超临界水流化床内煤气化过程建模与仿真(2):气化反应动力学模型及气化规律

本文成功建立了煤超临界水气化动力学模型,其中包括煤在超临界水中热解、液化、固相残碳及液化产物的蒸汽重整等均相和非相反应。该动力学模型能准确反应煤在超临界水中气化特征。在前述第一部分工作的基础上,耦合该气化动力学模型,对煤在超临界水流化床中气化过程进行了建模。通过该模型研究了宽温度参数范围下反应器内典型反应速率、反应组分分布演变规律,揭示了反应器内部化学反应特征与气化规律。研究加深了对超临界水流化床内煤气化过程的认识,对超临界水流化床反应器的优化、放大以及实际运行具有指导意义。     

井筒内超临界水流动传热特性数值研究

随着世界油气资源的日渐枯竭,稠油开采在油气开发中的地位日益凸显。对于埋藏深、黏度大的稠油资源,实验研究发现超临界水技术对于深层超稠油具有采收率高且具有原位改质功能,应用前景广。准确预测井筒传热流动特性是进行超临界水开发作业设计与规划的前提。本文发展了一种适用于超临界注入井筒内的传热计算模型,该模型针对各种流型分别选择最优压降计算公式,并考虑超临界蒸汽物性参数对管流摩擦压降计算的影响,修正单相管流摩擦压降公式;模型计算结果与工业现场结果具有较好的一致性,并基于该模型分析了超临界水注入参数对流动传热规律的影响规律。     

典型表活剂与稠油在蒙脱石表面吸附行为的分子动力学模拟

为探究蒸汽与表面活性剂复合驱对稠油与黏土矿物表面吸附稳定性的影响，建立表活剂溶液、稠油和蒙脱石的三元吸附体系，采用分子动力学方法阐释稠油与表活剂在蒙脱石表面的微观竞争吸附机理。计算结果表明：非离子型表活剂难以与蒙脱石表面接触，但在高温吸附质环境中具有较强的扩散能力；阳离子型表活剂在较低温度下占据蒙脱石表面吸附位点并使稠油分子脱离蒙脱石；而阴离子表活剂在高温条件下容易使稠油分子远离蒙脱石。高温促使沥青质聚集核离散，从而促进稠油的流动，但会导致部分表活剂更加亲附蒙脱石而造成非必要的损失。本研究为合理调整温度与表活剂的匹配性，为敏感性稠油油藏的开发提供了良好的应用前景及推广意义。     

胜利油田稠油组分的光谱法研究

用红外光谱, 紫外光谱及同步荧光光谱对胜利油田稠油中的沥青质和胶质进行了分析。红外光谱分析结果表明,胶质、沥青质分子含有可形成氢键的羟基、胺基、羧基、羰基等极性基团,说明原油中 胶质分子之间、沥青分子之间及二者相互之间有强烈的氢键作用,具有很强的极性。通过紫外吸收光谱及同步荧光光谱的测定,并与模型化合物的紫外吸收特征峰及荧光光谱的特征峰相比较,结果表明, 芳香单片是研究稠油中胶质、沥青质组分结构的最基本单位。单元芳香片中芳香环的个数以3～4个环为主,共轭芳香环的排列形式主要为“线性排列”,即渺位缩合。但胶质和沥青质的结构也存在着差异, 即胶质中主要含有3～4个环的共轭芳香片,而沥青质中含有少量多于5个环的共轭芳香片,并且这些共轭芳香片有部分“面性排列”,即迫位缩合。     

正丁烷燃料中低温氧化的骨架反应机理

本文基于Healy等人建立的正丁烷详细反应机理(230个组分,1328个反应),采用直接关系图法,反应路径分析以及敏感性分析相结合的方法,构建了一个包含83个组分,397个反应的中低温反应动力学骨架模型。路径分析发现,在低温反应中,正丁烷氧化着火主要受链传播反应中的放热循环控制。而在中温反应中,正丁烷及其下游产物正丁基的裂解反应变得重要,大分子裂解后的小分子氧化加快反应进程。本文骨架模型在温度范围550~1050 K、压力范围0.1~3MPa、当量比范围0.5~2.0条件下对着火延迟时间、层流火焰速度、温度以及重要组分浓度分布的预测均与详细机理保持很好的一致性,同时与文献中快压机、定容燃烧弹和搅拌射流反应器的实验结果也吻合较好。     

裂解吸热反应对乙烷超临界传热的影响

本文对圆管内超临界状态下乙烷的湍流传热过程进行了数值模拟,分析了乙烷高温裂解对壁面热流密度、平均温度以及对流换热Nusselt数的影响。计算结果表明:考虑乙烷高温裂解吸热反应,管内平均温度会降低,出口处温度降低可达135 K;壁面热流密度则会显著增加,热出口处可增加近2倍;热裂解反应改善了超临界对流换热效果,Nusselt数可提高约20%。在本文计算条件下,经典的对流换热关系式可准确适用于不考虑热裂解反应的情况,而对于考虑裂解吸热反应的超临界乙烷传热情况则误差较大。     

