基于介尺度结构分析的流化床甲烷化反应系统研究

项目名称： 基于介尺度结构分析的流化床甲烷化反应系统研究

项目编号： No.91334101

项目类型： 重大研究计划

立项/批准年度： 2014

项目学科： 化学工业

项目作者： 杨伯伦

作者单位： 西安交通大学

项目金额： 75万元

中文摘要： 研究气固流化床甲烷化反应系统中，反应混合气体聚集的稀相夹带，催化剂颗粒聚集的密相中颗粒微团聚并、破碎和移动等介尺度行为。特别针对介尺度结构的非均匀特性，如颗粒聚团直径、空隙率对气固曳力系数的不同影响，开发新的适用粗网格计算的非均匀曳力模型。在此基础上构建介尺度结构的动态演化模型，并结合悬浮颗粒所消耗能量趋于最小的稳定性约束条件，获得颗粒聚团直径、空隙率等介尺度结构参数及其所对应的曳力系数。在此基础上实现分子尺度的化学反应模型，介尺度结构动态演化模型，宏尺度流型过渡模型的镶嵌。通过对上述模型进行的求解，揭示气固流化床甲烷化反应器内的空隙率分布、气固速度分布、悬浮输送能量分布而引起的颗粒团聚物之间的质量、能量和动量传递。形成完整的揭示气固流化床甲烷化反应器内流动-传递-反应耦合过程的多尺度计算方法，并对跨尺度关联，结构预测和性能控制等科学问题的研究提出新策略。

中文关键词： 流化床；甲烷化反应；介尺度；曳力模型；多尺度模型

英文摘要： The meso-scale behavior in the gas-solid fluidized bed methanation reactor is studied, and the typical form is the coexistence of gas-rich dilute phase and particle-rich dense phase where particle clusters are continuously gathering, diffusing and moving. According to the effect of local heterogeneous characteristics of meso-scale structure such as diameter and voidage of particle clusters, the new drag coefficient model suitable for coarse grid computing is developed. Simultaneously, the dynamic evolution model describing the meso-scale structure is established, then by adopting the stability constraint condition of minimizing the energy consumption for suspending particles, the meso-scale structure parameters and corresponding drag coefficient is obtained by the global optimization method. Further, the multi-scale model coupling micro-scale of kinetics in catalyst particles, meso-scale above and macro-scale of flow pattern transition over the fluidized bed methanation reactor is found using the mosaic strategy and solved by the commercial software. The mass, energy and momentum transfer between the particle clusters will be revealed by discussing the gathering, diffusing and moving of the catalyst particles in both dilute phase and dense phase, which indicates the mechanism for the formation and transition of

英文关键词： bubbling fluidized bed；methanation；meso-scale structure；drag model；multi-scale model