工業(yè)級流體顆粒系統(tǒng)分析Barracuda

2013-08-08 by:廣州CAE有限元應(yīng)用中心來源:仿真在線

CPFD軟件公司是由DaleSnider博士和KenWilliams博士共同創(chuàng)立,他們從事CFD研究30多年,在多相流模擬方面有著豐富的經(jīng)驗(yàn)。Dale博士首先提出了計算顆粒流體力學(xué)(ComputationalParticleFluidDynamics,簡稱CPFD)數(shù)值方法。Barracuda是該公司的旗艦產(chǎn)品,它以CPFD技術(shù)為核心,為工業(yè)界模擬大規(guī)模顆粒流體系統(tǒng)提供了嶄新的解決方案。CPFD軟件公司位于美國新墨西哥州阿爾伯克基市,其技術(shù)團(tuán)隊及專家?guī)旌w了數(shù)值方法、高性能計算和化學(xué)反應(yīng)和過程處理等方面的優(yōu)秀人才。CPFD公司憑借它獨(dú)特的技術(shù)成為全球流化過程模擬方面的先驅(qū)。

目前,Barracuda軟件已經(jīng)被化工、石化、能源和冶金等領(lǐng)域的工業(yè)巨頭廣泛使用。通過精確模擬大型工業(yè)裝置的復(fù)雜混合及化學(xué)反應(yīng)過程,Barracuda可幫助企業(yè)降低有害物質(zhì)的排放,提高能源的使用效率。這些裝置包括:石油精煉廠、深層流化床反應(yīng)器、煤或生物質(zhì)氣化爐和礦石提取反應(yīng)器等的關(guān)鍵部分。其典型用戶包括:阿爾斯通、?？松梨凇⑻帐匣瘜W(xué)、道康寧公司以及美國能源部國家能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室等。

Barracuda是專門用于模擬“顆粒-流體”系統(tǒng)流動及化學(xué)反應(yīng)的商用軟件包,它致力于工業(yè)尺度流化裝置的模擬。Barracuda軟件計算快速且功能強(qiáng)大:在模擬復(fù)雜流體/顆粒/熱/化學(xué)反應(yīng)現(xiàn)象方面功能強(qiáng)大;它的計算速度快,能夠在設(shè)計期限內(nèi)得到一個有意義的準(zhǔn)定常特性,允許用戶迅速地在不同設(shè)計之間做出權(quán)衡。

二、Barracuda在流化模擬方面的三大優(yōu)勢

Barracuda完全符合化工、石化、能源和冶金等工業(yè)領(lǐng)域?qū)α骰M的需求。Barracuda具有以下三大優(yōu)勢,確立了它在流化模擬中的領(lǐng)導(dǎo)地位。

1.準(zhǔn)確模擬顆粒流動的基本機(jī)理

在最基本的層面,Barracuda可以正確地獲得顆粒流動的機(jī)理。使用固定網(wǎng)格的歐拉方法模擬氣/液相,這與傳統(tǒng)CFD方法相同;而將顆粒狀固體用拉格朗日方法模擬為大量離散體。用戶可以設(shè)定任意的顆粒尺度分布,并定義不限數(shù)量的組分。Barracuda可以捕獲由顆粒尺度分布引起的重要物理/化學(xué)現(xiàn)象,包括:完全耦合的流體-顆粒曳力、真實(shí)的壁面沖擊和反射、涉及顆粒固體的化學(xué)反應(yīng)以及由化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的顆粒尺度縮小。

2.經(jīng)歷流化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證

Barracuda是顆粒固體研究公司(PSRI)的會員,可以分享PSRI的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這為驗(yàn)證Barracuda的精確性和準(zhǔn)確性、捕獲大型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)里復(fù)雜的流化特性提供了便利條件。PSRI也是Barracuda的用戶,它使用Barracuda設(shè)計實(shí)驗(yàn)。

