基於介尺度結構分析的流化床甲烷化反應系統研究

《基於介尺度結構分析的流化床甲烷化反應系統研究》是依託西安交通大學，由楊伯倫擔任項目負責人的重大研究計畫。

基本介紹

• 中文名：基於介尺度結構分析的流化床甲烷化反應系統研究
• 項目類別：重大研究計畫
• 項目負責人：楊伯倫
• 依託單位：西安交通大學

中文摘要

研究氣固流化床甲烷化反應系統中，反應混合氣體聚集的稀相夾帶，催化劑顆粒聚集的密相中顆粒微團聚並、破碎和移動等介尺度行為。特別針對介尺度結構的非均勻特性，如顆粒聚團直徑、空隙率對氣固曳力係數的不同影響，開發新的適用粗格線計算的非均勻曳力模型。在此基礎上構建介尺度結構的動態演化模型，並結合懸浮顆粒所消耗能量趨於最小的穩定性約束條件，獲得顆粒聚團直徑、空隙率等介尺度結構參數及其所對應的曳力係數。在此基礎上實現分子尺度的化學反應模型，介尺度結構動態演化模型，宏尺度流型過渡模型的鑲嵌。通過對上述模型進行的求解，揭示氣固流化床甲烷化反應器內的空隙率分布、氣固速度分布、懸浮輸送能量分布而引起的顆粒團聚物之間的質量、能量和動量傳遞。形成完整的揭示氣固流化床甲烷化反應器內流動-傳遞-反應耦合過程的多尺度計算方法，並對跨尺度關聯，結構預測和性能控制等科學問題的研究提出新策略。

結題摘要

國內天然氣長期處於供不應求的現狀，且缺口逐年擴大。天然氣除了來源於化石資源之外，另一個主要途徑就是人工合成。人工合成甲烷過程中最核心的化學反應是一氧化碳與二氧化碳的甲烷化，該反應是強放熱的減分子反應。鼓泡流化床反應器的氣固相間接觸面積大，床內傳熱傳質速率高，能夠保持床層溫度均勻，避免局部過熱，反應器內的動態行為也能得到有效控制，非常適合甲烷化反應的進行。 本項目旨在解決流化床甲烷化反應系統中非均勻結構的科學分析問題。通過對鼓泡流化床反應器內的介尺度結構進行了詳細的分析，考慮介尺度結構對曳力係數的影響，根據能量最小多尺度原理，通過引入壓降平衡方程建立了基於全局結構參數的曳力模型，在此基礎上，將非均勻曳力模型擴展至單個微元格線內，從而建立了廣泛適用於A類、A/B類以及B類顆粒流化系統的基於局部結構參數的曳力模型，並分別針對這兩種曳力模型開發出相應的高效而準確的算法。本項目得到的曳力模型經驗證可以準確地預測鼓泡流化床內的時均固含率的徑向分布，也能夠捕捉到氣泡直徑隨床層高度的變化規律。同時，在非均勻曳力模型的基礎上，對比了二維模擬和三維模擬的差異，造成該差異的原因可能是越靠近反應器壁面，二維近似減少了氣固相的流通面積。 同時，本研究在介尺度模型的基礎上，開發出存在化學反應時的曳力模型。當存在化學反應時，隨著反應的進行，各組分的組成及床層溫度都會隨著床層位置的不同而發生變化，組成和溫度進而會影響氣相的物性，從而影響氣固相曳力。本研究發現，氣相的密度相比於粘度對曳力的影響可以忽略，因此，最終將曳力係數表示為氣相粘度和空隙率的函式，以此來表示存在化學反應時的介尺度曳力模型。進而，通過耦合宏尺度上的雙流體模型、能量守恆方程、組分輸運方程、氣體狀態方程以及混合規則，介尺度上考慮化學反應的非均勻曳力模型，以及微尺度上的化學反應動力學模型建立了描述流化床甲烷化反應系統內流動-傳熱-傳質-化學反應相互耦合的多尺度模型，可以準確地預測反應器內的傳遞和化學反應行為。 本項目為流化床甲烷化反應系統的研究提供了新思路，為其動態模擬奠定了基礎。