结构化反应器中催化裂解反应特性的CFD模拟

发布时间：2020-09-24 22:01

　　乙烯和丙烯作为重要的石化产品之一,是生产聚乙烯和聚丙烯等的重要原料。近年来,随着人们对其下游衍生品的需求量不断增加,乙烯和丙烯的生产量和消费量也在快速增加。在传统的生产过程中,研究者通常使用提升管反应器,固定床反应器,流化床反应器,采用催化裂解的形式多产乙烯、丙烯。催化裂解过程中使用的固定床反应器存在严重的流体分布不均,反应器易堵塞,反应效率低下,催化剂易结焦易受损等问题。寻找一种更好的方法获得高产率的乙烯和丙烯显得尤为重要。结构化反应器在汽车尾气的处理应用当中,被制成催化转化器放于汽车尾气出口,取得很好的效果,这项技术应用最早并已经成熟。结构化反应器是由一排排相互平行的单直通孔道组成,催化活性组分以一层很薄的微米级的涂层形式涂敷在孔道的内壁。特殊的蜂窝孔道结构是结构化反应器所独有的一个特征,正是由于这个特征使得结构化反应器具有流体压力降低,特别是在高流体流量下,并且能够消除外部传质和内部扩散限制,具有轴向分散和回混低,因此产品选择性高,很多孔道加起来会有一个大的外表面,流量(气相)的均匀分布,无堵塞现象,从而能延长催化剂寿命并且具有容易放大等优点。可以从根本上解决固定床反应器中存在的问题。本文提出一种新的方法,将结构化反应器应用于催化裂解反应中,以考察结构化反应器用于催化裂解的可行性及其优势。以石脑油为原料,采用催化裂解六集总动力学模型,建立描述结构化反应器内催化裂解的反应器数学模型,并利用fluent14.5软件对结构化反应器内的石脑油催化裂解性能进行数值模拟。通过改变孔道直径、反应器长度以及反应器内温度、气体入口速率考察反应器结构尺寸和反应条件对目标产物乙烯、丙烯的收率及石脑油转化率的影响。结果表明,反应器孔道直径的增加,目标产物收率减小,反应器长度20 mm时反应完全,升高反应温度和增大入口速率均有利于目标产物的生成。在入口温度680 ℃和入口速率0.4 m/s条件下,基于表面反应的石脑油转化率92%,乙烯收率19.3%,丙烯收率23.1%。基于体积反应的石脑油转化率68.46%,乙烯收率15.4%,丙烯收率18.49%。而在相同反应条件下的固定床反应器中乙烯收率10.34%,丙烯收率13.32%,石脑油转化率72%。用三维模拟的方式考察孔道开口形状对反应的影响,结果发现,三角形的开口形状比圆形、四边形、六边形有更好的反应结果,但是压降要高很多,综合来说,开口形状为四边形时有更好的反应结果。另外,选取1/4整体式结构化反应器模型做三维模拟,其反应结果与二维的相差不多,这表明用二维模拟的方式去考察结构化反应器时可行的。采用数值模拟的方式计算停留时间分布,得出结构化反应器中流动状况接近平推流,基于表面反应的结构化反应器模型参数比基于体积反应的模型参数更大,这也解释了为什么表面反应比体积反应有更好的反应结果。利用停留时间分布密度函数、停留时间分布模型及六集总反应动力学模型推算石脑油的转化率、乙烯和丙烯的收率,发现其与模拟结果接近,这进一步证明了催化裂解反应模型选择的正确性。也说明了可用停留时间分布密度函数求解反应转化率和产物分布。另外将停留时间分布密度函数应用于更复杂的渣油催化裂解九集总动力学模型,得出渣油转化率为86.21%,乙烯和丙烯的产率为19.26%和10.21%。
【学位单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TE624.4
【部分图文】：

截面图,结构化,反应器,截面图

１．１．２结构化催化剂逡逑整体式反应器是由结构化催化剂和反应器两部分组成，其内部为一排排平行的单逡逑直通道，结构如图１－１所示。该反应器［１９］最主要由两部分组成，一是催化剂涂层，另逡逑一个是一排排平行的直孔道壁。催化剂又分为两种，一种是涂层式的催化剂，先在堇逡逑青石表面涂覆一层催化剂，将活性组分加进去，这样形成一种薄薄的催化活性层；另逡逑２逡逑

反应器结构,整体式

２．１．１单通道反应器结构逡逑堇青石结构化反应器其结构有圆柱体、长方体，内部单通道孔道形状有圆形、三逡逑角形、方形、六边形等不同的形状。其中，整体式反应器的结构如图２－１所示［４８］。逡逑图２－１整体式反应器结构逡逑Ｆｉｇ．２－１邋Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ邋ｒｅａｃｔｏｒ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ逡逑一般用目来表示堇青石蜂窝陶瓷的孔隙密度简称为ＣＰＳＩ，邋ＣＰＳＩ、孔道直径及反逡逑应器壁厚之间的关系如下所示，可以利用此关系求取目数［４９］：逡逑Ｃ／＞５／ｘ（／ｗ＋＾）＝６．４５１６ｘｌ0－４逦逦式（２－１）逡逑其中为反应器壁厚，＜邋为反应器孔道直径。逡逑本问选取方形孔道形状进行研究，由于各孔道内物理结构和边界条件相似，因此逡逑研究选取目前最常用的单孔道模型［８］，分为气相（孔道内的气体流动）和催化剂涂层逡逑两个区域，两者通过流－固表面相耦合；具体结构及反应过程中的流向如图２－２所示，逡逑１７逡逑

涂覆,孔道,催化剂,截面

＂逦抽对称线逡逑图２－２单通道反应器结构逡逑Ｆｉｇ．邋２－２邋ｓｉｎｇｌｅ邋ｃｈａｎｎｅｌ邋ｒｅａｃｔｏｒ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ逡逑其中选取的催化剂涂层有两种方式种是如图２－３左侧所示的表面反应模型，逡逑这种反应模型是指催化剂涂覆在反应器的器壁内表面，其厚度不超过０．０５邋＿［４９］，此逡逑时将反应认定为表面反应。一种是如图２－３右侧所示的多孔介质模型，这种模型是指逡逑将催化剂以大于０．０５邋＿的形式涂覆在结构化反应器中，这种情况下一般要考虑催化逡逑剂中内扩散的影响。逡逑ｆＹ逦…，厂，逡逑｜邋表面反逡逑ｉ逦＇＾ｐｒ＊￣Ｓｉ．—逦－—－＾邋ｉ邋ｊ逡逑对称边界逦村称边界逡逑图２－３孔道截面及催化剂涂覆方式逡逑Ｆｉｇ．邋２－３邋ｃｈａｎｎｅｌ邋ｓｅｃｔｉｏｎ邋ａｎｄ邋ｃａｔａｌｙｓｔ邋ｃｏａｔｉｎｇ邋ｍｅｔｈｏｄ逡逑２．１．２物理模型基本假定逡逑在计算模拟的过程中，有时有必要依据研宄的内容对部分条件做出假设，根据本逡逑文的研究内容，在保证计算精度和准确性的前提下对计算模型做出如下所示的假设：逡逑（１）忽略内扩散的作用。逡逑１８逡逑

【参考文献】