基于CFX的规整催化剂甲烷化反应器流场模拟与结构优化

煤制天然气可有效解决天然气消耗量持续增加、环保等问题。甲烷化反应是煤制天然气重要环节。在众多甲烷化催化剂中,规整催化剂由于传热、传质、反应特性、压降性能良好,受到广泛关注。而规整结构催化剂的孔道独立,与反应器轴线垂直截面的流场均匀度对产物产率影响很大。基于CFX以反应器内流场均匀度为目标,对规整催化剂固定床甲烷化反应器进行冷态数值模拟,获得最优反应器结构。     

甲烷生物转化膜反应器的CFD模拟

针对甲烷气体在发酵体系中的传质效率偏低,提出了将中空纤维膜反应器应用于甲烷生物转化体系的方法。使用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)仿真软件FLUENT对中空纤维膜生物反应器内部流场进行CFD仿真模拟,探究纤维束长度和通气速率对反应器内气含率和液环速率的影响。结果表明,增大纤维束长度可有效提高反应器内的甲烷气含率和液环速率,从而促进气液两相进行高效传质。最终,通过CFD仿真模拟研究,获得了可用于高效生物转化甲烷生物反应器的最优纤维束长度和通气速率的设计区间,为中空纤维膜反应器的设计和实现甲烷高效生物利用提供研究基础,具有重要的指导意义。     

太阳能甲烷重整反应器研究进展

太阳能是世界上最丰富的清洁能源,被看作是解决化石能源短缺问题的关键。但是太阳能的间歇性很大程度上制约了其使用场景,太阳能热化学过程可以有效缓解太阳能间歇性带来的影响。在太阳能热化学过程中,反应器的性能直接影响了反应的效果。本文以太阳能甲烷重整过程为例,首先介绍了3种甲烷重整类型,分别介绍了其优缺点和工程应用。然后从结构、工作原理以及研究进展等方面简述了几种目前常见的太阳能甲烷重整反应器。包括对目前最常见的腔式反应器、膜反应器、旋转式反应器、流化床反应器和其他新颖反应器的介绍。最后,提出下一阶段太阳能甲烷重整反应器的研究重心应放在设计多功能于一体的反应器和促进多学科交叉研究上。     

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。     

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。     

二氯乙烷裂解管式反应器二维模拟

建立了二氯乙烷在管式反应器中进行气相热裂解的二维模型 ,模型考虑了二氯乙烷热解生成氯乙烯的主反应和生成焦前体的副反应以及气体密度变化对裂解反应的影响 .模拟计算表明 ,二氯乙烷和氯乙烯的浓度沿径向分布平坦 ;但是管内近壁面处由于存在边界层 ,始终存在着明显的径向温差 ;近管壁处始终是裂解的高速率区 ,副反应也主要发生在管壁区 .表明确定最优的炉管管径时必须考虑提高裂解速率与降低结焦速率之间的平衡 .在距进口量纲 1管程 0 .3左右的管壁处裂解速率达到最高 ;副反应速率的最大点位于出口管壁处 .与工业数据比较后发现 ,炉管出口的转化率、选择性、出口压力和温度等数据与模型预测值一致 ,表明模型具有较高的可信度     

甲烷化反应工艺流程和反应器模拟

通过分析绝热反应曲线和反应过程CO转化率曲线,设计可行的多级绝热固定床甲烷化工艺流程,得到了一个第一甲烷化反应器循环比为3.0,反应器个数为3的甲烷化反应系统。建立绝热固定床反应器的一维拟均相数学模型,在工业操作条件下,分析了该流程中3个甲烷化反应器内的温度和摩尔分数分布规律。在合成气的进料速度800 kmol/h,进料温度553 K,操作压力为3.0 MPa,氢碳物质的量比约为3.0,循环比为3.0的条件下,模拟结果表明:物料在3个反应器出口的温度分别为879,725,611 K;甲烷干基摩尔分数分别为53.48%,79.24%和95.49%;CO在3个反应器出口的转化率分别为82.18%,99.41%和100%。第3反应器出口CH4干基摩尔分数为95.49%,满足了工业生产要求。     

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。     

如何优化管式反应器工艺

分析管式反应器工艺与预中和工艺生产 DAP/ NPK的优缺点 ,结合生产中所存在的问题 ,分析将预中和工艺与管式反应器工艺串联起来生产 DAP/ NPK的优点 :生产 DAP时 ,养分易控制 ,氨耗低 ;生产 NPK时 ,可用硫酸与氨反应提氮 ,较经济 ,产品水分易达标 ;实现 DAP转产 NPK较方便。同时提出在扩建或新建 DAP/ NPK生产装置时应重视工艺的选择     

