催化重整固定床反应器传递及反应过程的数值模拟

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固定床反应器的数学模型

固定床反应器的数学模型1、概述凡是流体通过不动的固体物料所形成的床层而进行反应的装置都称作固定床反应器，其中尤以用气态的反应物料通过由固体催化剂所构成的床层进行反应的气-固相催化反应器占最主要的地位。

如炼油工业中的催化重整，异构化，基本化学工业中的氨合成、天然气转化，石油化工中的乙烯氧化制环氧乙烷、乙苯脱氢制苯乙烯等等。

此外还有不少非催化的气-固相反应，如水煤气的生产，氮与电石反应生成石灰氮(CaCN2)以及许多矿物的焙烧等，也都采用固定床反应器。

固定床反应器之所以成为气固催化反应器的主要形式，是由于具有床内的流体轴向流动可看作为平推流，在完成同样的生产任务时，所需的催化剂用量(或反应器体积)最小；床内流体的停留时间可严格控制，温度分布可适当调节，因而有利于提高化学反应的转化率和选择性；床内催化剂不易磨损，可以在高温高压下操作等优点，但固定床中传热较差，对于热效应大的反应过程，传热与控温问题就成为固定床技术中的难点和关键，为解决这一问题而提出了多种形式的床层结构。

2、固定床反应器的结构形式固定床反应器类型很多．按换热方式不同可分为：绝热式反应器和换热式反应器。

2.1绝热式反应器在反应器中的反应区(催化剂层)不与外界换热的称为绝热式反应器。

一般来说，反应热效应小；调节进A反应器的物料温度，就可使反应温度不致超出反应允许的温度范围的反应过程等可采用绝热式反应器。

绝热式反应器具有结构简单，反应空间利用率高，造价便宜等优点。

图1是绝热床反应器的示意图。

如果反应热效应较大，为了减小反应区内轴间温度分布不均，可将绝热反应器改成多段绝热式反应器，在各段之间进行加热或冷却，它可使各段反应区接近适宜温度。

图2是多段绝热床反应器的示意图。

总之，不论是吸热或放热的反应，绝热床的应用相当广泛。

特别对大型的，高温的或高压的反应器，希望结构简单，同样大小的装置内能容纳尽可能多的催化剂以增加生产能力(少加换热空间)，而绝热床正好能符合这种要求。

生物质乙醇制乙烯固定床催化反应器数值模拟的开题报告

生物质乙醇制乙烯固定床催化反应器数值模拟的开题报告
一、研究背景及意义
乙烯是一种重要的化工原料和能源化学品，广泛应用于塑料、橡胶、合成纤维、涂料、染料等领域。

目前乙烯的生产主要依靠石油和天然气等非可再生资源，随着这些资源的日益减少，寻找可再生的乙烯生产途径成为了当务之急。

生物质乙醇制乙烯是一种较为可行的途径，通过利用生物质发酵产生的乙醇，通过碱催化或酸催化反应制得乙烯，这种方法明显具有环境友好、可续利用、降低碳排放等优点。

但是，生物质乙醇制乙烯存在着反应条件严苛、催化剂寿命短等问题，如何提高反应效率和催化剂的稳定性成为了该领域的研究重点。

固定床催化反应器作为生物质乙醇制乙烯的主要反应器之一，其结构简单、操作稳定、催化剂利用率高等优点，具有重要的研究价值。

二、研究内容和方法
本研究将选取现有的生物质乙醇制乙烯的最佳催化剂，建立该反应的固定床催化反应器的数学模型，采用计算流体力学（CFD）数值模拟方法对其进行模拟计算，力求得到更为详细的反应物在催化剂表面的扩散行为、反应过程中温度和流场分布状况等关键信息。

