固定床传热研究及费托合成固定床反应器的数学模拟

论文摘要

能源是人类生存和发展不可或缺的,是关系到国计民生的重要资源,特别是液体燃料,它是国家经济发展的命脉及社会安全的保障。我国是一个石油较少、天然气含量较丰富、而煤炭资源丰富的国家,发展以煤为原料（CTL）和以天然气为原料费托合成油（GTL）技术,实现煤的洁净利用和天然气的优化深度利用,对缓解我国石油供需矛盾起了至关重要的作用。中国石化集团公司在镇海炼化建设了3000吨/年合成油中试装置,中石化镇海炼化公司、宁波工程公司、华东理工大学等共同承担了项目研究。本论文是对上述项目的费托合成固定床的传热以及反应器的二维数学模拟进行研究。应用DRL-Ⅱ导热系数测量仪在常压及170-265℃范围内对钴基催化剂的导热系数进行了研究。考察了粉末颗粒大小、催化剂试样的密度、空隙率、平行度、不平整度及湿度等因素对催化剂导热系数测量结果的影响。根据Woodside传热模型,计算了反应条件下费托合成钴基催化剂的有效导热系数,考察了反应温度、压力及混合气体组成对钴基催化剂有效导热系数的影响。结果表明：通过实验获得的钴基催化剂的导热系数与温度呈线性关系；在实验范围内,催化剂试样的导热系数随着密度的增大而增大,随着空隙率的增大而减小；在粒径为41-98×10-6m（150-360目）的范围内,粉末颗粒的大小对导热系数的影响不大；试样的平行度、不平整度以及湿度对导热系数的测量结果均有显著影响；反应条件下,钴基催化剂的有效导热系数均随温度和压力的升高而升高,而混合气体组成的变化对其没什么影响。建立了测定气体处于静态时固定床有效导热系数的实验装置,在165～265℃温度范围内及常压条件下,利用稳态法研究了气体处于静态时钴基催化剂固定床的有效导热系数,且分别测定了在N2、H2及He气体氛围中钴基催化剂固定床的有效导热系数。根据稳态法理论,获得了气体处于静态时固定床有效导热系数与催化剂固体的导热系数、气体导热系数之间的关联式,与前人提出的预测气体处于静态时固定床有效导热系数模型进行了比较。结果表明：实验数据与关联式拟合结果的最大偏差和标准偏差分别为1.74%和0.43%,均小于5%；Kunii等提出的能够较为准确地预测气体处于静态时固定床有效导热系数的模型计算值与实验值吻合最好,最大偏差为4.28%,平均偏差为2.77%,；且在不同气体氛围中,λe0,air<λe0,N2<λe0,He<λe0,H2。建立了测定气体流动时钴基催化剂固定床传热参数的实验装置,并以二维拟均相传热模型进行模拟,利用正交配置法及Levenberg-Marquardt法对钴基催化剂固定床的径向有效导热系数和壁给热系数进行了求解。将得到的传热参数与雷诺数相关联,并与通过气体处于静态时固定床有效导热系数、Rep及Pr计算而得到的传热参数关联式进行了比较。结果表明：固定床径向有效导热系数和壁给热系数都与雷诺数Rep呈线性关系；在相同雷诺数Rep下,根据气体处于静态时固定床有效导热系数计算获得的气体流动时固定床径向有效导热系数与实验获得的气体流动时固定床径向有效导热系数的最大相对偏差的绝对值为5.59%,而壁给热系数的最大相对偏差的绝对值为7.10%,均小于15%。利用固定床传热参数计算式,采用集总思想,将产物分为CH4、C3H8、C10H22及C22H44,基于费托合成钴基催化剂的CO消耗速率及碳链增长概率模型,建立了费托合成油固定床反应器的二维数学模型。利用正交配置法和布罗登法对反应器模型进行了求解,获得了反应器内的轴、径向床层温度分布和各组分的摩尔浓度分布。模拟结果显示,床层热点处的最大径向温度差不超过4℃,最大径向浓度差也很小,催化床温度分布、反应器出口组成、反应物的转化率以及油收率的模拟计算值与中试实验数据吻合良好,表明模型是适宜的。通过对操作条件的模拟分析表明：随着床层进口温度从209.50℃升至224.50℃时,床层热点温度基本维持在215℃左右,床层温度保持平稳,CO和H2的转化率及油收率都稍有增加；随着压力从3.0MPa升至5.0MPa,床层热点温度从213.01℃升至219.44℃,CO和H2的转化率以及油收率都增大；随着沸腾水温度从199.4℃升到205.4℃,床层热点温度从213.08℃升至219.87℃,床层温度明显升高,反应物CO和H2的转化率增大,而油收率却降低；随着进口气量从3400Nm3/h增大到5950Nm3/h,热点温度从217.85℃降至214.10℃,反应物CO和H2的转化率及油收率明显降低；随着原料气H2与CO摩尔比从1.9增大到2.5,床层热点温度从214.89℃升至215.99℃,增幅不是很大,CO的转化率增大,油收率有所增加,而H2的转化率却降低。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 前言
