等离子体射流裂解甲烷制乙炔的数值模拟

针对漏斗形射流反应器中热等离子体法裂解天然气制乙炔的过程进行研究.采用k-ε双方程模型对体系中的传递过程进行模拟,并通过甲烷裂解系列反应的宏观动力学模型对反应过程进行耦合.运用CFD方法进行数值求解,得到了反应器内的速度场、浓度场、温度场和反应速率分布.研究结果表明, 漏斗形结构有利于反应器中温度和浓度的良好混合,使得甲烷充分反应;甲烷与乙烯的裂解反应主要沿温度混合面进行,炭黑浓度则沿反应器轴向逐渐增多.对应于本反应器,在等离子体发生器功率为100 kW,甲烷体积流量为10 m³·h^-1时,甲烷转化率和乙炔收率同时达到最大.模拟结果与实验数据吻合较好,验证了模型与模拟结果的合理性.     

多重射流燃烧反应器制备纳米二氧化硅颗粒的数值模拟

建立了不同长径比的千吨级工业多重高速射流燃烧反应器三维物理模型,结合可实现k-ε湍流模型、有限速率/涡耗散模型、涡耗散概念化学反应模型、Discrete Ordinate辐射模型、欧拉-拉格朗日离散相模型、氢气19步详细反应机理与空气龄自定义函数对燃烧反应器内燃烧情况进行了多尺度数值模拟.结果表明,随着燃烧反应器长径比...     

流动模型方法及其在化工中的应用

(续上一讲 )( 3)等温管式反应器反应转化率分布计算例 4:求例 2、例 3中等温管式反应器反应转化率分布解 :利用轴向扩散模型对例 2、例 3中等温管式反应器进行计算机数值求解 [见 ( 4 )等温管式反应器轴向扩散模型数值求解ＢＡＳＩＣ计算程序 ],可以很方便地得到其反应转化率分布。结果如图 2所示。图 2中 ,为了便于比较 ,还给出了不考虑流体返混的理想平推流模型的计算结果。反应器无因次长度Ｚ　　　　反应器无因次长度Ｚ-Ｏ -平推流模型　　　　　　 -Ｏ -平推流模型- -轴向扩散模型　　　　 - -轴向扩散模型图 2　等温管式反应器反…     

挡板湍流流化床丁烯氧化脱氢制丁二烯数学模型计算

基于在一φ300mm 的挡板流化床中实验研究,建立了挡板湍流流化床丁烯氧化脱氢的数学模型。结合有关的动力学参数,它较好地予测了在φ800 mm 中试生产的挡板湍流流化床反应器中的反应结果。文中并对停留时间、温度、气速、床高等模型参数对反应转化率的影响进行了讨论。     

甲烷催化裂解制氢和碳纳米材料研究进展

甲烷通过催化裂解反应可生成不含碳氧化合物（CO_x）的高纯氢和碳纳米材料（如碳纤维或碳纳米管等）,对我国能源结构的调整及新材料的应用具有重要意义。与其他制氢工艺相比,甲烷催化裂解制氢工艺具有反应过程简单、产物清洁无污染、反应成本低等优点,因此该工艺具有重要的工业应用前景。本文重点阐述了催化剂（活性组分、催化剂载体、制备方法等）以及反应条件（催化剂还原条件、空速、反应温度等）对甲烷转化率、氢气产率和碳纳米材料（形貌和产量）的影响并对甲烷催化裂解反应机理、催化剂的失活与再生进行了概述。甲烷催化裂解反应目前仍处于实验室研究阶段,高效催化剂的研制以及流化床反应器的优化是该反应实现工业化应用的必要前提。     

