CFD性能预测在化工过程的应用

nullnull张 建 文 博士/教授 2011-9-23CFD性能预测在化工过程的应用北京化工大学 计算流体力学与传热中心 Computational Fluid Dynamics Centre of BUCT http://cfd-buct.net 要点要点CFD？CFD在化工过程中的应用 CFD性能预测应用拓展应用实例介绍*1、CFD- Computational Fluid Dynamics CFD？1、CFD- Computational Fluid Dynamics 2、CFD特点3、CFD步骤*1、CFD- Computational Fluid Dynamics 1、CFD- Computational Fluid Dynamics 计算流体力学是由计算机模拟流体流动，传热及相关传递现象的分析 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 和工具 广泛应用在各个领域*2、CFD特点2、CFD特点优点： 成本低：硬件、实物成本下降；智力成本、知识成本上升，知识价值体现 速度快，高效能，人的智力因素起重要作用 可提供完备的资料：研究细节、不受干扰 局部情况，可以揭示内部规律 模拟真实的条件：高低温，快、慢速；有毒、易爆等条件 模拟理想条件：二维、稳态、常物性、绝热、无干扰、有干扰等 不足： 数学模型的适用限度是关键因素。一些数学模型尚不清楚的过程（如复杂紊流、某些非牛顿流、多相流、相变过程、流态化等等）。有待于进一步的模型研究如紊流模型、非牛顿流体模型、二相气液流等；需要提出模型，计算分析→较正模型，深化完善模型*3、CFD步骤3、CFD步骤数学描述 （Mathematical Model）离散化、求离散化系数 ( Discritization & Coefficients )解方程，获得各场变量分布 ( Distribution & Profile )求各传递系数 (Transfer Coefficient)*1、过程工业的新发展趋势CFD在化工过程中的应用1、过程工业的新发展趋势2、具体应用领域3、过程工业CFD应用层次*1、过程工业的发展趋势1、过程工业的发展趋势第一阶段单元操作 第二阶段传递原理与反应工程第三阶段“三传一反”+时空多尺度发展瓶颈CFD将扮演重要的，不可代替的角色！节能 环保 创新多尺度 非线性 非平衡Performance-Based模拟优化与 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 工程 *2、具体应用领域2、具体应用领域自然环境：大气、海洋的环流、生态环境的保护、污染、臭氧层空洞的变化、CO2的温室效应，暴风雨、河流泛滥 生物流体：血液流动、人体温度控制、肾脏、肺功能等 工业过程：电力、能源工业、原子能→解决能源工业与热能工程 动力、航天、交通→解决卫星回收、保护的关键问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 电子线路、计算机→超大型计算机发展的核心 化工安全、冶金、轻工、建筑、机械、 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 工业所有这些都要求更精细的过程、更精密的控制，必须预测有关的过程！*3、过程工业CFD应用层次3、过程工业CFD应用层次*nullCFD应用实例1、超高纯度产品提纯技术-降膜结晶 2、高温气体过滤除尘-介质过滤净化除尘 3、超微粒子材料的制备-反应沉淀法 4、旋转填充床内的多尺度混合-反应过程 5、水气混合雾化制备钢铁粉末 6、化工灾害事故*null1、超高纯度产品提纯技术-降膜结晶技术简介 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 流程图 应用领域 熔点范围在 -50－200℃ 之间的有机物应用最为有利，技术经济性最为突出 ◆煤焦油精制提纯蒽、萘醌等高附加值产品 ◆工业粗萘精制提纯制取精萘 ◆对二氯苯分离精制 ◆双酚A提纯 ◆高纯度氯乙酸的制造 ◆人造麝香的提纯 ◆生物制品及药品的制造技术优势 ◆节能-精馏的10~30% ◆特种物性分离-常规精馏难以提纯的物系 ◆高纯产品提纯可使产品纯度达到99% 以上 ◆设备简单，无高压高温，操作安全*null提纯实验 实验流程图1.混合二氯苯（天津化工厂）2.焦油工业萘（北京炼焦化学厂）提纯后：二氯苯纯度>99.9%提纯后：精萘>99.7%1、超高纯度产品提纯技术-降膜结晶*nullCFD计算结果液固两相三区 1.