FCC反应过程的CFD模拟进展

流化催化裂化（fluid catalytic cracking,FCC）工艺是石油炼制中的重要转化工艺,用于生产汽油、柴油、轻质烯烃等重要化工原料。FCC反应过程的CFD模拟有助于理解FCC反应器中流动和反应行为,辅助设计和优化FCC工艺设备,最终指导工业生产和实现虚拟调控和放大。从与FCC反应模拟相关的多相流动模型、反应动力学模型以及流动与反应之间耦合等方面做了回顾和总结。在流动与反应耦合研究方面,从湍流模型的使用、流动结构的影响、精细化模型的发展以及原油汽化模型的重要性这4个角度做了分析比较及总结。基于已有的研究工作,认为虽然很多研究表明CFD模拟能较好地揭示工业FCC提升管反应器内的流动和反应行为,但缺乏采用同一方法实现从小试到工业反应器模拟放大的实例,从侧面反映了当前的FCC理论模型和模拟技术还远未达到可以代替实验的水平。展望未来的FCC反应模拟,建议从模型精细度和计算效率上加强研发,并在此两方面寻求平衡,最终实现虚拟调控。     

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。     

流态化模拟:基于介尺度结构的多尺度CFD

介尺度结构是研究气固流态化多尺度行为的关键。传统的基于平均化处理方式的双流体模拟不能准确描述流化床中的多尺度流动和传递行为。相较而言,基于能量最小多尺度(EMMS)方法的结构多流体模型(SFM)基于局部空间(网格)内的非均匀介尺度结构流动特征,其宏观预测结果与网格分辨率基本无关,因而可以大幅降低模拟计算量。基于SFM模拟得到的流动结构,EMMS多尺度传质模型进一步成功解释了传统传质文献中的数据差异。集成上述模型,形成了一整套模拟流化床流动-传递-反应耦合过程的多尺度计算流体力学(CFD)方法,并将其应用于预测循环流化床中典型的S型轴向分布、揭示噎塞转变的机理以及流化床放大困难的原因。多尺度CFD使工业规模循环床的三维、全系统、动态流动-反应耦合过程的准确模拟成为可能,并为实现从模拟向实时虚拟过程转变的目标打下基础。     

乙炔加氢制乙烯浆态床反应器的CFD模拟

对浆态床反应器中乙炔加氢制乙烯过程进行了模拟研究,采用TFM-PBM耦合方法描述浆态床内气相与浆态相的流动,并耦合乙炔加氢反应动力学建立流动-反应综合模型。通过小试实验对该模型进行验证,并将验证后的模型应用于浆态床中试装置中内构件作用机制与操作条件影响的模拟分析。结果表明,在浆态床反应器放大时,可通过设置竖管内构件,以破碎气泡,抑制气相径向运动,使乙炔加氢过程均匀、充分地进行。乙炔加氢制乙烯过程与气相停留时间和反应温度密切相关,在反应器放大中需严格控制温度,并可通过改变反应器内液位高度实现对气相停留时间的调控,从而可在保证乙炔充分转化的同时获得更高的乙烯选择性。     

乙炔加氢制乙烯浆态床反应器的CFD模拟

对浆态床反应器中乙炔加氢制乙烯过程进行了模拟研究，采用TFM-PBM耦合方法描述浆态床内气相与浆态相的流动，并耦合乙炔加氢反应动力学建立流动-反应综合模型。通过小试实验对该模型进行验证，并将验证后的模型应用于浆态床中试装置中内构件作用机制与操作条件影响的模拟分析。结果表明，在浆态床反应器放大时，可通过设置竖管内构件，以破碎气泡，抑制气相径向运动，使乙炔加氢过程均匀、充分地进行。乙炔加氢制乙烯过程与气相停留时间和反应温度密切相关，在反应器放大中需严格控制温度，并可通过改变反应器内液位高度实现对气相停留时间的调控，从而可在保证乙炔充分转化的同时获得更高的乙烯选择性。     

石油化工过程计算流体力学模拟分析

介绍了如何运用计算流体力学(CFD)方法对石油化工中的催化裂化、催化重整和烃类裂解制乙烯等典型过程进行模拟研究。首先分析各过程的流动、传递和反应特征,然后基于CFD方法建立可准确描述反应器特性的数学模型,应用这些数学模型对工业反应器进行模拟分析,获得反应器内部详细的速度、温度和浓度分布,揭示这些过程中流动、传递与化学反应规律以及相互之间的耦合机制,指导工业生产过程的科学设计、问题诊断和操作优化。     

搅拌反应器内气液两相流的CFD研究进展

搅拌式气液反应器因其操作灵活、适用性强等优点,在过程工业中应用广泛.综述了采用计算流体力学CFD技术对搅拌反应器内气液两相流动行为的数值模拟研究.Euler-Euler双流体模型作为主要方法用于描述气液两相流动,在其基础上耦合相对简单的气泡数密度函数模型或复杂的群体平衡模型,可较为准确地预测搅拌反应器内气泡尺寸和局部气含率及其分布规律.CFD模拟结果可用以分析和评价不同搅拌桨叶、搅拌桨组合和气体分布器的气液分散性能,对气液反应器的结构优化和过程强化提供了有效手段.     

