甲醇水蒸气重整制氢固定床反应器的数学模拟

建立二维拟均相固定床反应器数学模型用于描述Cu₅₀Zn₃₀Ce₁₀Al₁₀催化剂颗粒的甲醇水蒸气重整制氢反应过程，该模型由流体相的质量、热量和动量传递方程组成，耦合催化剂颗粒内部的扩散-反应模型。通过将模型预测值与实验数据进行比较，验证反应器数学模型的准确性。在此基础上，分析关键组分CO₂和CO的效率因子随床层轴向的变化规律以及催化剂床层的轴径向温度分布。结果表明：催化剂床层的轴径向温差较大，导致CO₂效率因子变化较大，而CO由于浓度低，反应速率慢，其效率因子变化不明显。     

基于CFD-DEM的异形催化剂径向床反应器数值模拟

为研究催化剂颗粒形状对床层流场均匀度的影响,应用计算流体力学-离散元耦合方法(CFD-DEM)对异形催化剂颗粒随机堆积径向床反应器内的流场进行数值模拟,分别建立柱形、小孔环柱形、大孔环柱形、3孔柱形以及5孔柱形颗粒床层模型,分析反应器床层孔隙率、速度场和压力场的变化。结果表明,不同形状颗粒床层的流场均匀度从高到低的顺序为柱形、3孔柱形、5孔柱形、大孔环柱形和小孔环柱形,柱形颗粒床层主流道径向压差最高,床层孔隙率最低,床层径向速度及压降沿轴向变化最小,流体分布最均匀。     

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。     

流化床在甲烷临氧CO2重整反应中的作用研究

在流化床反应器中进行甲烷临氧CO₂重整制合成气反应。通过计算分析了催化剂颗粒在床层内的流化特性。对比实验表明,流化床反应器在催化剂活性、稳定性、自热过程以及催化剂积炭等方面均体现出比固定床反应器的优越性。在流化床反应器中进行的甲烷自热重整反应,甲烷的转化率接近热力学平衡值,床层温度梯度小于10 ℃, 反应20 h后,催化剂表面无积炭。     

甲醇制氢反应器的一维模拟及工况分析

在温度220-280℃、液空速0．8-2．0h^-1、压力1．3-2．7MPa条件下，于无梯度反应器中测定了ALC-1A型双功能催化剂工业颗粒的宏观反应速率，得到了以速度表示的甲醇裂解重整多重反应的双速率宏观动力学方程。建立了甲醇裂解重整制氢工业管式反应器的一维拟均相数学模型，以工业反应器结构尺寸和操作数据为基准计算出计入壁效应及催化剂失活的活性校正因子。考察了不同的原料液配比、系统压力、液空速、壁温及进口温度下甲醇的转化率、氢气的时空产率和床层出口温度的变化。结果表明在一定范围内，降低甲醇在原料液中的含量，提高压力，选择适当的液空速和壁温，将有利于提高反应器的操作性能：单纯提高床层进口温度对反应几乎没有影响。     

基于CFD-DEM的柱形颗粒固定床反应器流场特性数值模拟

采用计算流体动力学-离散单元耦合法(CFD-DEM),研究了柱形颗粒随机堆积固定床床层的流场流动特性。建立更接近柱形催化剂实体形状的颗粒模型,采用颗粒随机堆积法建立了固定床床层,通过对床层内部的流动特性数值模拟,得到床层内部空隙分布云图及压力场和速度场的分布规律。改变管径和粒径的比值(N,简称直径比),建立N为3,5,10和20的反应器固定床床层,分析了直径比对流场特性的影响。结果表明,当N为5时,床层堆积较为密实均匀,压降较大,速率变化幅度较小,故此管径比下固定床反应器内柱状催化剂床层有较好的流场特性。     

固体热载体外循环逆流移动床生物质气化工艺

基于实验室外循环逆流移动床(ECCMB)催化气化反应体系进行了生物质气化实验研究。该反应系统由移动床热解反应器、气固逆流移动床气化反应器和提升管燃烧反应器组成。以白松木屑为生物质原料、煅烧橄榄石为热载体(催化剂)进行气化实验,考察了热解器温度、水蒸气质量/生物质质量(S/B)、原料粒度以及气化器床层高度对气化结果的影响。实验结果表明:反应器温度和S/B是影响气化产品分布的重要因素;随热解温度的升高,气体产率和化学效率显著提高,氢气含量也有所增加;水蒸气的加入不仅提高了产气率,焦油含量明显降低;原料颗粒粒度和气化器床层高度均对产品分布和化学效率产生不同程度的影响。     

