cμ——经验常数，Cμ＝0.085；

Gk——湍动能的产生项，m2／s2；

1.2.2 出口边界

k——湍动能，m2／s2；

在用水管理中，引导和支持农民用水合作机构的构建，科学设置岗位，并对用水户进行精细化管理，由农民用水合作机构进行水费的计收与管理，从而促进供水工程管理和用水管理。将使用权与管理权交由农民用水合作机构，由行政主管部门进行监管，通过民主管理的方式，控制水价成本和定价程序，促进水价改革的不断发展。同时，要进一步加强工序管理，推行供给侧结构性改革，完善水利工程运行体系，大力推广农业节水灌溉技术，有效提高供水效率与供水效益。

r——径向距离，mm；

S——用户定义源项；S＝

Sij——网格节点处的源项；

vg——气相速度，m／s；

vs——固相速度，m／s；

气体与催化剂颗粒离开混合腔后，经过导向叶片的导向作用进入分离空间，流动呈螺旋线状。由于气、固两相的密度差，催化剂颗粒在旋转离心力作用下逐渐被甩向边壁，实现气、固两相分离。由图7也可看出，仅在径向-50mm～-40mm与40mm～50mm范围内存在颗粒，其余部分基本为零，说明分离效果较好。

vt——切向速度，m／s；

xj——坐标方向；

z——轴向高度，mm；

β——热膨胀系数，β＝0.015；

ε——湍流耗散率，m2／s3；

μ——流体动力黏度，Pa·s；

免疫荧光染色呈红色为CD14阳性，A、B、C组中Kupffer细胞CD14呈阴性，而D组中Kupffer细胞CD14呈阳性，提示肝纤维化过程中Kupffer细胞活化，而复方鳖甲软肝方干预或治疗后，Kupffer细胞活化情况明显改善。见图2。

μeff——有效黏性系数，Pa·s，μeff＝μ＋μt；

μt——流体湍动黏度，Pa·s，μt＝ρCμk；

ρ——流体密度，kg／m3；

σk——与湍动能相关的普朗特数，σk＝σε＝0.7179；

σε——与湍流耗散率相关的普朗特数；

η——应变率，＝4.28，η＝；

长海县、岱山县和普陀区的海岛综合实力最高，而定海区、长岛县和崇明县的海岛实力较低，应该找到短板，大力发展渔业产业，努力提高海岛县的居民收入水平，才能促进我国海岛县经济实力健康协调发展。

φ——固相体积分数。

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