气—固催化流化床反应器的多尺度CFD模型及在两类典型反应体系中的模拟

摘要

气固催化反应在化学工程领域中占据绝对的主导地位。流化床反应器以其高效的传质传热性能而受到人们青睐。随着流化床技术的不断革新与突破，气固催化反应也越来越多开始采用流化床技术。然而气固催化流化床反应器中的多尺度传质传热现象明显，这制约着反应器的性能和反应器的进一步放大、开发和优化，因此建立描述气固催化流化床的多尺度耦合模型具有重要意义。
　　本文首先结合反应机理和参考文献建立了介观层次的颗粒模型，并对单个颗粒的催化反应性能进行分析。结果表明:所建立模型的预测数据能够与实验数据定性吻合。随着催化剂粒径减小，在颗粒内的各组分质量分数梯度也相应降低。反应1的平均反应速率总低于表面反应速率，反应2则相反。反应2的反应速率随粒径增大而反常增大，这是由于存在颗粒内热扩散阻力的缘故。费克模型和Wilke-Bonsequet模型的计算结果对比表明努森扩散影响不大。模型简化分析表明颗粒外扩散对模拟结果影响较小，而温度变化影响较为显著。
　　然后本文结合颗粒模型和欧拉双流体模型建立了气固流化床的多尺度耦合模型。模型耦合假设的验证分析表明所建立耦合模型是有效的。在模拟条件下流化床的流型属鼓泡式流化床，由于颗粒较小而使得扩散效应不明显。对流化床的影响因素模拟分析表明改变温度对流化床内反应影响最大，也对颗粒内的扩散阻力影响最大。而催化剂粒径对流化床内反应影响最小，进料气速对颗粒内扩散阻力影响最小。总之，颗粒内扩散阻力对流化床内反应有一定影响(e.g.1-4％)，能在一定程度上改变反应进程。但是由于流化床的“自稳定效应”使得这种扩散阻力的影响被最大程度的削弱而表现并不明显。
　　最后本文结合上述的耦合模型和颗粒粒群衡算模型建立起了更加完善的气固流化床的多尺度耦合模型来模拟气相丙烯聚合反应，这样可以将颗粒的粒径变化也纳入考察范围。对于生长核的分析表明由于颗粒内外扩散阻力的相反作用相互平衡，使得耦合模型和简单模型的模拟结果之间差别不大。对丙烯聚合流化床反应器的完整模拟进一步证明了这一点。对流化床的不同影响因素分析表明质量扩散系数，导热系数和不同初始粒径都对后续的颗粒增长和粒径分布等有重要影响，其中质量扩散系数和不同初始粒径对颗粒在流化床内的粒径分布影响最大，导热系数的影响则不太明显。这表明颗粒内外的组分扩散行为主要受质量扩散阻力控制和本身粒径大小的限制。

目录

声明

摘要

前言

第一章 文献综述

1．1 多尺度现象概述

1．2 介观颗粒模型

1．2．1 单孔扩散

1．2．2 多孔扩散

1．2．3 颗粒外扩散

1．2．4 完整颗粒数学模型

1．3 宏观反应器模型

1．3．1 欧拉双流体模型

1．3．2 粒群衡算模型

1．4 微观草酸酯加氢反应

1．5 微观丙烯气相聚合反应

1．6 论文研究内容

第二章 单颗粒模型

2．1 概述

2．2 单颗粒模型方程

2．2．1 单颗粒物理模型

2．2．2 单颗粒数学模型及求解方法

2．3 单颗粒模拟结果与讨论

2．3．1 模型验证

2．3．2 不同粒径的场分布

2．3．3 不同质量扩散模型

2．3．4 温度分布和外扩散的影响

2．4 本章小结

第三章 单颗粒耦合流化床模型

3．1 概述

3．2 耦合模型方程

3．2．1 流化床物理模型

3．2．2 流化床通用数学模型

3．3 耦合求解方法

3．4 流化床边界条件及模型参数

3．5 耦合模型结果与讨论

3．5．1 模型鉴别与验证

3．5．2 流化床内场分布

3．5．3 耦合单颗粒模型对比

3．6 关键因素分析

3．6．1 催化剂粒径

3．6．2 进料气速

3．6．3 进料温度

3．6．4 初始床层高度

3．6．5 因素敏感性分析

3．7 本章小结

第四章 耦合模型用于丙烯聚合反应

4．1 概述

4．2 丙烯聚合模型方程

4．2．1 丙烯聚合流化床物理模型

4．2．2 丙烯聚合流化床数学模型

4．3 求解方法

4．4 丙烯聚合流化床边界条件及模型参数

4．5 丙烯聚合流化床模拟结果分析

4．6 不同因素分析

4．6．1 质量扩散系数

4．6．2 颗粒导热系数

4．6．3 初始粒径分布

4．7 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

主要符号说明

参考文献

硕士期间发表文章

致谢