氣—固催化流化床反應器的多尺度CFD模型及在兩類典型反應體系中的模擬.pdf

1、氣固催化反應在化學工程領域中占據(jù)絕對的主導地位。流化床反應器以其高效的傳質(zhì)傳熱性能而受到人們青睞。隨著流化床技術的不斷革新與突破，氣固催化反應也越來越多開始采用流化床技術。然而氣固催化流化床反應器中的多尺度傳質(zhì)傳熱現(xiàn)象明顯，這制約著反應器的性能和反應器的進一步放大、開發(fā)和優(yōu)化，因此建立描述氣固催化流化床的多尺度耦合模型具有重要意義。
　　本文首先結合反應機理和參考文獻建立了介觀層次的顆粒模型，并對單個顆粒的催化反應性能進行分析。結

2、果表明:所建立模型的預測數(shù)據(jù)能夠與實驗數(shù)據(jù)定性吻合。隨著催化劑粒徑減小，在顆粒內(nèi)的各組分質(zhì)量分數(shù)梯度也相應降低。反應1的平均反應速率總低于表面反應速率，反應2則相反。反應2的反應速率隨粒徑增大而反常增大，這是由于存在顆粒內(nèi)熱擴散阻力的緣故。費克模型和Wilke-Bonsequet模型的計算結果對比表明努森擴散影響不大。模型簡化分析表明顆粒外擴散對模擬結果影響較小，而溫度變化影響較為顯著。
　　然后本文結合顆粒模型和歐拉雙流體模型建

3、立了氣固流化床的多尺度耦合模型。模型耦合假設的驗證分析表明所建立耦合模型是有效的。在模擬條件下流化床的流型屬鼓泡式流化床，由于顆粒較小而使得擴散效應不明顯。對流化床的影響因素模擬分析表明改變溫度對流化床內(nèi)反應影響最大，也對顆粒內(nèi)的擴散阻力影響最大。而催化劑粒徑對流化床內(nèi)反應影響最小，進料氣速對顆粒內(nèi)擴散阻力影響最小?？傊?，顆粒內(nèi)擴散阻力對流化床內(nèi)反應有一定影響(e.g.1-4％)，能在一定程度上改變反應進程。但是由于流化床的“自穩(wěn)定效應

4、”使得這種擴散阻力的影響被最大程度的削弱而表現(xiàn)并不明顯。
　　最后本文結合上述的耦合模型和顆粒粒群衡算模型建立起了更加完善的氣固流化床的多尺度耦合模型來模擬氣相丙烯聚合反應，這樣可以將顆粒的粒徑變化也納入考察范圍。對于生長核的分析表明由于顆粒內(nèi)外擴散阻力的相反作用相互平衡，使得耦合模型和簡單模型的模擬結果之間差別不大。對丙烯聚合流化床反應器的完整模擬進一步證明了這一點。對流化床的不同影響因素分析表明質(zhì)量擴散系數(shù)，導熱系數(shù)和不同初始