Barracuda——流化模拟专家

Barracuda——流化模拟专家

        Barracuda工程软件包是专门模拟流体-颗粒流动及化学反应的商用软件包，它致力于工业尺度的流化装置模拟。众多政府研究机构和世界财富500强企业选用它来做工厂设计和工艺过程优化。使用Barracuda，我们客户就有了一个可靠的工程设计，我们的自信源自Barracuda的科学依据。
        就像真正的梭鱼，Barracuda软件计算快速而功能强大。它是如此的独特，以至于无法找到第二个类似的工程软件!Barracuda在模拟复杂流体/颗粒/热/化学反应现象方面功能强大；它的计算速度快，能够在设计期限内得到一个有意义的准定常特性，允许你迅速地在不同设计之间做出权衡。

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Barracuda在流化模拟方面的三大优势
        我们的软件与化工、石化、能源、冶金等工业领域对流化模拟的需求完全匹配，因为我们的软件具有以下三大优势，确立了它在化工、石化、能源、冶金工业领域流化装置模拟中的领导地位。
1. 准确模拟颗粒流动的基本机理
        在最基本的层面，Barracuda可以正确地获得颗粒流动的机理。使用固定网格的欧拉方法模拟气相和液相，这与传统CFD方法一样；而将颗粒状固体用拉格朗日（无网格）方法模拟为大量离散体。Barracuda甚至可以捕获由颗粒尺度分布（PSD）引起的所有重要机理。 用户也可以指定任意的颗粒尺度分布，定义不限数量的组分，如煤和沙子。其它机理包括完全耦合的流体-颗粒曳力、真实的壁面冲击和反射、涉及颗粒固体的化学反应、由于气化而导致颗粒尺度缩小。
2. 经历流化实验数据的验证
        为了验证我们软件的精确性和准确性、捕获大型实验系统里的复杂流化特性，Barracuda是颗粒固体研究公司（PSRI）的完全会员，可以分享PSRI的实验数据。PSRI也是Barracuda的用户，它使用Barracuda设计实验。我们利用公开文献数据作了大量验证性研究，我们的软件也经历了用户专有数据的验证，我们确信Barracuda是最好的流化模拟工具。

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3. 快速计算——突破数值计算的瓶颈
        为了帮助工厂做出准确、高效的设计和工艺过程优化决策，对流化装置的模拟必须具备以下四个条件：
（1） 完全三维模拟；
（2） 所模拟颗粒的尺度范围宽、数量大。颗粒的最小尺度可达0.2 微米，最大尺度则取决于流体网格的大小。一般情况下，Barracuda模拟颗粒的尺度范围在1微米～5毫米之间，模拟的颗粒数量可达到1016， 颗粒的总质量可达数百吨；
（3） 计算速度必须满足设计反复迭代的需要，可以很快获得有意义的准稳态特性；一般情况下，对于实验室尺度的问题，计算可在数分钟至数小时内完成，对于工业尺度的大规模问题，一般计算时间为数小时至数天；
（4）必须包含参数化和快速权衡不同设计的能力。确保可以得到最优化的设计。

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        Barracuda可以同时满足上述四个条件，这得益于我们专有的数值技术——CPFD（计算颗粒流体力学）。CPFD数值方法已经由公司的创始人之一——Dale 博士在计算物理杂志（Journal of Computational Physics）和其它行业认可的期刊上发表。
化学工业领域
        化学工业是属于知识和资金密集型的行业。化工生产具有生产技术复杂、原材料综合利用、生产过程要求严格的比例性和连续性、高耗能等特点。流化装置是在化工生产过程中使用最广泛的关键装备。
        大量的工程应用案例表明Barracuda 可以帮助我们理解这些装置中的复杂三维瞬态流化现象，包括在大型深床反应器（直径大于10米）的催化化学反应。反应器类型包括：丙烯晴、二氧化钛、聚乙烯。

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反应器部件→ 分析得到的结果
喷淋器或提升管 → 喷射渗透/冲蚀/位置/数量/几何
旋流器 → 效率/压力平衡/溢流/可靠性
供给管/阀/回收 →位置、冲蚀、数量 输运管→尺寸/定位/冲蚀
反应现象
流化品质：从鼓泡到湍流
在床内的气体旁路或流动
颗粒消融/结块
气体/固体接触效率
床平均密度,DP/L
尺寸分离/材料分离
洗选速率/ PSD
稀相空间密度/TDH
床循环速率
化学反应
流体/固体/螺旋管的热性能

