小型煤直接液化反应器冷模试验与CFD模拟

发布时间：2020-03-29 11:05

【摘要】：本论文以某工程公司褐煤直接液化小试反应器(D=0.101m,H=4.04m)为研究对象,搭建冷模试验装置,对反应器内多相流动特性进行试验研究。同时使用CFD商业模拟软件,对液化反应器内高温高压条件下气-浆等温流场及化学反应进行数值模拟,开发浆态加氢煤液化反应器内多相流动与反应耦合计算模型。主要研究内容及结论如下：(1)搭建有机玻璃冷模试验装置,分别以空气、水／石蜡油为气、液相,以玻璃珠为固相,对反应器内气泡特征、平均气含率和液相速度等流体动力学参数进行测量,考察了表观气液速度、反应器高径比(H/D)及固体颗粒浓度对各流动特性的影响。结果显示,在气-液／气-液-固多相体系中,低表观气速条件下(2cm/s),气泡多为球形或椭球形小气泡,且均匀分布于反应器内,流动呈现均匀鼓泡流特征；表观气速大小是平均气含率的主要决定因素,气速低气含率也较低,反之亦然；表观液速和H/D的影响几乎可忽略。固体颗粒的加入使相同气速下平均气含率下降,且主要由小气泡气含率的下降引起。轴向液速的径向分布同样受表观气速的影响较大,气速较低时(1cm/s),轴向液速径向分布均匀,表观液速、H/D和测点高度对液速径向分布也存在一定程度的影响。基于上述试验结果可推测得到,在本文研究的小试操作条件下,Ug=0.4cm/s, U1=0.042cm/s,液化反应器内流动为均匀鼓泡流,气泡尺寸小且分布均匀,反应器内平均气含率低,轴向液速沿径向分布均匀。(2)将反应器内气-液-固三相简化为气-浆两相,使用Fluent 14.0商业软件内置的Euler双流体模型,进行三维瞬态模拟,预测分析高温高压条件下气-浆等温流场特征。结果显示,反应器内总体气含率较低,约为0.0165；反应器底部浆液湍动剧烈,利于物料的充分混合,但在反应器壁面附近浆液存在显著的返混；浆液在反应器内的平均停留时间约70min,与液化反应所需时间匹配。(3)根据刘铭的高压釜褐煤液化试验(T=430℃,P=10 MPa)测量数据,建立了液化反应动力学模型,使用Matlab最小二乘曲线拟合方法,获得了褐煤在上述温度和压力条件下的液化反应速率常数。通过用户自定义函数(UDF)编译将动力学参数导入Fluent 14.0,对反应器内流动和反应过程耦合求解。结果显示,反应器出口处煤的转化率约为90.83%,油气(OG)的产率为64.67%,与小试装置七天重复试验结果较吻合。
【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ529.1

【参考文献】