Реакторы с псевдоожиженным слоем широко распространены в нефтепереработке, нефтехимии и энергетике. На практике часто используются полидисперсные смеси частиц, что может быть использовано как метод влияния на поведение динамики многофазной системы и повышение характеристик работы реакторов. Цель исследования – определить, как выбор разного количества фракций частиц твердой фазы влияет на результат численного моделирования псевдоожиженного слоя, содержащего полидисперсный катализатор. В настоящем исследовании использовался лабораторный реактор, состоящий из вертикальной стеклянной трубки. В экспериментальной части использован полидисперсный порошок микросферических частиц оксида алюминия. Для численного моделирования процесса псевдоожижения использован непрерывный метод Эйлера – Эйлера. Для замыкания моделей использована кинетическая теория газов для гранулярного потока. Численное моделирование полидисперсных частиц проведено с применением упрощенной методологии, в которой средний диаметр частиц характеризует каждую группу гранулированной фазы. Были оценены две различные методики фракционирования: одна использует полное распределение частиц по размерам, а другая разделяет мелкие частицы на основе критерия скорости витания. В результате численного моделирования получены поля и профили среднего объемного содержания твердой фазы. В рассматриваемой постановке использование четырех или пяти групп после отделения мелкой фракции по скорости витания дало наилучшее согласие с экспериментальной оценкой высоты слоя, однако универсальность этого вывода требует проверки на расширенном наборе режимов.
Fluidized bed reactors are widely used in oil refining, petrochemical, and power engineering. Polydisperse particle mixtures are often used in practice, which can be used to influence the behavior of multiphase system dynamics and improve reactor performance. The objective of the study is to determine how the choice of different amounts of solid phase particle fractions affects the results of numerical simulation of a fluidized bed containing a polydisperse catalyst. A laboratory reactor consisting of a vertical glass tube was used in the present study. Polydisperse powder of microspherical alumina particles was used in the experimental section. The continuous Euler-Euler method was used for the numerical simulation of the fluidization process. The kinetic theory of gases for granular flow was used to close the models. Numerical simulation of polydisperse particles was performed using a simplified methodology in which the average particle diameter characterizes each group of the granular phase. Two different fractionation techniques were evaluated: one uses the complete particle size distribution, and the other separates small particles based on the terminal velocity criterion. Numerical modeling yielded fields and profiles of the average solid volume fraction. In the considered formulation, the use of four or five groups after separation of the fine fraction by the terminal velocity gave the best agreement with the experimental estimate of the bed height, however, the universality of this conclusion requires verification on an extended set of modes.
1. Bai P., Etim U. J., Yan Z., Mintova S., Zhang Z., Zhong Z., Gao, X. Fluid catalytic cracking technology: current status and recent discoveries on catalyst contamination // Catalysis Reviews. 2019. Vol. 61. Is. 3. P. 333–405. DOI: 10.1080/01614940.2018.1549011.
2. Basu P. Combustion and Gasification in Fluidized Beds. Boca Raton: CRC press, 2006. DOI: 10.1201/9781420005158. ISBN 978-0-429-07501-8.
3. Solovev S. A., Soloveva O. V. Numerical simulation of the isoparaffins dehydrogenation process in fluidized bed reactor: from laboratory to industry // ChemEngineering. 2025. Vol. 9. Is. 6. Art. 129. DOI: 10.3390/chemengineering9060129.
4. Кленов О. П., Носков А. С., Парахин О. А. Влияние плотности микросферического катализатора на режимы работы псевдоожиженного слоя // Катализ в промышленности. 2017. № 4. С. 295–303. DOI: 10.18412/1816-0387-2017-4-295-303.
5. Klenov O. P., Dubinin Yu. V., Yazykov N. A., Yakovlev V. A. Hydrodynamics of a reactor for thermocatalytic oxidation of sewage sludge // Chemical Engineering Science. 2023. Vol. 270. Art. 118535. DOI: 10.1016/j.ces.2023.118535.
6. Tu J., Yeoh G. H., Liu C., Tao Y. Computational Fluid Dynamics: A Practical Approach. 4th ed. Amsterdam: Elsevier, 2023. DOI: 10.1016/C2021-0-01771-5. ISBN 978-0-323-93938-6.
7. Соловьев С. А., Егоров А. Г., Ламберов А. А., Егорова С. Р., Катаев А. Н. Влияние конструкции устройства подачи сырья в реакторах псевдоожиженного слоя на эффективность протекания реакции на примере процесса дегидрирования изопарафинов в кипящем слое алюмохромового катализатора // Катализ в промышленности. 2015. Т 15. № 6. С. 62–69. DOI: 10.18412/1816-0387-2015-6-62-69.
8. Klenov O. P., Noskov A. S., Parakhin O. A. Investigation of behaviors of the circulating fluidized bed // Chemical Engineering Journal. 2017. Vol. 329. P. 66–76. DOI: 10.1016/j.cej.2017.06.092.
9. Qin L., Zhou L., Li Z., Lei H., Zhu L. T. CFD analysis of operating parameters and machine learning-aided optimization of reactor performance in a polyethylene pyrolysis fluidized bed // Fuel. 2026. Vol. 421. Art. 138977. DOI: 10.1016/j.fuel.2026.138977.
