探索强吸放热催化反应固定床集成工艺的数值模拟与优化

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1、北京化工大学硕士学位论文强吸/放热催化反应固定床集成工艺的数值模拟与优化姓名：焦国凤申请学位级别：硕士专业：化学工艺指导教师：刘辉20040528北京化工土学硕士学位论文强吸／放热催化反应固定床集成工艺的数值模拟与优化摘要结构化催化剂是一种规整结构的催化剂，由于它几何比表面积大、传递性能好、压降低，因而在环境污染控制领域早已应用。将这种优良的传递性能用于化工领域中如强吸热反应与强放热过程的耦合中，可以大大提高热效率，减小反应器尺寸，实现流程集成，达到过程强化的目的，因而在国际范围内已引起了高度重视。本文首先建立了蜂窝体催

2、化燃烧反应器模型，使用有限体积法求解模型方程组，模拟了蜂窝体催化燃烧剂内发生催化燃烧反应时单通道内的流动、传热和传质性能。求解结果与文献值对比，验证了模型及数值方法的可靠型；基于模拟结果分析了进口浓度、进口温度、进口流速和催化剂活性等参数对流动性能和传热、传质性能的影响。研究表明，反应器单通道内的速度分布仍为抛物线型；对压降的模拟结果与哈根一泊谡叶方程的计算结果的比较表明，后者用于反应器压降设计偏差较大，文中分析了产生偏差的主要原因：此外分析了Nu数(sh)与Gz数的关系，发现Nu数的值与其他反应条件如进口浓度、进口温度

3、、进口流速和催化剂活性有依赖关系。其次，建立了平板式吸／放热耦合反应器模型，使用了有限体积法求解模型，模拟了反应器内发生化学反应时的流动，传热和传质特性。基于模拟结果讨论了催化剂活性、固体壁导热系数以及反应物流率对反应器性能的影响。结果表明，催化剂负载量是一个重要变量，必须仔细调整其值才能避免出现热点并获得满意的转化率；金属固体壁导热性能好可大大提高反应器的热效率，反之，会导致反应器内出现热点，还会增大轴向和径向的温度梯度。关键词结构化催化剂，结构化反应器，吸／放热反应耦合，数值模拟，计算流体力学北京化工大学硕士学位论文

4、NUBERICALSIⅫⅡ，Arl0N0FFIXED．BEDREACTORCOUPLINGEXOTHEMALWITHENDOT既MALCATALYTICREACTl0NSABSTRACTMonolithiccatalysts，whichareuni—bodystructurescomposedofinterconnectedcellsorchannels，arewidelyusedinenvironmentalapplicationsbecauseoflowpressureandhi曲gasfluxes，andincre

5、asinglyinmanynewreactorapplicationsuchaschemicalandrefiningprocess，catalyticcombustion，amongstothers．Inthispaper,first，reactiveflow,masstransferandheattransfercharacteristicsofahoneycombcatalyticreactorwerestudiedunderreactioncondffionswiththecatalyticcombustiono

6、fmethaneasamodelreaction．Atwo．dimensionalreactormodelincludingasetofcoupledbalanceequationsofmass，heatandmomentumtransportissolvedbyutilizingtheCFDmethod．Thereactormodelistestedagainstavailabledatareportedintheliteratureandagoodagreementisfound．Basedonthesimulmio

7、nresults，effectsofprocessparameterssuchasfeedcomposition，inletvelocity,inlettemperatureonreactiveflowsareinvestigated．Theresultsshowthatunderthesimulatedconditions，thevelocityprofilesinchannelsareparabolicasinthecaseoflaminartubeflows，andradicaltemperatureandconc

8、entrationgradientsissmaller．ComparisonsofthemodelpredictionwithevaluatedvaluesoftheconventionalHagen—PoiseuilleequationshowsthattheHagen-Poiseuilleequationunde