生物燃油催化加氢制烃类燃料反应器设计及理论研究

摘要

将秸秆等农林废弃物通过无氧中温闪速裂解的方式制取清洁可再生液体能源的研究在中国正快速发展，其产品生物燃油正在锅炉、陶瓷、冶金等众多工业加热领域中得到应用。但由于生物燃油的热值较低，加之特殊的理化性质，使其尚不足以在交通运输业的内燃型动力机械中直接使用。通过催化加氢的方式可以对生物燃油进行提质改性，并能得到品质与石油类产品相当或接近的烃类燃料，其研究具有重要现实意义和减排环保意义。但目前这项研究大多处于实验室阶段，而石油工业中的加氢反应器又不能直接用于生物燃油的加氢裂解生产，因此迫切需要研究开发一种适用于生物燃油催化加氢生产烃类燃料的专用反应装置。
　　针对上述需求，本文在综合研究、分析生物燃油的理化特性的基础上，结合国内外有关生物燃油催化加氢的研究，对生物燃油催化加氢制备烃类燃料的技术要求、工艺条件与总体方案进行研究和探讨。提出一种适用于生物燃油催化加氢制备烃类燃料的整体模式，包括催化剂的选择和廉价氢的获得方式，试图为秸秆的燃油化、石油化发展及其工程化开发和生产提供指导或参考。
　　研究生物燃油在不同反应条件下催化加氢的产物比例及性质，确定生物燃油加氢反应器的反应温度、压力以及催化剂用量与结构形式等参数，在此基础上，研究、设计出一种年产烃类燃料5000t的生物燃油催化加氢反应器;同时依据反应器的设计产能与工作条件，确定主反应器的结构参数，并利用SolidWorks软件对反应器进行结构建模。
　　利用ANSYS/Fluent流体分析软件对反应器入口段生物燃油纯液相的单相流动状态进行模拟研究:通过截取不同截面上的压力分布与速度分布对传统入口扩散器的分配特性进行分析研究，对其结构进行优化;对比经过几种优化结构扩散器的生物燃油在目标截面的速度对称性与均匀性，对新型入口扩散器的分配性能进行评价并确定最优结构。最后本文利用经验推算的方式对催化剂床层中压力降与传热系数进行理论研究，并提出床层压力与温度的控制方案。

目录

摘要

1 绪论

1．1．1 生物质能源利用现状

1．1．2 生物质热解制备液体燃料

1．2 生物燃油的提质

1．2．1 生物燃油催化加氢的研究现状

1．2．2 生物燃料的发展现状与趋势

1．3 几种工业反应器结构介绍

1．3．1 鼓泡式流化床反应器

1．3．2 循环流化床反应器

1．4 大型加氢反应器的研究现状

1．5 本文的研究意义

1．6 本文的主要研究内容

2 生物燃油催化加氢与反应器结构设计

2．1 生物燃油催化加氢

2．1．1 生物燃油的理化特性

2．1．2 生物燃油的催化加氢过程

2．2 催化剂的选择与反应物的相关计算

2．2．1 生物燃油加氢催化剂的选择

2．2．2 耗氢量与氢气来源

2．3 以秸秆利用为中心的新农村循环模式

2．4 生物燃油催化加氢系统工艺流程

2．5 主反应器总体设计

2．5．1 反应器总体方案设计

2．5．2 入口扩散器设计

2．5．3 分配盘结构设计

2．5．4 催化剂床层方案设计

2．5．5 冷氢结构设计

2．6 主反应器结构设计

2．6．1 催化剂用量与结构设计

2．6．2 床内径与催化剂床层高度计算

2．6．3 反应器壁厚设计与校核

2．7 本章小结

3 反应器入口流体流动性分析

3．1 反应器入口扩散理论

3．2 CFD数值计算方法

3．2．1 基本流动方程

3．2．2 湍流模型

3．2．3 CFD求解过程

3．3 反应器入口压降的理论计算

3．4 基于FLUENT的入口流体仿真

3．4．1 入口扩散器模型建立

3．4．2 边界条件与参数设定

3．5 仿真结果与分析

3．5．1 整体压力与速度分布

3．5．2 中心轴上不同高度处的压力与速度

3．5．3 出口截面的压力与速度

3．6．1 出口截面的速度分布

3．6．2 速度的对称性与不均匀度

3．7 本章小结

4 反应器催化剂床层压力、温度及其控制方法

4．1 生物燃油在催化剂床层间流动特性

4．2 催化剂床层压力降的理论计算

4．2．1 Ergun公式的压降计算

4．2．2 Larkin经验关联式压降计算

4．2．3 基于Fluent多孔介质模型对床层压降模拟

4．3 催化剂颗粒与流体之间的热传递

4．3．1 颗粒与流体间传热系数推导

4．3．2 颗粒与流体间传热温差的计算

4．4 系统中的压力与温度控制方案

4．4．1 压力控制

4．4．2 温度的测量与控制

4．5 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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