乙烯裂解炉耦合模拟中湍流模型的影响分析

配备底部烧嘴和侧壁烧嘴的乙烯裂解炉应用越来越广泛,不同燃烧模式影响着炉膛内湍流流动状态,考虑到裂解炉中湍流流动与燃气喷料、燃烧和传热有较强的非线性耦合作用,为此探究不同湍流模型在裂解炉/反应器耦合模拟中的影响对于裂解炉的精确设计和优化至关重要。针对不同湍流模型对某十万吨工业乙烯裂解炉进行了耦合模拟,利用CFD数值模拟对采用标准k-ε模型、RNG k-ε和Realizable k-ε模型所建立的湍流流动模型进行评估。将三种湍流模型的模拟结果与工业数据进行比较,重点分析了裂解炉内的速度、温度、湍流能力等参数的分布情况,表明Realizable k-ε模型在火焰稳定性、反应效率等方面优于其他两种模型,且基于Realizable k-ε湍流方程的反应管模型在热通量、炉管外壁温度分布计算结果更接近实际工况。     

下行床反应器内催化裂化过程的CFD模拟

耦合湍流气粒多相流模型和催化裂化集总动力学模型,建立了描述下行床内多相流动和催化裂化过程的反应器数学模型,并利用计算流体力学单元模拟软件CFX4.3对下行床内的催化裂化过程进行了数值模拟及分析.模型能预测出在工业应用中反应器内最受关注的诸多参数,如固含率、相间滑移速度、压降、气固相的加速区以及各组分浓度的分布情况.预测结果表明,气相反应的进行将导致反应器内的气粒流动行为发生较大变化,充分考虑反应与流动行为的耦合十分重要;而反应器床径的增大将导致转化率和各产物收率的下降.     

乙烯裂解炉耦合模拟中湍流模型的影响分析

配备底部烧嘴和侧壁烧嘴的乙烯裂解炉应用越来越广泛，不同燃烧模式影响着炉膛内湍流流动状态，考虑到裂解炉中湍流流动与燃气喷料、燃烧和传热有较强的非线性耦合作用，为此探究不同湍流模型在裂解炉/反应器耦合模拟中的影响对于裂解炉的精确设计和优化至关重要。针对不同湍流模型对某十万吨工业乙烯裂解炉进行了耦合模拟，利用CFD数值模拟对采用标准k-ε模型、RNG k-ε和Realizable k-ε模型所建立的湍流流动模型进行评估。将三种湍流模型的模拟结果与工业数据进行比较，重点分析了裂解炉内的速度、温度、湍流能力等参数的分布情况，表明Realizable k-ε模型在火焰稳定性、反应效率等方面优于其他两种模型，且基于Realizable k-ε湍流方程的反应管模型在热通量、炉管外壁温度分布计算结果更接近实际工况。     

气液固流化床流动介尺度模型研究进展

气液固流化床是一类重要的多相反应器,在化工及相关过程工业中有着广泛的应用。然而,由于对该类反应器内复杂的多相流动结构的定量描述十分有限,目前其设计和放大仍主要依赖经验,致使放大成功率低,反应结果达不到预期效果。因此,建立和完善气液固流化床内的三相流动机理模型,是实现该类反应器科学设计和放大的关键环节。对气液固流化床内的三相流动机理模型的研究进展进行了分析,着重总结了三相流动介尺度机理模型研究的新进展,并指出了存在的问题和进一步研究的方向,希望为该类反应器的基础研究和工业应用提供参考。     

气液鼓泡塔流体力学研究进展

鼓泡塔是化工领域一类重要的气液接触与反应装置,近些年的研究难点集中在计算流体力学(CFD)放大模拟和内构件流体力学两个方面。今从实验技术、流体力学模型、内构件影响三个方面综述了当前鼓泡塔反应器流体力学的研究进展。首先分析了现有的各种流动测试技术的优缺点,随后评述了气液鼓泡塔的多相湍流模型和各种相间作用力本构关系的表述形式,介绍了本课题组近来提出的气泡径向力平衡模型与双尺度能量平衡模型。最后,总结了当前为数不多的有关竖直列管内构件对流动影响的几种不同的实验结果,给出了分析与解释,并对内构件的模型化与模拟工作进行了介绍。     

