催化重整固定床反应器传递及反应过程的数值模拟

 全面系统地分析了催化重整固定床反应器(Catalytic reforming fixed bed reactor, 以下简称CRFBR) 内物料的流动、传热、传质和重整反应等过程及各过程之间强烈的相互作用,以流体力学的基本微分方程为基础, 考虑流体的湍流流动和多孔介质内流体流动、传热、传质等过程, 结合催化重整集总反应动力学模型,建立了CRFBR传递及反应过程的综合数学模型,并给出了模型求解的边界条件和相应的数值计算方法. 模拟计算得到了反应器内轴向和径向速度场、压力场、温度场和组分浓度场的详细信息,揭示了各种过程之间的内在规律和相互作用. 结果表明, 径向反应器床层中上部,沿流程方向,单位厚度上的床层温降逐渐变小; 轴向上压力梯度很小, 温度梯度较明显. 径向反应器床层底部流体流动不均匀,出现“冷点”. 用工业装置数据对模型进行了验证, 两者基本吻合, 验证了模型的合理性.     

FCC汽油加氢脱硫四集总反应动力学数值模拟

采用欧拉多相流模型、四集总反应动力学模型、多孔介质传热模型和层流有限速率模型,对FCC汽油加氢脱硫反应器内的多相流动、反应和传热进行了数值模拟计算,考察了多孔介质床层的速度场、温度场、脱硫率和影响脱硫率的各操作参数。结果表明,多相流和传热模型的选取、集总参数的求解和等价反应模型的设置能够较准确地描述三相流动状态及温度分布状态,四集总反应动力学模型结合层流有限速率模型能较准确地模拟计算脱硫率高达94%(质量分数)的深度脱硫过程。在该模型良好的适应性和外推性的基础上,计算了体积空速、反应压力和氢/油体积比3个操作参数对FCC汽油加氢脱硫率的影响。     

大型轴向固定床反应器中流体流动的数值模拟

根据固定床反应器内液体的流动特性建立了统一模型控制方程组,提出一种对各相同性或异性多孔介质的平方阻力系数进行估算的方法,对大型固定床反应器中液体通过入口分布器及多孔介质的流动问题进行数值计算。计算结果表明,入口分布器和惰性填料可使反应器内液体流动的均匀性得到明显改善;入口分布器顶部开孔对催化剂床层内液体流速径向分布影响较小;降低分布器高度未对液体流速径向分布产生明显的影响;反应器底部装填瓷球等填料虽有利于改善反应器自由空间区的流体流动的均匀性,但对液体在床层内的流动影响不大。     

滴流床反应器数值模拟的研究进展

系统介绍了滴流床反应器数值模拟的多相流、多孔介质、动量传递、热量传递、质量传递等数值模型及各模型的特点和应用范围,综述了国内外使用数值模拟方法研究滴流床反应器性能、气液分布器、化学反应的最新进展。指出对滴流床反应器基本物理模型,如多相流模型、多孔介质模型和动量传递模型的研究较为完善,而传热传质模型和化学反应的数值模拟等研究领域相对薄弱。提出了研究滴流床反应器数值模拟过程中存在的问题以及未来的研究趋势。     

新型热管醚化反应器的数值模拟与分析

通过对热管醚化反应器的传热、传质过程的分析,建立了描述催化反应特性的拟均相二维数学模型.利用该模型预测了反应器进料温度、液相体积空速、热管介质温度、进料浓度变化对催化剂床层温度分布和反应结果的影响,获得了反应器催化剂床层的轴向温度分布序列和热管周围催化剂床层的局部温度分布数据,为反应器的优化操作和工程放大提供了参考依据.     