3.快速計算——突破數(shù)值計算的瓶頸

為了幫助工程師準(zhǔn)確、高效地設(shè)計和優(yōu)化工藝過程,對流化裝置的模擬必須具備以下四個條件。

(1)完全三維模擬。

(2)模擬顆粒的尺度范圍寬、數(shù)量大:一般情況下,Barracuda模擬顆粒的尺度范圍在1微米~5毫米之間,模擬的顆粒數(shù)量可達(dá)到1016,顆粒的總質(zhì)量可達(dá)數(shù)百噸。

(3)計算速度滿足工程設(shè)計需要,可以很快獲得有意義的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)特性:典型地,對于實(shí)驗(yàn)尺度級別的問題,計算可在數(shù)小時內(nèi)完成;對于工業(yè)尺度的大規(guī)模問題,一般計算時間為一至兩周。

(4)必須包含參數(shù)化和快速權(quán)衡不同設(shè)計的能力。確?？梢缘玫阶顑?yōu)化的設(shè)計。

而Barracuda可以同時滿足上述四個條件,得益于CPFD(計算顆粒流體力學(xué))。

三、領(lǐng)域應(yīng)用

1.化學(xué)工業(yè)領(lǐng)域

化學(xué)工業(yè)是屬于知識和資金密集型的行業(yè)?；どa(chǎn)具有生產(chǎn)技術(shù)復(fù)雜、原材料綜合利用、生產(chǎn)過程要求嚴(yán)格的比例性和連續(xù)性、高耗能等特點(diǎn)。流化裝置是在化工生產(chǎn)過程中使用最廣泛的關(guān)鍵裝備。

大量的工程應(yīng)用案例表明:Barracuda可以幫助我們理解這些裝置中的復(fù)雜三維瞬態(tài)流化現(xiàn)象,包括在大型深床反應(yīng)器(直徑大于10米)內(nèi)的催化化學(xué)反應(yīng)。

(1)反應(yīng)器部件→分析得到的結(jié)果。

◎噴淋器或提升管→噴射滲透/沖蝕/位置/數(shù)量;

◎旋流器→效率/壓力平衡/溢流/可靠性;

◎供給管/閥→位置/沖蝕/數(shù)量;

◎輸運(yùn)管→尺寸/定位/沖蝕。

(2)反應(yīng)現(xiàn)象。

流化品質(zhì),從鼓泡到湍流;在床內(nèi)的氣體旁路或流動;顆粒消融/結(jié)塊;氣體/固體接觸效率;床平均密度,DP/L;尺寸分離/材料分離;洗選速率/PSD;稀相空間密度/TDH;床循環(huán)速率;化學(xué)反應(yīng);流體/固體/螺旋管的熱性能。

2.石油化工領(lǐng)域

石油化工是指化學(xué)工業(yè)中以石油或天然氣為原料生產(chǎn)化學(xué)品的領(lǐng)域,最重要的石化生產(chǎn)工藝之一就是流態(tài)化的催化和裂解。與循環(huán)流化床相關(guān)的兩個核心部件——反應(yīng)器和再生器都涉及到這一工藝。

(1)反應(yīng)器→分析結(jié)果。

◎油噴射注射→位置/定位/數(shù)量;

◎提升管→蒸汽和催化劑駐留時間/壁面逆混/焦化;

◎脫離區(qū)域→駐留時間分布(RTD)/旋流器/剝離器/輸運(yùn)管。

(2)提升現(xiàn)象。液滴噴射和催化劑涂層;中心環(huán)向流動;壁面逆流沖洗;駐留時間分布(RTD);顆粒尺度效應(yīng)。

(3)再生器→分析結(jié)果。

◎空氣噴頭→流化品質(zhì)/位置/尺度;

◎旋流器→效率/可靠性/沖蝕/侵入管溢流;

◎流化床→氣/固接觸效率/粉末效率。

3.能源電力領(lǐng)域

循環(huán)流化床燃燒器具有NOx排放低、燃料選擇靈活的優(yōu)點(diǎn),并且利用石灰石可以捕獲其中98%的硫,這得益于它對爐內(nèi)流化床的利用。許多客戶成功地應(yīng)用Barracuda來理解爐的復(fù)雜特性,如燃料-空氣駐留時間、固體循環(huán)、床夾帶速率及局部沖蝕。同樣,Barracuda也可以輔助工程師優(yōu)化循環(huán)流化床的大型旋流器,減輕回路密封的倒置特性。