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石化工业领域
        石油化工是指化学工业中以石油或天然气为原料生产化学品的领域，最重要的石化生产工艺之一就是流态化的催化和裂解。与循环流化床相关的两个核心部件——反应器和再生器都涉及到这一工艺。
反应器 → 分析结果
油喷射注射→位置/定位/数量
提升管→蒸汽和催化剂驻留时间/壁面逆 混/焦化 脱离区域 →驻留时间分布( RTD)/旋流器/剥离器/输运管
提升现象
液滴喷射和催化剂涂层
中心环向流动
壁面逆流冲洗
驻留时间分布(RTD)
颗粒尺度效应
再生器 → 分析结果
失效硬耐火土返回管 → 终结器
空气喷头 → 流化品质/位置/尺度
旋流器 → 效率/可靠性/冲蚀/ 侵入管溢流
流化床→ 气体/固体接触效率 / 粉末效率
再生器现象
在床内气体绕流现象
床平均密度， DP/L
洗选速率 / PSD
TDH / 稀相密度
催化循环速率、驻留时间
回收井空气注入
化学反应， NOx排放

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能源电力领域
        循环流化床燃烧器具有NOx排放低、燃料选择灵活的优点，并且利用石灰石可以捕获其中98%的硫，这得益它对炉内流化床的利用。许多客户成功地应用Barracuda帮助理解复杂的炉子特性，如燃料-空气驻留时间、固体循环、床夹带速率及局部冲蚀。同样也可以优化循环流化床装置的大型旋流器，减轻回路密封的倒置特性。

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        煤和其它生物燃料气化所产生的合成气体CO和H2可以用作燃料或者化工厂的原料，美国国防部国家能源技术实验室应用Barracuda研究气化炉的复杂气-固流动现象，他们还用Barracuda模拟焦炭静床高度超过30m的大型深床气化炉。TRI公司将Barracuda用于生物热-化学转换设计，采用沙子作为传热媒介。

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        Barracuda化学反应产物的生成与固体颗粒消耗精确吻合，化学反应将引起颗粒尺度自动缩小，颗粒尺度减少会影响流化和洗选速率。
工厂部件→ 分析的结果
炉子几何 → 优化燃料/空气混合
旋流器 → 效率和可靠性
回路密封 → 通风/堵漏/清洗
供给管/阀 → 位置、冲蚀、数量
燃烧器启动 → 全回路性能
设备现象
流化床膨胀/密度
流化床挟带率
尺度分离或材料分离
燃烧
气体和固体的热性能
稳定性
启动等瞬态特性
冶金工业领域
        许多有价值的矿石必须在初采后进一步加工。这包括：二氧化钛在油漆中被用作白色素，或提取战略资源金属——钛；超纯度的多晶硅被用来制作光电板和半导体；二氧化锆用于核燃料棒的覆层。几乎所有的矿石处理都涉及到各种气-固和液-固流动过程。以下是与矿石处理有关的流体-颗粒耦合模拟的例子，Barracuda已经成功应用于这些领域。

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四氯化钛氯化器
        氯气和高等级的矿石通常在直径为3m～8m的深床反应器内反应，生成TiCl4。氯气使由原矿、金红石、焦炭等组成的颗粒流态化。我们的一些客户已经成功应用Barracuda找到流化不足的原因， 特别是在矿石和焦炭分离，以及有非常大的密度和颗粒尺度分布式时更易出现流化不足。另一个感兴趣的问题时氯气上升位置和冲蚀。此外，Barracuda中的化学反应速率表达式包含了在任意位置处矿石和焦炭的浓度，对氯化器来说这是计算反应速率的基础。
多晶硅反应器
        目前在大规模电子产品生产已经使用新的流化床反应器技术。从前，高纯度硅(99.999%)只能一炉一炉地慢慢生产。新的两级反应器技术使我们能够低成本的连续生产。
        Barracuda已经成功地应用于这两种反应器：三氯硅烷(SiHCl3)反应器和沉积反应器。在沉积反应器中，气相反应生成固体硅，Barracuda的化学反应模型引起流化床里的硅颗粒长大。Barracuda可以捕获气-固流化的所有重要机理，如侧喷混合、量化反应区域、硅颗粒的成长速率、预测固体硅颗粒的运动。
其它矿石处理技术
Barracuda 可以用来帮助设计与矿石处理有关的设备和工艺过程。典型的应用包括：焙烧、干燥、煅烧、氧化铁减量、重力分离，以及各种供给和输运管。