CO偶联制备草酸二甲酯动力学及反应器CFD模拟研究

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CO和亚硝酸甲酯(MN)气相偶联制备草酸二甲酯(DMO)是合成气制乙二醇的第一步,也是最重要的一步。本文采用Pd/α-Al2O3催化剂,在管式固定床反应器测定了该反应的动力学数据,并考察了偶联反应的特征。将管式反应器看作一维均相模型,利用Matlab软件的ode45函数(即四阶-五阶Runge-Kutta算法)对实验数据进行拟合,得到CO偶联反应的动力学方程。CO偶联反应通常采用管式固定床反应器,由于该反应为中等强度放热反应,对催化剂床层的传热效率要求较高,需严格控制反应器内流场和温度场分布。对壁效应、沟流等现象及其对传递和反应过程影响规律的研究,是工业反应器的设计和优化的重要依据。本文采用离散元(DEM)方法并用PFC软件模拟催化剂颗粒的振荡装填过程,实现等径催化剂颗粒(反应管内径与催化剂直径比:D/d=3-5)随机填充床,并用作CFD固定床模拟的几何模型。将实验拟合得到的动力学方程与流体控制方程耦合,并采用商业CFD软件Fluent进行求解,得到固定床反应器流场、温度场及浓度场分布,考察了壁效应及沟流对于传递和反应过程的影响规律。结果表明,直径比为3.14时的壁效应影响最大,压降最大,反应的出口转化率最低;直径比为4.16时产生明显的床层内沟流,严重的沟流使前半段转化率降低,而后半段由于流体的再分布转化率提高,减小了沟流的不利影响;直径比为5.20时流场分布较为均匀,但换热不充分,床层局部热点温度高达442K。
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