多孔介质化学反应体系传质的数学模拟

摘要

多孔介质的传热传质研究与化工、材料、能源、交通、环境、农业、建筑、地矿、机械、农药、食品等领域的科学与技术发展密切相关，是近20年国际学术界前沿研究课题之一。但将物理化学效应和多孔介质体系传输现象同时考虑的报道很少。 本文以守恒定律为理论基础，以连续介质观点为依托，研究了传质-多相化学反应共同作用时，颗粒填充床体系内的传递特性和反应规律。 文中分别在第二类和第三类两种边界条件下，对发生单一气体气固反应的多颗粒固定床体系，建立传质-多相化学反应数学模型。并应用有效容积法对模型离散求解，得到控制方程的矩阵形式。通过控制主要参数值，分析了不同机制、不同条件下颗粒物料床层体系内的质量传递规律和反应特性的变化规律。研究表明，当颗粒物料床层内的气固反应由外扩散控制时，反应气体的浓度分布很快达到稳定，而当在化学反应控制机制下，除非固体物料转化终了，否则浓度分布不可能达到稳定。 比较这两种边界条件下得到的计算结果，可知：当改变时间、化学反应速度和传质速度等重要参数时，两种边界条件下反应器内气体浓度的变化规律定性上基本一致。但在第三类边界条件下，对流速度较快、化学反应速率较慢时，反应器出口边界附近易出现反应气体浓度突然下降的现象；对流速度较慢而化学反应速率较快的条件下，反应器下游易出现气体回流的现象。而在第二类边界条件下则无此种边界层现象。 对于发生多组分气体气-固反应的多颗粒固定床体系，本文在考虑反应器与大气界面层(反应器边界层)阻力对传质影响的条件下，建立了反应气体和产物气体的传质-多相化学反应数学模型。解析求出CA*(-x，-t)和C*C(-x，-t)的函数形式，并讨论了不同条件下的反应器特性。 研究结果对反应器的设计与运行，以及实际操作中工艺参数的设定与优化有一定的理论参考价值。

目录

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第一章绪论

1.1多孔介质传输现象研究现状

1.2多孔介质传输现象的发展方向

1.3传递过程研究中的相关理论基础

1.3.1基本研究方法

1.3.2理想化模型

1.3.3平均化方法

1.3.4微观方程的平均化

1.3.5唯相率和本构方程

1.3.6传递过程无因次综合变量

1.4论文内容

第二章数值求解传递模型原理

2.1引言

2.2空间区域离散化方法的选择

2.3离散方程建立方法的选择

2.4差分方程的相容性、收敛性和稳定性

2.5离散方程的物理特性

2.5.1守恒性

2.5.2迁移性

2.6边界条件和源项的处理

2.6.1附加源项法

2.6.2源项的处理

第三章单一气体气固反应体系传质过程数值模拟

3.1引言

3.2建立数学模型

3.3第二类出口边界条件下的模型解析

3.3.1数学模型

3.3.2参数的确定

3.3.3数值求解

3.3.4程序框图

3.3.5结果分析与讨论

3.4第三类出口边界条件下的模型解析

3.4.1数学模型

3.4.2数值求解

3.4.3结果分析与讨论

3.5小结

第四章多组分气体对流扩散问题的解析研究

4.1建立数学模型

4.2数学模型的解析求解

4.3计算结果分析

4.3.1不同对流速度下外传质的影响

4.3.2不同反应速度下对流速度的影响

4.3.3扩散项对浓度分布的影响

4.4小结

第五章结论

参考文献

致谢