工业级流体颗粒系统分析Barracuda

2013-08-08 by:广州CAE有限元应用中心来源:仿真在线

CPFD软件公司是由DaleSnider博士和KenWilliams博士共同创立,他们从事CFD研究30多年,在多相流模拟方面有着丰富的经验。Dale博士首先提出了计算颗粒流体力学(ComputationalParticleFluidDynamics,简称CPFD)数值方法。Barracuda是该公司的旗舰产品,它以CPFD技术为核心,为工业界模拟大规模颗粒流体系统提供了崭新的解决方案。CPFD软件公司位于美国新墨西哥州阿尔伯克基市,其技术团队及专家库涵盖了数值方法、高性能计算和化学反应和过程处理等方面的优秀人才。CPFD公司凭借它独特的技术成为全球流化过程模拟方面的先驱。

目前,Barracuda软件已经被化工、石化、能源和冶金等领域的工业巨头广泛使用。通过精确模拟大型工业装置的复杂混合及化学反应过程,Barracuda可帮助企业降低有害物质的排放,提高能源的使用效率。这些装置包括:石油精炼厂、深层流化床反应器、煤或生物质气化炉和矿石提取反应器等的关键部分。其典型用户包括:阿尔斯通、埃克森美孚、陶氏化学、道康宁公司以及美国能源部国家能源技术实验室等。

Barracuda是专门用于模拟“颗粒-流体”系统流动及化学反应的商用软件包,它致力于工业尺度流化装置的模拟。Barracuda软件计算快速且功能强大:在模拟复杂流体/颗粒/热/化学反应现象方面功能强大;它的计算速度快,能够在设计期限内得到一个有意义的准定常特性,允许用户迅速地在不同设计之间做出权衡。

二、Barracuda在流化模拟方面的三大优势

Barracuda完全符合化工、石化、能源和冶金等工业领域对流化模拟的需求。Barracuda具有以下三大优势,确立了它在流化模拟中的领导地位。

1.准确模拟颗粒流动的基本机理

在最基本的层面,Barracuda可以正确地获得颗粒流动的机理。使用固定网格的欧拉方法模拟气/液相,这与传统CFD方法相同;而将颗粒状固体用拉格朗日方法模拟为大量离散体。用户可以设定任意的颗粒尺度分布,并定义不限数量的组分。Barracuda可以捕获由颗粒尺度分布引起的重要物理/化学现象,包括:完全耦合的流体-颗粒曳力、真实的壁面冲击和反射、涉及颗粒固体的化学反应以及由化学反应导致的颗粒尺度缩小。

2.经历流化实验数据的验证

Barracuda是颗粒固体研究公司(PSRI)的会员,可以分享PSRI的实验数据。这为验证Barracuda的精确性和准确性、捕获大型实验系统里复杂的流化特性提供了便利条件。PSRI也是Barracuda的用户,它使用Barracuda设计实验。

3.快速计算——突破数值计算的瓶颈

为了帮助工程师准确、高效地设计和优化工艺过程,对流化装置的模拟必须具备以下四个条件。

(1)完全三维模拟。

(2)模拟颗粒的尺度范围宽、数量大:一般情况下,Barracuda模拟颗粒的尺度范围在1微米~5毫米之间,模拟的颗粒数量可达到1016,颗粒的总质量可达数百吨。

(3)计算速度满足工程设计需要,可以很快获得有意义的准稳态特性:典型地,对于实验尺度级别的问题,计算可在数小时内完成;对于工业尺度的大规模问题,一般计算时间为一至两周。

(4)必须包含参数化和快速权衡不同设计的能力。确保可以得到最优化的设计。

而Barracuda可以同时满足上述四个条件,得益于CPFD(计算颗粒流体力学)。

三、领域应用

1.化学工业领域

化学工业是属于知识和资金密集型的行业。化工生产具有生产技术复杂、原材料综合利用、生产过程要求严格的比例性和连续性、高耗能等特点。流化装置是在化工生产过程中使用最广泛的关键装备。

大量的工程应用案例表明:Barracuda可以帮助我们理解这些装置中的复杂三维瞬态流化现象,包括在大型深床反应器(直径大于10米)内的催化化学反应。

(1)反应器部件→分析得到的结果。

◎喷淋器或提升管→喷射渗透/冲蚀/位置/数量;

◎旋流器→效率/压力平衡/溢流/可靠性;

◎供给管/阀→位置/冲蚀/数量;