滴流床反应器床层间分配盘的优化

ARCO油品公司和Brown Root公司联合开发了用于改进流体混合与再分布性能的滴流床反应器内构件.这套内构件最初用于有五个催化剂床层的加氢裂化反应器,但到运转末期,几个床层的径向温度梯度高达17～39℃,而且冷氢的注入对控制床层温度也不灵敏.为此,对床层间分配盘的结构进行改进后,得出了床层间分配盘的最佳结构.该分配盘主要由混合箱和再分配盘构成.混合箱由一层塔盘分隔成上下两部分,上部由环形多孔挡板、旋流喷管和圆形顶板构成,流体经环形多孔挡板和旋流喷管沿径向进入混合箱;混合箱下部由圆形底板和环形多孔挡板构成,混合箱内的流体经下部的环形多孔挡板沿径向喷出流至再分配盘.流体再分配盘推荐采用多     

多尺度孔隙介质视渗透率模型

为研究页岩气在多尺度孔隙介质中的渗流率表征,以及分析各种流动状态对渗透率的贡献。基于页岩储层孔径分布特征,利用Kundsen数对流动状态进行划分,建立气体分子在多孔介质中的渗透率理论计算模型,分析了孔隙流体压力与渗透率的关系以及不同流动状态对渗透率的贡献。模型研究表明:多孔介质渗透率受气体达西流、滑脱流、Fick扩散流、过渡扩散流及Kundsen扩散流的影响;气体流动状态受流体压力和孔径分布决定,流体压力降低导致气体在多孔介质中的流动状态发生改变;随着储层流体压力降低,过渡扩散流对渗透率贡献增加,页岩储层渗透率增大。储层流体压力低于1 MPa时,Kundsen扩散流对渗透率贡献逐渐增大,渗透率迅速增加。     

旋流喷嘴内超临界流体闪蒸过程的数值模拟

旋流喷嘴内超临界流体中沥青溶质的体积分数分布对颗粒成形有重要影响。根据减压相变传质传热理论开发了闪蒸相变模型,采用自定义函数(UDF)的方式植入到CFD软件Fluent中。将闪蒸相变模型耦合多相流混合模型用于研究旋流喷嘴内超临界流体的闪蒸相变过程,分析旋流喷嘴内压力、速度、温度和各相浓度分布,以预测旋流喷嘴对颗粒成形的影响。结果表明,旋流喷嘴内三相介质分层流动,从而实现戊烷溶剂与沥青溶质的预分离,有利于形成粒径较小且密实的沥青颗粒。     

折流杆换热器壳程流场和温度场的数值模拟及场协同分析

在PHOENICS-3.5.1程序的基础上,引入多孔介质模型,用体积多孔度、表面渗透度和各向异性的分布阻力来处理换热器内的管束,用分布热源考虑管侧流体对壳侧流体的影响,对折流杆换热器的壳程流场和温度场进行了数值模拟,并对其温度梯度与速度矢量的夹角进行了计算。结果表明,采用换热器三维流动计算模型和kε-湍流模型能较好地模拟折流杆换热器壳侧内的流场分布。通过数值模拟可直观地了解换热器壳侧内流体的流动状态,确定流动的高、低速区。除出、入口外,换热器的场协同效果较好。     

滴流床加氢试验装置操作重复性的探讨

分析了反应器内流体分布、传质和传热对实验数据重复性的影响,并对比了国内外反应器的结构特征和催化剂装填方式后,可以看出,国内常用的100毫升滴流加氢反应器的L_B/d_p和液体质量速度均偏低.为了克服这种缺点,应增加现有内径25毫米的反应器的直径设计得小一些.用惰性粒子稀释催化剂床层,也可提高L_B/d_p或消除温度梯度的影响,有利于提高数据的重复性.     

CFX软件在新型冷氢箱开发中的应用

采用CFX流体力学模拟软件对所开发的新型冷氢箱在汽油加氢反应器中的应用进行了模拟计算,考察了新型冷氢箱在反应器内冷热物流混合传热过程中的重要作用。结果表明:在不设置冷氢箱的情况下,下催化剂床层入口的最大径向温差超过5.0℃,说明设置冷氢箱是必要的;新型冷氢箱为冷热物流的混合传热提供了充分的时间和空间,其下催化剂床层入口的最大径向温差小于1.0℃,说明冷氢箱具有良好的混合传热效果;采用新型冷氢箱时,汽油加氢反应条件下可以最大程度地简化冷氢管结构,甚至可以不设冷氢管;采用新型冷氢箱时,较小的压力降就能够达到良好的混合效果,有利于降低装置的能耗;在冷氢箱出口下方设置筛板可以有效纠正新型冷氢箱出口处的偏流现象。     

