利用Fluent軟件對N2O催化分解反應器數值模擬

王志彥,馬小豐,李英霞,陳 建

(1.唐山開灤化工科技有限公司,河北 唐山 063611; 2.北京化工大學化學工程學院,北京 100029)

在文獻[1-2]中,我們研究了整體式Fe-β分子篩催化劑的制備方法,并考察整體式Fe-β分子篩催化N2O分解反應性能。結果表明,優(yōu)化后的制備條件為擬薄水鋁石粉質量分數40%,硝酸質量分數8%,水粉比0.6 mL·g-1。在相同反應溫度、空速和N2O濃度下,孔密度越高,Fe-β分子篩催化劑活性越強；對于相同孔密度的整體式催化劑,隨著空速增加,N2O轉化率降低；在相同反應空速和溫度下,N2O濃度越大,對應的轉化率越高。

在此研究基礎上,本文運用Fluent軟件對蜂窩狀整體式分子篩催化劑與棒狀催化劑床層進行數值模擬,考察孔徑、溫度、空速、入口N2O濃度對反應過程的影響,并對棒狀與整體式催化劑的壓降、轉化率、溫度分布進行對比分析。

1 實驗部分

1.1 蜂窩狀催化劑的模型選擇

圖1為整體式催化劑的孔道模型。催化劑活性組分分布于孔道外壁,催化劑外壁厚度超過0.1 mm,當含N2O的原料氣體通過催化劑外壁進入孔道內部時,N2O經過催化劑活性組分并發(fā)生分解反應,該過程可以視為體積反應。

圖1 N2O催化分解整體式催化劑的孔道模型Figure 1 Channel model of monolithic catalyst for N2O catalytic decomposition

針對單通模型進行假設：首先,每一個孔道的流動特征都相同,通過模擬其中一條孔道的反應狀態(tài),可以推斷整個反應器的情況；其次,模擬反應原料氣為N2O和空氣的混合氣體；最后,認為單通道模型內壁具有多孔道結構,氣-固相反應的數學模型確定為多孔介質模型。模型的推導方程如下[3-4]：

動量守恒方程：

能量守恒方程：

組分質量平衡方程:

式中,i分別代表原料N2O、產物O2和N2,空氣為反應平衡氣體。

理想氣體狀態(tài)方程：PM=ρRgT

多孔介質相與氣體主體相對比,催化劑涂層的連續(xù)性方程保持不變。由于反應過程中內擴散的影響,需增加一項Si,Si表示流體流動過程中多孔介質相的阻力損失,定義其表達式為[5-7]：

動量守恒方程：

質量平衡方程：

能量平衡方程：

r1=7.275×106exp(-9.915×107/RT)CN2O

r2=6.715×104exp(-79315/RT)CN2O

式中,r1為整體式催化劑；r2為棒狀催化劑。

1.2 數值模擬

在長方體單通道模型上建立數值模擬,原料氣體中N2O含量為體積分數12%,體積空速4 000 h-1,初始溫度653.15 K。催化劑1孔密度169 cpsi,床層孔隙率0.665,進口溫度813 K；催化劑2孔密度81 cpsi,床層孔隙率0.685,進口溫度833 K；催化劑3孔密度49 cpsi,床層孔隙率0.725,進口溫度853 K。催化劑外壁厚度均為0.5 mm,長度400 mm,分別在軸向不同距離位置上設置監(jiān)測點,編號為1～8,如圖2所示。

圖2 催化劑軸向的靜態(tài)溫度等值線Figure 2 Contours of static temperature along the axis of catalyst

對孔密度為169 cpsi的蜂窩狀催化劑1進行模擬,研究反應條件對整體式催化劑反應性能的影響,反應條件如表1所示。

表1 整體式催化劑1模擬反應參數Table 1 Simulated reaction parameters for monolithic catalysts 1

2 結果與討論

2.1 孔密度對反應過程的影響

相同反應溫度下,孔密度對整體式催化劑性能的影響如圖3所示,反應器進出口溫度變化如圖4所示。由圖3可知,3種不同孔密度的整體式催化劑上,N2O轉化率均能達到100%；隨著孔密度由大變小,N2O反應轉化率不斷降低；催化劑孔密度越小,N2O完全轉化時的溫度越高。由圖4可知,3種整體式催化劑進出口氣體溫差均為227 ℃。從反應器入口到軸向距離120 mm處,氣體反應最快,平均溫差(單位軸向長度的溫差)變化率最大,隨著反應器軸向距離的增大,溫差變化率逐漸平穩(wěn)。