基于向量评价遗传算法的化工园区无约束双目标安全规划

应用多目标优化的理论建立了一个适用于化工园区的无约束双目标安全规划模型,两个目标分别为潜在死亡人数最小化和总收益最大化,并基于向量评价遗传算法（VEGA）设计和实现了模型的优化过程。研究得出的结论为：（1）提出的模型和优化方法是可行的,能够搜索出部分Pareto最优解,它们对化工园区安全规划具有很好的参考价值。（2）使用的编解码方法简便直观,避免了计算染色体函数值时二进制和实数之间的转换问题,有利于算法的设计和实现。（3）在VEGA算法末尾引入的非劣剔除算子有助于从最终解中快速剥离出Pareto最优解。（4）VEGA算法搜索能力尚显不足,有必要研究性能更好的算法。     

模糊多目标粒子群算法在乙烯裂解工业中的应用研究

文中研究了模糊多目标粒子群算法（MOPSO）在乙烯裂解工业中应用。算法在Pareto排序基础上引入子目标的最优操作条件来扩展属于非劣解集的操作条件范围,使非劣解集对于每个单目标而言都有较广的覆盖范围,确保非劣解集（操作条件）均匀分布,改进了非劣解集的质量,同时对非劣解引入工况实际要求,通过后验的模糊评价,来确定非劣解的满意操作条件,为决策者提供了明确的操作条件。将模糊多目标粒子群算法用于解决乙烯裂解过程中乙烯和丙烯收率多目标优化问题,较好地平衡了两种目标之闯的冲突,为流程工业多目标优化问题提供了理论指导。     

热等离子体裂解甲烷制乙炔过程的数值模拟

针对热等离子体甲烷裂解过程,建立了直流电弧反应器的数值模型,使用磁流体力学理论对反应器内的电弧和流场进行数值模拟,考察了电弧运动变化的规律和射流场特点,并分别耦合热力学平衡模型和宏观动力学模型探索了裂解反应的特点及其与电弧的相互影响关系。结果表明反应器内电弧做规律运动和形态变化,惰性无反应气氛下电弧形态变化不显著,运动平稳。放电区发生反应时,一方面气体的组成及热力学性质发生迅速变化,气体放电特性受到影响,等离子体的稳定性下降,化学反应是等离子体不稳定性的重要来源。另一方面,反应和扩散的特征时间小于电弧运动变化的特征时间,各物质在空间的分布较为均匀,受温度场非均匀性的影响较小,模拟的甲烷转化率和乙炔收率与实验结果相近。本工作尤其是等离子体物理模型与甲烷裂解化学反应模型的耦合,为理解热等离子体裂解相关过程提供了直接的帮助和指导。     

矿井排风气体的利用研究

对矿井排风气（低浓度甲烷）的利用进行了流程设计,采用带有回热的流向变换反应器研究其自供热燃烧的条件,并模拟计算固定床反应器沿轴向的温度、甲烷转化率分布;研究操作参数对气体温度、转化率等因素的影响。结果表明,回热可大大改善换向反应器操作条件,在最小反应器长度为1.0m、固体初始温度为550℃、表观流速为0.65m/s的条件下,可实现稳定操作。     

天然气高温空气燃烧的空气直射流与旋射流的模拟比较

采用Reynolds应力湍流模型、β函数形式的PDF燃烧模型以及离散坐标辐射换热模型对天然气高温空气燃烧的燃烧过程进行模拟,比较了进口空气采用直射流和旋射流对高温空气燃烧过程的影响.计算结果表明,预热空气采用旋转射流比直射流,能够更加有效地降低局部氧浓度分布,强化了在低氧条件下的燃烧过程,提高了燃料的燃烬程度,同时能明显降低NO_x生成量.因此,进口空气采用旋射流可以降低NO_x生成量.     