基于太阳能蓄热过程的甲烷二氧化碳重整研究进展

热化学储能技术因为其储能密度高、热损小、能长距离运输等优点而成为保证太阳能长久稳定供应的关键技术。本文对基于甲烷二氧化碳重整反应的太阳能热化学储热系统研究现状进行了回顾,重点讨论了甲烷重整催化剂、重整反应器以及储能系统整体的传热特性等3个方向的研究进展。指出新型高效催化剂以及反应器开发和性能测试是目前该领域的主要研究方向。发现辐射热损失、非均匀温度分布特性、辐射热流的时变波动特性,以及由此造成的能量与化学反应的不匹配限制了热化学系统能量储存效率的进一步提高,并提出催化剂的催化特性与物性/结构参数依变关系,反应器辐射吸收特性、传热传质特性和反应特性之间的相互作用机制,以及系统时变动态特性与反应物流/辐射能流的匹配关系是建立甲烷重整热化学储能系统优化设计理论亟待解决的关键问题。     

基于甲烷收率在线测量技术的乙烯裂解炉闭环优化方法

由于缺乏裂解产物收率绝对量信息,现有的乙烯裂解炉优化策略需要依靠裂解反应模型对裂解产物分布进行预测并依此进行开环优化计算,其优化结果完全依赖于裂解反应机理模型的精度.本文通过改进乙烯裂解炉裂解气取样系统实现了甲烷质量收率这一关键参数指标的在线测量,并在此基础上进一步提出一种裂解炉闭环优化运行新方法.该方法针对乙烯和丙烯收率和(简称“双烯”收率)最大这一优化目标,根据甲烷收率和双烯/甲烷比(烯甲比)的在线测量数据迭代求解获得最优炉管出口温度(COT).该方法采用闭环迭代寻优的方式,能够有效克服灵敏度函数的非线性以及在线分析仪表本身的测量误差,具有良好的鲁棒性;另一方面,由于不需要借助任何裂解原料与裂解反应模型,从而大大减少了裂解炉优化系统实施的投资,因此具有很好的工业应用前景.     

Intensified reactor for lean methane emissions treatment

The Global Methane Pledge declared at the 2021 United Nations climate change conference (COP26) marked the world's commitment to eradicate methane emissions. Regardless of the source, methane emissions are typically generated in a lean composition (e.g., <1% vol), remote and scattered. This work explores the use of an intensified reactor that implements the chemical looping principle to handle lean methane emissions. A model-based framework is used to showcase the baseline performance of the proposed reactor in converting methane emissions using nickel-based oxygen carriers. Sensitivity analysis of the reactor showed that the Ni percentage in the oxygen carrier, the feed air temperature, feed air to flared gas ratio, and oxidation to reduction duration ratio are the most deciding variables for reactor performance. The reactor is subsequently optimized to minimize the methane emitted, using a dynamic program with safety and operability constraints for the alternating redox process. With the optimal cycle strategy, we demonstrate that near-complete methane conversion (>98% methane conversion) can be achieved by the reactor without external heating.     

催化剂颗粒形状对甲烷水蒸气重整反应的影响及工业反应器模拟

甲烷水蒸气重整工艺是现阶段最主要的工业制氢技术,催化剂颗粒形状和反应器操作条件是影响重整反应器性能和产物组成的重要因素。首先从颗粒尺度研究催化剂形状对甲烷水蒸气重整反应的影响,在不同的反应温度和压力下,计算并比较了球形、柱形和环形催化剂的效率因子,其大小顺序为:柱形 < 球形 < 环形。其次,将反应器床层的质量、热量和动量传递与环形催化剂颗粒的扩散-反应方程相结合,建立了用于描述甲烷水蒸气重整工业反应器的一维轴向数学模型。计算并分析了反应器进口温度和压力对反应器床层的温度和压力分布、催化剂效率因子以及甲烷转化率和各组分浓度分布的影响,确定了适宜的工业反应器进口温度和压力,分别为773 K和3 MPa。     

12对棒还原炉模拟优化分析

12对棒还原炉是目前改良西门子法生产高品质电子级多晶硅的主要炉型,还原炉底盘、喷嘴结构形式、进料曲线是影响还原炉运行的主要因素,对产品产量、质量、电耗等指标影响较大。分析、总结12对棒还原炉的喷嘴布局、曲线以及还原炉内热场、温度场的分布情况,对12对棒的开炉稳定运行、产量提升、质量提升、电耗降低具有指导意义。     

Dual-membrane reactor for methane oxidative coupling and dry methane reforming: Reactor integration and process intensification

