合成气制二甲醚管壳型反应器的二维数学模型与分析

建立了合成气一步法制二甲醚管壳式固定床反应器二维拟均相模型,采用有限差分和Runge-Kutta相结合的方法(MOL法)求解催化床层内关键组分浓度与床层温度的轴向与径向分布,模拟分析了反应管直径和操作条件对反应器性能的影响. 结果表明,当反应管内径为38 mm时,标况下床层热点在距反应管入口2.1 m处,热点温度为262.76℃,最大径向温度差为4.1℃,CO单程转化率为64.12%,二甲醚选择性为89.86%. 反应管直径增大导致热点温度升高,沸腾水温度、入塔气量和CO含量都对CO单程转化率、二甲醚选择性和床层热点温度有较大影响.     

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。     

基于COMSOL Multiphysic的CO变换反应的数值模拟与优化

利于多物理场耦合软件COMSOL Multiphysic,建立一个耦合CO变换反应传质、传热、动量传递和化学反应的二维轴对称拟均相固定床反应器模型。采用COMSOL Multiphysicl默认的反应流,稀物质传递(rfcs)模型和传热(ht)模型,通过内置的模型输入将二个模型耦合起来。催化动力学采用Langmuir-Hinshelwood方程,催化剂的性质及操作条件以Wei-Hsin Chen等的实验为基础。采用有限元法对模型进行稳态模拟,得到反应器内的速度场、浓度场、温度场,对反应床层内组分浓度、速度及温度进行可视化分析。将所得的结果与文献值进行对比,从而验证了模型的准确性。最后,采用COMSOL Multiphysic对催化反应条件进行灵敏度分析,分析了入口温度、催化剂失活因子、入口组成对床层温度及CO转化率的影响。     

乙烯氧化固定床反应器温度场模拟研究

针对乙烯氧化制环氧乙烷固定床反应器,利用YS-7型银催化剂的宏观反应动力学模型和固定床反应器拟均相二维数学模型方法,建立了催化剂床层的质量、热量平衡方程组,并采用Crank-Nicholson差分法对该偏微分方程组进行了数值计算。在模拟计算中,通过改变反应器汽包温度、反应器入口原料气温度、空速以及反应器入口原料气中乙烯、氧气、1,2-二氯乙烷的摩尔分数等工艺条件,系统地研究了以上各工艺条件单因素变化时对整个银催化剂床层温度场的影响。结果表明:随着固定床反应器汽包温度、入口原料气中乙烯、氧气摩尔分数的升高,以及固定床反应器中空速、入口原料气的温度及1,2-二氯乙烷摩尔分数的降低,银催化剂床层温度均有所升高,特别是床层"热点"区域的温度升高较明显。     

小型反应器内气相甲醇制二甲醚操作优化与分析

通过对小型反应器内气相甲醇催化制二甲醚反应进行高温热态实验,探究了反应温度与甲醇质量空速对催化剂床层轴向温度分布的变化规律,同时分析了不同的操作条件对甲醇转化率和二甲醚选择性的影响,从而优化小型反应器的操作参数。研究结果表明：当甲醇质量空速为1 h^-1时,在不同反应温度条件下,催化剂床层会出现约1.7～2.9℃的轴向绝热温升,且催化剂床层热点温度接近于催化剂床层轴向中部位置;当反应温度为250℃,甲醇质量空速为1 h^-1时,催化剂床层轴向温度分布曲线较为平缓,且甲醇转化率和二甲醚收率均较高,即反应温度为250℃及甲醇质量空速为1 h^-1可视为该小型反应较优的操作条件。     

列管固定床反应器内CO氧化偶联制草酸二甲酯反应模拟及优化

针对列管式固定床反应器中的单根反应管,采用在接近工业条件下获得的CO氧化偶联制草酸二甲酯动力学方程,建立了一维、二维拟均相模型,并与单管实验结果进行了对比,结果表明一维拟均相反应器模型更能准确描述单管反应器内的CO偶联反应。进一步利用一维拟均相模型模拟计算了操作参数对床层热点温度、反应转化率、产物选择性及床层压降的影响,分析了反应器热点温度对操作参数的敏感性。计算结果表明：冷却介质温度对反应管热点温度、亚硝酸甲酯转化率有较大影响,是需要严格控制的工艺指标;较低的空速容易引起反应器飞温;反应器进口压力、原料气进料温度和反应物组成在计算范围内对反应器热点温度影响相对较小。为了提高偶联反应器的负荷和强化床层内的传热效果,可以将进料空速提高至4000 h^-1,同时,可以通过将反应器进口压力增大至500 kPa来降低压缩机能耗。研究结果可为现有列管式CO氧化偶联反应器的改进和工艺优化提供参考。     

