規(guī)整催化劑數(shù)值模擬的研究進(jìn)展

訾 雪

(東營(yíng)職業(yè)學(xué)院，山東 東營(yíng) 257091)

傳統(tǒng)固定床層是由多個(gè)大小不同、隨機(jī)堆積的催化劑顆粒填充在反應(yīng)器內(nèi)形成的，顆粒在床層內(nèi)的分布不均勻，易發(fā)生溝流和短路，且反應(yīng)物的停留時(shí)間不一，易導(dǎo)致飛溫和催化劑失活。與上述催化劑相比，規(guī)整結(jié)構(gòu)催化劑由相互平行、狹窄的、包含催化劑的孔道陣列而成，孔道口的大小和形狀可獨(dú)立變化。因孔道結(jié)構(gòu)規(guī)則，當(dāng)流體進(jìn)入該催化劑時(shí)，在孔道內(nèi)其流動(dòng)狀態(tài)不變，有助于化學(xué)反應(yīng)能夠按照設(shè)計(jì)的模式發(fā)生以及反應(yīng)的放大設(shè)計(jì)，同時(shí)避免了催化劑顆粒之間的磨損和壓力損失大等缺點(diǎn)。在反應(yīng)特性上，規(guī)整催化劑也有不錯(cuò)的表現(xiàn)。這些優(yōu)異的性能都是顆粒狀催化劑不具備的。其最突出的應(yīng)用是在汽車轉(zhuǎn)換器凈化尾氣和電廠脫除煙氣中的NOX。除此之外，在其他化工過(guò)程中也有越來(lái)越多的應(yīng)用，wei liu[1]證實(shí)，蜂窩型整體催化劑用于乙苯脫氫反應(yīng)時(shí)具有良好的效果，G.A. JARVI[2]、C.H.Bartholomew[3]均制備了用于甲烷化反應(yīng)的蜂窩型整體催化劑，韓麗[4]將規(guī)整催化劑應(yīng)用于生產(chǎn)苯酚的最后一步CHP 的分解反應(yīng)中。有關(guān)規(guī)整催化劑制備的專利更是不勝枚舉。

規(guī)整催化劑的研究主要集中在催化劑制備、反應(yīng)器設(shè)計(jì)、反應(yīng)機(jī)理、催化劑孔道內(nèi)的傳質(zhì)傳熱特性等方面。由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，數(shù)值模擬是研究規(guī)整催化劑和設(shè)計(jì)其反應(yīng)器的有效手段。因此我們以規(guī)整催化劑的數(shù)值模擬過(guò)程為研究對(duì)象，下面分別對(duì)數(shù)值模擬的對(duì)象單孔道、整體催化劑進(jìn)行介紹。

1 整體反應(yīng)器模擬

流體進(jìn)入到規(guī)整催化劑孔道內(nèi)，流型不發(fā)生改變，所以流體在流入催化劑前的分布非常重要，規(guī)整催化劑的整體反應(yīng)器模擬，就是針對(duì)反應(yīng)器同一截面中流速不均、壓降大等問(wèn)題，優(yōu)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)。大部分模擬整體反應(yīng)器的文獻(xiàn)以汽車催化轉(zhuǎn)化器為研究對(duì)象。黃鑫等人[5-7]用流體計(jì)算軟件FLUENT 對(duì)整體反應(yīng)器進(jìn)行仿真，用多孔介質(zhì)模型模擬規(guī)整催化劑，用以研究反應(yīng)器流場(chǎng)及影響流場(chǎng)的因素，并改變反應(yīng)器結(jié)構(gòu)以優(yōu)化流場(chǎng)。黃莉莉[8]同樣采用FLUENT 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，但其應(yīng)用了新的網(wǎng)格求解技術(shù)，并編寫(xiě)了Newton-Raphson 算法數(shù)值，用以模擬整個(gè)反應(yīng)器。