A novel dual-membrane reactor concept was introduced for integrating the oxidative coupling of methane (OCM) and CO₂ methane reforming (dry reforming) reactors. The OCM reactions occur in a conventional porous packed bed membrane reactor structure and a portion of the undesired produced CO₂ and generated heat are transferred through a molten-carbonate perm-selective membrane and consumed in the adjacent dry methane reforming catalytic bed. This integrated reactor provides a very promising thermal performance by controlling the temperature peak to be below 50 °C in reference to the average operating temperature in the OCM section. This was achieved even for the low methane-to-oxygen ratio 2 by introducing 10% CO₂ as the diluent agent and reactant in this integrated reactor structure. This contributed to the improved selective performance of 32% methane conversion and 25% C₂-yield including 21% C₂H₄-yield in the OCM section which also enhances the performance of the downstream units consequently. Around half of the unconverted methane leaving the OCM section was converted to syngas in the DRM section.The dual-membrane reactor alone can utilize a significant amount of the carbon dioxide generated in the OCM catalytic bed. In combination with adsorption unit in the downstream of the integrated process, 90% of the produced CO₂ can be recovered and further converted to valuable syngas products. The experimental data, obtained from a mini-plant scale experimental facility, were exploited to verify the performance of the OCM reactor and the CO₂ separation section.     

太阳能光催化反应器的研究进展

为促进太阳能光催化反应器的研究和开发,从反应器中催化剂的存在形态、反应器的聚光形式以及应用3个方面对太阳能光催化反应器的研究现状进行了系统的综述,对催化剂悬浮型和固定膜型反应器以及聚光型和非聚光型反应器进行了比较,并分析了反应器在实际废水处理或者大批量处理中应用的可行性。     

Investigating dry reforming of methane with spatial reactor profiles and particle‐resolved CFD simulations

Dry reforming of methane (DRM) over nickel in a fixed‐bed reactor of spheres was studied experimentally and with CFD simulations. Temperature and mole fraction profiles were measured in a dedicated profile reactor as function of axial coordinate. Particle‐resolved CFD simulations took into account conjugate heat transfer, surface‐to‐surface radiation, and surface reactions described by microkinetics. Energy transport of CFD simulations were verified by studying heat transfer without chemical reactions. DRM experiments could not be reproduced with the original microkinetics formulation, even with the axial temperature profile applied. A detailed analysis of the microkinetics showed that thermodynamic inconsistencies are present, which are amplified by high surface coverage of CO*. After modifying the mechanism the experiments could be reproduced. This study shows how complex interactions between local transport phenomena and local kinetics can be quantified without relying on transport correlations. © 2016 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 62: 4436–4452, 2016     

Modeling and simulation of simulated countercurrent moving bed chromatographic reactor for oxidative coupling of methane

Oxidative coupling of methane (OCM) is a reaction of industrial importance but per pass equilibrium conversion and product yield in a single reaction column is severely low. The simulated countercurrent moving bed chromatographic reactor (SCMCR) has been reported to significantly improve the methane conversion and C₂-product yield. This paper addresses the mathematical modeling of a five section SCMCR for OCM, which is particularly important for understanding the operation of this SCMCR system. In order to obtain the various process parameters, a realistic and rigorous kinetics was adopted in reactors for OCM and subsequently a kinetic model was developed which can best describe the associated kinetics of OCM in SCMCR. Adsorption isotherm parameters were then derived based on the experimental breakthrough curves acquired using single adsorption column. The proposed mathematical model demonstrated extremely good predictions of the experimental results. Finally, effects of operating parameters, such as switching time, methane/oxygen feed ratio, raffinate flow rate, eluent flow rate, etc., on the behavior of the SCMCR were studied systematically.     

用于分布式制氢的甲烷蒸汽重整膜反应器的数值模拟

采用反应-分离集成的膜反应器进行分布式制氢,对简化工艺、降低能耗、提升技术经济性至关重要。本文采用数学模型对甲烷蒸汽重整制氢过程膜反应器进行模拟,系统分析了渗透侧操作策略、反应压力、反应温度、钯基膜性能、催化剂性能对反应器行为的影响;并以1m³/h甲烷最大程度转化为目标进行分布式制氢案例分析,详细比较膜反应器技术与“常规反应器+膜分离”工艺技术。结果表明,膜反应器在反应压力30atm（1atm=101325Pa）、反应温度500℃下操作可实现紧凑设计,比“常规反应器+膜分离”工艺技术具有明显优势,但是亟需研发更佳活性（10倍）的钯基膜和催化剂以实现显著的过程强化。模拟结果可为不同规模分布式制氢膜反应器的操作与设计及进一步的性能强化提供指导。