反应传递多尺度耦合的拟颗粒模拟

反应与传递过程的耦合是众多化工过程的重要特征之一。随着过程精准调控要求的不断提高和过程强化与微化工等领域的迅速发展,传统上宏观与微观分离的反应与传递描述方式遇到了诸多挑战。拟颗粒模拟耦合软球和硬球两类分子模拟方法的优势,显著简化了分子间作用模型,极大提高了计算效率,为描述宏微观之间的介尺度上反应与传递紧密耦合的复杂现象提供了一种有效手段。本文简要回顾该方法提出的背景,阐述其基本思想,并展示和分析其在气固多相吸附和催化、气液微流动等问题中的应用前景。     

烯烃催化裂解反应器局部颗粒堆积结构的颗粒解析模拟

烯烃催化裂解固定床工艺中的反应过程对压力敏感,深入研究催化剂堆积颗粒结构中的流动及压力分布对优化固定床结构及操作参数有重要意义。颗粒解析模拟方法广泛用于固定床内堆积结构的模拟,可以准确描述堆积结构中的流体力学行为,但对于复杂堆积结构网格生成困难。采用基于多孔介质模型的浸入边界法(PMM-IBM)结合网格自适应,实现了对固定床堆积结构的颗粒解析模拟,既解决了网格划分困难的问题,又节省了计算资源。采用网格自适应技术后,与均匀网格相比,堆积结构的网格总数减少大约80%。通过与贴体网格法的单颗粒表面受力分析对比,确定了此浸入边界法的关键模拟参数。随后模拟预测了三种床层与颗粒直径比值条件下堆积结构的空隙率及其内部的压力及流动分布。研究表明,堆积结构空隙中的局部轴向速度的最大值可以达到入口速度的10倍以上,轴向平均速度的径向分布与轴向平均空隙率分布一致,均成震荡衰减趋势。除此之外,预测的床层压降与Reichelt经验关联式结果较为吻合。在此基础上,耦合单颗粒内扩散和烯烃裂解的主反应,预测了反应物随孔径和孔隙率的变化,为进一步考虑外流场的变化奠定了方法基础。     

三室膜电解法由硫酸锂制备氢氧化锂的实验研究

设计了三室膜电解槽并建立了实验流程,进行了不同电流密度下的初步可行性摸索实验,并选择适宜的电流密度条件,进行了酸室、盐室、碱室初始浓度及循环流速等4个影响因素的条件优化实验.实验结果表明,电流密度在500~1 800 A/m2的范围内,三室膜电解法由硫酸锂制备氢氧化锂的过程在技术上是完全可行的;电流密度在500 A/m2时,电流效率达到最高值而能耗也达到最低值.通过正交实验判断4个条件参数对电流效率和能耗的影响,得到了最优的实验条件组合;进一步的实验验证表明,在酸室、盐室及碱室的初始浓度分别为2.7、1.0及1.0 mol/L,循环流量为30 L/h条件下,电流效率达到66.74%,能耗达到6.37(kW.h)/kg LiOH,优于正交实验中所有结果.     

耦合粗粒化离散颗粒法和多相物质点法的气固两相流模拟

在气固两相流动的模拟中严格处理颗粒运动和颗粒相互作用时,欧拉?拉格朗日(EL)方法比欧拉?欧拉(EE)方法更具优势。但传统的EL方法仅能处理少量颗粒。将颗粒群作为单个计算颗粒处理可扩大模拟规模,粗粒化离散颗粒法(CG-DPM)和多相物质点法(MP-PIC)是其中两种主要方法,分别更适用于稠密和稀疏的颗粒流体系统。将两种方法耦合建立了更通用、准确和有效的EL方法,比较了不同耦合参数下流型、固相分率分布等定量信息,确定了最佳耦合参数。     

基于EMMS模型的大型催化裂化装置再生器气固分布数值模拟

大型催化裂化装置中再生器的规模庞大,其中的气固分布装置对整体性能有重要影响。与传统的冷模实验相比,对再生器整体和气固分布器局部的多尺度计算机模拟有利于更深入地了解其流动规律,高效便捷地考察不同结构设计与操作条件对气固分布的影响,辅助其优化设计。结合双流体模型和EMMS曳力模型,首先模拟了中石化现有3.5 Mt·a^-1大规模清洁汽油生产装置的再生反应器,进而模拟并分析了基于同一工艺设计的7 Mt·a^-1超大规模再生反应器内不同气体和固体分布器对流动与混合过程的影响。模拟结果表明:3环较2环分布器能有效改善气体分布的均匀性,但增加每个环上的气体入口数对其分布的改善有限;而对固体分布器,开孔率减小可增加其阻力,并在一定程度上改善混合性能。进一步讨论了研究分布环喷口处的气固流动与混合细节的必要性,初步展示了基于EMMS模型的离散颗粒模拟方法(EMMS-DPM)对其的有效性。