基于PFC-CFD的随机填充催化床径向流反应器甲烷化反应模拟

发布时间：2020-05-05 17:40

【摘要】：结合我国煤炭丰富,石油贫乏,天然气少的现状,煤炭资源清洁转化策略把资源优势转化为经济优势,并且符合可持续发展政策。在煤制天然气过程中,甲烷化反应具有放热能力强以及甲烷化反应器内部散热困难,该问题已成为国内外研究的热点。本文在创建三维反应器模型的基础之上,应用离散元法(Discrete Element Method,DEM)建立了径向流反应器球形颗粒随机堆积的催化剂床层模型,采用PFC(Particle Flow Code)-CFD(Computational Fluid Dynamics)耦合求解法对径向流反应器内的流场分布及甲烷化过程进行模拟分析。首先,利用PFC离散元软件建立了随机堆积环形固定床模型,探究了空隙率、流场的分布情况;其次,在相同的模拟条件下,对颗粒粒径分别为12mm、14mm、16mm、20mm及28mm的随机堆积床层进行冷态模拟,并分析颗粒粒径对反应器床层内流场分布的影响,得出流体分布最均匀的床层模型;然后,在此模型的基础上,改变内外分布板的孔径,探究了孔径对场分布的影响;同时在冷态模拟的基础上,添加甲烷化反应动力学方程,对甲烷化过程进行模拟分析,提取了床层内CO、CH_4的浓度分布以及温度分布,获得了床层内的甲烷化反应规律;最后,对催化剂封高度和长径比R对反应转化率的影响进行探究。模拟结果显示:利用离散元软件PFC-3D能快速准确地建立三维随机堆积床层模型,获得的催化剂床层模型更加接近实际的堆积过程,更能准确地反映实际情况。冷态模拟下,研究了粒径为12、14、16、20以及28mm,内外分布板孔径5、10、15mm情况下对场分布的影响,研究发现粒径为12mm、孔径5mm时流体分布最均匀,压降最大。通过热态模拟,获得了生成物和反应物浓度沿轴向和径向的分布规律,以及反应过程中温度的变化规律;研究了催化剂封高在20、45、70mm情况下对甲烷化反应的影响,发现封高在20mm时最优;研究了高径比R为2、4、6同催化剂体积的情况下,结构对产率的影响,发现高径比R=2为反应器最优结构。本文获得的相关结论为后续研究提供参考。
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消费结构变化,全球能源,单位

大前进都伴随着能源利用技术的改进与转变，人类的任何活动和能源紧其他资源和利用其他资源也都要依赖能源，由于世界经济持续、高速地、环境污染、生态恶化等情况渐渐深化，能源供需矛盾日益凸出。目前，还是主要以化石资源为主，其中有些国家的能源消费模式仍然煤炭为能耗已变为石油、天然气等危害排放物较少的优质能源。以煤油、煤炭结构带来全球性能源环境问题的主要表现为臭氧层破坏、酸雨、温室气费用每年高达 10 亿美元。从图 1-1 可以更直观的看出近年来石油消费占比下降，天然气等清洁能源77-2017 年的历史数据来看，国际能源消费模式展现出煤炭稳、石油降发展的趋势。其中、石油消费占一次能源比例由 49%下降至 34%，煤炭 26%-28%，天然气消耗比例由 18%提高至 23%，其余能源（如核能、水、太阳能、生物质能等）占比由 7%提高至 15%。

资源分布图,中国煤炭,新型能源,环境危害

2图 1-2 中国煤炭资源分布图Fig.1-2 Distribution Map of Coal Resources in China的主要原料为煤，最终生产产物是对环境危害制气行业作为新型能源产业，在近些年来得到
【学位授予单位】：新疆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TE665.3

【参考文献】