HIGH-TEMPERATURE SOLAR CHEMICAL REACTORS FOR HYDROGEN PRODUCTION FROM NATURAL GAS CRACKING

This study deals with the thermal cracking of natural gas for the coproduction of hydrogen and carbon black from concentrated solar energy without CO₂ emission. A laboratory-scale solar reactor (1 kW) was tested and modeled successfully. It consists of a tubular graphite receiver directly absorbing solar radiation, in which a mixture of Ar and CH₄ flows. A temperature increase or a gas flow rate decrease results in chemical conversion increase. Methane conversion higher than 75% was obtained. Reaction occurred near the wall where temperature is maximal and gas velocity is minimal due to the laminar flow profile. The work focused also on the design of a medium-scale tubular solar reactor (10 kW) based on the indirect heating concept. A reactor model including gas hydrodynamics and heat and mass transfers coupled to the chemical reaction was developed in order to predict the reactor performances. Temperature and species concentration profiles and final chemical conversion were quantified. According to the results, temperature was uniform in the tubular reaction zone and the predicted chemical conversion was 65%, neglecting the catalytic effect of carbon particles.     

甲烷水蒸气重整制氢反应及其影响因素的数值分析

本文通过建立包含动量、能量、质量以及化学反应的多物理场耦合数值模型, 以多孔介质模型表征催化剂层, 对工业转化炉管中的甲烷水蒸气重整制氢过程进行了详细分析。计算得到了转化炉管内甲烷重整过程反应物及产物气体的速度、温度及浓度场分布, 以此分析了甲烷重整制氢过程的反应特性, 并阐明了转化炉管的壁面温度、原料气入口水碳比以及入口速度对甲烷转化率的影响。结果表明:水蒸气重整在转化炉管的入口区域反应迅速, 沿着气体流动方向, 反应速率由于反应物浓度的不断降低而减小, 导致混合气体流动速度和温度也逐渐趋于稳定;水碳比和转化管壁面温度的增加以及原料气体入口流速的降低, 都会提高甲烷的转化率。本文所得到的结论对于优化实际生产中甲烷水蒸气重整制氢反应的工况条件具有一定的参考和借鉴意义。     

射流循环DTB结晶器内的CFD模拟

采用RNG k-ε湍流模型对实验室级射流循环DTB蒸发结晶器内的单相流流场进行了数值模拟并优化结晶器结构,用欧拉多相流模型对优化的结晶器进行多相流模拟分析。结果表明,导流筒内射流满足线性扩展,其轴向速度分布基本满足高斯分布。刚进入导流筒内的射流段,轴线速度倒数与流程呈良好的线性关系,随射流的发展,轴线速度加速衰减。在入口直径恒定时,循环速率比随导流筒挡板间环隙面积与导流筒横截面积比的增加呈先增大再减小的趋势,存在最优值。优化的实验级DTB结晶器中导流筒内颗粒浓度分布沿径向方向减小,但基本可实现颗粒浓度较为均匀的分布,其循环速率与单相流模拟结果相比较低。     

喷射式环流反应器内流速分布的实验研究

主要研究了喷嘴位置和喷嘴出口速度对底部是圆锥台的喷射环流反应器(JLR)的影响,从而确定最优出口速度和喷嘴位置。对JLR内部流速进行测量,绘出JLR内的速度分布图,并从速度场和内外循环比2个方面进行分析,从而确定最优参数。结果表明:在实验室范围内,当喷嘴出口速度为2.1 m/s,喷嘴位置为40 mm时较优。导流筒内速度呈抛物线分布;喷嘴出口速度增加,环隙速度对应增大,内外循环比也增加;随着喷嘴位置逐渐靠近导流筒,内外循环比先增加,再减小。     

SL-Ⅱ型工业乙烯裂解炉内燃烧传热与裂解反应的耦合模拟

采用计算流体力学(CFD)方法对SL-Ⅱ型工业乙烯裂解炉辐射段炉膛内的燃烧传热及管内石脑油裂解反应过程进行耦合模拟,建模及耦合求解在CFX中完成.计算时采用标准k-ε双方程湍流模型、旋涡耗散/有限化学速率(EDM/FRC)燃烧模型和离散传播(DT)辐射模型,其中介质辐射特性采用多灰气加权模型;石脑油裂解反应采用Kuma...     

