径向移动床反应器及其用于催化裂解反应的CFD模拟

摘要

径向移动床反应器由于具有压降低、流体处理量大、弹性可调的催化剂颗粒停留时间以及能实现连续操作等优点，目前被用于催化剂单程使用周期较长的轻质烃催化裂解制低碳烯烃工艺。然而复杂的径向移动床反应器结构及催化裂解反应通常会导致该类反应器在轴向与径向出现流体传递（流动、传热）与反应不均的现象。因此，建立径向移动床反应器气-固两相流模型，剖析反应器中流体流动特性及反应器中轻质烃催化裂解反应行为对反应器的选择和优化具有重大的意义。
　　本文首先建立冷态操作下环形径向移动床反应器内部气-固两相流的完整三维CFD(Computational Fluid Dynamic)模型，采用该模型模拟了不同流型下反应器内部的两相流流动特性。模型模拟表明:运用两相流模型相对于单相流模型预测的反应器轴向非均匀性能更好的与实验数据吻合。无论是离心流还是向心流环形径向移动床反应器，反应器中均存在流体流动不均的现象。相比较，离心流反应器中流体流动更均匀。此外，模型模拟也表明:床层空隙率显著影响反应器中流场分布，床层空隙率越大，流场分布越不均匀。进一步，入口气相流速的大小直接影响着反应器中空腔现象的形成，随着时间的推移，空腔呈现一个“形成-增长-塌落”的过程，且入口气速越大，空腔尺寸越大。
　　其次，在上述冷模模型基础上，耦合C4烃催化裂解的六集总动力学模型建立了热态操作下的CP-z型环形径向移动床反应器内部两相流传递与催化裂解反应的CFD模型，采用该热模模型优化了反应器的操作条件与内部结构。模型模拟表明:CP-z型环形径向移动床反应器床层中气固两相具有较好的热传递性能，沿反应器轴向催化剂床层中温度及各组分产率/转化率分布存在一定的不均匀分布，在反应器中下部尤为严重。反应温度相对于原料稀释比及反应停留时间而言，对目的产物丙烯、乙烯的产率分布影响较大。催化剂初始温度为923.15 K，反应温度为909.89 K，原料稀释比为3左右，催化剂床层厚度为0.119 m-0.139 m时能获得较高的低碳烯烃产率。此外，模型模拟也表明，环隙管采用倒锥形结构不仅能改善反应器中流场分布均匀性，还能提高低碳烯烃的产率。
　　最后，本文还采用基于欧拉-欧拉两相流CFD模拟方法对矩形径向移动床反应器气-固两相流流体的流动行为进行了模拟研究。模型模拟表明:对于矩形径向移动床反应器而言，随着表观气速的增大，在床层上部会出现空腔现象，且空腔尺寸随着表观气速的增大而增大。床层空隙率及料封高度是影响空腔现象形成的关键因素，适当的增大床层的空隙率及采用较高的料封高度均能缓解空腔的形成，保证操作的稳定性。此外，径向移动床反应器床层采用梯形结构相对于矩形结构而言，能在一定程度上抑制空腔的形成。

目录

声明

摘要

前言

第一章 文献综述

1．1 概述

1．2 径向移动床反应器简介

1．3 径向移动床反应器流体流动特性

1．3．1 径向移动床反应器中气体流场特性

1．3．2 空腔和贴壁现象

1．4 气固两相流数值模拟方法

1．4．1 离散颗粒模型

1．4．2 欧拉双流体模型

1．5 催化裂解反应动力学模型

1．5．1 重质油催化裂解集总动力学模型

1．5．2 轻质烃催化裂解集总动力学模型

1．6 论文研究内容

第二章 两相流模型环形径向移动床反应器流体流动特性的模拟

2．1 概述

2．2 模型的建立

2．2．1 环形径向移动床反应器物理模型

2．2．2 CFD模型控制方程

2．2．3 边界条件及模型参数

2．3 结果分析与讨论

2．3．1 网格独立性分析与模型验证

2．3．2 环形径向移动床反应器内流场分布

2．3．3 床层空隙率对反应器中流场分布及流体流动均匀性的影响

2．3．4 环形径向移动床反应器中空腔现象

2．4 本章小结

第三章 环形径向移动床反应器轻质烃催化裂解制低碳烯烃的CFD模拟及优化

3．1 概述

3．2 CFD热模模型

3．2．1 C4混合烃催化裂解六集总动力学模型

3．2．2 组分输运方程和气固间能量传递方程

3．3 模拟方法及模型的设置和参数的选择

3．4 结果分析与讨论

3．4．1 模型验证

3．4．2 反应器中热量传递特性及组分浓度分布

3．4．3 工艺条件的优化

3．4．4 反应器结构的优化

3．5 本章小结

第四章 基于欧拉双流体模型的矩形径向移动床反应器气固两相流动行为的CFD模拟

4．1 概述

4．2 矩形径向移动床反应器模型

4．2．1 反应器物理模型

4．2．2 模型控制方程及边界条件

4．3 结果分析与讨论

4．3．1 模型验证

4．3．2 矩彩径向移动床反应器中流体流动行为分析

4．3．3 床层空隙率及料封高度对流体流动行为的影响

4．3．4 径向移动床反应器结构优化

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

主要符号说明

硕士期间发表文章

致谢