旋转填充床CFD模拟研究进展

旋转填充床（RPB）反应器凭借填料对液体的切割破碎作用，可以显著强化多相流之间的质量传递，大幅度减少反应时间。但是旋转填充床内部结构和流体力学规律极为复杂，即便使用高速摄像机也很难准确描述填料内的流动和传质规律。计算流体动力学（CFD）凭借其能够有效模拟多相流动过程中的流动和传质规律的独特优势，近年来已被许多研究人员用来模拟RPB反应器中的流动和反应特性。本文综述了近些年来学者利用CFD技术模拟旋转填充床反应器的研究进展，并着重总结了多相流模型的选取、边界条件的确定以及旋转填充床的简化方法等CFD计算中的关键部分。     

关于化工设备放大方法的讨论

1　反应器放大技术简述反应器放大技术,就是在模拟反应器研究的基础上运用化学工程原理进行工业级反应器设计的技术。其要求是工业反应器中重现模拟反应器的重要过程结果。在放大过程中也可以对模拟反应器中的配方和工艺作一定程度修改。影响过程结果的主要因素有温度、浓度、反应时间、和剪切率四个变量。对于低分子反应,浓度和反应时间之间有一定的函数关系,所以二者之间有一个独立变量。对于高分子反应来说,反应时间直接影响聚合物的分子量,浓度和反应时间都可能成为独立变量。许多情况并不要求工业反应器重现模拟反应器的所有过程结果,…     

鼓泡床反应器多相流CFD建模及流场研究

减压渣油的转化需要高效率的鼓泡床反应器形式;但高温高压工况特点使实验手段难以对反应器内的流场-反应耦合作用进行考察。本研究基于欧拉法建立了多相流鼓泡床反应器的反应CFD模型。通过结合渣油临氢热裂化反应动力学模型,系统考察了鼓泡床反应器内的流场特点、相含率分布、速度分布和流场-反应耦合特性,为渣油转化工艺中反应器考察和反应器设计提供了有效的理论工具。     

消毒处理单元数值模拟的应用进展

消毒处理单元的设计对水处理工艺起着至关重要的作用。通过计算流体力学(CFD)设计模拟,可以提高消毒设计的有效性和消毒单元的处理效果。本研究分析了CFD对消毒池流场的模拟以及对池型设计、挡板设置、进出水方式等参数的优化方式,总结了采用CFD方法在消毒效果预测、消毒动力学耦合等方面的应用,并分析了其在紊流模型不确定性和多相流动的不准确性等方面存在的问题。最后,提出了提高设计模拟准确性的建议。     

催化裂化提升管反应器模型的建立

工业催化裂化提升管反应器内既存在着气固两相的湍流流动,又存在着传热和裂化反应,而且这些过程是相互影响,高度耦合在一起的。本文全面系统地考虑湍流气因两相流动,传质,传热及反应等复杂因素及其相互影响,建立了催化裂化提升管反应器三维气固两相流动反应模型,形成了相应的数值解法,编制了大型的模拟计算程序。由此可对工业催化裂化提升管反应器内湍流气固两相流动进行系统的数值模拟研究。     

甲醇制烯烃反应动力学及反应器模型研究进展

甲醇制烯烃（MTO）工艺是现代煤化工领域的研究热点,MTO反应动力学及其反应器模型研究是高效反应器开发和工业装置操作优化的基础。本文综述了甲醇制烯烃反应动力学研究进展,详细论述了机理型动力学模型、八集总动力学模型、五集总动力学模型,指出集总动力学模型适用于描述MTO反应过程,如何考虑水、积炭等因素的影响是MTO动力学研究的难点和关键。结合现有动力学模型,评述了MTO反应过程在工业规模的固定床反应器、提升管反应器、循环流化床反应器、湍动流化床反应器中产物分布和转化率模拟情况,结果表明：循环流化床反应器和湍动流化床反应器适合MTO工业过程。最后指出,甲醇制烯烃反应动力学下一步研究方应集中于工业规模流化床反应器气固两相流动模拟,以及与动力学模型结合获得准确预测工业反应结果的MTO反应器模型。     

CFB提升管等效反应器网络模型

对气固循环流化床(CFB)提升管内的非均相流动行为进行了计算流体力学(CFD)模拟。基于CFD时均流场数据与信息,搭建了用于描述提升管内非理想流动过程的等效反应器网络(ERN)模型。在ERN模型建立过程中提出了反应器网络的6个拓扑结构参数和一个等效判据,并系统地分析了等效反应器网络结构六参数的性质与确定方法,从而形成了一套CFB提升管流动模型建模方法。     

CFB提升管等效反应器网络模型

对气固循环流化床（CFB）提升管内的非均相流动行为进行了计算流体力学（CFD）模拟。基于CFD时均流场数据与信息,搭建了用于描述提升管内非理想流动过程的等效反应器网络（ERN）模型。在ERN模型建立过程中提出了反应器网络的6个拓扑结构参数和一个等效判据,并系统地分析了等效反应器网络结构六参数的性质与确定方法,从而形成了一套CFB提升管流动模型建模方法。