催化裂解反应器内的多相反应流动数值模拟

采用欧拉-欧拉方法对催化裂解提升管反应器内的气固两相流动与催化裂解反应过程进行了研究,构建了12集总反应动力学模型模拟裂解反应过程,并使用焦炭生成量与催化剂质量比例函数来模拟催化剂失活动力学;考察了提升管轴向和径向的产物分布特征,分析了剂油比CTO、原料中沥青质含量和入口蒸气量对产物的影响。结果表明:产物和催化剂有壁面富集现象;随着CTO增大,反应器出口柴油比例减小,烯烃比例增大;原料中沥青质增大,出口烯烃产量降低,但影响较小;入口蒸气量越高,烯烃出口产量越低。     

双催化层固定床甲烷化反应器CFD模拟

温度分布直接影响着固定床甲烷化反应器的甲烷产量和设备安全性。以年产12.75亿立方煤制天然气绝热甲烷化反应器为研究对象,在建立真实设备三维模型的基础上,利用ANSYS-CFX有限元数值模拟的方法,建立多孔介质内化学反应、热交换与质量传递的气-固两相反应器模型,获得了双段固定床甲烷化反应器内部温度、压力、速度场的分布规律及甲烷产率分布。对不同床层结构对应的特征场分布进行了探索,分析了床层结构对各特征场分布的影响,确定了床层结构优化方案,MCR催化剂床层出口处支撑延长的结构更有利于温度场沿反应器径向的均匀分布和甲烷质量分数的提高。对反应器入口温度、空速、压力对特征参数分布的影响进行了研究,提出了针对本工艺的允许入口参数波动范围。     

基于Chimera网格的固定床反应器内局部流动模拟

采用基于三维Chimera网格的有限体积方法对球形颗粒随机填充的固定床内部小Reynolds数（9～50）下的局部流动进行了数值模拟。为了考察固定床内局部流动特点,本文模拟的固定床反应器的填充颗粒的数目较大,分别为120和500,直径比（固定床内径与填充颗粒直径之比）分别为7和10。由于计算量巨大,采用了基于PVM的分布式并行计算。模拟结果提供了固定床内局部流动的详细流场信息,显示了流动的不均匀性、壁面效应和沟流的存在。为固定床内进一步的流动与传热及反应耦合研究奠定了基础。     

甲醇反应器的CFD模拟与换热优化

混合气制备甲醇是目前较为常用的工业生产甲醇方法,利用CFD软件模拟甲醇的固定床反应器,在Fluent中输入主副反应的动力学,得到模拟结果并针对该强放热反应提出设备换热上的优化方案,在提高甲醇产量的同时,保证反应器内部有较高的正向反应速率。     

工业级错流列管式固定床反应器的CFD模拟

工业级大型列管式固定床反应器壳程温度场与流场的均匀程度与反应的转化率及选择性密切相关。通过添加阻力源项和分散热源项,对工业级全尺寸错流列管式固定床壳程流场及温度场进行了CFD模拟研究,并进一步考察了折流板窗口区大小及其位置对壳程压降与温度分布的影响。结果表明,模拟得到壳程压降与由经验公式计算得到的压降较为接近,且壳程温度分布与工业实际数据吻合;增大窗口区面积,壳程压降呈现指数下降,同时高温差区（径向温差大于2 K）的范围与径向温差变大;随着第1块折流板位置降低,高温差区范围及径向温差均减小,但压降并不呈现规律性变化。模拟方法可用于工业级大型列管式固定床反应器的优化及设计。     

曝气膜生物反应器的CFD模拟

利用Fluent软件对曝气膜生物反应器中气液两相流动进行模拟计算,探讨了进气气泡的直径、进气速度及膜纤维束的长度等因素对膜生物反应器内液体流动、气体分布的影响.结果表明,减小气泡的直径并适当增大进气速度、膜纤维束长度可以有效提高膜生物反应器内气体的分布和液体与气体的接触,从而促进气液两相进行高效的传质.     

搅拌反应器中计算流体力学数值模拟的影响因素研究进展

回顾了搅拌反应器中计算流体力学（CFD）数值模拟方法的研究历程,包括搅拌桨叶边界条件法、内外迭代法、滑移网格法、多重参考系法、快速照相法等方法;结合各种模拟方法的特点,对机械搅拌反应器数值模拟过程中的挡板的存在、尾涡的消除、复杂桨叶类型的模拟、网格精度的影响、湍流模型的选择、离散格式的差异等几个因素的影响作了分析。提出了搅拌反应器的CFD数值模拟仍有待深入研究。     

