固定床反应器颗粒床层内流体流动特性及工程应用研究

作     者：朱梓瑞 

作者单位：常州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘雪东

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 081701[工学-化学工程] 

主      题：固定床反应器 床层堆积结构 柱状颗粒 CFD-DEM联合仿真 多孔介质模型 

摘      要：固定床反应器是一种吸附分离设备,其具有返混小、分离效率高、颗粒催化剂磨损低以及结构简单使用寿命长等优点,应用在催化裂解、气体吸附等多种化工生产过程中。固定床反应器吸附过程中,存在装填不均匀、局部架桥和颗粒催化剂使用不完全等问题所引发的床层内流体分布不均匀和床层径向压差较大等不利于催化剂吸附的情况。长时间运行会导致设备破损和床层局部“飞温等问题,引发气体泄漏与爆炸。本文以固定床反应器内柱状颗粒床层为研究对象,采用DEM离散单元法和CFD计算流体力学联合仿真对床层内部流体流动特性进行模拟与实验研究,优化固定床反应器吸附过程应用设计。主要内容如下:1.通过离散单元软件DEM2.7对固定床反应器床层堆积结构进行模拟研究。结果表明:柱状颗粒床层空隙率总体大于球形颗粒,随管径比D/d逐渐增大,床层空隙率逐渐减小并趋于稳定,当管径比大于12.75时,可忽略颗粒形状对床层堆积结构的影响,并由实验结果拟合关于管径比D/d与床层空隙率e之间的关系式。另外,混合装填方式比单一装填方式更容易达到稳定堆积状态,对应的最大装填速度分别为2m/s和5m/s。2.采用CFD-DEM联合仿真方法,对固定床反应器内不同颗粒床层堆积结构的流体流动特性进行研究。结果表明:当床层管径比D/d大于12.75,采用两种颗粒混合装填以及提高床层堆积密度均可以改善流体分布均匀性和减小壁面效应影响范围。其中,相同条件下,混合装填方式的壁面效应影响的最小范围为管壁附近2mm。另外,当流体雷诺数R小于178时,流体呈低速渗流状态;当流体雷诺数R大于890时,床内流体扰动较大,分布均匀性逐渐降低。同时,以实验验证数值模拟可靠性基础上,拟合得到适用于管径比D/d等于12.75,流体雷诺数小于2670的柱状颗粒堆积床的压降计算公式。3.通过多孔介质模型对固定床反应器进行工程应用研究。结果表明:多孔介质模型对于较大级别的固定床反应器研究具有可靠且高效的优势。同时,柱状颗粒床层在管径比D/d小于16.6范围内不可以忽略壁面效应对流体流动的影响。另外发现,低颗粒雷诺数时,床层压降与颗粒雷诺数呈直线关系;高颗粒雷诺数时,床层压降与颗粒雷诺数呈二次曲线关系。并根据床层压降随床层空隙率的变化曲线,得到床层压降与空隙率之间的关系式,其适用条件为颗粒雷诺数小于875,多孔介质高度为3000mm的柱状颗粒吸附床堆积结构。