微晶纳米铁基催化剂工艺优化与过程模拟

摘要

铁基催化剂是一种以Fe3O4为主要成分、添加少量K2O、Al2O3等氧化物的重要化工原料,具有强度高、抗毒性好、原料来源广的优势,在费托合成、合成氨工艺等领域有着广泛的应用.传统铁基催化剂采用熔融法制备,原材料经过高温熔化、快速凝固、破碎、碾磨、筛分、研制等工序制成一定尺寸的块状,存在着工艺过程复杂、冷却槽寿命短、成分偏析等不足,严重制约了铁基催化剂的转化效率.因此,开发一种适用于高温、高粘度无机非金属材料气雾化装置成为实现铁基催化剂制备技术革新的关键,具有重要的学术研究价值和广阔的市场应用推广意义.
　　本文在分析研究气雾化成形技术理论和铁基催化剂物理化学性能的基础上,探索了气液两相流的流动特征,通过建立气雾化成形的数学物理模型,研究无机非金属氧化物材料气雾化的机理,对雾化器的结构进行了优化设计,并采取FLUENT数值模拟软件对雾化器结构进行气雾化流场的分析.
　　为了优化铁基催化剂雾化制粉的工艺过程,本文在研究雾化机理的基础上,对雾化器的结构与尺寸进行了优化设计.采用限制式的环缝结构,有效地改善雾化效果,减少飞溅和堵塞现象;液流和气体出口处采用圆角过渡方式减少了能量的消耗;雾化器采用自由落体法的工作形式,提高了雾化效率和粉体球形度,极大地降低了能源消耗.
　　论文采用数值模拟方法探索了雾化喷嘴结构对雾化流体流动状态的影响,研究了双层喷嘴各流道中气流、液流的运动特征.研究表明,上层雾化器主要起到抑制回流、避免飞溅和对液流进行导流和保护的作用;下层雾化器承担雾化制粉功能,双层雾化器相比单层雾化器而言具有气流分布较为均匀、雾化区域的速度明显高于单层雾化器等特点,有效地提高了雾化效果.
　　为了改进高温液流的破碎效果,本文为新型雾化器设计了气室挡板,并对气室挡板的气流速度和分布进行了数值模拟.研究结果表明,气室挡板的存在使气体速度和压力增大,液体破碎速度更快,雾化效果明显,另外对雾化器内腔突起结构高度进行研究,实际结果是雾化器内腔突起结构高度为5mm雾化效果最好.
　　本文主要研究了上层雾化器与下层雾化器出气口夹角、双层雾化器出气口夹角、下层雾化器中心孔直径和主雾化器进气压力对雾化过程中流场分布的影响.研究结果表明,当上层雾化器出气口夹角为30°、下层雾化器出气口夹角为60°、下层雾化器装配距离位于导液管出口处上方5mm、下层雾化器中心孔直径为50mm时雾化效果最佳.另外在一定范围内,适当增加双层雾化器进气口压力可有效地改善雾化效果,但不宜过大,过大对雾化器性能要求更高,另一方面加大了气体消耗量.

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