煤油热沉与热裂解反应特性的试验研究

本文设计了一种煤油热裂解反应特性与热沉测量试验系统,利用该试验系统和原始标定法的热损测量方法,测量出了在亚临界和超临界压力下煤油热裂解反应的热沉大小,并进行了热裂解反应主要分解产物成分含量的测定与分析。结果表明：壁温随热流密度增加而增加;在相同燃油温度条件下,压力增大,热沉降低;裂解反应气体的浓度变化主要受到燃油温度和...     

水热处理对HZSM-5分子筛催化热解生物质性能的研究

本文利用比表面积测试等手段考察水热氛围对催化剂物理化学性质的影响,并通过Py-GC/MS实验研究水热处理的催化剂对生物质催化热解的效果,研究结果表明:随着水热处理温度的提高,ZSM-5分子筛的比表面积逐渐减小;水热处理对HZSM-5催化剂表面酸性中心密度和活性的优化,催化剂脱氧效果得到增强,温度越高越有利于催化剂表面酸性中心密度和活性的优化,促进热解产物的脱氧和提质,并且改善催化裂解过程中的催化剂结焦现象。     

超临界水流化床内煤气化过程建模与仿真(1):数学模型及物理场分布规律

煤的超临界水气化是极具发展前景的高效洁净煤炭转化技术.本实验室发明新型超临界水流化床反应器,避免了管式反应器中出现的结焦堵塞现象,实现了高浓度煤浆的高效连续气化.本文对超临界水流化床反应器内的物理过程进行了数学建模,并对宽广的温度参数范围下反应器内温度场、流场、以及颗粒停留时间演变规律等进行数值模拟分析,揭示了反应器内部各物理场的特征,加深了对超临界水流化床内流动传热过程的认识,对反应器的运行与设计具有理论参考价值。     

超临界水的谱学研究进展

超临界水具有独特的性质，在理论和实际应用上都已经受到广泛的关注，超临界水的的静态结构和动力学的研究是认识其性质的理论基础，氢键是静态结构研究的一个重要的内容，在实验上主要是通过谱学的方法如拉曼光谱，核磁共振（NMR），以及衍射分析等进行，动力学研究是探讨其作为反应介质的机理研究的基础，微波波谱法，NMR法，以及准弹性不相干中子散射方法都用于对超临界水的分子动力学重排的研究。     

基于ReaxFF反应分子动力学模拟的正十二烷醇的热裂解特性研究

醇类添加剂是提高碳氢燃料再生冷却效率的有效途径之一。特别是多碳醇由于自身高热值成为了潜在的主动冷却介质，而其裂解机理尚未完善。本研究基于反应分子动力学模拟的方法，分别探究了正十二烷、正十二烷醇的热解过程，从分子尺度揭示其反应动力学微观机理，并分析温度等敏感因素对反应速率、产物分布的影响。结果表明，温度的提高会极大地提升热解的反应速率，并且反应物倾向于分解成分子量更小的气体产物。相比于正十二烷，正十二烷醇的起始裂解温度以及活化能更低，其展现了作为主动冷却介质的潜力。     

超临界水中硫酸钠结晶动力学的分子动力学模拟

在超临界水反应器中，硫酸钠是易造成堵塞的一种常见无机盐，研究其结晶动力学对于防盐沉积反应器的设计具有重要意义.本文采用LAMMPS分子动力学模拟软件研究硫酸钠在超临界水中的微观结晶过程，其中水分子采用SPC/E模型，离子-离子、离子-水分子相互作用采用Coulumb和Lennard-Jones联合势能函数.结果表明：水对离子的静电屏蔽作用随温度升高而增强、随密度减小而减弱；增大超临界水的温度和密度有利于离子扩散，进而促进离子相互碰撞、成核；在模拟的超临界水参数范围内，其成核速率的数量级为10²⁹cm^-3·s^-1，生长速率为(19.8~25.8) m·s^-1.     

碳氢燃料流动换热与裂解反应的建模及仿真

碳氢燃料的化学热沉的释放特性不仅与燃料自身的化学性质有关,还受燃料温度和驻留时间等流动换热因素的影响,是高超声速热防护技术中的重要研究课题。考虑流动换热对裂解反应的影响及裂解反应所引起的组分变化对流动换热过程的影响,本文提出了一个一维非稳态的模型来研究碳氢燃料的裂解反应与流动换热过程的耦合特性.并对不同的温度、工作压力...     