工艺条件对甲醇脱水制二甲醚反应的影响

以La改性氧化铝为催化剂,在模拟绝热固定床反应器中考察工艺条件对甲醇气相脱水制二甲醚反应的影响。结果表明,甲醇进料温度210℃时,甲醇脱水反应剧烈,绝热温升约130℃。催化剂床层热点温度低于380℃时,二甲醚选择性大于98%,过高温度产生大量副产物甲烷。反应压力对反应影响甚微。在甲醇进料温度240℃(热点温度370℃)、甲醇进料空速1.5 h-1和反应系统压力为50 k Pa条件下,甲醇转化率大于84%,二甲醚选择性大于98.5%,连续运转2 000 h,催化剂无明显失活迹象。     

催化重整固定床径向反应器结构的优化研究

催化重整固定床反应器（Catalytic Reforming Fixed Bed Reactor,以下简称CRFBR）传递及反应过程的综合数学模型是以流体力学的基本微分方程为基础,考虑了流体的湍流流动,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而建立的。采用该模型对工业催化重整径向反应器进行数值模拟计算,考察了反应器入口分配器设置、催化剂床层空隙率分布情况、催化剂填装比、反应器底部结构四个因素对产物组成的影响,从而确定优化的反应器结构和理想的催化剂填装情况。结果表明,反应器入口分配器采用单层效果较好,并确定了分配器的最佳位置;分析了催化剂床层空隙率分布不均对床层轴向温度、压力、组份浓度分布的影响;确定了最佳的催化剂填装比为1：1：2：4;针对反应器底部床层温度分布不均的情况改善了反应器底部结构,效果较好。     

合成碳酸二甲酯宏观动力学及反应器数值模拟

在固定床反应器中研究了PdCl_2-CuCl_2-KOAc/AC催化剂上甲醇气相氧化羰基化合成碳酸二甲酯(DMC)反应的宏观动力学,建立了以CO、O_2、甲醇分压表示的幂函数动力学模型,统计检验表明所得模型具有较高的可信度。依据动力学模型,建立了用于该反应过程的固定床反应器二维拟均相模型,借助Matlab软件,模拟分析了空速、原料组成、进口温度、操作压力和管外介质温度等因素对反应过程的影响。模拟计算结果显示,操作压力和空速对反应器的热点温度影响显著,而甲醇的转化率及DMC对CO的选择性受原料组成影响较大。优化确定了在PdCl_2-CuCl_2-KOAc/AC催化剂上甲醇气相氧化羰基化合成碳酸二甲酯适宜的条件为进料组成CH_3OH/CO/O_2的体积比为0.20:0.27:0.53,空速7 500 h~(-1),进口温度160℃,操作压力0.30 MPa。在该条件下,床层的热点温度为214.96℃,甲醇的转化率为51.69%,DMC对CO的选择性为65.92%。     

Fe-5A催化亚甲基蓝溶液湿式H2O2氧化

以九水硝酸铁[Fe(NO3)3?9H2O]和柱状5A分子筛为原料采用湿法浸渍法制备Fe?5A催化剂,催化湿式H2O2氧化亚甲基蓝溶液,考察了间歇反应器中pH值和温度对亚甲基蓝转化率的影响及在连续固定床反应器中床层催化剂装填量、进料液流量、温度和亚甲基蓝入口浓度对亚甲基蓝降解性能的影响. 结果表明,在间歇反应中,在亚甲基蓝浓度50 mg/L、温度70℃、pH为2、反应20 min的条件下,亚甲基蓝的转化率为95.9%. 固定床反应中,随温度降低及进料液流量增加,亚甲基蓝转化率降低;随亚甲基蓝入口浓度增加,亚甲基蓝和化学需氧量(COD)的转化率变化幅度很小. 在温度70℃及pH=2、进料液流量4 mL/min、Fe?5A催化剂装填量1.25 g、亚甲基蓝浓度50?300 mg/L、固定床连续运转5 h的条件下,亚甲基蓝的转化率超过98%,COD转化率大于82%,铁浸出浓度低于3.5 mg/L,相同条件下,装填2.5 g 5A分子筛的固定床中50 mg/L亚甲基蓝的转化率仅为73.3%.     

异形催化剂床层中Sabatier反应的微-介尺度模拟

采用离散元方法（DEM）建立随机堆积球形、柱形催化剂床层,计算流体力学（CFD）方法模拟Sabatier反应床层介尺度和催化剂微尺度的温度和物质浓度分布,并探讨了催化剂形状、壁温和入口条件对反应特征的影响。结果表明：床层中会出现球形热点区,并随反应进行向出口移动,催化剂外层反应物浓度比内层高且呈环状分布。柱形催化剂单颗粒中心CO₂转化率较球形高,但棱角和床层壁面会出现低转化率区,床层流体会出现回流、滞留和沟流现象,最终导致CO₂转化率为球形>柱形（径高比=1.3）>柱形（径高比=1）。球形催化剂床层中,时间t=200s时,CO₂转化率达到峰值26%,若此时将壁温降低50K,时间t=500s时,较降温前CO₂转化率增大2%、热点温度降低10K;增加惰性球层、减小入口流速和温度,能提高催化剂内CO₂转化率。     

