氧热法电石生产新工艺的反应器设计与性能模拟

摘要

电石是重要的化工基础原料，主要用于生产乙炔。所得的乙炔可以合成很多有机化合物，例如合成橡胶、人造树脂等;此外，电石乙炔化工也广泛应用于精细化工及冶金工业等。工业上合成电石的方法是电热法，但由于电热法存在着“高能耗、高物耗、高污染”问题，刘振宇等提出氧热法合成电石新工艺。基于此工艺体系的特点，本文分别开展了气流床反应器和复合床反应器设计和性能模拟研究，以期为此新工艺的工业化提供参考依据。
　　 首先，利用计算流体软件FLUENT考察了反应器中的单相流动特性，分析不同进气流量下气体轴向速度沿反应器高度以及径向的分布变化并用实验结果验证。结果表明:(1)在相同的进气流量下，反应段的速度比扩大段和预热段的气速大。在不同的进气流量下，随着进气流量的增大，气体轴向速度变大，但扩大段和预热段的增大趋势比反应段小。(2)在相同进气流量下，气体轴向速度沿反应器径向减小。
　　 其次，利用CFD软件FLUENT对已提出的气流床设计概念进行数值模拟，重点研究了体系的流动和传热特性和不同焦炭粒度对燃烧火焰中心的影响。结果表明:(1)气流床反应器的压力场、速度场和温度场分布合理。而在温度场中气流床内的反应段，气体温度局部达到3000K以上，电石合成反应可以在此区域发生。(2)焦炭的粒度增大，火焰中心达到的温度降低，火焰中心位置下移。120μm焦炭颗粒是一个分界点。自此增大焦炭颗粒粒度以后，其火焰中心的温度减小不明显，且火焰中心位置几乎不下移。适宜焦炭粒度为120μm。
　　 最后，对复合床反应器的流动性能和气流床段的颗粒沉降进行了研究，研究表明:(1)反应器的整体压力分布均匀，压降主要集中在反应段的氧气喷嘴处和固定床段。(2)反应段发生回流，气流床段中气体沿壁面向上运动，并与电石合成生成的CO汇合向反应器上部运动。(3)反应段的底部温度最高，达到2000～2300K，电石合成反应在此区域内发生。(4)随着原料球团颗粒粒度减小，颗粒在气流床段的停留时间增加显著。球团粒度需在30μm以上，才能有效避免颗粒发生气流夹带。(5)当原料球团颗粒为200μm时，气流床段高度约为6.25m，可以实现气固换热平衡。

目录

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学位论文数据集

摘要

第一章 文献综述

引言

1．1 我国电石行业的特点

1．2 电石的用途

1．3 电石的制备原理

1．4 电石的制备方法

1．4．1 电热法

1．4．2 氧热法

1．4．3 等离子体法

1．5 反应器设计

1．5．1 气流床反应器

1．5．2 复合床反应器

1．5．3 淤浆鼓泡床反应器

1．5．4 火焰中心对反应器运行的影响

1．6 研究方法

1．7 研究意义和内容

1．7．1 意义

1．7．2 主要内容

第二章 气流床单相流动的数值模拟与实验验证

2．1 几何模型

2．2 网格划分

2．3 反应器数学模型

2．4 边界条件

2．5 实验测量方法

2．6 实验结果与模拟的验证

2．6．1 进气流量对气体轴向速度沿反应器高度分布的影响

2．6．2 进气流量对气体轴向速度沿反应器径向分布的影响

2．7 本章小结

第三章 气固两相气流床反应器性能CFD模拟

3．1 模拟对象

3．2 CFD的求解过程

3．3 数学模型

3．3．1 模型假设

3．3．2 数学模型的选择

3．3．3 湍流流动模型

3．3．4 非预混燃烧守恒标量的PDF模型

3．3．5 辐射模型的选择

3．3．6 多相流模型

3．4 计算域及边界条件

3．5 结果与讨论

3．5．1 网格无关性

3．5．2 压力

3．5．3 气相速度场

3．5．4 气相温度场

3．5．5 焦炭粒度对火焰中心的影响

3．5．6 焦炭粒度对燃烧反应段火焰中心位置的影响

3．6 本章小结

第四章 复合床反应器流动和传热性能模拟

4．1 几何模型与假设

4．2 数学模型

4．3 计算域及边界条件

4．4 结果与讨论

4．4．1 压力

4．4．2 气相速度

4．4．3 气相温度

4．4．4 固体沉降时间

4．4．5 固相温度

4．5 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

攻读硕士学位期间取得的学术成果

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