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究目的
• 1.3 论文主要内容及创新点
• 1.3.1 钴基催化剂导热系数的研究
• 1.3.2 气体处于静态时固定床有效导热系数的研究
• 1.3.3 气体流动时固定床传热研究
• 1.3.4 费托合成固定床反应器的模拟
• 第2章 文献综述
• 2.1 导热定律及导热系数
• 2.2 物质导热系数的影响因素分析
• 2.3 实验测量方法
• 2.3.1 稳态测量方法
• 2.3.2 非稳态测量方法
• 2.4 催化剂导热系数的测定
• 2.5 固定床中的传热
• 2.5.1 固定床径向传热过程分析
• 2.5.2 静止流体床层有效导热系数
• 2.5.3 固定床传热参数
• 2.6 费托合成反应器
• 2.6.1 列管式固定床反应器
• 2.6.2 流化床反应器
• 2.6.3 浆态床反应器
• 2.7 费托合成反应器数学模型
• 第3章 费托合成钴基催化剂导热系数
• 3.1 导热系数测量仪
• 3.2 SDJ-5液压制样机
• 3.3 试样制备
• 3.4 实验步骤
• 3.5 测量原理与计算方法
• 3.6 实验装置误差分析
• 3.6.1 厚度测量误差
• 3.6.2 直径测量误差
• 3.6.3 温度测量误差
• 3.7 实验装置精度检验
• 3.8 钴基催化剂导热系数的测定结果
• 3.8.1 粉末颗粒大小对导热系数的影响
• 3.8.2 试样密度对导热系数的影响
• 3.8.3 试样空隙率对导热系数的影响
• 3.9 反应条件下催化剂有效导热系数的计算
• 3.9.1 催化剂内部传热模型
• 3.9.2 压力、温度的影响
• 3.9.3 气体组成的影响
• 3.10 测量因素分析
• 3.10.1 试样厚度对导热系数的影响
• 3.10.2 水浴温度对导热系数的影响
• 3.10.3 试样表面不平整度对导热系数的影响
• 3.10.4 试样不平行度对导热系数的影响
• 3.10.5 试样湿度对导热系数的影响
• 3.11 小结
• 第4章 气体处于静态时固定床有效导热系数
• 4.1 气体处于静态时固定床有效导热系数测试装置
• 4.1.1 测试装置简介
• 4.1.2 实验原理与计算方法
• 4.1.3 实验步骤
• 4.1.4 实验条件
• 4.2 实验结果
• 4.3 实验值与模型预测值的比较
• 4.4 不同气体介质下的固定床有效导热系数
• 4.5 气体流动时固定床有效导热系数的计算
• 4.6 壁给热系数的计算
• 4.7 小结
• 第5章 气体流动时固定床传热参数
• 5.1 实验装置
• 5.1.1 固定床反应器
• 5.1.2 设备简介
• 5.1.3 实验流程
• 5.1.4 实验条件
• 5.2 数学模型
• 5.3 传热参数求取方法
• 5.4 实验结果与讨论
• 5.4.1 实验数据
• 5.4.2 计算结果
• 5.4.3 传热参数的关联
• 5.4.4 传热参数的比较
• 5.4.5 气体入口温度的影响
• 5.5 小结
• 第6章 费托合成固定床反应器的二维数学模型
• 6.1 固定床反应器数学模型
• 6.1.1 模型假设
• 6.1.2 独立反应的确定
• 6.1.3 动力学方程和碳链增长概率α模型
• 6.1.4 物料衡算
• 6.1.5 二维数学模型
• 6.2 传递参数与基本物性数据
• 6.2.1 径向有效导热系数
• 6.2.2 径向有效扩散系数
• bw'>6.2.3 床层传热总系数K_bw
• 6.2.4 基本物性数据计算
• 6.3 反应器模型的求解方法
• 6.4 计算框图
• 6.5 小结
• 第7章 费托合成固定床反应器的模拟与工况分析
• 7.1 计算条件
• 7.2 模拟结果与模型的验证
• 7.3 操作工况分析
• 7.3.1 床层进口温度对反应的影响
• 7.3.2 操作压力对反应的影响
• 7.3.3 沸腾水温度对反应的影响
• 7.3.4 进口气量对反应的影响
• 2与CO摩尔比对反应的影响'>7.3.5 原料气H₂与CO摩尔比对反应的影响
• 7.4 小结
• 第8章 结论
• 符号说明
• 参考文献
• 致谢
• 项目来源
• 作者在攻读博士期间撰写和发表的论文