2 單孔道數(shù)值模擬

單孔道數(shù)值模擬能夠應(yīng)用詳細(xì)的反應(yīng)機(jī)理，很好地再現(xiàn)單孔道內(nèi)“三傳一反”作用的結(jié)果。彭煒琳[9]利用“三傳一反”方程式，對(duì)轉(zhuǎn)化器單孔道建立了一維單孔道模擬模型。G.Veser[10]對(duì)發(fā)生甲烷催化氧化制合成氣反應(yīng)的鉑基規(guī)整催化劑，提出了結(jié)合具體反應(yīng)機(jī)理的一維異相反應(yīng)器模型，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。Renate Schwiedernoch[11]借助DETCHEM 軟件，對(duì)發(fā)生反應(yīng)的單孔道進(jìn)行二維模擬，模擬中使用了多步非均相反應(yīng)機(jī)理，并將催化劑表面的覆蓋率作為催化劑位置的函數(shù)。de Smet[12]用三維模型，模擬發(fā)生甲烷制合成氣反應(yīng)的催化劑，但用到的反應(yīng)模型是較簡(jiǎn)單的表面反應(yīng)模型。Anna Holmgren[13]對(duì)開(kāi)孔形狀為圓角正方形的單孔道建立了三維模型。David Schlereth[14]分別用二維模擬均相模型和三維模型，對(duì)發(fā)生不可逆反應(yīng)、放熱反應(yīng)、一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)的規(guī)整催化劑進(jìn)行模擬，著重分析了熱傳導(dǎo)因素對(duì)規(guī)整催化劑性能的影響。

由于模型復(fù)雜，軟件也是數(shù)值模擬研究規(guī)整催化劑必不可少的工具。梅紅[15]通過(guò)CFX 流體力學(xué)仿真軟件，模擬整體反應(yīng)器和單孔道，分析金屬規(guī)整催化劑的傳質(zhì)傳熱現(xiàn)象。宋艷慧[16]、劉學(xué)義[17]利用FLUENT 軟件，分別以汽車催化轉(zhuǎn)化器、煙氣脫硝催化劑為研究對(duì)象，進(jìn)行二維、三維穩(wěn)態(tài)、非穩(wěn)態(tài)的研究。郭華[18]、孫樹(shù)平[19]運(yùn)用FLUENT 軟件與Chemkin 軟件，耦合二維模擬規(guī)整催化劑的孔道?？导t艷[20]同樣基于Fluent 軟件建立催化劑孔道模型，并在FLUENT 內(nèi)輸入詳細(xì)的反應(yīng)機(jī)理。Olaf Deutschmann[21]通過(guò)FLUENT 軟件耦合化學(xué)反應(yīng)軟件DETCHEM，三維模擬孔道內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)與熱平衡，模擬了催化劑表面上發(fā)生的基于多步化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)過(guò)程，并加入了涂層模型。為了減少計(jì)算量，作者在孔道對(duì)稱前提下只模擬了1/8 通道。

3 結(jié)論

綜上所述，研究規(guī)整催化劑主要的數(shù)值模擬方法，是使用流體力學(xué)計(jì)算軟件CFX、FLUENT，分別研究單孔道或整個(gè)反應(yīng)器內(nèi)的傳質(zhì)傳熱與反應(yīng)效果，從而進(jìn)行反應(yīng)器設(shè)計(jì)。但由于此兩種軟件內(nèi)的反應(yīng)模型比較單一，故需要耦合Chemkin 或DETCHEM 軟件，或是對(duì)軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，建立詳細(xì)的反應(yīng)模型。不借助軟件，通過(guò)建模模擬規(guī)整催化劑的方法難度較大，模擬對(duì)象集中在一維、二維模型，三維模型中的反應(yīng)原理較簡(jiǎn)單，但其可以根據(jù)需要，考慮催化劑的表面涂覆等因素，在研究反應(yīng)微觀方面，該方法是不可缺少的。