甲基叔丁基醚热管反应器的数学模拟与分析

通过对合成甲基叔丁基醚热管反应器的传热、传质过程的机理分析,建立了描述反应特性的拟均相二维数学模型。利用工业生产数据对模型进行了验证,计算值与测定值吻合良好。预测了反应器进料温度、液态空速、热管介质温度、进料中异丁烯含量对床层温度分布和反应结果的影响。预测结果表明,通过调节循环冷却水的流量和温度,可有效地控制反应器的温度,获得较佳的轴向温度分布;液态空速高有利于床层的传热,床层热点区域向下游方向移动;反应器入口温度不宜过高,否则易在入口段积累热量;进料中异丁烯的最大允许质量分数不大于30%。     

费托合成工艺研究进展

针对费托合成反应中的催化剂、传质和传热的关键问题,综述了低温和高温费托合成工艺的研究进展以及应用现状,对固定床、流化床和浆态床3种传统的费托合成工艺进行了分析与比较,并介绍了近年出现的微通道反应器、整体式反应器等新型反应器和超临界流体等新型费托合成工艺。在此基础上,对今后费托合成工艺的研究及发展方向进行了分析和展望,反应器结构、催化剂设计和微反应器是未来的研究热点,将为费托合成工艺的进步发挥重要作用。     

Ni基催化剂管式固定床甲烷重整反应器中积炭效应的数值模拟

在综合考虑积炭效应对催化剂孔隙率以及催化剂活性影响的基础上,通过建立包含动量、能量、质量传递以及化学反应动力学方程的多物理场耦合数值模型,从热质传递的角度,计算了Ni基催化剂管式固定床甲烷重整反应器中的积炭效应,阐明了包含多孔介质催化剂段的反应通道中的速度、温度及压力场分布,并指出了在通道中随气体流动扩散的可移动炭以及催化剂表面沉积炭浓度分布规律,分析了积炭对催化剂孔隙率、活性以及反应通道压降的影响,并进一步讨论了甲烷浓度以及温度对积炭产生的影响,最后提出了消减积炭的方法。     

A Computational Scheme for Fluid Flow and Heat Transfer Analysis in Porous Media for Recovery of Oil and Gas

A finite-element scheme has been formulated, which is capable of solving transient analysis of both conductive and convective heat transfers due to fluid flow in porous media. The model also includes the latent heat effect to consider the phase change aspect of a frozen medium. To test the validity of the model, it was applied to six cases for which analytical solutions are available. The test cases cover (i) single-phase fluid flow through porous media, (ii) radial conduction with and without phase change, (iii) conductive and convective heat transfer in an aquifer, and (iv) two-phase immiscible flow in porous media. In all these cases, good agreement with analytical solutions are observed validating the computational scheme. This computational scheme should be useful in solving frozen ground problems, thermal stimulation technique for natural gas recovery from hydrates, and single-phase and two-phase convective heat transfer problems in enhanced oil recovery scheme in petroleum engineering.     

鼓泡床与环流反应器流动特性的比较

选用欧拉-欧拉多相流模型和RNGk-ε湍流模型对重油悬浮床加氢反应器流动特性进行数值模拟,分别模拟了一种鼓泡床反应器和两种不同导流筒直径的环流反应器,考察了重油-氢气实际体系在不同反应器内气含率和轴向液速的异同。结果表明,悬浮床反应器在操作条件下均形成液相循环流动;导流筒能够规整环流反应器内的流动,增大上升区和下降区的流速,增强混合,同时提高下降区的气含率,从而提高反应器内的整体气含率。通过比较说明,在使用喷嘴进料时,悬浮床加氢工艺选择环流反应器时流动特性更佳。