圖3 不同孔密度催化劑的N2O轉化率Figure 3 N2O conversions over catalysts with different cpsi

圖4 反應器進出口溫度變化Figure 4 Temperature variation at inlet and outlet of reactor

2.2 操作條件對反應過程的影響

入口溫度、反應空速和N2O含量對孔密度169 cpsi的整體式催化劑1性能的影響如圖5、圖6和圖7所示。由圖5和7可以看出,進口氣體溫度和N2O含量越高,在較低的床層高度時,能夠快速提高N2O的轉化率。由圖6可以看出,在相同的入口溫度和N2O含量時,進口氣體空速升高,提升了反應氣體的線速度,降低了氣體在催化劑表面的停留時間,導致N2O轉化率降低。

圖5 入口溫度對N2O轉化率的影響Figure 5 Effect of inlet temperature on N2O conversion

圖6 空速對N2O轉化率的影響Figure 6 Effect of space velocity on N2O conversion

圖7 N2O含量對轉化率的影響Figure 7 Effect of N2O concentration on conversion

2.3 棒狀與整體式催化劑對比

2.3.1 壓降

在模擬條件下,設定相同的入口溫度和N2O含量,考察進口氣速對棒狀和整體式催化劑床層壓降的影響,結果如圖8所示。從圖8可以看出,棒狀催化劑的壓降明顯高于整體式催化劑,在相同的氣速條件下,棒狀催化劑比整體式催化劑的壓降高出兩個數量級。

圖8 反應空速對不同催化劑壓降的影響Figure 8 Effect of gas velocity on pressure drop of different catalysts

2.3.2 N2O轉化率

在反應入口溫度相同,體積空速為2 000 h-1條件下,利用Fluent軟件模擬不同溫度下棒狀催化劑和整體式催化劑上N2O轉化率,結果如圖9所示。由圖9可知,在空速及入口溫度相同的條件下,棒狀催化劑的轉化率更高,這是因為棒狀催化劑散堆于反應器中,氣體通過床層時的停留時間更長,導致N2O在棒狀催化劑上反應更快速,同時N2O分解反應放熱又促進了轉化率提高。通過增加整體式催化劑反應器長度,能夠增加N2O在反應器內的停留時間,從而提升N2O在蜂窩狀催化劑上的轉化率。

圖9 不同催化劑的N2O轉化率對比Figure 9 Comparison of N2O conversion over different catalysts

2.3.3 反應器床層溫度分布

在入口溫度為813.15 K的條件下,模擬了棒狀和整體式催化劑的溫度分布情況,結果如圖10所示。由圖10可知,對于整體式催化劑床層在(0～400) mm范圍內,溫度逐漸上升。在約200 mm 之前,溫度隨軸向的變化大,在200 mm之后,溫度約1 040 K后,溫度隨軸向的變化率快速下降。對于棒狀催化劑,前端床層溫度急劇升高,達到993 K后保持不變。溫度變化率越小,對催化劑的強度要求越低,壽命越長,如整體催化劑。棒狀催化劑溫度變化率太大,造成棒狀催化劑的結構遭到破壞,直接導致棒狀催化劑的壽命下降。

圖10 反應器溫度分布Figure 10 Temperature distribution of reactor

3 結 論

(1) 在相同溫度下,隨著催化劑孔密度的減小,N2O的轉化率降低。從反應器入口到軸向距離120 mm處,氣體反應最快,平均溫差變化率最大,隨著反應器軸向距離的增大,溫差變化率逐漸平穩(wěn)。但不同孔密度的催化劑進出口氣體溫差均為227 ℃。

(2) 對于孔密度為169 cpsi的整體式催化劑,入口氣體溫度和入口N2O濃度越高,在較低的床層高度時,就能達到較高的N2O轉化率。當進口氣體空速升高,提升了反應氣體的線速度,降低了氣體在催化劑表面的停留時間,將使N2O轉化率降低。

(3) 在相同氣速條件下,棒狀催化劑比整體式催化劑的壓降高出兩個數量級；在相同入口溫度下,棒狀催化劑比整體式催化劑的轉化率高；在床層溫度方面,整體式催化劑的床層溫度緩慢上升,而棒狀催化劑在反應器前端急劇升高,不利于保持催化劑的穩(wěn)定性。