同时，将对催化剂进行动力学特性测试和表面分析，以评估催化剂的活性和稳定性，为未来工业化生产提供坚实的理论基础。

三、预期成果和意义
本研究的预期成果是建立生物质乙醇制乙烯固定床催化反应器的数学模型，并通过数值模拟方法得到该反应过程中的关键参数信息。

同时，将获得催化剂的动力学特性和表面分析等数据，以评估催化剂的活性和稳定性。

这些工作将为未来实现工业化生产提供重要的理论支持，为可持续发展的化工产业提供技术支撑和思路。

催化重整全流程动态仿真

催化重整全流程动态仿真
罗健;张树增;王健红;聂林涛
【期刊名称】《计算机仿真》
【年(卷),期】2010(027)004
【摘要】研究催化重整是石油炼制过程中复杂的工艺流程,为提高系统的稳定性和精度,针对过程进行动态仿真研究,将反应器、加热炉、分离罐作为单位操作工段.建立23元集总模型,保证模犁精度较高,解决了求解时无限多个微分方程才能模拟反
应过程的难题,并且采用LM法优化目标函数,使用部分迭代法中的龙格一库塔法(RK)计算求解.所建立的模型,正确反映单元的动态特性,从而为催化重整过程的设计、预测和优化提供有益的支持.
【总页数】4页(P275-278)
【作者】罗健;张树增;王健红;聂林涛
【作者单位】北京化工大学化学工程学院,北京,100029;北京化工大学化学工程学院,北京,100029;北京化工大学化学工程学院,北京,100029;北京化工大学化学工程
学院,北京,100029
【正文语种】中文
【中图分类】TQ021.8
【相关文献】
1.攀钢选钛厂GL螺旋全流程和强弱全流程工业试验的评价及最佳流程探讨 [J],
周建国
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3.基于ASPEN PLUS用户模型技术的催化重整全流程模拟 [J], 侯卫锋;苏宏业;胡永有;褚健
4.供给侧改革视角下执行全流程再造--从“一人包案”到“分段集约”再到“全流程”的3.0版本 [J], 杨维松
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双催化层固定床甲烷化反应器 CFD 模拟

双催化层固定床甲烷化反应器 CFD 模拟赵静;张亚新;冉文燊;程源洪【期刊名称】《化工学报》【年(卷),期】2015(66)9【摘要】温度分布直接影响着固定床甲烷化反应器的甲烷产量和设备安全性.以年产 12.75 亿立方煤制天然气绝热甲烷化反应器为研究对象,在建立真实设备三维模型的基础上,利用 ANSYS-CFX 有限元数值模拟的方法,建立多孔介质内化学反应、热交换与质量传递的气-固两相反应器模型,获得了双段固定床甲烷化反应器内部温度、压力、速度场的分布规律及甲烷产率分布.对不同床层结构对应的特征场分布进行了探索,分析了床层结构对各特征场分布的影响,确定了床层结构优化方案,MCR 催化剂床层出口处支撑延长的结构更有利于温度场沿反应器径向的均匀分布和甲烷质量分数的提高.对反应器入口温度、空速、压力对特征参数分布的影响进行了研究,提出了针对本工艺的允许入口参数波动范围.%The temperature distribution has its influence directly on methane production and equipment safety of the fixed-bed methanation reactor. To research the adiabatic methanation reactor which can produce 1.275 billion cubic meters SNG a year, the three-dimensional entity model was set up. A gas-solid two-phase reactor model for chemical reactions, heat exchange and mass transfer in porous media was established by the software ANSYS-CFX. The internal profile of temperature, pressure and velocity field and the methane yield profile in the fixed-bed internal methanation reactor with double catalyst layers were obtained. Based on the finite elementnumerical simulation method, the characteristic field distributions of different bed structures were explored. The influence of the bed structure on each characteristic field profile was analyzed, and then, the structure optimization of the bed layer was determined. The structure of the end support extend model was more favorable of the temperature profile along the radial of the reactor and the improvement of the methane mass fraction. The entrance temperature, space velocity and entrance pressure were researched. Through the analysis of the parameters that influenced the degree of the reaction, the fluctuation ranges of the permitted entrance were put forward for this process.【总页数】8页(P3462-3469)【作者】赵静;张亚新;冉文燊;程源洪【作者单位】新疆大学化学化工学院,新疆乌鲁木齐 830046;新疆大学化学化工学院,新疆乌鲁木齐 830046;新疆大学化学化工学院,新疆乌鲁木齐 830046;新疆大学化学化工学院,新疆乌鲁木齐 830046【正文语种】中文【中图分类】TQ545【相关文献】1.绝热固定床甲烷化反应器压降模拟研究 [J], 高振;马磊;侯建国;张新波;何洋2.合成气完全甲烷化固定床反应器数值模拟 [J], 白晓波;王胜;任富强;王树东3.甲烷化固定床反应器床层反应过程与场分布数值模拟 [J], 程源洪;张亚新;王吉德;赵静4.煤制天然气甲烷化固定床反应器内反应特征参数场分布的数值模拟研究 [J], 马涛;张亚新5.合成气甲烷化固定床反应器中催化剂床层压降的实验研究 [J], 余铭程因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