自制单管降膜结晶器 萘一硫茚物系混合二氯苯物系CFD计算-实验对比结晶量偏差：3-15% 晶体纯度偏差：0.1-l%结晶量偏差：5-11% 晶体纯度偏差：0.03-0.4%1、超高纯度产品提纯技术-降膜结晶*nullCFD计算结果2.实际工业降膜结晶器对比 结晶量偏差：1.5-6% 晶体萘浓度偏差：0.01-1.4% 残萘液浓度偏差： 0.3-4.2%1200根φ72x1x2000不锈钢管1、超高纯度产品提纯技术-降膜结晶*nullCFD计算结果-晶层发汗过程初始晶层状态发汗12h的体系状态(b) Solid fraction (a) Isotherms (c) Liquid fraction(d) Pressure contours1、超高纯度产品提纯技术-降膜结晶*nullCFD计算结果-晶层发汗过程初始晶层状态发汗12h的体系状态(f) Macro Isocomposition(h) Gas fraction(g) Liquid Isocomposition(e) Stream lines1、超高纯度产品提纯技术-降膜结晶*null结论2.降膜结晶过程计算软件及机理研究1.完整的降膜结晶设计工艺参数，设备参数，实验参数◆验证的计算软件，可对晶层发汗过程中汗液产生、压力及重力作用下汗液的渗流及其排放过程进行详尽考察 ◆降膜结晶器的设计、操作提供指导 ◆应用于新产品的提纯设计 1、超高纯度产品提纯技术-降膜结晶*null2、高温气体过滤除尘-介质过滤净化除尘◆过滤-反吹两个过程 ◆除净2～5μm以上的颗粒，净化后气体含尘浓度小于10ppm，过滤效率大于99.9％◆ (IGCC)发电系统的高温煤气净化 ◆ 石油催化裂解装置中高温气体的过滤以及催化剂的回收 ◆ 汽车尾气净化 ◆ 焚烧炉的高温废气净化 ◆ 金属工业、玻璃陶瓷工业的高温烟气净化等 ◆锅炉烟气 技术简介 应用领域*nullCFD计算模型物理模型CFD计算模型网格划分CFD-实验对比轴向速度温 度2、高温气体过滤除尘-介质过滤净化除尘*null计算结果1-结构参数优化使用滤管外径为60mm，内径50mm，文氏嘴直径为50mm，36mm，24mm，18mm 1.喷嘴直径6mm，喷吹距离5cm 卷吸回流发生结论：此操作条件下，文氏嘴直径应大于18mm2、高温气体过滤除尘-介质过滤净化除尘*null计算结果2-关键部件的影响分析 1.文氏嘴的影响 文氏嘴作用：引导气体沿轴向进入滤管，使压力较快恢复2.过滤过程流场特点 过滤之初，速度就开始向上偏转 进入文氏嘴后，速度矢量继续增大 通过文氏嘴后，气体沿右侧出口出流2、高温气体过滤除尘-介质过滤净化除尘*null结论2. 对过滤-反吹过程的机理进行了再现1. 使用CFD技术，进行结构参数和操作条件的优化◆固定喷嘴直径为6mm，滤管内径与文氏嘴内径的比小于2.0 ◆固定喷嘴直径为8mm，滤管内径与文氏嘴内径的比小于1.5◆文氏嘴：压力能较快地得到恢复 ◆滤管越厚，反吹效果越差，而滤管渗透系数对反吹效果的影响不大 ◆反吹刚开始时，存在过滤速度和反吹速度的过渡界面，这一界面随着反吹的进行逐步消失2、高温气体过滤除尘-介质过滤净化除尘*null3、超微粒子材料的制备-反应沉淀法◆粒度分布（ＰＳＤ）是衡量沉淀产品的一个重要质量指标◆超微粒子材料是物理、化学、材料、化学工程等多学科交叉的前沿性学科 ◆反应沉淀法广泛应用于从液相中低成本地生产高纯度的固体颗粒 技术简介 应用领域*null计算程序反应沉淀过程示意图计算方程程序计算流程图3、超微粒子材料的制备-反应沉淀法*null计算程序验证1.氯化钡与硫酸钠反应生成硫酸钡体系2.四水合过硼酸钠体系粒度分布曲线对比浓度分布曲线对比计算与实验符合很好！3、超微粒子材料的制备-反应沉淀法*null计算结果-间歇反应沉淀 t>60s 出现明显双峰曲线过饱和度是粒度及粒度分布影响的重要因素3、超微粒子材料的制备-反应沉淀法*null计算结果-连续反应沉淀时间越长粒度分布越宽，平均粒径越大1.初始进料：浓度越大，生成的沉淀物的初始液相浓度越大，则凝并趋势越强，双峰出现得越早 2.凝并现象并不是一个与粒度无关的现象，其主要在一定的粒度范围内发生3、超微粒子材料的制备-反应沉淀法*null结论2.反应沉淀法过程再现1.