Влияние колебаний газового потока на эффективность переработки частиц в циркуляционном кипящем слое
В.Е. Мизонов, А.В. Митрофанов, Е.В. Басова, K. Tannous, О.В. Сизова
Вестник ИГЭУ, 2019 г. выпуск 6
Скачать PDF
Состояние вопроса: Аппараты с кипящим слоем достаточно широко используются в твердотопливной энергетике, химической промышленности и других отраслях. В частности, в энергетике топки кипящего слоя играют возрастающую роль для термохимической переработки и сжигания твердых видов топлива, включая биотопливо. Одним из возможных путей интенсификации процессов взаимодействия твердых частиц с газом является использование пульсирующих потоков газа. Однако эффективность применения пульсирующих потоков не всегда очевидна, и нужны новые подходы для предварительной оценки их преимуществ.
Материалы и методы: Для решения поставленной задачи используется метод математического моделирования. Модель построена на основе системы дифференциальных уравнений движения одиночной частицы в восходящем потоке газа с переменной по времени скоростью, меняющейся по синусоидальному закону, и с переменными во времени свойствами частицы, меняющимися благодаря тому или иному теплофизическому или химическому процессу взаимодействия частицы с газом. Изучение влияния параметров на эффективность процесса выполнено численными методами.
Результаты: Необходимое время для достаточной переработки частиц сравнивалось при различных амплитудах и частотах пульсаций скорости газа. Наиболее значительный выигрыш во времени достигается при сильной зависимости постоянной скорости реакции от скорости обтекания частицы. В этом случае по частоте колебаний имеется экстремум, дающий максимальный выигрыш во времени, а по амплитуде – или монотонное возрастание выигрыша, или его оптимальное значение.
Выводы: Переход к пульсирующему потоку газа в реакторе с циркуляционным кипящим слоем дает заметный выигрыш во времени переработки частиц только при сильной зависимости постоянной скорости реакции от относительной скорости обтекания частиц газом. В этом случае имеется оптимальная частота и амплитуда колебаний, дающая максимальный выигрыш по времени.
1. Mizonov, V., Mitrofanov, A., Ogurtzov, A., Tannous, K. Modeling of Particle Concentration Distribution in a Fluidized Bed by Means of the Theory of Markov Chains. Part. Sci. Technol., 2014, Vol. 32, pp. 171-178.
2. Dehling, H.G., Hoffmann, A.C., & Stuut, H.W. Stochastic models for transport in a fluidized bed. SIAM J. Appl. Math. 1999, Vol. 60, pp. 337–358.
3. Dehling H. G., Dechsiri C., Gottschalk T., Wright C., Hoffmann A. C. A stochastic model for mixing and segregation in slugging fluidized beds. Powder Technol., 2007, Vol. 171, pp. 118–125.
4. Berthiaux H., Mizonov V., Zhukov V. (2005). Application of the theory of Markov chains to model different processes in particle technology. Powder Technol. 157, 128–137.
5. Adamczyk W.P., Wecel G., Klajny M., Kozołub P., Klimanek F., Białecki R.A. Modeling of particle transport and combustion phenomena in a large-scale circulating fluidized bed boiler using a hybrid Euler–Lagrange approach. Particuology, 2014, Vol. 16, pp. 29–40.
6. Adamczyk, W. P., Kozołub, P., Kruczek, et al. Numerical approach for modelling particle transport phenomena in a closed loop of a circulating fluidized bed. Particuology, 2016, Vol. 29, pp. 69-79
7. Qi X., Zhu J., Huang W. A new correlation for predicting solids concentration in the fully developed zone of circulating fluidized bed risers. Powder Technol., 2008, Vol. 188, pp. 64–72.
8. Balasubramaniani N., Srinivasakannan C. Drying of granular materials in circulating fluidized beds. Adv. Powder Technol., 2007, Vol.18, pp. 135–142.
9. Van den Moortel T., Azario E., Santini R., Tadrist L. Experimental analysis of the gas–particle flow in a circulating fluidized bed using a phase Doppler particle analyzer. Chem. Eng. Sci., 1998, Vol.10, pp. 1883-1899.
10. Mizonov V., Zhukov V., Korovkin, A., Berthiaux H. On Possible Instability of Throughputs in Complex Milling Circuits. Chem. Eng. Process., 2005, Vol. 44, pp. 267–272.
11. Mizonov, V., Zhukov, V., Zaitsev, V. Optimal Positioning of the Circulating Load Input along the Tube Mill Length. Chem. Eng. & Technol. 37, 873-878.
12. Mizonov, V., Mitrofanov, A., Camelo, A., Ovchinnikov, L. Theoretical Study of Particulate Flows Formation in Circulating Fluidized Bed. Recent Innovations in Chemical Engineering. Recent Innovations in Chemical Engineering, 2018, 11(1), 20-28. DOI: 10.2174/2405520410666170620105102
13. Andrey Mitrofanov, Vadim Mizonov, Katia Tannous & Lev Ovchinnikov A Markov chain model to describe fluidization of particles with time-varying properties, Part. Sci. Technol., 2018, VOL. 36, NO. 2, 244–253 , DOI: 10.1080/02726351.2016.1243180
14. Run-Jia Liu, Rui Xiao, MaoYe, Zhongmin Liu. Analysis of particle rotation in fluidized bed by use of discrete particle model, Advanced Powder Technology, 2018,Vol. 29, Issue 7, pp. 1655-1663, doi: org/10.1016/ j.apt.2018.03.032
15. Jana Chladek, Chameera K.Jayarathna, Britt M.E.Moldestad, Lars-AndreTokheim. Fluidized bed classification of particles of different size and density, Chem. Eng. Sci., 2018, Vol. 177, pp. 151-162, doi.org/10.1016/j.ces.2017.11.042
16. Fatemeh Saeidi, Luís MarceloTavares, Mohsen Yahyaei, Malcolm Powell. A phenomenological model of single particle breakage as a multi-stage process, Minerals Engineering, 2016, Vol. 98, pp. 90-100, doi.org/10.1016/j.mineng.2016.07.006
17. Mingge Deng, Wenxiao Pan, George Em Karniadakis. Anisotropic single-particle dissipative particle dynamics model, Journal of Computational Physics, 2017, Vol. 336, pp. 481-491, doi.org/10.1016/j.jcp.2017.01.033
18. Hao Wu, Damien Grévain, Lars Skaarup Jensen, Peter Glarborg, Sønnik Clausen, Kim Dam-Johansen. Experiments and modeling of single plastic particle conversion in suspension, Fuel Processing Technology, 2018, Vol. 178, pp 213-225, doi.org/10.1016/j.fuproc.2018.05.003
19. Yao Xu,Ming Zhai, Shuai Jin, Xun Zou, Shubin Liu, Peng Dong. Numerical simulation of high-temperature fusion combustion characteristics for a single biomass particle. Fuel Processing Technology, 2019, Vol. 183, pp. 27-34, doi.org/10.1016/ j.fuproc.2018.10.024
20. Linjian Ma, Zeng Li, Mingyang Wang, Houzhen Wei, Pengxian Fan. Effects of size and loading rate on the mechanical properties of single coral particles, Powder Technol., 2019, Vol.342, pp.961-971, doi.org/10.1016/j.powtec.2018.10.037
21. Mizonov V.E., Mitrofanov A.V., Tannous K., Camelo A. A simple model to estimate and compare efficiency of fluidized bed reactor without and with circulation. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2019. V. 62. N 3. P. 83-88, doi: 10.6060/ ivkkt.20196203.5852