多孔介質(zhì)填充床中流體流動與化學反應過程分析.pdf

1、多孔介質(zhì)存在廣泛，關于多孔介質(zhì)中傳遞過程的研究一直受到關注，對于伴有化學反應的多孔介質(zhì)中的傳遞問題是主要研究方向之一。 填充床是一類典型的多孔介質(zhì)，廣泛應用于冶金和化工等領域中，其內(nèi)部進行著復雜的傳遞過程和化學反應。本文以進行氣固非催化反應的填充床反應器為研究對象，從連續(xù)介質(zhì)假定出發(fā)，以守恒定律為理論基礎，結(jié)合化學反應的宏觀動力學及不可逆過程的唯象關系，建立描述填充床內(nèi)流體流動與反應、擴散問題的通用數(shù)學模型。由于控制方程為非線性

2、偏微分方程，且方程之間具有強烈的耦合關系，因此采用數(shù)值方法求解。本文采用有限容積法求解數(shù)學模型，應用MATLAB6.5語言編制計算程序。 通常對填充床反應器的研究中一般不考慮氣體的壓縮性，對一維模型的處理常采用活塞流假定。本文則首先考慮到氣體的壓縮性，并注意到影響氣體壓縮性的因素不只有壓力的變化，還有因化學反應引起的氣體組成的變化。針對不同的反應類型，在單個顆粒的綜合反應為外擴散過程控制的前提下，分別建立了填充床中可壓縮流體流動

3、與反應、擴散問題的數(shù)學模型并求解。與不可壓縮流體流動下的計算結(jié)果進行對比分析表明，兩者之間差別較大，且這種差別隨著操作參數(shù)的變化而有所增減。對于不同的反應類型，氣體的壓縮性對于流體流動和反應轉(zhuǎn)化有不同的影響趨勢。 了解填充床內(nèi)各個變量的變化情況對于設計生產(chǎn)裝置、分析生產(chǎn)過程和優(yōu)化操作非常重要。因此本文又在考慮單個顆粒的綜合反應為可逆化學反應控制的前提下，利用實驗數(shù)據(jù)得到的動力學參數(shù)，建立了填充床內(nèi)可壓縮流體流動與反應、擴散問題的

4、數(shù)學模型并求解，通過實例計算，分析了填充床內(nèi)氣體濃度與固相轉(zhuǎn)化率的變化規(guī)律及影響因素。結(jié)果表明，顆粒半徑和填充床反應器長度是影響反應器性能的兩個最主要因素，其它因素的變化可集中反映在這兩個參數(shù)上。選擇適當?shù)念w粒半徑和反應器長度可加快反應進程和保證反應充分。對于不同的工程應用背景，填充床中的流體流速有所差別。本文首先是從最簡單的流動狀態(tài)入手，考慮流速較低、符合Darcy定律的情況，在對問題得出基本結(jié)論之后，再考慮流速較高的非Darcy流動