[分享] 石化领域流化床模拟工具barracuda案例分享

应用案例见附件，包括FCC再生、壁面磨损、温度及反应物、生成物浓度分布的计算等。

催化裂化是石油炼制过程之一，是在热和催化剂的作用下使重质油发生裂化反应，转变为裂化气、汽油和柴油等的过程。作为炼油厂的核心加工装置，催化裂化设备也面临着越来越多的挑战。不断严格的环保要求，主要是汽油规格的升级对烯烃和硫含量的要求以及烟气排放量的限制；对产品需求比例的变化，如市场对柴油需求比例和数量的增加，即所谓的柴油化趋势。这些都对现有的催化裂化装置与催化裂化的进一步发展形成很大的冲击。而且除了采用新型有效的降低催化裂化汽油和柴油的硫含量外，还要考虑各种技术的费用问题。

我国催化裂化所面临的问题：（1）我国FCC单套平均能力小（2）装置能耗高；（3）FCC催化剂发展水平不高；（4）我国FCC装置开工周期短。这也是我国和国外催化裂化技术的主要差距。

对于目前面临的以上问题，需要采用相应的工艺流程与工艺设备来完成。科学合理的工艺流程和技术先进的工艺设备不仅能提高煤的深加工利用价值与煤制产品的生成率，而且还能显著降低煤加工过程中对周围生态环境产生的破坏与影响。流态化技术由于具有传热和传质速率高，反应速度快的特点，被广泛用于能源工程领域，特别是煤化工等加工过程中。早期对流态化技术的研究与发展，主要以经验计算和试验测试为主。但随着计算机技术与数值模拟方法的飞速发展，人们越来越不满足于经验与试验的方法，而是试图从描述过程的各种微分方程出发，模拟真实流态化工程中的各种传热、传质以及化学反应机理与规律，以此为基础分析预测流态化装置的总体特性，为工程设计和优化等提供理论依据与指导建议。

       数值模拟作为研究流态化装置的有力工具，不仅可以缩短开发周期，节约研究费用，还可以获得由于实验条件或测试技术限制在实验中无法得到的宏观与微观信息。Barracuda正是一款专门用于模拟颗粒-流体流动及化学反应的著名商业数值模拟软件。

CPFD是基于Eulerian –Lagrangian框架对颗粒体多相流进行模拟的。虽然通过颗粒体积分数的空间梯度，Eulerian –Eulerian模型可以模拟密集颗粒流附近的颗粒间应力，但若考虑到颗粒的类型和尺度分布，连续方程将异常复杂，因为需要对每一种类型和尺度的固体相求解连续方程和动量方程。Eulerian–Lagrangian模型是一种求解颗粒多相流较为经济的方法，它考虑较宽范围的颗粒类型、尺度和速度等。尽管如此，对于颗粒体积分数较高的情况，颗粒间的碰撞频率极高，采用真正意义的Lagrangian方法计算碰撞也是不现实的。

CPFD技术借鉴了MP-PIC（multiphaseparticle-in-cell）方法，对颗粒相进行了双重处理方法，即颗粒既被视为是连续介质，也被视为是离散体。将颗粒应力梯度（在密集颗粒流中难于对每个颗粒进行计算）处理成流体网格上的梯度，然后插值到离散颗粒体上；而颗粒相的其他属性则在离散颗粒的位置处进行计算。CPFD定义了一种插值算子，这种算子计算速度高，且可以保证全局及局部的守恒。这样，CPFD方法消除了对高计算量的隐式解的依赖——网格上颗粒法相应力计算所需要的；更重要的是，颗粒相和流体相隐式的耦合起来，能够对稀疏到密集的任何颗粒体积分数的颗粒-流体系统求解计算，为设计人员提供一个鲁棒性优良的数值解。

——用户任意定义颗粒尺度分布

——不受限的颗粒和气态物质组分

——质量、动量和能量的完全守恒，流体、颗粒动量紧耦合(完全隐式）

——颗粒应力张量；颗粒-颗粒碰撞；颗粒-壁面反弹