10. Grace J. R., Sun G. Influence of particle size distribution on the performance of fluidized bed reactors // The Canadian Journal of Chemical Engineering. 1991. Vol. 69. Is. 5. P. 1126–1134. DOI: 10.1002/cjce.5450690512.
11. Van Ommen J. R., Nijenhuis J., van den Bleek C. M., Coppens M.-O. Four Ways To Introduce Structure in Fluidized Bed Reactors // Industrial and Engineering Chemistry Research. 2007. Vol. 46. Is. 12. P. 4236–4244. DOI: 10.1021/ie061318o.
12. Khoe G. K., Ip T. L., Grace J. R. Rheological and fluidization behaviour of powders of different particle size distribution // Powder Technology. 1991. Vol. 66. Is. 2. P. 127–141. DOI: 10.1016/0032-5910(91)80094-Y.
13. Saayman J., Ellis N., Nicol W. Fluidization of high-density particles: The influence of fines on reactor performance // Powder Technology. 2013. Vol. 245. P. 48–55. DOI: 10.1016/j.powtec.2013.04.011.
14. Beetstra R., Nijenhuis J., Ellis N., van Ommen J. R. The influence of the particle size distribution on fluidized bed hydrodynamics using high‐throughput experimentation // AIChE Journal. 2009. Vol. 55. Is. 8. P. 2013–2023. DOI: 10.1002/aic.11790.
15. Brouwer G. C., Wagner E. C., van Ommen J. R., Mudde R. F. Effects of pressure and fines content on bubble diameter in a fluidized bed studied using fast X-ray tomography // Chemical Engineering Journal. 2012. Vol. 207–208. P. 711–717. DOI: 10.1016/j.cej.2012.07.040.
16. Gu Y., Ozel A., Sundaresan S. Numerical studies of the effects of fines on fluidization // AIChE Journal. 2016. Vol. 62. Is. 7. P. 2271–2281. DOI: 10.1002/aic.15229.
17. Solovev S. A., Antipin A. V., Soloveva O. V., Khusainov R. R. Determination of effective diameter of solid particles for the Eulerian–Eulerian modelling approach of fluidized bed // Journal of Physics: Conference Series. 2019. Vol. 1210. Art. 012133. DOI: 10.1088/1742-6596/1210/1/012133.
18. Wang D., Fan L.-S. Particle characterization and behavior relevant to fluidized bed combustion and gasification systems // Fluidized bed technologies for near-zero emission combustion and gasification. Woodhead Publishing Series in Energy. 2013. P. 42–76. DOI: 10.1533/9780857098801.1.42.
19. Liu C., Zhao Y., Li Y., Feng Y., Duan C., Zhou C., Dong L. A model for predicting the segregation directions of binary Geldart B particle mixtures in bubbling fluidized beds // Particuology. 2024. Vol. 90. P. 340–349. DOI: 10.1016/j.partic.2024.01.006.
20. Li Y., Hong K., Zhou C., Zhang Y., Dong L. Resonance-induced particle mixing and segregation phenomena in a forced oscillation fluidized bed // Chemical Engineering Science. 2024. Vol. 299. Art. 120448. DOI: 10.1016/j.ces.2024.120448.
21. Solovev S. A., Soloveva O. V. Study of the influence of the mean particle diameter choice and the fractions number on the quality of fluidized bed numerical simulation // Processes. 2024. Vol. 12. Is. 11. Art. 2528. DOI: 10.3390/pr12112528.
22. Егорова С. Р., Ламберов А. А. Опыт разработки и внедрения алюмохромовых катализаторов серии КДИ для дегидрирования изобутана в кипящем слое // Катализ в промышленности. 2022. Т. 22. № 5. С. 61–69. DOI: 10.18412/1816-0387-2022-5-61-69.
23. Bekmukhamedov G. E., Morozov V. I., Tuktarov R. R., Bukharov M. S., Egorova S. R., Lamberov A. A., Yakhvarov D. G. Electronic interaction between Cr3+ ions in chromia-alumina catalysts for light alkane dehydrogenation // Journal of Physics and Chemistry of Solids. 2022. Vol. 167. Art. 110778. DOI: 10.1016/j.jpcs.2022.110778.
24. Gidaspow D. Multiphase Flow and Fluidization: Continuum and Kinetic Theory Descriptions. San Diego: Academic Press, 1994. DOI: 10.1016/C2009-0-21244-X. ISBN 978-0-08-051226-6.
25. Ogawa S., Umemura A., Oshima N. On the equations of fully fluidized granular materials // Journal of Applied Mathematics and Physics. 1980. Vol. 31. Is. 4. P. 483–493. DOI: 10.1007/BF01590859.
26. Lun C. K. K., Savage S. B., Jeffrey D. J., Chepurniy N. Kinetic theories for granular flow: inelastic particles in Couette flow and slightly inelastic particles in a general flowfield // Journal of Fluid Mechanics. 1984. Vol. 140. P. 223–256. DOI: 10.1017/S0022112084000586.
27. Cornelissen J. T., Taghipour F., Escudie R., Ellis N., Grace J. R. CFD modelling of a liquid–solid fluidized bed // Chemical Engineering Science. 2007. Vol. 62. Is. 22. P. 6334–6348. DOI: 10.1016/j.ces.2007.07.014.