结构化反应器中催化裂解反应特性的CFD模拟

摘要

乙烯和丙烯作为重要的石化产品之一，是生产聚乙烯和聚丙烯等的重要原料。近年来，随着人们对其下游衍生品的需求量不断增加，乙烯和丙烯的生产量和消费量也在快速增加。在传统的生产过程中，研究者通常使用提升管反应器，固定床反应器，流化床反应器，采用催化裂解的形式多产乙烯、丙烯。催化裂解过程中使用的固定床反应器存在严重的流体分布不均，反应器易堵塞，反应效率低下，催化剂易结焦易受损等问题。寻找一种更好的方法获得高产率的乙烯和丙烯显得尤为重要。　　结构化反应器在汽车尾气的处理应用当中，被制成催化转化器放于汽车尾气出口，取得很好的效果，这项技术应用最早并已经成熟。结构化反应器是由一排排相互平行的单直通孔道组成，催化活性组分以一层很薄的微米级的涂层形式涂敷在孔道的内壁。特殊的蜂窝孔道结构是结构化反应器所独有的一个特征，正是由于这个特征使得结构化反应器具有流体压力降低，特别是在高流体流量下，并且能够消除外部传质和内部扩散限制，具有轴向分散和回混低，因此产品选择性高，很多孔道加起来会有一个大的外表面，流量（气相）的均匀分布，无堵塞现象，从而能延长催化剂寿命并且具有容易放大等优点。可以从根本上解决固定床反应器中存在的问题。本文提出一种新的方法，将结构化反应器应用于催化裂解反应中，以考察结构化反应器用于催化裂解的可行性及其优势。　　以石脑油为原料，采用催化裂解六集总动力学模型，建立描述结构化反应器内催化裂解的反应器数学模型，并利用fluent14.5软件对结构化反应器内的石脑油催化裂解性能进行数值模拟。通过改变孔道直径、反应器长度以及反应器内温度、气体入口速率考察反应器结构尺寸和反应条件对目标产物乙烯、丙烯的收率及石脑油转化率的影响。结果表明，反应器孔道直径的增加，目标产物收率减小，反应器长度20mm时反应完全，升高反应温度和增大入口速率均有利于目标产物的生成。在入口温度680℃和入口速率0.4m/s条件下，基于表面反应的石脑油转化率92％，乙烯收率19.3％，丙烯收率23.1％。基于体积反应的石脑油转化率68.46％，乙烯收率15.4％，丙烯收率18.49％。而在相同反应条件下的固定床反应器中乙烯收率10.34％，丙烯收率13.32％，石脑油转化率72％。　　用三维模拟的方式考察孔道开口形状对反应的影响，结果发现，三角形的开口形状比圆形、四边形、六边形有更好的反应结果，但是压降要高很多，综合来说，开口形状为四边形时有更好的反应结果。另外，选取1/4整体式结构化反应器模型做三维模拟，其反应结果与二维的相差不多，这表明用二维模拟的方式去考察结构化反应器时可行的。　　采用数值模拟的方式计算停留时间分布，得出结构化反应器中流动状况接近平推流，基于表面反应的结构化反应器模型参数比基于体积反应的模型参数更大，这也解释了为什么表面反应比体积反应有更好的反应结果。利用停留时间分布密度函数、停留时间分布模型及六集总反应动力学模型推算石脑油的转化率、乙烯和丙烯的收率，发现其与模拟结果接近，这进一步证明了催化裂解反应模型选择的正确性。也说明了可用停留时间分布密度函数求解反应转化率和产物分布。另外将停留时间分布密度函数应用于更复杂的渣油催化裂解九集总动力学模型，得出渣油转化率为86.21％，乙烯和丙烯的产率为19.26％和10.21％。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 文献综述

引言

1．1 结构化反应器简介

1．1．1 结构化反应器研究发展过程

1．1．2 结构化催化剂

1．1．3 结构化反应器特点

1．1．4 结构化反应器的应用

1．2 结构化反应器流动特性

1．2．1 流动形态

1．2．2 停留时间

1．3 催化裂解反应动力学模型

1．3．1 催化裂解工艺

1．3．2 集总动力学模型

1．4 催化裂解模拟方法

1．4．1 CFD模拟软件的介绍

1．4．2 工作方法

1．4．3 CFD软件结构

1．4．4 CFD数值模拟流程

1．5 课题内容与研究意义

1．6 本章小结

第二章 CFD数值模拟方法及反应动力学

2．1 物理模型

2．1．1 单通道反应器结构

2．1．2 物理模型基本假定

2．1．3 网格划分

2．2 数学模型

2．2．1 基本控制方程

2．2．2 边界条件

2．2．3 网格无关性验证

2．3 反应动力学与模型参数

2．4 模拟计算求解方法

2．4．1 有限速率化学反应模拟方法

2．4．2 停留时间分布模拟方法

2．4．3 求解方法

2．5 本章小结

第三章 结构化反应器中石脑油催化裂解反应特性的数值模拟及优化

3．1 研究目的

3．2 操作参数的影响结果分析及优化

3．2．1 产物分布

3．2．2 入口气体流速的影响

3．2．3 裂解温度的影响

3．3 结构参数的影响及优化

3．3．1 孔道直径的影响

3．3．2 孔道长度的影响

3．3．3 催化剂涂覆方式的影响

3．3．4 孔道形状对反应结果的影响

3．4 与实验结果的对比

3．4．1 表面反应与固定床反应器结果对比

3．4．2 体积反应与固定床反应器结果对比

3．4．3 三者反应结果对比

3．5 与表面反应三维模拟结果的对比

3．5．1 整体式结构化反应器数值模拟结果

3．6 本章小结

第四章 结构化反应器中停留时间分布的数值模拟及应用

4．1 研究目的

4．2 停留时间分布函数

4．2．1 实验室测定停留时间分布

4．2．2 停留时间分布的函数特征

4．3 停留时间分布的数值模拟计算

4．3．1 基于表面反应的停留时间分布数值模拟

4．3．2 基于体积反应的停留时间分布数值模拟

4．3．3 停留时间分布数值模拟结果与讨论

4．4 模型验证

4．4．1 停留时间分布的应用

4．4．2 模型选择

4．4．3 计算过程

4．4．4 计算结果

4．5 停留时间分布应用于复杂的催化裂解反应

4．5．1 渣油催化裂解九集总动力学模型

4．5．2 重油催化裂解九集总动力学模型速率常数

4．5．3 流动模型的选择

4．5．4 计算结果分析与讨论

4．6 本章小结

第五章 结论与建议

5．1 结论

5．2 建议

参考文献

致谢

研究成果及发表的论文

作者及导师简介