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低浓度甲烷催化燃烧反应过程的多尺度模拟

发布时间:2023-03-29 22:26
  催化燃烧技术是利用低浓度甲烷最有效的方法,借助于催化剂进行无焰燃烧,与传统的火焰燃烧相比具有高热量利用率、有效地减少有害气体的排放以及较低的甲烷浓度。因此对甲烷催化燃烧反应过程进行研究有利于提高能源的利用率和环境质量。在利用整体式反应器对甲烷实施催化燃烧过程中,反应器内部涉及到微观、介观与宏观的相互作用,从而影响整体式反应器的催化性能。为了能够详细了解反应器内各个尺度之间的关系以及作用规律,以便于有效地指导优化反应器和操作条件,本文建立了更全面地整体式全反应器多尺度模型来探究甲烷催化燃烧反应过程各个尺度之间的作用规律,同时优化了反应器结构和操作条件。本文利用气固相传递原理,建立了介观尺度的单颗粒反应-扩散模型,模拟计算结果同经验理论值对比结果证明了模型的有效性,并采用建立的单颗粒反应-扩散模型考察了催化剂颗粒内内扩散对反应的影响。结果显示,催化剂颗粒内存在明显的内扩散阻力,甲烷在颗粒内的反应过程是一个明显的内扩散控制过程;颗粒内部的燃烧反应达到稳态所需要时间仅为0.1 s,可以认为反应过程一直处于稳态操作;外扩散作用表现不明显。模型考察了催化剂颗粒直径、平均孔径和空隙率对参数分布以及内...

【文章页数】:79 页

【学位级别】:硕士

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摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 引言
    1.2 甲烷催化燃烧反应
        1.2.1 甲烷催化燃烧反应催化剂概述
        1.2.2 甲烷在Pd/γ-Al2O3催化燃烧反应机理
        1.2.3 甲烷催化燃烧反应动力学模型
    1.3 整体式反应器多尺度现状
    1.4 多尺度模型
        1.4.1 介观颗粒模型
            1.4.1.1 催化剂内扩散模型
            1.4.1.2 催化剂外扩散模型
        1.4.2 多孔介质模型
        1.4.3 整体式反应器研究
    1.5 论文研究内容
第二章 甲烷催化燃烧过程的反应-扩散模型
    2.1 反应-扩散模型的建立
        2.1.1 甲烷催化燃烧反应动力学模型
        2.1.2 模型建立
    2.2 模型求解方法
    2.3 模拟结果与讨论
        2.3.1 模型验证
        2.3.2 颗粒内外扩散现象
        2.3.3 反应-扩散模型的应用
            2.3.3.1 催化剂颗粒直径的影响
            2.3.3.2 催化剂孔径的影响
            2.3.3.3 催化剂孔隙率的影响
    2.4 本章小结
第三章 单孔道模型
    3.1 单孔道模型描述
    3.2 二维数学模型
    3.3 模型求解参数和方法
    3.4 模型验证
    3.5 结果与讨论
        3.5.1 催化剂孔密度影响
        3.5.2 催化剂孔壁厚度的影响
    3.6 本章小节
第四章 整体式反应器多尺度模型
    4.1 整体式反应器物理模型
    4.2 整体式反应器多尺度模型
    4.3 模型求解的条件和方法
    4.4 模型的验证
        4.4.1 网格无关性验证
        4.4.2 模型的有效性验证
    4.5 结果和讨论
        4.5.1 反应器内参数分布
        4.5.2 反应器内的扩散现象
            4.5.2.1 扩散对反应器内温度分布的影响
            4.5.2.2 扩散对反应器内各组分分布的影响
        4.5.3 模型的应用
            4.5.3.1 甲烷浓度的影响
            4.5.3.2 进口流量的影响
            4.5.3.3 入口温度的影响
    4.6 本章小结
第五章 结论与展望
    5.1 结论
    5.2 展望
致谢
参考文献
符号说明
作者简介
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本文编号:3774614

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