傅里叶红外光谱法研究GAP/AP混合体系的快速热裂解

用T-Jump/FTIR在线联用分析技术,研究了GAP/AP混合体系在模拟燃烧条件下快速加热高温高压的热裂解。结果表明,GAP/AP混合体系的主要热裂解气相产物的组成发生了变化,说明组分之间存在相互作用。压力对GAP/AP混合体系气相产物有明显的影响,表明混合体系组分GAP和AP之间的相互作用是通过AP分解气相产物进行的,混合体系不但存在气相之间的反应,也存在气相/凝聚相反应。而温度并没有影响AP对GAP的作用。用T-Jump/FTIR在线分析技术能够实现模拟燃烧条件下含能材料实时气体产物分析,为从微观反应的角度探索含能材料的快速高压热裂解及其组分之间的相互作用提供一条技术途径。     

正庚烷化学动力学简化模型的构建及优化

提出了一个新的适用于HCCI发动机燃烧模拟的正庚烷化学反应动力学简化模型(40种组分和62个反应)。由三个子模型组成:低温反应子模型是在Li等人模型的基础上,定义具体的醛类(RCHO)产物和小分子碳氢产物(Rs)而构建;增加了用于链接低温反应向高温反应过渡的大分子直接裂解成小分子反应子模型;高温反应子模型是在Griffiths等人模型的基础上,去除了无关的基元反应,增加两个关于CO和CH3O的氧化反应而构建。另外,采用遗传优化技术对模型动力学参数进行调整。计算表明,新模型能够在当量比0．2-1．2,温度从300-3000 K的范围内精确模拟正庚烷HCCI燃烧时冷焰和热焰反应过程,与详细模型(544种组分和2446个反应)计算结果吻合较好。     

超临界水中硫酸钠结晶动力学的分子动力学模拟（英文）

在超临界水反应器中,硫酸钠是易造成堵塞的一种常见无机盐,研究其结晶动力学对于防盐沉积反应器的设计具有重要意义.本文采用LAMMPS分子动力学模拟软件研究硫酸钠在超临界水中的微观结晶过程,其中水分子采用SPC/E模型,离子-离子、离子-水分子相互作用采用Coulumb和Lennard-Jones联合势能函数.结果表明:水对离子的静电屏蔽作用随温度升高而增强、随密度减小而减弱;增大超临界水的温度和密度有利于离子扩散,进而促进离子相互碰撞、成核;在模拟的超临界水参数范围内,其成核速率的数量级为10~(29)cm~(-3)·s~(-1),生长速率为(19.8～25.8) m·s~(-1).     

生物油及其重质组分的热解动力学研究

采用热重分析法对生物油及其三种重质组分模型化合物的热解特性进行了对比研究,并对动力学参数进行了求解.结果表明:生物油的热解包括挥发组分的蒸发及重质组分的裂解两个阶段,反应级数都是4级,活化能分别为29～36kJ/mol及13～19 kJ/mol;三种重质组分模型化合物中左旋葡聚糖也存在两个失重区间,反应级数分别为1和2,且表观活化能最高;3,4二甲氧基苯甲醛和丁香酚则只有一个失重区间,且相应的反应级数分别为0.8和0.5,表观活化能也依次降低.     

煤炭超临界水流化床制氢反应器内颗粒流动及传热特性的数值分析

煤炭超临界水气化是极具发展前景的高效洁净煤转化利用技术,深入研究反应器内流动和传热过程对反应器的设计及优化具有重要意义.本文基于欧拉-拉格朗日方法,耦合化学反应动力学模型,建立了煤炭超临界水流化床制氢反应器的三维瞬态CFD模型,研究了反应器内流动和传热特性、颗粒及产物组分的分布转化规律,得到了煤炭颗粒表面的对流和辐射换热系数,并从传热学的角度,揭示了颗粒粒径对煤炭转化速率的影响机理。     

高性能预混器的混合特性研究

利用氧气和天然气的不完全燃烧以得到不饱和烃是至今国际上对天然气作为化工原料加以利用的一条重要途径,统称为部分氧化法。在生产过程中,为增大原料气的转化率,最大限度地提高进入部分氧化反应炉前的原料气温度是一个关键,而反应炉内裂解反应的高转化率又要求原料气在炉前先混合均匀。混合的氧气和天然气可以自燃,其自燃诱导期是温度的强函数。在高温下(如500℃—600℃),诱导期缩减到毫秒量级。故混合不     

超临界水中纤维素气化制氢的实验研究

在500～650℃、20-35 MPa条件下,对超临界水- 纤维素混合物进行气化反应实验,发现压力、温度、反应停留时间、物料浓度等参数对纤维素的气化率和气态产物的组成都有明显影响,得出上述因素的影响规律。结果表明纤维素在超临界水中具有较高的气化率,生成以H2和CO2为丰要成份的气态产物。