醋酸乙烯固定床反应器流动、传热与反应过程CFD研究

摘要

醋酸乙烯是一种重要的有机化工原料，主要用于生产聚乙烯醇。乙烯气相法合成醋酸乙烯的工艺具有产品质量高、环境危害较小等优点，在醋酸乙烯工业中占据主导地位。乙烯气相法合成醋酸乙烯一般采用列管式固定床反应器，该类反应器具有良好的移热能力，被广泛应用于强放热反应过程。但是醋酸乙烯合成反应器床层孔道相互交错联通，结构十分复杂，其内部流场特征及传递特性尚不清楚，设计或操作不当会引起选择性降低、催化剂烧结失活等问题，因此对该反应器内的流动、传热与反应过程进行系统地研究十分必要。 本文首先通过离散元法（DEM）模拟催化剂颗粒在反应管内的填充过程，构建床层结构模型。在此基础上采用计算流体力学（CFD）方法，对反应气体在床层内的流动过程进行模拟。进一步通过在颗粒内设置催化反应动力学模型，模拟反应管内的反应与传热过程。论文研究了反应管内的床层结构、流场特征、床层压降、温度分布、浓度分布及粒径与操作条件对反应过程的影响规律，研究结果可用于指导醋酸乙烯列管式固定床反应器的开发设计和生产过程操作。 DEM构建床层结构的模拟结果表明，床层的局部空隙率沿径向从壁面到床层中心振荡减小，说明受到了壁面效应的影响。流场分析结果显示，床层内流体的流动方向包括轴向、径向和周向；流动区域分为高速区、低速区和回流区，与传统固定床模型假设的平推流有较大差异。本文模拟的反应管入口段范围内，床层温度从管壁向中心沿径向逐渐升高，温度梯度沿着径向逐渐减小；床层中心区域温度沿轴向逐渐升高。在模拟范围内，床层的底部中心区域的颗粒温度最高，该区域的温度与管壁温度相差5.54K。随着反应管延长，此温差会在一定范围内增大，可能造成催化剂烧结失活。研究结果表明，适当增大催化剂粒径有利于减小床层压降、改善传热效果、提高催化剂对醋酸乙烯的选择性，较优的催化剂颗粒粒径为5mm。适当增大入口速度，有助于促进管内反应热的移出。升高反应温度的有助于提高乙烯的转化率，但引起反应管内的温升增大、醋酸乙烯选择性降低。通过在原料中添加氮气的方式可缩小乙烯的爆炸浓度区间，可以提高原料气中的氧气含量，有助于提高乙烯的转化率和醋酸乙烯选择性。

目录

第1章 文献综述

1.1 课题背景

1.1.1 醋酸乙烯的国内外发展现状

1.1.2合成醋酸乙烯的工艺流程

1.1.3 乙烯法的固定床反应器

1.2 研究进展

1.2.1 乙烯法合成醋酸乙烯的反应过程

1.2.2 乙烯法合成醋酸乙烯的催化剂

1.2.3 列管式固定床反应器的管内研究

1.3 本文的研究内容及意义

第2章 计算流体力学的模型与方法

2.1 计算流体力学（CFD）简介

2.2 离散单元法（DEM）简介

2.3 CFD控制方程与反应动力学

2.3.1 模型假设

2.3.2 控制方程

2.3.3 反应动力学方程

2.4湍流模型与近壁面模型

2.4.1 湍流模型

2.4.2 近壁面处理

2.5计算流体力学的求解过程

2.6 本章小结

第3章 床层结构分析与流场模拟

3.1 基于DEM的催化剂装填

3.1.1 空隙率沿径向分布

3.1.2 空隙率沿轴向分布

3.2 流体域模型

3.2.1 物理性质和边界条件

3.2.2 网格无关性考察与模型验证

3.3 反应管内的流场特性

3.3.1 流场分布

3.3.2 层流和湍流的流场特性

3.3.3 粒径对速度的影响

3.4 反应管内的床层压力降

3.4.1 流体的压力分布

3.4.2 粒径对床层压降的影响

3.5本章小结

第4章 反应管内的传递与反应过程模拟

4.1 温度场和浓度场

4.1.1 温度分布

4.1.2 浓度分布

4.1.3 反应速率分布

4.2床层结构对反应器性能的影响

4.2.1 单一粒径

4.2.2 复合堆积

4.3操作条件对反应器性能的影响

4.3.1 入口速度的影响

4.3.2 反应温度的影响

4.3.3 原料气配比的影响

4.4 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

符号说明

发表论文和参加科研情况说明

致谢