石脑油催化裂解结构化反应器反应特性的CFD模拟

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CFD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20 mm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0.4 m·s^-1条件下,石脑油转化率92%,乙烯收率19.3%,丙烯收率23.1%。而在相同反应条件下的固定床反应器中乙烯收率10.3%,丙烯收率13.3%,石脑油转化率80.0%。     

搅拌反应器内计算流体力学模拟技术进展

综述了计算流体力学(CFD)技术应用在搅拌反应器的进展情况。重点对搅拌反应器内流动场模拟的各种处理方法,包括"黑箱"模型法、内外迭代法、多重参考系法和滑移网格法,进行了介绍与评价,指出了各种方法所具有的特点及存在的问题。阐述了搅拌反应器内CFD技术的发展方向,并就国内的研究现状进行了简单概述。     

甲烷化反应器固定床层化学反应CFX模拟

针对煤制天然气甲烷化流程中的关键设备甲烷化第一反应器设备复杂强放热反应工艺条件,本文利用ANSYS CFX软件建立固定床层的多孔介质化学反应模型,按照达西定律并采用k?ε和k?ω双方程模型对固定床层复杂湍流流动、传热过程及反应过程,进行了跟踪模拟,得到了其多种气体组分温度分布,速度分布,压力分布及其组分浓度分布。研究结果表明ANSYS CFX软件在分析多孔介质化学反应模型方面的可行性,并为反应器的热力耦合分析、传热规律及反应器结构关系的研究及甲烷化反应器装置国产化开发奠定了坚实的基础,还为工厂设备维护、改造以及温度、流量控制提供了更多的理论指导。     

Immersed boundary method (IBM) based direct numerical simulation of open‐cell solid foams: Hydrodynamics

A sharp interface implicit immersed boundary method is developed and used for direct numerical simulations of the flow through open‐cell solid foams with a cellular structure. The complex solid structure of the foam is resolved on a non‐boundary fitted Cartesian computational‐grid. A single representative unit cell of the foam is considered in a periodic domain, and its geometry is approximated based on the structural packing of a tetrakaidecahedron. Simulations are performed for a wide range of porosities (0.638–0.962) and Reynolds numbers (0–500). Flow is enforced by applying a constant body force (momentum source) for three different flow directions along the {100}, {110}, and {111} lattice‐vectors. The drag force on the foam is calculated and a non‐dimensional drag/pressure drop correlation is proposed that fits the entire data set with an average deviation of 5.6%. Moreover, the accurate numerical simulations have helped to elucidate the detailed fluid‐solid interaction in complex porous media. © 2016 The Authors AIChE Journal published by Wiley Periodicals, Inc. on behalf of American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 63: 1152–1173, 2017     

利用Fluent软件对N_2O催化分解反应器数值模拟

为了设计N_2O催化分解反应器,运用Fluent软件对整体式分子筛催化剂进行数值模拟,考察孔密度和操作条件对整体式分子筛催化剂转化率的影响。结果表明,在相同温度下,N_2O的转化率随着催化剂孔密度的减小而降低。在反应器轴向距离120 mm处,气体反应最快;提高入口温度、浓度或降低空速,均有利于在较短的轴向距离内达到较高的N_2O转化率。在固定床反应器中,比较棒状催化剂和整体式催化剂中床层温度、反应转化率及轴向压降的变化规律,为整体式分子筛催化剂工业化设计提供理论基础。     

Analysis of mass transfer in a corotating disks catalytic reactor

The flow and mass transfer in a discontinuous reactor configuration consisting of a pair of corotating enclosed disks with a chemical reaction taking place at the disk surfaces have been analyzed. The calculated mass‐transfer efficiencies do not follow the expected dependence because the overall mass‐transfer process is not boundary‐layer controlled, especially at high Schmidt numbers. It has been found in all of the cases investigated that despite the fact that the reactant concentration is continuously dropping with time its spatial distribution, relative to the volume‐averaged value, becomes stationary after a short initial transient. This result implies that the mass‐transfer efficiency in the discontinuous reactor also becomes stationary and the resulting time‐independent value, , obtained either directly from calculation or from the fit of the collected results, provides a fairly good estimate of the reactor operation time needed to achieve the target reactant conversion. © 2014 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 61: 1015–1031, 2015     

催化裂化提升管反应器中颗粒聚团裂化反应的数值模拟

Behavior of catalytic cracking reactions of particle cluster in fluid catalytic cracking (FCC) riser reactors was numerically analyzed using a four-lump mathematical model. Effects of the cluster porosity, inlet gas velocity and temperature, and coke deposition on cracking reactions of the cluster were investigated. Distributions of temperature, gases, and gasoline from both catalyst particle cluster and an isolated catalyst particle are presented. The reaction rates from vacuum gas oil (VGO) to gasoline, gas and coke of individual particle in the cluster are higher than those of the isolated particle, but it reverses for the reaction rates from gasoline to gas and coke. Less gasoline is produced by particle clustering. Simulated results show that the produced mass fluxes of gas and gasoline increase with the operating temperature and molar concentration of VGO, and decrease due to the formation of coke.     

