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| 催化剂是催化反应器的核心部分,但由于催化剂的多孔结构,其内部流场、温度场是十分复杂的,通过传统的实验方法对催化剂进行测定周期长,效率低。随着计算机技术以及计算流体力学(CFD)的快速发展,数值模拟为催化剂的研究提供了一个更有效的新方法。本文以水气变换反应的固定床反应器作为研究对象,从连续介质假定观点出发,以守恒定律为理论基础,结合该化学反应的宏观动力学,建立了描述催化剂内部“三传一反”的通用数学模型。由于数学模型主要是非线性偏微分方程,且各方程耦合很紧密,因此采用数值方法进行离散求解。本文分别采用FLUENT的有限体积法和COMSOL的有限元法来求解数学模型。主要内容如下：一、利用计算流体力学(CFD)方法模拟催化剂内部反应,建立了一个耦合低温水气变换反应的多孔介质二维拟均相反应器模型。以FLUENT作为模拟平台,通过UDS添加固相能量方程,将多孔介质的单温度模型修正为气固相耦合传热两温度模型,以源项的形式添加化学反应,将化学反应热添加到气固相能量方程。流体湍流模型采用Spalart-Allmaras方程,动力学模型采用Langmuir-Hinshelwood方程,催化剂的性质及操作条件以Wei-Hsin Chen等的实验为基础。采用有限体积法对模型进行非稳态模拟,应用SIMPLE算法进行求解,对反应器内组分浓度场、速度场及温度场进行了可视化分析。最后列出了非稳态两温度模型在三个时间点的轴向温度曲线,相较于文献中使用的单温度模型,两温度模型的模拟结果与实际更相符。二、采用COMSOL对反应器内催化反应条件进行灵敏度分析。在数值模拟的过程中,建立一氧化碳水气变换反应单温度数学模型,分别采用分子动力学理论计算比热容、粘度、扩散系数以及导热系数等物性参数和传输参数。利用COMSOL对该模型进行有限元计算,得出多孔介质内温度、浓度和压力分布,并通过实验对其进行验证。在此基础上,对模型的操作条件进行优化：依次分析入口温度、催化剂活性、入口组成和入口压力对床层温度分布、CO转化率的影响。结果表明：当催化剂失活时,可通过改变反应物进口温度及组成来弥补其活性降低所带来的损失；当催化剂活性降至0.5时,需更换催化剂。 |
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