反应沉淀法设计程序◆指导并优化工业操作 ◆超微粒子制备技术的研发3、超微粒子材料的制备-反应沉淀法Comments by the Editor of Chemical Engineering Journal, "was impressed by the quality of the research and the thought behind your article…"*null4、微尺度反应器内的多尺度混合-反应过程高效的强化混合和传质的新型接触装置 ◆制备纳米材料 ◆精馏、火药生产 ◆油田注水脱氧,锅炉水脱氧,含S02烟气脱硫 ◆生物氧化反应 ◆尘雾洗涤技术简介 应用领域*nullCFD计算丝网构造及计算域网格相关性验证计算框图4、微尺度反应器内的多尺度混合-反应过程*null计算结果1-水脱氧过程实验-CFD对比结构示意图实验条件：旋转床转速:600~1200r⋅min−1； 液体流量:2~8m3⋅hr−1 气体流量:3~15m3⋅hr−1；料内径:150~350mm平均误差为7.9%4、微尺度反应器内的多尺度混合-反应过程*null计算结果2-偶氮化合串联竞争反应离集指数的沿层变化条件：50层金属丝网缠绕而成的填料层，采用偶氮化合串联竞争反应体系，填料层的厚度为45mm，内缘半径为27.5mm，填料丝直径为0.2248mm低转速下(250r·min-650r·min)，填料层内离集指数逐层变大; 高转速(800r·mi-1750r·min)，离集指数沿层先变大后变小,结论：低转速下，微观混合时间太长，促进了副反应;提高转速，有利于主反应的进行4、微尺度反应器内的多尺度混合-反应过程*null计算结果3-快速反应过程规律第一层填料空间 1.AB，在20层后浓度无变化 2.R在前20层快速增加 3.S在20层之后逐渐增加第25层丝网 反应物A 反应物B 反应产物 R 反应产物 S 第25层填料空间 第1层丝网 ++4、微尺度反应器内的多尺度混合-反应过程*null计算结果3-最优操作参数 体积比初始浓度转速 反应物A 反应产物R 离集指数ABRS++0.075 C00.05 0.025 ABRS++1590rpm 275rpm 在高转速下反应产物R的浓度变化提前，转速的提高促进了微观混合初始进料浓度越高微观混合越充分 体积比80，A浓度变化最慢 体积比40，A浓度变化最快 4、微尺度反应器内的多尺度混合-反应过程*null结论1、多尺度混合传质过程规律◆合适的CFD模型描述多尺度问题 ◆CFD计算受多种因素的影响，包括网格，模型，经验参数等等 ◆CFD计算有助于更快，更直观的认识传质过程，从而指导设计微反应器，结构参数，操作参数的优化4、微尺度反应器内的多尺度混合-反应过程2、Higee机的设计与性能优化◆丝网布设：层数与结构 ◆操作优化：转速与能耗优化 ◆性能控制：离集程度控制，实现产品性能控制*null5、水气混合雾化制备钢铁粉末◆用高压水和高速气流共同作用于熔融的金属液流，使之破碎成微小液滴，进而冷凝后得到金属粉末 ◆制备金属粉末，优势 1、超细化 2、氧含量和夹杂物含量低； 3、良好的形貌可控性 技术简介 应用领域*nullCFD计算计算模型实验1数值求解流程CFD-实验对比实验25、水气混合雾化制备钢铁粉末*null计算结果最佳喷射角度：适合雾化生产的喷射角度45-50度空气卷吸量中心线压力分布15度35度50度5、水气混合雾化制备钢铁粉末*null结论2、水气混合雾化过程稳定操作1、操作参数优化◆最佳喷射角度：适合雾化生产的喷射角度45-50度5、水气混合雾化制备钢铁粉末*SiCl4+6H2O=4HCl↑+H2SiO2CFD计算计算模型实验1CFD-实验对比实验26、化工灾害事故*SiCl4+6H2O=4HCl↑+H2SiO2null计算结果6、化工灾害事故*t=5st=10st=15st=20st=30st=15st=32st=65st=90st=100sCFD仿真有毒气体扩散实验测试与仿真对比危险区域null结论2、应急预案制定1、危险区域判定6、化工灾害事故*null机理研究工业应用CFD的价值1.优化设计： 节能优化，提高收率，降低污染物水平 降低成本，提升性能 2.创新设计： 发现新价值 3.寻找“病因”： 快速寻找问题的根源，提供解决方向 4.新产品研发： 缩短开发周期，降低开发成本 构建虚拟开发环境1.过程再现： 透视全过程 2.理论探讨： 发现新现象 3.新机理过程设计： 根据新机理设计新过程 *nullCFD性能预测应用拓展*1、CFD+ASPEN+优化方法：延迟焦化，产量提高6%，吸收剂用量降低45% 2、烤烟炉操作优化：风门、结构、进风道等 3、计算材料学：结构—性能—寿命等 4、药物导弹、缓释过程控制，MR过程模拟 5、加氢反应器、冷箱操作优化、渣油加氢沸腾床、固定床内构件设计优化发展趋势发展趋势集成仿真技术实时仿真技术多尺度仿真技术◆多学科集成设计 ◆最优化设计◆过程实时仿真 ◆GPU，CPU并行计算 ◆精确度 ◆模型，算法与硬件之间的配合 *null*