В химической и нефтехимической промышленности активно используются аппараты, работающие с псевдоожиженным слоем. Одним из важнейших преимуществ таких аппаратов является высокая эффективность тепло- и массопереноса. Если через слой неподвижно лежащих твердых частиц пропустить поток газа или жидкости, то при достижении определенной скорости частицы придут в состояние, подобно жидкому. Внешне такой слой напоминает кипящую жидкость, поэтому его называют кипящим слоем. Катализатор представляет собой смесь приблизительно сферических твердых частиц с широким диапазоном диаметров. Твердые частицы имеют разные размеры, образуя тем самым полидисперсную дискретную фазу. Полидисперсная природа катализатора может быть учтена функцией распределения вероятностей (PDF) диаметров частиц. Для типичных многофазных псевдоожиженных систем ключевыми силами частиц, которые описывают относительную скорость, являются силы гравитации и сопротивления. Эти силы будут в общем случае функцией диаметра частиц D (если частица несферична, D определяется как диаметр сферической частицы, имеющей такой же объем). Эффективный диаметр Deffдля псевдоожижения должен быть таким, чтобы он надлежащим образом представлял собой чистый эффект этих сил, то есть. «Эффективный диаметр на основе сопротивления». Как отмечалось в работах Ву и Байенса [1], для эффективного диаметра для псевдоожижения было предложено множество выражений, но общепринятое описание [2-4] (особенно в течение последних двух десятилетий) связано с определением, данным Вэнь и Ю [5], в соответствии с которым эффективный диаметр для двоичной системы основан на среднем диаметре Саутера (SMD) D32-
Это общий средний диаметр обычно определяется посредством функции распределения вероятностей (PDF), f (D). PDF представляет собой числовую долю частиц на диапазон дифференциального диаметра
В настоящее время написано большое количество работ, посвященных экспериментальным данным, построенным моделям о явлении псевдоожиженного слоя [1-9], а также рекомендациям по работе аппаратов псевдоожиженного слоя [10-15].
При изучении гидродинамики псевдоожиженного слоя обнаружилось, что при высокой скорости подачи газа, выше скорости, необходимой для псевдоожиженния, наблюдается образование пузырей, проходящих сквозь слой с большой скоростью. Газ, находящийся внутри пузыря, практически не вступает в реакцию с твердыми частицами, что неблагоприятно сказывается на протекающей реакции. Появились упрощенные модели, предсказывающие поведение пузырей с использованием аналитических подходов.
Исследование псевдоожиженного слоя на прозрачных лабораторных установках давало представление о наличии пузырей и вихревых потоков, однако этого было недостаточно для полного представления протекания реакции в промышленных масштабах. В настоящее время одним из самых достоверных способов исследования является топографическое сканирование аппаратов [26-30], однако ввиду дороговизны проводимых экспериментов, альтернативным способом получения необходимых данных является численное моделирование [2, 14].
В численном моделировании псевдоожиженного слоя широко используется многофазная Эйлерова-Эйлерова модель, когда и несущая (газ, жидкость) и дискретная (твердая) фазы рассматриваются как взаимодействующие и взаимопроникающие континуумы с полуэмпирическими замыкающими соотношениями. Этот подход требует дискретизации характеристик частиц. Характеристики частиц могут быть дискретизированы с использованием многогруппового подхода, где функция распределения вероятностей становится набором скаляров, который соответствует целой группе размеров частиц. В этом случае, решение уравнений переноса необходимо для каждой группы. Численное моделирование течения газ- твердый катализатор с использованием многогруппового подхода выполнено в работах [3, 4]. Метод учета полидисперсности может влиять на гидродинамические характеристики течения. По мере увеличения скорости газа унос мелких частиц становится более выраженными. Расчет с одной долей твердых частиц не может отразить этот факт. Учет полидисперсной природы катализаторов особенно важен при моделировании промышленных реакторов с системой регенерации, где улавливание частиц в регенераторе является определенной частью технического процесса.
Подводя итог вышесказанному, можно сделать вывод, что для повышения точности расчетов, а также для снижения вычислительных затрат, необходим правильный выбор эффективного диаметра. Кроме того, необходим универсальный метод дискретизации характеристик смеси твердых частиц. Следовательно, целью данной работы является повышение точности расчетов путем корректировки часто используемых эффективных диаметров и определение режимов псевдоожижения, при которых расчет с одной долей твердых частиц наиболее точно характеризует параметры потока, а также рассмотрение метода отбора двух фракций на основе эффективного диаметра и конечной скорости.
Хотя обычно Эйлерово моделирование псевдоожиженного слоя проводится с использованием диаметра D32, в нашей работе лучшее согласие с экспериментом было показано по диаметру Dmod. Для малых скоростей газа была проведена коррекция диаметра D32. По мере увеличения скорости газа эффекты, связанные с полидисперсностью, становятся более выраженными, следовательно, расчет с одной долей твердых частиц не может отразить такое явление, как захват мелких частиц потоком. Расчеты, в которых эффективные диаметры были выбраны в соответствии с методом, показывают лучшее соответствие эксперименту, чем те, которые проводились с диаметром D.. Несмотря на то, что было достигнуто небольшое улучшение результатов расчетов, необходима коррекция метода для достижения наилучшего соответствия расчетов эксперименту. Исследование показало, что рассматриваемый метод дискретизации характеристик частиц непригоден для малых скоростей газа.
