气固反应在化工生产中应用广泛,包括金属氧化物的还原、矿石的焙烧、煤和生物质的热解等。反应动力学分析能对反应速率影响因素以及反应机理进行探究,对实际工业生产具有重要指导意义。由于气固反应主要发生在流化床内,相比于传统的热重分析法,采用流化床进行反应动力学测试,更加接近化工生产中真实的反应过程。其中,微型流化床内气体返混程度远远小于常规尺寸流化床,流动更加接近平推流,反应动力学测试受气体扩散影响更小,可以得到更接近于本征动力学的反应动力学模型。但受微型流化床几何结构、装置操作条件、颗粒物性以及壁面效应的影响,微型流化床内的气体返混程度仍需进行定量判断。本文通过CFD模拟方法,分析微型流化床内的气体停留时间分布,结合轴向扩散模型,定量判断不同操作和物性参数下的微型流化床内的气体返混程度,并确定了返混较小的操作条件,并在此基础上对甲烷催化裂解制氢反应进行模拟,相关研究内容和结论如下:论文第一章是文献综述,重点总结了气固微型流化床的流动特征、返混现象以及气固两相流数值模拟方法的研究现状,进而提出本课题的研究思路。论文第二章采用双流体模型结合颗粒动理论对微型流化床进行模拟,首先进行了网格无关性测试和气固相间曳力模型的测试,将模拟得到的最小鼓泡速度和床层平均固含同实验数据进行对比,检验曳力模型的适用性,确定后续分析的合理模拟条件。随后考察了粒径、气速、颗粒静床高和床径等参数与床内气体停留时间分布的关系,并与适合平推流的轴向扩散模型计算得到的Peclet数进行比较,评估各种条件下微型流化床的流动偏离平推流的程度,进而得到返混最小的操作和物性条件,为微型流化床用于气固反应动力学测试提供了基础数据。论文第三章进一步结合文献报道的基于微型流化床反应分析仪测试得到的甲烷催化裂解制氢动力学,得到模型层面的反应速率变化曲线,实现了微型流化床的反应模拟。模拟发现,与传统尺寸的鼓泡流化床相比,在微型流化床中没有出现显著的气泡,而是呈现相对较为均匀的固相分布。进一步分析了模拟参数、甲烷分压、反应温度等对氢气生成速率、氢气浓度分布以及积碳分布的影响。基于模拟结果,获得积炭浓度与反应时间的定量关系,有望进一步改进现有反应动力学模型,用于后续的反应器放大模拟研究。论文第四章总结了本文的研究成果与创新点,并对未来气固微型流化床的研究工作进行了展望。