强放热/强吸热耦合催化反应工艺的数值模拟
本文首先提出了一种通过加入高热导性的多孔介质改善强放热气-固催化反应传质性能的新型金属基结构化催化反应器新思路，并选择了甲烷催化燃烧反应体系通过计算流体力学(CFD)模拟验证其可行性；基于模拟结果分析了浓度、温度、流速分布的基本特征，流体和多孔层表面之间以及多孔层内部的传质特征及进口参数对传质性能的影响。研究表明，该设计可以减小外部膜传质阻力，并且，由于多孔介质层中粘性流的作用改善了多孔固体活性层中的传质特性，提高催化剂有效因子。甲烷的进口浓度以及混合气进口温度和速度对催化剂内、外传质影响很小。
其次，建立了耦合吸/放热反应的圆管式轴对称二维反应器模型，以甲烷催化燃烧反应和甲烷二氧化碳重整反应为目标体系，通过有限体积法和SIMPLE算法求解模型，得到了反应器内发生化学反应时的温度、浓度、速度分布及传热和传质特性。基于模拟结果讨论了反应器设计参数—如径向距离、导热系数及燃烧侧进口参数、重整侧甲烷、二氧化碳进口摩尔比--对反应器性能的影响。结果表明：反应器径向距离是影响反应器性能的关键因素，径向距离大将导致组分及热量的传递不良，从而降低反应器性能，此时提高管壁导热性能对反应性能没有改善；燃烧侧操作参数对反应器影响较小。
最后，在耦合吸/放热反应的圆管式反应器内管管壁两侧加入多孔介质层，建立轴对称二维反应器模型，考察了多孔固体层参数对反应器性能的影响。结果表明，当反应器径向距离较大，加入多孔介质层较厚时，重整侧甲烷转化率较低，减小径向距离和多孔层厚度可以显著提高转化率，但仍低于同条件下未加入多孔层时的转化率。
结构化催化剂;结构化反应器;数值模拟;计算流体力学;催化反应工艺;强吸热反应;强放热反应;耦合反应
北京化工大学
硕士
化学工艺
刘辉
2006
中文
TQ032
85
2006-11-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）