煤加氢等离子体反应器性能的研究

摘要

氢等离子体反应器内流体流动与传热性能的研究，对于创造氢等离子体裂解煤制乙炔所需的反应条件、反应器的优化设计以及工业化应用具有重要的现实意义。 由于现有的检测技术手段还无法准确测量出氢等离子体射流的温度分布与速度分布，因此，本文首先对氢等离子体发生器出口处的温度与速度进行了理论计算。在必要的简化假设前提下，通过联立热力学基本方程组与化学平衡系数统计表达式，求解得到氢等离子体解离度与平衡温度的关系式；联立能量守恒定律与理想气体状态方程，计算求得多种计算工况条件下氢等离子体发生器出口处的平衡温度和平均速度(对应于反应器的入口温度与速度)。接着，进行数值模拟时根据实验中氢等离子体反应器不同的进气混合方式，将反应器分为入口段混合的A型反应器与混合段混合的B型反应器。通过几何模型的网格划分、数学模型的建立、氢等离子体物性和边界条件的确定以及方程求解方法的选用，本文分别对这两种混合方式的反应器进行数值模拟，计算得出反应器内的速度分布场、温度分布场以及压力分布场，并对其进行了对比分析；另外，通过定义能反映氢等离子体反应器性能优劣的三个参数：有效容积系数η有效长度系数η和回流区系数m，对比分析了这两种混合方式对反应器性能的影响，得出结论：入口段混合的A型反应器性能优于混合段混合的B型反应器；在此基础上，选用A型反应器，研究了突扩比D1/D2对该反应器性能的影响，得到结论：反应器的突扩比D1/D2越小反应器性能越高。另外，典型工况模拟分析说明：速度为50m/s的载气与氢等离子体射流混合较好；最后，根据氢等离子体裂解煤制乙炔的中试规模实验要求，设计加工并调试完成一套完整的煤制备乙炔的实验系统。实验前，首先对各主要实验子系统进行调试，接着待实验总系统联调至稳定运行状态时，将煤粉喷入氢等离子体反应器中并运行15min的实验，实验完毕后对这两种混合方式的裂解后煤粉取样与裂解前的煤粉作粒径对比分析。实验结果表明：采用入口混合方式的A型反应器性能要优于采用混合段混合的B型反应器。同时，也证实了数值模拟结论的正确性。

目录

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第一章绪论

1.1热等离子体裂解煤制乙炔的研究背景及意义

1.2热等离子体在煤裂解中的应用

1.2.1氩气和氢气热等离子体裂解煤制乙炔

1.2.2水蒸气热等离子体裂解煤制合成气

1.2.3氮气热等离子体裂解煤合成氰化氢

1.2.4热等离子体裂解煤合成烃类化合物和含氧化合物

1.3热等离子体裂解煤制乙炔的研究进展

1.3.1国外研究状况

1.3.2国内研究状况

1.3.3存在的问题

1.4课题研究的提出和内容

1.5论文创新处

第二章热等离子体裂解煤制乙炔工艺

2.1热等离子体裂解煤制乙炔研究

2.1.1氢等离子体裂解煤制乙炔基本原理

2.1.2热等离子体裂解煤制乙炔C-H平衡体系的研究

2.1.3热等离子体裂解煤制乙炔反应机理

2.1.4热等离子体裂解煤制乙炔的动力学分析

2.1.5热等离子体裂解煤制乙炔产率的影响因素

2.2等离子体反应器

2.2.1等离子体下行床反应器

2.2.2等离子体下行床反应器的特点

2.2.3下行床反应器的传热传质特性

2.2.4等离子体反应器的结焦

2.2.5氢等离子体反应器模型

2.3氢等离子发生器出口温度与速度的确定

2.3.1氢等离子体发生器出口处的温度估算

2.3.2氢离子体发生器出口处的速度估算

2.3.3求解结果和讨论

2.4本章小结

第三章氢等离子体反应器的数值模拟

3.1湍流的数值模拟

3.1.1直接数值模拟(DNS)

3.1.2大涡模拟(LES)

3.1.3 Renolds平均法(RANS)

3.1.4壁面函数法

3.2控制方程的求解

3.2.1求解域的网格化

3.2.2控制方程的离散化

3.2.3离散化方程的求解

3.4初步数值模拟

3.4.1网格划分

3.4.2数学模型

3.4.3边界条件

3.4.4物性参数的确定

3.4.5方程求解

3.4.6初步模拟结果

3.5本章小结

第四章煤加氧等离子体反应器的性能分析

4.1反应器性能参数

4.2两种反应器的性能对比分析

4.2.1反应器性能曲线

4.2.2结论

4.3典型工况模拟结果分析

4.3.1温度分布

4.3.2速度分布

4.3.3压力分布

4.4反应器的结构改进

4.5本章小结

第五章氢等离子体裂解煤制乙炔的实验研究

5.1实验装置系统

5.2主要实验系统的调试

5.2.1等离子体发生器系统

5.2.2煤粉输送子系统

5.2.3诊断测量系统

5.2.4等离子体电源子系统

5.2.5实验装置系统联调

5.3实验过程

5.3.1实验方法

5.3.2实验条件

5.3.3实验步骤

5.4实验结果与分析

5.5实验结论

5.6本章小结

第六章全文总结与研究展望

6.1全文总结

6.2研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