丙烷脱氢固定床反应器的动态模拟与优化

在丙烷脱氢制丙烯反应过程中,由于焦的沉积使催化剂活性不断降低,而且失活速度很快。本文建立了径向绝热固定床反应器丙烷脱氢 失活过程的动态模型,在Pt-Sn催化剂动力学基础上对脱氢过程进行了模拟和分析。得到了不同时刻反应器内的压力、温度、催化剂活性等的分布情况以及转化率、选择性、收率等的变化规律,并在分析反应器入口温度、流量及压力对过程影响的基础上对反应的操作条件进行了优化。     

一种新型裂解炉炉管强化传热数值模拟

利用计算流体动力学(computational fluid dynamic,CFD)方法对含新型内插件强化传热辐射炉管(fortified induced turbulence,FIT)进行了流体流动与传热特性的研究,采用RNG双方程模型求解了动量方程和能量方程,给出了FIT炉管内的流体流动和传热特性,包括速度场、湍动强度和温度场的分布;计算了FIT炉管的强化传热因子和压降。研究结果表明,FIT炉管内插件迫使流体流动由活塞流转变为旋转流,增强了流动湍流程度,符合流动-能量场协同理论,同时流体边界层由于FIT炉管的特殊结构而减薄。FIT炉管具有增强辐射传热、减薄边界层、增加比表面积和旋流增强等强化传热特性。相比于普通当量圆炉管,FIT强化传热炉管的整体传热能力提高了20%左右,证明该新型炉管强化传热效果显著,可以在工程实际中应用。     

催化裂化提升管反应器流动反应耦合模型研究进展

催化裂化(FCC)工艺在重质油轻质化过程中发挥着重要作用, 而FCC提升管反应器的模型化是催化裂化新工艺与新装备的开发、催化裂化装置稳定操作与生产调优等常需做的工作。本文首先根据流动模型与反应模型不同的集成方式对提升管反应器流动-反应耦合模型进行了归纳与分类, 并回顾了国内外流动-反应耦合模型的研究历程, 指出了耦合模型的发展趋势;随后对当前研究较多的计算流体力学(CFD)流动-反应耦合模型进行了较为全面的阐述, 包括对耦合模型的应用场合、模型求解解耦方法的研究情况等均作了介绍, 同时还分析了该类耦合模型所存在的不足之处, 并指出工业提升管反应器在线采样技术的开发在耦合模型的验证工作上的必要性;最后, 对FCC提升管反应器流动-反应耦合模型研究进行了总结与展望, 以期能够为FCC提升管反应器模型化新方法的提出以及耦合模型的验证工作等研究给予借鉴和指导。     

提升管反应器介尺度结构影响规律的数值模拟研究

提升管反应器存在典型的颗粒聚团介尺度结构,其分布特性对气固流动、反应有重要影响,对介尺度结构影响规律进行分析有助于为反应器的设计与优化操作提供基础信息。采用基于能量最小多尺度（EMMS）方法的曳力模型建立了提升管气固两相流动模型,考虑了颗粒聚团对气固相间动量传递的影响。此外,进一步通过考虑颗粒聚团的存在以及颗粒聚团的非均匀性对化学反应的影响,提出了描述介尺度结构对反应速率影响的修正因子,与气固流动模型进行耦合,建立了基于介尺度结构的流动-反应综合数学模型,并进行了模型验证。进一步应用该模型,对工业催化裂化提升管反应器的流动-反应特性进行了模拟分析。结果表明,该模型可以合理描述提升管气固相互作用,能够预测出壁面附近存在较多介尺度结构的分布特性,由于聚团的存在使得重油组分难以与催化剂充分接触,生成汽柴油的反应速率较低,转化较慢,聚团的分布特性导致靠近边壁处的重油组分浓度较高,汽柴油组分浓度较低;汽柴油在聚团内部的流动阻力较大,在聚团内发生过量的二次反应生成较多焦炭,导致壁面处焦炭浓度较高。与传统基于平均化而未考虑聚团影响的模型相比,基于介尺度结构的模型所预测的汽油收率最佳值与工业实际相接近。因此,基于介尺度结构的流动-反应综合数学模型可以合理描述提升管内进行的流动-反应耦合特性,并能揭示介尺度结构对催化裂化反应过程的影响,有望为工业提升管装置反应终止剂技术的开发提供重要的基础信息。