多孔介質(zhì)填充床中流體流動(dòng)與化學(xué)反應(yīng)過(guò)程分析.pdf

1、多孔介質(zhì)存在廣泛，關(guān)于多孔介質(zhì)中傳遞過(guò)程的研究一直受到關(guān)注，對(duì)于伴有化學(xué)反應(yīng)的多孔介質(zhì)中的傳遞問(wèn)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(yīng)用于冶金和化工等領(lǐng)域中，其內(nèi)部進(jìn)行著復(fù)雜的傳遞過(guò)程和化學(xué)反應(yīng)。本文以進(jìn)行氣固非催化反應(yīng)的填充床反應(yīng)器為研究對(duì)象，從連續(xù)介質(zhì)假定出發(fā)，以守恒定律為理論基礎(chǔ)，結(jié)合化學(xué)反應(yīng)的宏觀動(dòng)力學(xué)及不可逆過(guò)程的唯象關(guān)系，建立描述填充床內(nèi)流體流動(dòng)與反應(yīng)、擴(kuò)散問(wèn)題的通用數(shù)學(xué)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(qiáng)烈的耦合關(guān)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(xué)模型，應(yīng)用MATLAB6.5語(yǔ)言編制計(jì)算程序。 通常對(duì)填充床反應(yīng)器的研究中一般不考慮氣體的壓縮性，對(duì)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(xué)反應(yīng)引起的氣體組成的變化。針對(duì)不同的反應(yīng)類型，在單個(gè)顆粒的綜合反應(yīng)為外擴(kuò)散過(guò)程控制的前提下，分別建立了填充床中可壓縮流體流動(dòng)

3、與反應(yīng)、擴(kuò)散問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型并求解。與不可壓縮流體流動(dòng)下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)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(duì)于不同的反應(yīng)類型，氣體的壓縮性對(duì)于流體流動(dòng)和反應(yīng)轉(zhuǎn)化有不同的影響趨勢(shì)。 了解填充床內(nèi)各個(gè)變量的變化情況對(duì)于設(shè)計(jì)生產(chǎn)裝置、分析生產(chǎn)過(guò)程和優(yōu)化操作非常重要。因此本文又在考慮單個(gè)顆粒的綜合反應(yīng)為可逆化學(xué)反應(yīng)控制的前提下，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，建立了填充床內(nèi)可壓縮流體流動(dòng)與反應(yīng)、擴(kuò)散問(wèn)題的

4、數(shù)學(xué)模型并求解，通過(guò)實(shí)例計(jì)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(yīng)器長(zhǎng)度是影響反應(yīng)器性能的兩個(gè)最主要因素，其它因素的變化可集中反映在這兩個(gè)參數(shù)上。選擇適當(dāng)?shù)念w粒半徑和反應(yīng)器長(zhǎng)度可加快反應(yīng)進(jìn)程和保證反應(yīng)充分。對(duì)于不同的工程應(yīng)用背景，填充床中的流體流速有所差別。本文首先是從最簡(jiǎn)單的流動(dòng)狀態(tài)入手，考慮流速較低、符合Darcy定律的情況，在對(duì)問(wèn)題得出基本結(jié)論之后，再考慮流速較高的非Darcy流動(dòng)