煤和其他生物燃料氣化所產(chǎn)生的合成氣體CO和H2可以用作燃料或者化工廠的原料,美國國防部國家能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室(NETL)應(yīng)用Barracuda研究氣化爐的復(fù)雜氣-固流動現(xiàn)象,他們還用Barracuda模擬焦炭靜床高度超過30米的大型深床氣化爐。TRI公司將Barracuda用于生物熱-化學(xué)轉(zhuǎn)換設(shè)計,采用沙子作為傳熱媒介。

Barracuda化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物的生成與固體顆粒消耗精確吻合,化學(xué)反應(yīng)將引起顆粒尺度自動縮小,顆粒尺度減少會影響流化和洗選速率。

(1)工廠部件→分析的結(jié)果。

◎爐子幾何→優(yōu)化燃料/空氣混合;

◎旋流器→效率和可靠性;

◎回路密封→通風(fēng)/堵漏/清洗;

◎供給管/閥→位置/沖蝕/數(shù)量;

◎燃燒器啟動→全回路性能。

(2)設(shè)備現(xiàn)象。流化床膨脹/密度;流化床挾帶率;尺度分離或材料分離;燃燒;氣體和固體的熱性能;穩(wěn)定性。

4.冶金工業(yè)領(lǐng)域

許多有價值的礦石必須在初采后進(jìn)一步加工。這包

括:二氧化鈦在油漆中被用作白色素,或提取戰(zhàn)略資源金屬——鈦;超純度的多晶硅被用來制作光電板和半導(dǎo)體;二氧化鋯用于核燃料棒的覆層。幾乎所有的礦石處理都涉及到各種氣-固和液-固流動過程。以下是與礦石處理有關(guān)的流體-顆粒耦合模擬的例子,Barracuda已經(jīng)成功應(yīng)用于這些領(lǐng)域。

(1)四氯化鈦氯化器。氯氣和高等級的礦石通常在直徑為3~8米的深床反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng),生成TiCl4。氯氣使由原礦、金紅石、焦炭等組成的顆粒流態(tài)化。我們的一些客戶已經(jīng)成功應(yīng)用Barracuda找到流化不足的原因,特別是在礦石和焦炭分離,以及有非常大的密度和顆粒尺度分布時更易出現(xiàn)流化不足。另一個感興趣的問題是氯氣上升位置和沖蝕。此外,Barracuda中的化學(xué)反應(yīng)速率表達(dá)式包含了在任意位置處礦石和焦炭的濃度,對氯化器來說這是計算反應(yīng)速率的基礎(chǔ)。

(2)多晶硅反應(yīng)器。

目前,在大規(guī)模電子產(chǎn)品生產(chǎn)中已經(jīng)采用新的流化床反應(yīng)器技術(shù)。從前,高純度硅(99.999%)只能一爐一爐地慢慢生產(chǎn)。新的兩級反應(yīng)器技術(shù)使我們能夠低成本的連續(xù)生產(chǎn)。Barracuda已經(jīng)成功地應(yīng)用于這兩種反應(yīng)器:三氯硅烷

(SiHCl3)反應(yīng)器和沉積反應(yīng)器。在沉積反應(yīng)器中,氣相反應(yīng)生成固體硅,Barracuda的化學(xué)反應(yīng)模型引起流化床里的硅顆粒長大。Barracuda可以捕獲氣-固流化的所有重要機(jī)理,如側(cè)噴混合、量化反應(yīng)區(qū)域、硅顆粒的成長速率以及預(yù)測固體硅顆粒的運(yùn)動。

(3)其他礦石處理技術(shù)。

Barracuda可以用來幫助設(shè)計與礦石處理有關(guān)的設(shè)備和工藝過程。典型的應(yīng)用包括:焙燒、干燥、煅燒、氧化鐵減量、重力分離以及各種供給和輸運(yùn)管。

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