催化重整装置反应器的建模与仿真

Ｃ～Ｃ＋个反应子网络，再采用ＢＧ六ＦＳ算法与ｓＱＰ算法相结合的分组迭代估计方法以降低参数估计的误差。
通过催化重整装置的模拟计算对模型进行了验证，结果表明，模型能够对反应产物组成进行较准确的预测，可满足现代工业应用对模型精度的需求。关键词：催化重整；动力学模型；参数估计
摘要：针对催化重整装置的流程模拟，基于集总理论与催化重整反应机理，提出了一种反应器的模型。该模型的反应网络较全面地考虑了烷烃、环烷烃及芳烃之间的反应关系，覆盖了重整反应过程中的大部分反应。为了降低参数估计的难度，通过合理假设将待估参数数量减少至９９个，并将复杂的反应网络依据碳原子数划分为
ＤＯＩ１．９９ｊｉｓ．４８１５．０２１．３：０３６／．ｓｎ０３ — １７２１．１０１
中图分类号：ＴＱ０８１
文献标志码：Ａ
文章编号：０３ —１５（０２１ —３９ —０４８１７２１）１５１６
ｔｏｙａａａｙｔｃｒｆｍｉｅｃｉｅｈａｉｍｓｈｅｒｎｄｃｔｌｉｅｏｒｎｇｒａｔｏｎｍｃｎｓ．Ｔｈｅｄｖｌｐｄｍｏｅｈｏｈｌｎｌｚｄｔｕｕｌｅｅｏｅｄｌｔｏｒｕｇｙａａｙｅｈｅｍｔａ

催化重整固定床径向反应器结构的优化研究

关键词：催化重整：固定床：传递；结构参数：数值模拟中图分类号：Ｔ５４Ｑ０１８Ｅ６：Ｔ３．ｌ文献标识码：ＡＱ０ｌ１；Ｔ２．；Ｔ９６Ｑ０２４
ＴｈｅＯｐｉｉａｉｎｏｔｕｃｕｒｓｏａａｙｉｆｒｉｘｄＢｅｄａｅｃｏｓｔｍｚｔｏｎＳｒｔｅｆＣｔｌｔｃＲｅｏｍｎｇＦｉｅ — ｄＲａｉｌＲａｔｒ
摘要：催化重整固定床反应：ＣａａｙｉＲｆｒｎｉｅｅｅｃｏ，以下简称ＣＢ传递及反应过程的综合数学￣（ｔｌｃｅｏｍｉｇＦｘｄＢｄＲａｔｒｔＲＦＲ）
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ｌｌ：：：４：针列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。２
ｂｄｒａｔｒ（ＦｅｅｃｏＣＲＢＲ）ｗａｅｅｏｅｉｕｒｖｏｓｗｏｋｓｄｖｌｐｄｎｏｒｐｅｉｕｒ．Ｕｓｇｔｅｉｈｍｅｔｎｄｍｏｅ，ｔｅｎｍｅｉａｎｎｉｅｄｌｈｕｒｌｏｃ

外热式内构件固定床移动床煤热解反应器的数值模拟

外热式内构件固定床/移动床煤热解反应器的数值模拟热解是利用长焰煤、褐煤等低阶煤的重要技术之一,对我国尤其重要,因为其占我国煤炭资源总量的55%以上,但是国内外仍没有同时技术和经济可行的成功产业化低阶煤热解技术,是当前煤转化科学与技术研究的热点之一。

中国科学院过程工程研究所通过在外热式煤热解固定床/移动床中加装内构件,以提高对煤颗粒的传热效率、调控热解反应,有效提高了焦油和热解气的产率和品质,形成了一种新型的外热式内构件固定床/移动床煤热解技术。

在该工艺的设计放大过程中,需要对热解反应器中的流动、传热和热解反应等关键问题进行深入探索。

本课题通过开展外热式固定床煤热解反应器的数值模拟研究,旨在探索煤热解反应机理、深入了解反应器内的传热、流动、反应特征,认识内构件对煤热解反应的调控机制,以期为该工艺的放大、优化和工程设计提供理论指导。

