多孔介质填充床中流体流动与化学反应过程分析

摘要

多孔介质存在广泛，关于多孔介质中传递过程的研究一直受到关注，对于伴有化学反应的多孔介质中的传递问题是主要研究方向之一。 填充床是一类典型的多孔介质，广泛应用于冶金和化工等领域中，其内部进行着复杂的传递过程和化学反应。本文以进行气固非催化反应的填充床反应器为研究对象，从连续介质假定出发，以守恒定律为理论基础，结合化学反应的宏观动力学及不可逆过程的唯象关系，建立描述填充床内流体流动与反应、扩散问题的通用数学模型。由于控制方程为非线性偏微分方程，且方程之间具有强烈的耦合关系，因此采用数值方法求解。本文采用有限容积法求解数学模型，应用MATLAB6.5语言编制计算程序。 通常对填充床反应器的研究中一般不考虑气体的压缩性，对一维模型的处理常采用活塞流假定。本文则首先考虑到气体的压缩性，并注意到影响气体压缩性的因素不只有压力的变化，还有因化学反应引起的气体组成的变化。针对不同的反应类型，在单个颗粒的综合反应为外扩散过程控制的前提下，分别建立了填充床中可压缩流体流动与反应、扩散问题的数学模型并求解。与不可压缩流体流动下的计算结果进行对比分析表明，两者之间差别较大，且这种差别随着操作参数的变化而有所增减。对于不同的反应类型，气体的压缩性对于流体流动和反应转化有不同的影响趋势。 了解填充床内各个变量的变化情况对于设计生产装置、分析生产过程和优化操作非常重要。因此本文又在考虑单个颗粒的综合反应为可逆化学反应控制的前提下，利用实验数据得到的动力学参数，建立了填充床内可压缩流体流动与反应、扩散问题的数学模型并求解，通过实例计算，分析了填充床内气体浓度与固相转化率的变化规律及影响因素。结果表明，颗粒半径和填充床反应器长度是影响反应器性能的两个最主要因素，其它因素的变化可集中反映在这两个参数上。选择适当的颗粒半径和反应器长度可加快反应进程和保证反应充分。对于不同的工程应用背景，填充床中的流体流速有所差别。本文首先是从最简单的流动状态入手，考虑流速较低、符合Darcy定律的情况，在对问题得出基本结论之后，再考虑流速较高的非Darcy流动情况。由于Darcy定律形式简单，能够与流体流动的连续性方程相结合，计算上相对简便，对于非Darcy流动，则需要对运动方程采用交错网格离散，应用SIMPLE算法求解。本文在最后建立了考虑惯性效应的高速流动情况下的数学模型并编程求解，将其与低速流动下的计算结果进行对比分析。结果表明，填充床两端压差越大或颗粒半径越大，或填充床反应器越短，两者之间的差别就越大。但从定性关系上来看，两者是一致的，各相关因素对反应转化的影响规律相同。

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及学位论文版权使用授权书

第一章绪论

1.1多孔介质的含义

1.2多孔介质中传递问题研究的意义

1.3多孔介质中传递问题的研究进展

1.3.1多孔介质中的传热传质

1.3.2多孔介质中的流体流动

1.3.3多孔介质中传递问题的研究方法

1.4填充床中的化学反应与传递过程

1.5本文的研究目的及主要内容

1.5.1研究目的

1.5.2主要内容

第二章数学模型的建立

2.1模型建立的理论基础

2.1.1表征多孔介质结构与性能的几个基本概念

2.1.2质量守恒方程

2.1.3动量守恒方程

2.1.4化学反应的宏观动力学

2.2物理模型

2.3数学模型

2.4小结

第三章数值计算方法

3.1数值方法简介

3.2数值计算步骤

3.2.1区域离散化

3.2.2控制方程离散化

3.2.3代数方程离散化

3.3离散方程的特性分析

3.4几点特殊说明

3.4.1边界条件的处理

3.4.2源项的处理

3.4.3控制容积交界处传递系数的确定

3.5小结

第四章气体的压缩性对填充床中流体流动与化学反应的影响

4.1前言

4.2单向气固反应

4.2.1不可压缩流体流动与反应、扩散问题的数学模型及求解

4.2.2可压缩流体流动与反应、扩散问题的数学模型及求解

4.2.3实例计算与分析

4.3双向气固反应

4.3.1不可压缩流体流动与反应、扩散问题的数学模型及求解

4.3.2可压缩流体流动与反应、扩散问题的数学模型及求解

4.3.3实例计算与分析

4.4小结

第五章填充床中可压缩流体流动与反应和扩散分析

5.1前言

5.2可压缩流体流动与反应、扩散问题的数学模型

5.3可压缩流体流动与反应、扩散问题的数学模型求解

5.4实例计算与分析

5.5小结

第六章考虑惯性效应的可压缩流体流动与反应和扩散分析

6.1前言

6.2考虑惯性效应的可压缩流体流动与反应、扩散问题的数学模型

6.3考虑惯性效应的可压缩流体流动与反应、扩散模型求解

6.4实例计算与分析

6.5小结

第七章结论

附录

参考文献

致谢