流化床甲烷化基础与应用最新进展

由于CO甲烷化的快速表面反应、强放热特性,相比固定床,采用小颗粒催化剂的流化床甲烷化技术在反应活性和催化剂稳定性方面具有明显的技术优势。从高耐磨催化剂、流化床反应器及其创新、短流程两段甲烷化技术构建及其验证等方面总结了流化床甲烷化技术开发的最新进展。优化催化剂前体制备方法、调变催化剂组成可获得具有较高骨架强度和均匀性的催化剂一次微粒,进而通过优化的喷雾造粒工艺和填充黏结剂,制备出具有可调变粒度分布、高强度和高球形度的流化床用粉末催化剂,但其黏结剂的添加明显影响催化剂的低温活性。通过改性如Al₂O₃和FCC催化剂的球形颗粒,进而负载活性组分,开发了制备高活性、磨损指数小于1.5的流化床甲烷化Ni基催化剂的另一种技术方法。实验室研究证实了流化床甲烷化反应速率极快,在分布板上数毫米处即可实现可能的最高转化率,且在转化率和催化剂稳定性方面明显优于固定床,不仅由于流态化催化剂床层温度均匀,而且催化剂在床层内不停循环,加快了颗粒表面的更新。增大空速和表观气速,流化床的催化剂床层膨胀,反应气体与催化剂颗粒表面间的有效接触面积增加,使得流化床甲烷化对空速和表观气速的可调范围大。操作在更高气速条件的输送床甲烷化避免了操作气速的上限限制,可大幅降低反应器尺寸,有效提高单位截面的原料气负荷能力。输送床甲烷化可采用高热导率的催化剂颗粒传递反应热,相对于气体移热效率高、能力大。流化床甲烷化已在生物废弃物利用和焦炉煤气甲烷化方面开展了侧线示范,形成了相对多段绝热固定床工艺更简单的短流程两段甲烷化新工艺。     

甲烷二氧化碳重整制合成气中积炭效应的数值模拟

通过建立包含动量、质量传递以及化学反应动力学方程的多物理场耦合数值模型,对以Ni为催化剂的甲烷二氧化碳重整制合成气过程中的积炭效应展开了计算。计算结果阐明了包含多孔介质催化剂段的反应通道中的速度场及压力分布,以及在通道中随气体流动以及沉积在催化剂表面的碳颗粒的浓度分布,分析了积炭对 催化剂孔隙率和渗透率的影响,并进一步讨论了甲烷浓度以及温度对积炭产生的影响,最后提出了消减积炭的方法。本文的结论对于进一步研究Ni基催化剂在CH₄-CO₂重整制合成气反应中积炭效应的消减有一定的指导意义。     

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。     

环状GS-05型乙苯脱氢催化剂的研制及工业应用

本文介绍了一种新型高效的环状GS-05型乙苯脱氢制苯乙烯催化剂的研究开发及工业应用情况,并就其催化性能与圆柱型GS-05型催化剂在实验室100ml等温固定床反应器和工业5000t/a等温脱氢装置上的运转作比较,认为环状GS-05型催化剂能适应等温床反应器。     

Simulation of Secondary Reformer in Industrial Ammonia Plant

In order to develop a reactor design model for the secondary reformer in the industrial ammonia plant, the effectiveness factor and convection heat transfer coefficient between gas and catalyst surface have been studied. The temperature and composition of inlet gas to the catalyst bed are predicted using the kinetic equations of 32 radical reactions. The effect of oxygen content in air on the product synthesis gas composition and the ratio of synthesis gas to nitrogen have been studied. The effectiveness factor has been calculated with the assumption that the steam methane reforming reaction is first order in methane partial pressure. The catalyst shape is assumed to be spherical with an equivalent volumetric diameter. The temperature and composition profiles along the axial distance are predicted using a one‐dimensional heterogeneous catalytic reaction model. The temperatures of both gas and catalyst surface decreased with the axial distance from the top of the bed, while the reactions took place. The temperature difference between gas and catalyst surface also decreased along the axial distance. The predicted temperature and composition by the proposed simulation method have been verified with the data from the industrial plant.     