本论文主要研究内容和结论如下:(1)煤热解机理研究。

基于Shinn次烟煤分子结构模型,采用反应分子动力学(ReaxFFMD)方法进行了煤分子的热解模拟。

首先考察了温度、升温速率对热解产物分布的影响,发现随热解温度升高,热解程度加深,高温下焦油二次反应显著,呈现出焦油产率先增大后减小的趋势;升至相同的终温,升温速率低时高温下焦油二次反应明显,升温速率高时热解尚不完全,使得随升温速率的增大,焦油产率先增大后减小。

通过将煤的升温热解过程分成三个阶段,分析了每个阶段的断键规律,探索了各类产物的生成路径,总结出煤热解机理模型:煤初始热解阶段,煤大分子结构中的-C-O-等桥键、杂原子官能团断裂生成CO2、H2O、CH4等小分子气体以及重质焦油。

快速热解阶段,预热解后的煤分子片段中大量的芳香侧链及环烃断裂生成大量焦油、热解气,在该阶段焦油产率最大。

第三阶段为焦油二次反应阶段,焦油优先发生裂解,生成热解气和更轻质焦油。

温度更高时,芳香环结构发生交联缩合反应生成半焦。

各热解产物的生成量及生成顺序则由生成该产物对应的官能团的数量及键能决定。

第五章固定床气固相催化反应工程

径向流动催化床的气体流道短，流速低，可大幅度地降低催化床压降，为使用小颗粒催化剂提供了条件。径向流动反应器的设计关键是合理设计流道使各个横截面上的气体流量均等。
2020/6/7
图5-10 径向二段冷激氨合成塔
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图5-11 径向二段间接热氨合成塔
图5-10和图5-11是 Topse公司大型氨合成反应器的径向二段冷激式及径向二段间接换热式．径向催化床中也可以安装冷管。华东理工大学于二十世纪六十年代开发了800mm鼠笼冷管型径向氨合成反应器，于八十年代开发了丁烯氧化脱氢制丁二烯年产l.6万吨二段绝热段间喷水冷激的径向反应器，二十一世纪初开发了年产十万吨和二十万吨乙苯脱氢二段绝热轴径向反应器。轴径向催化床见图5-12，催化床由无分隔的二部分组成，上部是轴向催化床，下部是轴径向混合流动催化床，便于装卸催化剂。顶端不封闭且侧壁不开孔，气体作轴径向混合流动，主要部分仍用侧壁开孔调节以保证气体作均匀径向流动。
2020/6/7
反应温度不同，选用的载热体不同。—般反应温度200℃~250℃时采用加压热水汽化作载热体而副产中压蒸汽。反应温度250℃~300℃时，可采用挥发性低的有机载热体如矿物油，联苯-联苯醚混合物；反应温度在300℃以上采用熔盐作载热体，有机载热体和熔盐吸收的反应热都用来产生蒸汽。
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图5-6 外冷管式
催化铂重整是石油加工中的重要过程，它以石脑油为原料，可生产高辛烷值汽油和芳烃，其中的大部分反应都是强吸热反应，在绝热反应器中由于反应吸热而降低了反应气体的温度，必须采用三至四段反应器串联，中间由加热炉补充供热，一般重整催化床的入口温度为 480℃~530℃ 。为了降低固定床反应器的压力降，一些重整流程采用径向流动反应器。

催化重整固定床反应器综合数学模型

为了获得工程需要的定量描述，假定催化剂床层多孔介质为连续介质体系，这样就可以将复杂的离散介质体系采用简单的数学方法描述。模拟计算中采用气态单相稳态模型。 3.2 计算体系的离散化为了完成模拟流场的任务，采用结构化计算网格来离散化几何体，网格的划分情况如图3和图4所示。
图3 流体区域计算网格划分
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而引起的净质量成生速率。在催化剂多孔介质区域内，假设孔隙率为 γ ，则组分方程为：
r uu r ∇ ⋅ γρ v Yi = −γ∇ ⋅ J i + R i
(
)
(13)
2.5
集总反应动力学模型由于催化重整反应体系含有约 300 种组分，众多串行和并行反应同时交叉进行，形成复杂的反应网络
体系，反应个数更是数不胜数，而且重整反应为非均相的催化反应，要研究清楚各个反应的动力学是不可能实现的。直到 1959 年，Smith[4]首先采用四组分简化处理催化重整动力学，后来 Wei 等人进一步提出和完善了研究复杂反应体系的集总理论（Lumping）[5]，才使复杂反应体系的动力学研究有了突破性的进展。近年来，国内外许多研究机构以及高等院校的学者都对催化重整反应模型进行了大量研究工作，提出了各种更精确、更符合生产装置也更复杂的反应动力学模型，如 Mobil 石油公司[6]开发的十三集总模型、比利时 Gent 大学石油加工实验室[7]开发的二十八集总模型、美国 PACE 公司[8]以及国内的华东理工大学石油加工研究所[9]、洛阳石化工程公司[10]等都先后发表了有关各自的重整反应动力学模型的文章。本研究采用张红梅等人[11]提出的 17 集总催化重整反应网络。该反应网络将重整物料按分子大小集总为Ｃ6、Ｃ7、Ｃ8 和Ｃ+9，每一个碳数的化合物又划分为正构烷烃、异构烷烃、环烷烃和芳香烃 4 个集总，裂化产物Ｃ-5 作为一个集总。集总组份与组份之间主要发生烷烃脱氢环化、环烷烃脱氢芳构化、烷烃异构化和加氢裂化反应，简化了一些发生几率小或对过程影响小的反应，采用该模型得到的反应动力学参数。

