化工建模与仿真案例.pptx

固定床仿生反应器的概念及其应用 Bionic Reactor—— Concept Application ;固定床反应器的主要缺陷 压降大——流程长 传热差——填充密度低 催化剂颗粒大—— 快反应有效系数低 床内负荷不均匀 ——固定床难以适合快速反应， 强放热反应;现有的技术措施 径向床 卧式床 异型化催化剂 ——典型案例： 轻烃蒸汽转化 甲醇与二甲醚合成 ;林达卧式床（1992） ——甲醇合成;形形色色的异型化催化剂 ——甲烷蒸汽转化;微通道反应器（microchannel reactor) 混合好，分散好，换热好 催化剂涂覆通道表面，负载量少 压降高 加工难，成本高;蜂窝式规整反应器（monolith reactor) 单通道式反应器，压降低、成本低 催化剂涂覆通道表面，负载量少 ——通道式反应器不能替代填充型反应器 ;一种新的思路——仿生构型 现有固定床的症结在于长期无法突破单一通道进料、单一通道出料的构型设计思维定势（one way in, one way out)，只考虑颗粒结构的局部细化而不着眼于床层整体构型的改变，若改为分布式进料、分布式出料构型，将在固定床设计方面带来一个全新的格局。 人体或动物体内部的流体循环体系是一种最佳的流动分配与热、质交换系统，具有最低的压降，降低压降的要点是采用了分布式动脉输送系统与分布式静脉出料系统。 ;固定床仿生构型——从动物循环系统得到的启发与联想;;;小型芯片式固定床构型;大型插管式固定床构型;大型多层多段径向床构型;固定床仿生反应器三个要素 动脉进料系统——分布式进料网络 静脉出料系统——分布式出料网络 组织细胞系统——催化剂颗粒填充床 主要优点 流动阻力最小化 催化剂与床层利用率最大化 流体全床均布，负荷均匀 返混与换热得到显著改善;固定床仿生反应器设计要点 催化剂颗粒设计——排除内、外扩散限制 合适的动脉、静脉、细胞阻力比（Murray’s Law；1926) 管道分级与各级几何参数（Constructal Theory; Began, 1996~) 阻力最小化（Allometric Scaling Laws；Geoffrey,1997~) 催化剂空间占有率最大化 流体返混最小化 ——目前采用的主要设计手段：CFD模拟+参数调整 理论目标：创建结构优化数学理论与方法 ;;;应用领域 适用范围：外扩散限制的快速反应 目标：反应器小型化，芯片式、移动式反应器 目前考虑的过程—— 移动式GTL装置（甲烷自热催化转化+费托合成） 车载式甲醇制氢装置 火箭燃料催化分解 ——期待着在各领域有更多用途 ;甲烷蒸汽重整微通道反应器（Velocys,2004） 1000桶/天工业化费托合成装置（TEC，2013）。;化工仿生学研究回顾 构造理论——Constructal Theory (Began, 1996~) 分形理论——Fractal Theory (Coppens,1997~) 流体分布器的多级结构（换热器，流化床，固定床） 微反应器T-型通道设计（分配器，混合器，换热器） 分形催化剂孔道（双孔催化剂，燃料电池电极） 仿生膜的构造（分离膜，海水淡化膜） 目前还没有人考虑过固定床反应器的仿生构型。 ;本课题组以往的相关工作 T-型通道的仿生结构与流动模拟—— Lijun Wang, Wei Wu, Xi Li， Numerical and experimental investigation of mixing characteristics in the constructal tree-shaped microchannel ，Chem Eng Sci，2012。 王丽军，吴玮，李希，T型微通道结构中液液两相流动与传质规律，化工学报， 2011， 62（10）：2713-2710。 吴玮，王丽军，李希，T型微通道结构中的混合规律，化工学报，2011，62（5）：1212-1218。 ;Two-dimensional fractal structure in leaf;今后打算—— 1. 理论建树，发展仿生反应器的结构优化模型与方法 2. 技术储备，催化剂芯片制备技术 3. 工业应用，（整体催化剂制备+仿生构型设计） ;推荐题目—— COMSOL模拟芯片反应器中的流动 COMSOL 多层径向固定床中的流动 甲醇合成 氨的合成 乙苯脱氢制苯乙烯 甲苯歧化与异构化 石脑油催化重整 CO变换