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。     

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。     

醋酸甲酯加氢制乙醇催化剂工业侧线试验

针对聚乙烯醇行业副产大量粗醋酸甲酯的加氢利用需求,采用络合沉淀组装法制备新型Cu-M/SiO2催化剂。对催化剂进行扩大试验,采用工业侧线试验装置考察入口温度、反应压力、氢酯物质的量比和空速等的影响,完成3200h稳定性试验。结果表明,在入口温度≥215℃、反应压力(2.4~3.2)MPa、空速(0.4~1.0)h-1和氢酯物质的量比≥25条件下,醋酸甲酯转化率大于98.5%,乙醇选择性大于99.0%,催化剂结构和性能稳定,显示出良好的工业应用前景。     

Investigation of the liquid recycle in the reactor cascade of an industrial scale ebullated bed hydrocracking unit

One of the commercial means to convert heavy oil residue is hydrocracking in an ebullated bed. The ebullated bed reactor includes a complex gas–liquid–solid backmixed system which attracts the attention of many scientists and research groups. This work is aimed at the calculation of the internal recycle flow rate and understanding its effect on other parameters of the ebullated bed. Measured data were collected from an industrial scale residual hydrocracking unit consisting of a cascade of three ebullated bed reactors. A simplified block model of the ebullated bed reactors was created in Aspen Plus and fed with measured data. For reaction yield calculation, a lumped kinetic model was used. The model was verified by comparing experimental and calculated distillation curves as well as the calculated and measured reactor inlet temperature. Influence of the feed rate on the recycle ratio(recycle to feed flow rate) was estimated. A relation between the recycle flow rate, pump pressure difference and catalyst inventory has been identified. The recycle ratio also affects the temperature gradient along the reactor cascade. Influence of the recycle ratio on the temperature gradient decreased with the cascade member order.     

LB型节能催化剂上高温变换反应本征动力学及工业化测定

运用正交实验设计安排了LB型节能催化剂高温变换反应本征动力学实验,测得不同温度、不同流量、不同水碳比、不同反应气体摩尔分数下LB型节能催化剂上CO高温变换反应本征动力学数据。用甲酸盐机理模型和幂函数模型拟合实验数据,确定了本征动力学模型参数。进行了本征动力学模型统计检验,表明所建模型无论局部还是整体都是显著和可信的。在此基础上,进行了大型合成氨装置上LB型节能催化剂高变反应工业化测定,按多组分单一反应等温球形催化剂一维非均相反应-扩散模型,利用配置法结合解非线性方程组的Merson法求解模型,得到了工业反应器中催化剂床层温度、内扩散有效因子、CO转化率和摩尔分数随床层相对高度的分布,模拟结果与工业化测定结果吻合。     

蜂窝状催化剂中空结构对固定床反应器压降的影响

压降是衡量固定床反应器优劣的重要指标,直接影响了反应性能和综合能耗,催化剂颗粒的外形和尺寸是影响固定床反应器压降的关键因素。采用颗粒分辨计算流体力学模型,研究了工业上常用的蜂窝状催化剂颗粒上中空结构对固定床反应器压降的影响规律。首先,通过对比实验测量的催化剂床层空隙率和压降,验证了建立的颗粒分辨计算流体力学模型的合理性和准确性,其中模型计算获得的压降与实验值相差5%以内。接着,研究了蜂窝状催化剂颗粒开孔个数的影响,发现在催化剂颗粒体积和开孔体积相同的情况下,开孔个数不会显著影响催化剂床层的空隙率,但开孔个数增加会导致压降增大,这主要是由于孔径变小后增大了流体在孔内的动量损失。最后,考察了单孔柱催化剂颗粒尺寸的影响,发现可通过调变外圆柱半径、内孔半径和高度,进而大幅度改变催化剂床层空隙率和压降,当单孔柱壁面越薄时,空隙率越大,致使压降越低。研究结果可以为催化剂颗粒外形的优化设计提供强大的模型工具和一定的理论指导。