Coupled simulation of combustion with heat transfer and cracking reaction in SL-Ⅱ industrial ethylene pyrolyzer

采用计算流体力学(CFD)方法对SL-Ⅱ型工业乙烯裂解炉辐射段炉膛内的燃烧传热及管内石脑油裂解反应过程进行耦合模拟,建模及耦合求解在CFX中完成。计算时采用标准k-ε双方程湍流模型、旋涡耗散/有限化学速率(EDM/FRC)燃烧模型和离散传播(DT)辐射模型,其中介质辐射特性采用多灰气加权模型;石脑油裂解反应采用Kumar分子反应模型,流体流动方程组由全隐式的耦合算法求解。模拟结果与工业数据吻合良好,验证了模型的可靠性。结果表明,管内裂解产物丙烯和丁烯收率先增后减,甲烷和乙烯收率一直增大;出口管外壁温度沿管长分布因侧壁烧嘴的加入而更加均匀;炉膛中部的回流区使该区温度更加均匀;裂解炉结构的非对称性引起烟气流速分布不对称,进而导致后墙上侧壁烧嘴的供热效率相对前墙侧较低,本文模拟结果为裂解炉进一步设计与改造提供理论指导。     

Effects of non-gray thermal radiation on the heating of a methane laminar flow at high temperature

The effects of the non-gray thermal radiation on the heating of a methane/argon laminar flow at high temperature are investigated. The preheating zone of a tubular reactor is studied, where the thermal decomposition of methane does not occur. The laminar flow is simulated with the commercial Fluent code in an axisymmetric geometry. The discrete ordinates method is applied to the numerical simulation of radiative heat transfer. The non-gray gas radiative model used is the absorption distribution function (ADF) using high temperature methane radiative properties which were recently published. Several thermal entrance regions of tubular reactors are compared and the influence of methane participation in radiative heat transfer is studied. The results show that the temperature field is significantly influenced by radiation due to methane absorption. Furthermore, the average flow temperature increases when the wall temperature, the tube diameter or the methane mole fraction increases. Due to intense absorption bands of methane, it is shown that the influence of methane non-gray thermal radiation should be included in simulations of such reactors.     

Simulation and optimization of the continuous tower process for styrene polymerization

The continuous tower process, a popular industrial process for the manufacture of polystyrene, was simulated and optimized. A kinetic model for the thermal polymerization of styrene, which takes into account the Trommsdorff effect and the volume change accompanying the reaction, was developed. This was used to formulate model equations for the continuous flow stirred tank reactor (CSTR) and plug flow reactor (several sections) in the tower process. The model can predict monomer conversion, number‐ and weight‐average molecular weights, polydispersity index (PDI), and temperature at various locations in the unit, under specified operating conditions. Multiobjective optimization of this process was also carried out, for which an adaptation of a genetic algorithm (GA) was used. The two objectives were maximization of the final monomer conversion and minimization of the PDI of the product. The conversion in the CSTR was constrained to lie within a desired range, and polymer having a specified value of the number‐average molecular weight was to be produced. The optimal solution was a unique point (no Pareto sets were obtained). The optimal solutions indicated that the tower process is operated under near‐optimal conditions. © 2004 Wiley Periodicals, Inc. J Appl Polym Sci 94: 775–788, 2004     

旋流强化中空纤维膜组件结构优化及壳程流动研究

提出并优化了一种旋转流强化的膜组件水力学模型。Box-Behnken方法用于进口直径、进口长度、膜壳高度、进/出口端管长度、球突结构直径,进出口倾斜角度的多参数的实验设计,获得了响应变量最优的膜组件设计方案。通过雷诺应力RSM湍流模型与基于Euler-Lagrange算法的离散相DPM模型的耦合计算,模拟研究了三维模型内液固两相流的颗粒停留时间分布、流体力学特征。模拟结果显示,旋流强化的膜组件壳程的速度分布更加均匀,膜面剪切应力高;湍流耗散率、涡量分布不同于传统膜组件。实验结果证实,优化后的膜组件具有高产水量、低压力降,膜污染速率低的特点。