催化反应动力学及固定床反应器

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(3)影响脱附速率的因素
覆盖率 θ A
• 表面覆盖度越大，则已被吸附的分子脱附机率就越大；
脱附速率常数与脱附活化能 Ed
• 能量超过Ed的分子，占总分子数的分率为
kd kd 0 exp( Ed / RT )
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(4)吸附动态平衡和平衡常数 KA 达到动态平衡时，吸附与脱附速率相等：
29
对于一个反应过程，反应式为：
A R
设想其机理步骤为：
A 的吸附过程
A A
A R
表面反应过程
R 的脱附过程
R R
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各步骤的表观速率方程为： A的吸附速率表面反应速率 R的脱附速率其中：
rA k A pAV k A A rS kS A kS R rR kR R kR pR V
空位率或未被覆盖率 θ V：
未被覆盖的活性中心数 V 总活性中心数
( i ) V 1
i 1 n
θ i --- i 组分的吸附率
17
② 吸附速率式
吸附过程可视为化学反应（基元反应），吸附速率与被吸附组分的气相分压和未被覆盖分率成正比：
ra ka pAV
r a---吸附速率；
气固相催化反应的表面反应过程由吸附、脱附、表面反应步骤组成。气体在固体表面上的吸附可分为物理吸附和化学吸附。
1.物理吸附
吸附剂与被吸附物靠分子引力 -- 范德华力结合；
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2.化学吸附
吸附剂与被吸附物之间可视为发生化学反应，是固体表面与气相分子间的化学键力造成的。化学吸附是吸附剂和被吸附物之间的电子共用或转移发生相互作用，使气相分子的结构发生了变化，降低了活化能，从而加快了反应速率，起到催化作用。化学吸附是吸附剂和被吸附物之间的电子转移或共用，因

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催化重整固定床反应器传递及反应过程的数值模拟催化重整固定床反应器的传递及反应过程的数值模拟可以通过以下步骤进行：
1. 建立反应器的数学模型：根据反应机理和物理性质，建立反应器的数学模型，包括传递过程和反应过程的方程。

传递过程方程通常包括质量传递、能量传递和动量传递方程，反应过程方程通常包括反应速率方程。

2. 离散化反应器：将反应器分为若干小段，分别进行离散化处理。

可以选择均匀离散或非均匀离散的方法，根据实际情况选取最合适的离散化方法。

3. 运用数值方法求解方程：根据离散化后的方程，运用数值方法（如有限差分法、有限体积法、有限元法等）求解方程组，得到各个离散段上的物理量分布。

4. 确定边界条件：根据反应器的实际情况，确定反应器的边界条件。

边界条件通常包括流体的入口温度、压力、物质浓度等。

5. 进行数值模拟和计算：根据离散化后的方程和边界条件，进行数值模拟和计算。

可以采用迭代方法，不断更新每个离散段上的物理量，直至达到收敛条件。

6. 分析和评估模拟结果：根据模拟结果，分析反应器的性能、效率等指标，评估反应器的优化方案和潜在问题。

需要注意的是，在进行数值模拟时，需要考虑反应器内部的催化剂颗粒的分布和反应速率方程的影响。

这可以通过引入催化剂颗粒床层的物理结构参数和反应速率方程来进行模拟。

同时，还需要考虑传递和反应过程之间的相互作用，以及其他因素（如温度、压力）对反应过程的影响。