◎输运管→尺寸/定位/冲蚀。

(2)反应现象。

流化品质,从鼓泡到湍流;在床内的气体旁路或流动;颗粒消融/结块;气体/固体接触效率;床平均密度,DP/L;尺寸分离/材料分离;洗选速率/PSD;稀相空间密度/TDH;床循环速率;化学反应;流体/固体/螺旋管的热性能。

2.石油化工领域

石油化工是指化学工业中以石油或天然气为原料生产化学品的领域,最重要的石化生产工艺之一就是流态化的催化和裂解。与循环流化床相关的两个核心部件——反应器和再生器都涉及到这一工艺。

(1)反应器→分析结果。

◎油喷射注射→位置/定位/数量;

◎提升管→蒸汽和催化剂驻留时间/壁面逆混/焦化;

◎脱离区域→驻留时间分布(RTD)/旋流器/剥离器/输运管。

(2)提升现象。液滴喷射和催化剂涂层;中心环向流动;壁面逆流冲洗;驻留时间分布(RTD);颗粒尺度效应。

(3)再生器→分析结果。

◎空气喷头→流化品质/位置/尺度;

◎旋流器→效率/可靠性/冲蚀/侵入管溢流;

◎流化床→气/固接触效率/粉末效率。

3.能源电力领域

循环流化床燃烧器具有NOx排放低、燃料选择灵活的优点,并且利用石灰石可以捕获其中98%的硫,这得益于它对炉内流化床的利用。许多客户成功地应用Barracuda来理解炉的复杂特性,如燃料-空气驻留时间、固体循环、床夹带速率及局部冲蚀。同样,Barracuda也可以辅助工程师优化循环流化床的大型旋流器,减轻回路密封的倒置特性。

煤和其他生物燃料气化所产生的合成气体CO和H2可以用作燃料或者化工厂的原料,美国国防部国家能源技术实验室(NETL)应用Barracuda研究气化炉的复杂气-固流动现象,他们还用Barracuda模拟焦炭静床高度超过30米的大型深床气化炉。TRI公司将Barracuda用于生物热-化学转换设计,采用沙子作为传热媒介。

Barracuda化学反应产物的生成与固体颗粒消耗精确吻合,化学反应将引起颗粒尺度自动缩小,颗粒尺度减少会影响流化和洗选速率。

(1)工厂部件→分析的结果。

◎炉子几何→优化燃料/空气混合;

◎旋流器→效率和可靠性;

◎回路密封→通风/堵漏/清洗;

◎供给管/阀→位置/冲蚀/数量;

◎燃烧器启动→全回路性能。

(2)设备现象。流化床膨胀/密度;流化床挟带率;尺度分离或材料分离;燃烧;气体和固体的热性能;稳定性。

4.冶金工业领域

许多有价值的矿石必须在初采后进一步加工。这包

括:二氧化钛在油漆中被用作白色素,或提取战略资源金属——钛;超纯度的多晶硅被用来制作光电板和半导体;二氧化锆用于核燃料棒的覆层。几乎所有的矿石处理都涉及到各种气-固和液-固流动过程。以下是与矿石处理有关的流体-颗粒耦合模拟的例子,Barracuda已经成功应用于这些领域。

(1)四氯化钛氯化器。氯气和高等级的矿石通常在直径为3~8米的深床反应器内反应,生成TiCl4。氯气使由原矿、金红石、焦炭等组成的颗粒流态化。我们的一些客户已经成功应用Barracuda找到流化不足的原因,特别是在矿石和焦炭分离,以及有非常大的密度和颗粒尺度分布时更易出现流化不足。另一个感兴趣的问题是氯气上升位置和冲蚀。此外,Barracuda中的化学反应速率表达式包含了在任意位置处矿石和焦炭的浓度,对氯化器来说这是计算反应速率的基础。

(2)多晶硅反应器。

目前,在大规模电子产品生产中已经采用新的流化床反应器技术。从前,高纯度硅(99.999%)只能一炉一炉地慢慢生产。新的两级反应器技术使我们能够低成本的连续生产。Barracuda已经成功地应用于这两种反应器:三氯硅烷

(SiHCl3)反应器和沉积反应器。在沉积反应器中,气相反应生成固体硅,Barracuda的化学反应模型引起流化床里的硅颗粒长大。Barracuda可以捕获气-固流化的所有重要机理,如侧喷混合、量化反应区域、硅颗粒的成长速率以及预测固体硅颗粒的运动。

(3)其他矿石处理技术。

Barracuda可以用来帮助设计与矿石处理有关的设备和工艺过程。典型的应用包括:焙烧、干燥、煅烧、氧化铁减量、重力分离以及各种供给和输运管。

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