固定床催化反应器的数值模拟研究

发布时间：2017-08-04 16:05

  本文关键词：固定床催化反应器的数值模拟研究

  更多相关文章： 固定床 气相催化反应 停留时间分布 数值模拟

【摘要】：固定床反应器(填充床反应器)是在化工过程中常见的反应器,是指在反应器中填充固体催化剂来实现化学反应的一种形式。在该类反应器的条件中釜内流经流体与催化剂间可进行有效的相面接触,具有较高的效率。反应时间是表征化学反应的重要参数之一,完全反应所需的时间对此反应的效率以及进行程度均有影响；而对不同结构的反应器而言有不同的停留时间及分布。对于具有一定反应速率的化学反应来说,反应时间与反应物在反应器内的停留时间的匹配程度十分重要。若二者尺度相近,物料自进入反应器到流出反应器的时间内刚好反应完全,即为最优状态,此时化学反应的转化率达到峰值。本文采用数值模拟的手段对八种不同结构反应器的流场性能表现,分别对不同进料管长度、出口位置、内构件形式的流场进行稳态及瞬态计算。通过稳态计算分析得出反应器内流场分布情况,并在此基础上加入定量示踪剂进行瞬态计算,从而得出停留时间分布曲线以及停留时间分布密度曲线。结果表明,进料管长度为2.6 m的反应器效果优于长度为3.6 m的反应器,反应器简单依靠增加反应器内构件(如气相分布器)对流场有一定影响但不明显,但若将反应器结构形式改为管式反应器,则反应物的停留时间分布明显优于其他几种,而物料出口设置在釜底更具有相对较好的性能。在反应器流场性能研究的基础之上,还对三种类型的在不同反应器结构及进料条件的条件下的表现进行了研究。研究中选用的三种化学反应反应速率相差较大,活化能不同：甲烷氧化反应(高活化能慢反应)、乙醇燃烧反应(高活化能快反应)、脱硝反应(低活化能快反应)。通过研究发现,不同结构反应器之间的停留时间差距较大。相同时间内,列管式固定床反应器的停留时间最短,示踪剂流出比例占总量的53.2%,而停留时间最长的改进出口结构的反应器示踪剂流出比例占总量的33.2%。选用的两种结构反应器中甲烷氧化反应的完成程度都十分低。对于乙醇燃烧反应来说,带分布器的反应器中乙醇转化率可达60%,效果更好。而对SCR脱硝反应,列管式反应器中一氧化氮转化率接近90%,表现更优。
【关键词】：固定床 气相催化反应 停留时间分布 数值模拟
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ052
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-14
• 符号说明14-15
• 第一章 文献综述15-29
• 1.1 固定床催化反应器的背景及应用15-16
• 1.1.1 固定床催化反应器的背景15
• 1.1.2 气固相催化反应器的应用15-16
• 1.2 固定床催化反应器流体力学特性16-18
• 1.2.1 流场形态16
• 1.2.2 停留时间16-17
• 1.2.3 空速17-18
• 1.3 固定床催化反应器的CFD模拟研究进展18-22
• 1.3.1 数值模拟方法19-20
• 1.3.2 反应器的分析方法20-21
• 1.3.3 反应器内停留时间21
• 1.3.4 固定床反应器的CFD数值模拟进展21-22
• 1.4 几种气相反应的研究背景与进展22-28
• 1.4.1 气相反应研究背景及动力学模型22-24
• 1.4.2 气相反应的相关研究进展24-28
• 1.5 小结28-29
• 第二章 CFD数值模拟方法及模型29-37
• 2.1 CFD数值模拟流程29
• 2.2 模拟方法及基本控制方程29-32
• 2.2.1 基本控制方程29-30
• 2.2.2 模拟方法30-31
• 2.2.3 网格无关性验证31-32
• 2.3 湍流模型32-33
• 2.4 停留时间的模拟方法33
• 2.5 有限速率化学反应的模拟方法33-37
• 2.5.1 层流有限速率模型33-34
• 2.5.2 涡耗散模型34
• 2.5.3 LES的涡耗散模型34-35
• 2.5.4 涡-耗散-概念(EDC)模型35-37
• 第三章 不同内部结构气相反应器的CFD数值模拟37-67
• 3.1 不同进料管结构39-46
• 3.1.1 速度云图与分析39-42
• 3.1.2 流场矢量图42-44
• 3.1.3 停留时间分布44-46
• 3.1.4 小结46
• 3.2 改进出口结构46-52
• 3.2.1 速度云图与分析47-49
• 3.2.2 流场矢量图49-50
• 3.2.3 停留时间分布50-51
• 3.2.4 小结51-52
• 3.3 不同内构件结构52-57
• 3.3.1 速度云图与分析52-54
• 3.3.2 流场矢量图54-56
• 3.3.3 停留时间分布56-57
• 3.3.4 小结57
• 3.4 管式反应器57-64
• 3.4.1 速度云图与分析58-61
• 3.4.2 流场矢量图61-63
• 3.4.3 停留时间分布63-64
• 3.4.4 小结64
• 3.5 总结64-67
• 第四章 气相反应器内气相催化反应的数值模拟研究67-95
• 4.1 甲烷氧化反应67-76
• 4.1.1 反应器结构对宏观动力学的影响68-71
• 4.1.2 进料条件对宏观动力学的影响71-75
• 4.1.3 小结75-76
• 4.2 乙醇燃烧反应76-85
• 4.2.1 反应器结构对宏观动力学的影响77-79
• 4.2.2 进料条件对宏观动力学的影响79-84
• 4.2.3 小结84-85
• 4.3 SCR脱硝反应85-92
• 4.3.1 反应器结构对宏观动力学的影响86-87
• 4.3.2 进料条件对宏观动力学的影响87-91
• 4.3.3 小结91-92
• 4.4 总结92-95
• 第五章 主要结论及展望95-97
• 5.1 主要结论95
• 5.2 展望95-97
• 参考文献97-101
• 致谢101-103
• 作者和导师简介103-104
• 附件104-105