CFD study on partial oxidation of methane in fixed-bed reactor

Partial oxidation of methane (POM) is a preferred method for synthesis gas, which usually occurs in fixed bed reactors. In this paper, the discrete element method (DEM) is used to reconstruct the structure of a reactor bed via simulating the process of filling the reactor with catalyst. The particle resolved CFD physical model with the detailed micro-kinetcis of the POM reaction was established to study the interaction among reactant flow, heat and mass transfer, and reaction in the fixed bed. The gas composition and temperature distribution in the reactor were obtained based on the simulation results. The effects of the space velocity and the reaction temperature on the CH₄ conversion, catalyst selectivity, and catalyst surface coke formation were analyzed. The simulation results show that the temperature hot spots of the catalyst in the bed occur at the inlet and the temperature increases further near the wall. With the increase in space velocity, the conversion rate of CH₄ decreases gradually, and the selectivity does not change significantly. As the temperature increases, the conversion rate of CH₄ gradually increases and the selectivity decreases. The risk of coke formation on the catalyst surface rises axially and the C species concentration is relatively higher near the outlet. Appropriately increasing the gas velocity and increasing the temperature helps to reduce the surface coke accumulation of the catalyst.     

丙烷脱氢制丙烯催化剂烧焦过程的模型化

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,催化剂需频繁烧焦再生。在研究了丙烷脱氢催化剂烧焦过程内外扩散影响的基础上,采用内扩散效率因子修正的均匀烧焦物理模型,建立了综合考虑内外扩散影响的绝热固定床非均相动态烧焦数学模型,用于指导反应器的设计和操作优化。通过对Cr₂O₃/Al₂O₃脱氢催化剂烧焦过程模拟,可更深入地认识烧焦过程的变化规律。     

连续相变的加氢反应器

引　言加氢反应是一类强放热反应 ,在采用滴流床反应器的情况下 ,经常遇到由于液体分布不均而导致的催化剂不完全润湿的现象[1] 。当液体反应物中含有挥发性组分时 ,在一定条件下 ,液相反应物可能会蒸发 ,伴随着反应速度的突然增加[2 ] ,使催化剂局部过热而失活 .另外 ,由于液体在催化剂床层中的不均匀分布而使床层出现未被润湿的干区 ,在强放热反应中 ,会经常观察到出现热点 ,床层的轴向温度出现振荡[3] .两相并流向上的固定床反应器 ,由于床层内的持液量较高 ,液体分布均匀 ,催化剂能很好地润湿 ,因此有可能避免出现热点[4 ] .这种操作形…     

列管式固定床F-T合成反应器的模拟及优化

针对列管式固定床F-T合成反应器的特点建立了一维拟均相数学模型。通过对模型计算与试验结果进行对比分析,表明该模型可以较好的描述反应过程。并从固定床反应器的操作热稳定性出发,对列管式固定床F-T合成反应器的最大允许管径和最大传热温差进行了计算。结合模型计算结果得出了合适的反应管直径与冷却介质温度范围,可以优化列管式固定床F-T合成反应器的设计。     

HYDROGENATION OF 1,5-CYCLOOCTADIENE IN A TRICKLE BED REACTOR ACCOMPANIED BY PHASE TRANSITION

This paper examined the evaporation and condensation of the reaction mixture within the trickle bed reactor during 1,5-cyclooctadiene hydrogenation. The aim of study has been to formulate a mathematical model of heat and mass transfer influenced the exothermic reaction of a volatile reaction mixture apt to evaporation by the reaction heat in the system which is often accompanied by a hot spot temperature formation in the reactor followed by the enhancement of undesirable side reactions and/or catalyst deactivation. The numerical solution of the proposed model agreed quite well with the experimental temperature profiles in the trickle bed reactor.     

甲醇氧化重整制氢过程(Ⅱ)反应器构型对制氢过程的影响

在质子交换膜燃料电池 (PEMFC)移动氢源———甲醇氧化重整制氢自热体系中 ,研究了反应器构型对产氢能量效率和床层内“热点”温度的影响 ,得到了反应器设计准则 ,提出了实际应用中可采用的反应器型式     

Model-based Analysis of Fixed-bed and Membrane Reactors of Various Scale

A packed-bed membrane reactor in a distributor configuration is studied theoretically for the oxidative propane dehydrogenation and compared with a fixed-bed reactor. Based on detailed 2D models considering two different heat and mass transport models the reactor scale-up including various reactor-to-particle diameter ratios (D/d_P) is analyzed with respect to reactor performance, heat transfer and hot spot formation. Higher selectivities at lower hot spot temperatures occur in the packed-bed membrane reactor for the same reaction conditions.