具有催化反应边界微小通道内两相流动传质及转化特性的数值研究

摘要

微化工技术已经成为化学工程领域一个迅速崛起的研究热点和发展方向。对微反应器内流动、传质和转化的深入研究具有重要的意义，但已有的研究主要集中在气液、气固、液液等在无反应或者体相反应情况下微反应器内的流动和传递过程，而对气-液-固三相微反应器的研究较少。
　　本文针对具有催化反应边界微通道内环状流和弹状流条件下的流动、传质及转化过程开展了数值研究。同时，也对平板式膜催化反应器内流动、传质及转化特性进行了研究。主要的研究内容和结论如下。
　　①研究了具有催化反应边界圆形微通道内环状流动传质及转化特性。壁面反应速率与硝基苯入口浓度、温度和气液压力都成正比，但随着硝基苯的消耗使下游反应速率迅速下降；氢气浓度的变化主要受气相压力的影响，当气相压力不变时，随着反应速率的增大氢气浓度减小，当硝基苯消耗殆尽时，氢气的变化只在上游比较明显，下游只是随着压力的降低而沿轴向缓慢减小；硝基苯的物质转化率与反应温度和压力成正比，与入口硝基苯浓度成反比，同时，在混合二级反应区内，硝基苯入口浓度对其物质转化率影响很小，气相压力和温度对物质转化率影响较大。
　　②研究了具有催化反应边界圆形微通道内弹状流动传质及转化特性。传质系数随着气泡速度和长度的增加而增加，一级反应催化层体积反应速率系数与反应动力学常数、催化层厚度和催化层有效扩散系数正相关，整体反应速率系数由体积传质系数和催化层体积反应速率系数共同决定。随着催化剂活性和催化层厚度的降低，或催化层孔隙率的增加，催化剂有效性会不断升高，当催化剂有效性高于95％，即反应动力学常数小于6.5s-1，或催化层厚度小于5.7?m，或孔隙率大于0.3时，内部传质可以忽略。如果催化剂厚度继续降低，当其小于0.752?m，则体积传质系数远大于催化层体积反应速率系数，此时反应将由本征动力学控制，而如果催化剂活性足够高，当反应动力学常数大于153.4s-1，则体积传质系数远小于催化层体积反应速率系数，此时反应将由内外传质控制。同时，甲基苯的乙烯的物质转化率随着气泡速度和长度、催化剂活性、催化层厚度和孔隙率的增加而增加，但气泡速度的增加也会使反应物停留时间变短。
　　③研究了具有催化反应边界矩形微通道内环状流动及转化特性。矩形微通道中液体主要在角区流动而薄液膜液体速度非常小，且薄液膜区的反应速率明显快于角区。同时液相和催化层硝基苯浓度沿着液膜厚度方向基本保持不变。但是随着反应动力学常数的增加，催化剂的有效性不断的降低，使反应受到传质影响。另外，减小催化层的孔隙率也会使内部传质阻力变大，催化剂有效性降低。而增加气液相反应物浓度会同步地增加反应物速率，也会造成催化层有效性降低。同时催化剂活性和气相压力的升高，对提升反应器硝基苯物质转化效率最为明显，而增加催化层孔隙率和硝基苯浓度对其物质转化率的影响非常小。
　　④研究了具有催化反应边界矩形微通道内弹状流动及转化特性。靠近薄液膜区氢气浓度增加的速率和硝基苯消耗速率明显快于其他区域。而催化层的氢气和硝基苯浓度分布比较均相。另外，混合二级反应催化层体积反应速率系数与一级反应明显不同，随着催化剂活性、气相压力和气相速率的增加，催化层体积反应速率系数也更快地降低。体积传质系数随着气泡速率增加而增加。
　　⑤研究了平板式膜催化反应器内流动传质及转化特性。随着流速和硝基苯浓度的增加硝基苯的物质转化率降低，但是随着流速的增加，液相侧传质系数不断地升高。随着催化层厚度、活性及气相压力的升高反应器的性能先增加后趋于不变，但催化剂的有效性随着气液相反应物的浓度，催化剂厚度和活性的增加而减小。

目录

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符号说明

目录

1 绪 论

1.1 引言

1.2 微反应器的概述

1.3 微反应器内两相流动特性

1.4 微反应器内流动和传质的数值模拟

1.5 本文研究目的和研究内容

2 具有催化反应边界微小圆形通道内环状流传质及转化特性

2.1 引言

2.2两相流数值模拟方法

2.3 计算模型及求解方法

2.4 结果及分析

2.5 本章小结

3 具有催化反应边界微小圆形通道内弹状流传质及转化特性

3.1 引言

3.2 计算模型及求解方法

3.3 结果及分析

3.4 本章小结

4 具有催化反应边界的微小矩形通道内环状流传质及转化特性

4.1 引言

4.2 计算模型及求解方法

4.3 结果及分析

4.4 本章小结

5 具有催化反应边界的微小矩形通道内弹状流传质及转化特性

5.1 引言

5.2 计算模型及求解方法

5.3 结果及分析

5.4 本章小结

6 气-液-固三相膜催化微反应器内流动传质及转化特性

6.1 引言

6.2 计算模型及求解方法

6.3 结果及分析

6.4 本章小结

7 结论及展望

7.1 主要结论

7.2 后续工作的展望

致谢

参考文献

附录