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 朱志良;;正确理解活化能和温度的关系[J];化学教育;1993年05期

2 陈静,李健美;活化能与温度关系图的计算机辅助释疑[J];化学研究;2000年03期

3 刘俊;活化能概念浅析[J];文山师范高等专科学校学报;2002年01期

4 韩运晴;刘乃安;;面向固体热解单一活化能计算的等转化率动力学分析方法研究(英文)[J];火灾科学;2011年01期

5 陈荣三,张雪琴,王伯康,戴安邦;硅酸及其盐的研究(Ⅺ)——单硅酸胶凝作用的温度效应和活化能[J];高等学校化学学报;1980年02期

6 罗渝然;;什么是活化能[J];化学通报;1981年04期

7 罗渝然;;怎样理解负活化能[J];曲阜师院学报(自然科学版);1982年03期

8 熊源荧;活化能与结构因素的定量关系——一个活化能计算公式的推导[J];武汉化工学院学报;1983年Z1期

9 ;热解重量法测定活化能[J];橡胶参考资料;1971年08期

10 史振民;;托尔曼活化能解说的普适性[J];延安大学学报(自然科学版);1985年01期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 谭广雷;汪琦;郑红霞;张松;刘忠锁;;非等温碳酸钙分解反应形核与长大模型的变活化能[A];“国际化学年在中国”——中国化学会第三届全国热分析动力学与热动力学学术会议暨江苏省第三届热分析技术研讨会论文集[C];2011年

2 谭广雷;汪琦;郑红霞;赵巍;刘忠锁;张松;;非等温动力学中变活化能的有效性[A];2010年全国冶金物理化学学术会议专辑(上册)[C];2010年

3 张秀丽;程志国;秦好静;杨志强;姜浩;刘晓鸿;;化学反应速率与活化能测定实验的微型化改进[A];北京高教学会实验室工作研究会2009年学术研讨会论文集[C];2009年

4 高红旭;赵凤起;胡荣祖;裴庆;郝海霞;徐司雨;邢晓玲;肖立柏;安亭;谭艺;;非线性等转化率分步积分法求解活化能[A];“国际化学年在中国”——中国化学会第三届全国热分析动力学与热动力学学术会议暨江苏省第三届热分析技术研讨会论文集[C];2011年

5 邓燕平;轩立新;张明习;柴孟贤;;RTM材料体系浸润性能研究[A];新世纪 新机遇 新挑战——知识创新和高新技术产业发展（上册）[C];2001年

6 曹亮;邢双英;张佳;王伊蕾;王善鹏;;理论计算研究分子筛微孔内烯烃低聚择形催化机理[A];第十五届全国分子筛学术大会论文集[C];2009年

7 何强;李光强;马江华;倪红卫;;添加V_2O_5催化制备碳化铁的动力学[A];2008年全国冶金物理化学学术会议论文集[C];2008年

8 于丽波;芦令超;常钧;程新;;硫铝酸钡钙矿物形成动力学的研究[A];第九届全国水泥和混凝土化学及应用技术会议论文汇编（上卷）[C];2005年

9 刘思俊;俞炜;周持兴;;DBS物理凝胶的流变行为和形态特性[A];中国化学会第28届学术年会第7分会场摘要集[C];2012年

10 韩静磊;李忠;梁荣华;许振成;;二VA英类污染物在改性活性炭上的脱附活化能[A];持久性有机污染物论坛2006暨第一届持久性有机污染物全国学术研讨会论文集[C];2006年

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 焦国凤;沸石生长过程中分子反应与粒子聚集机理的理论研究[D];北京化工大学;2008年

2 杨琦武;分子间杂Alder-ene反应的理论研究[D];天津大学;2012年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 李静;Sm(Pr)掺杂LaGaO_3基电解质的合成及其电学性质研究[D];哈尔滨工业大学;2015年

2 吴耀杰;MgCO_3（菱镁矿）热分析动力学及其结构研究[D];辽宁科技大学;2015年

3 李婷婷;黑索今的合成及驱酸过程研究[D];南京理工大学;2016年

4 周萱;固定床催化反应器的数值模拟研究[D];北京化工大学;2016年

5 左金琼;热分析中活化能的求解与分析[D];南京理工大学;2006年

6 谭广雷;非等温动力学中活化能的变化规律及其解析[D];辽宁科技大学;2009年

7 周丽丽;菱镁矿分解热衡算和动力学研究[D];东北大学;2012年

8 陈晨;基于热重分析法的硫铁矿自燃特性实验研究[D];辽宁工程技术大学;2009年

9 赵永平;含天冬氨酸残基肽链水解断裂机理的研究[D];济南大学;2011年

10 秦芳芳;无机化合物的热分解机理及其动力学研究[D];中国地质大学;2008年

，

本文编号：620439