管式固定床钴基费托合成反应器的数值模拟
费托合成气固流化床颗粒速度测定及反应器数学模拟
费托合成气固流化床颗粒速度测定及反应器数学模拟我国原油对外依存度较高的现状,给我国经济发展带来严重的压力,同时石油也是一种战略资源,这就要求大力发展非石油路线的工艺。
为此国家中长期科学和技术发展规划纲要,将“大力开发煤液化以及煤气化、煤化工等转化技术”列为优先发展主题。
煤间接液化技术是煤炭制液体燃料的两种主要途径之一,费托合成技术是煤间接液化最为关键的核心技术,而实现费托合成的关键主要是催化剂的制备和反应器技术,其中气固流化床反应器仍然是开发研究的热点。
建立了由供气系统、气固流化床和激光多普勒测速仪及计算机分析系统三部分组成的气固流化床大型冷模实验装置。
分别采用枝条形气体分布器和圆环形气体分布器,在流化状态良好的情况下,对流化床内的颗粒流化行为进行了测量。
使用枝条形气体分布器时,当比半径在0.8-1范围内,由于边壁作用对颗粒动能的消耗,使得颗粒速度较小。
而在比半径为0-0.6的范围内,颗粒速度相对于0.8-1的区间明显增加。
使用圆环形气体分布器时,在比半径0.8处的颗粒速度与比半径为0-0.6时的颗粒速度基本一致,与枝条形气体分布器相比,表现出一定的克服壁面效应的效果。
改变流化床内的表观气速,随表观气速增加,颗粒速度增大。
在使用圆环形气体分布器时,在相同的轴向高度上,颗粒的轴向速度比使用枝条形气体分布器时大。
颗粒在自身重力、曳力及颗粒间相互作用力的作用下,存在由上升到下降,之后再由下降到上升的过程,实验结果给出了颗粒运动方向变化的趋势。
定义了径向振幅绝对值用于描述流化床的颗粒波动。
随着轴向高度的增加,颗粒径向振幅绝对值减小。
在不同的表观气速下,当流化状态良好时,径向振幅绝对值呈现出不随表观气速上升而产生较大变化的特点。
而当流化状态不理想时,颗粒的径向振幅绝对值出现较大变化,径向振幅绝对值与比半径的关系曲线出现了明显的波动。
给出了一种定量描述流化床内流化状态的方法,根据实测的上行与下行的颗粒数量,定义了上行与下行颗粒数比值,在完全流化状态下上行颗粒数与下行颗粒数相等。
绝热管壳型固定床二甲醚合成反应器的一维数学模型
绝热管壳型固定床二甲醚合成反应器的一维数学模型
刘殿华;华婞;房鼎业
【期刊名称】《天然气工业》
【年(卷),期】2008(028)001
【摘要】二甲醚是一种重要的清洁能源,开发具有竞争力的二甲醚生产工艺已成为世界各国的研究热点,以煤为原料采用一步法生产二甲醚是最具发展前途的方法.管壳型合成反应器具有床层温度平稳、反应温度容易控制、能量利用合理、操作费用低等优点.为此,建立了绝热管壳型固定床一步法合成二甲醚合成反应器的一维数学模型,求得典型工况下的10×104t/a的二甲醚反应器床层内各组分的浓度和温度分布,并模拟计算进口温度(200～210℃)、操作压力(4.6～5.5 MPa)对反应器床层温度分布和CO转化率的影响.结果表明,在操作压力4.6～5.5 MPa下,提高操作压力能提高产量,入塔温度对反应的影响不大.研究结果可为工业反应器的设计提供依据.【总页数】3页(P137-139)
【作者】刘殿华;华婞;房鼎业
【作者单位】华东理工大学化工学院;华东理工大学化工学院;华东理工大学化工学院
【正文语种】中文
【中图分类】TE6
【相关文献】
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固定床反应器的数学模型
固定床反应器的数学模型1、概述凡是流体通过不动的固体物料所形成的床层而进行反应的装置都称作固定床反应器，其中尤以用气态的反应物料通过由固体催化剂所构成的床层进行反应的气-固相催化反应器占最主要的地位。
如炼油工业中的催化重整，异构化，基本化学工业中的氨合成、天然气转化，石油化工中的乙烯氧化制环氧乙烷、乙苯脱氢制苯乙烯等等。
此外还有不少非催化的气-固相反应，如水煤气的生产，氮与电石反应生成石灰氮(CaCN2)以及许多矿物的焙烧等，也都采用固定床反应器。
固定床反应器之所以成为气固催化反应器的主要形式，是由于具有床内的流体轴向流动可看作为平推流，在完成同样的生产任务时，所需的催化剂用量(或反应器体积)最小；床内流体的停留时间可严格控制，温度分布可适当调节，因而有利于提高化学反应的转化率和选择性；床内催化剂不易磨损，可以在高温高压下操作等优点，但固定床中传热较差，对于热效应大的反应过程，传热与控温问题就成为固定床技术中的难点和关键，为解决这一问题而提出了多种形式的床层结构。
2、固定床反应器的结构形式固定床反应器类型很多．按换热方式不同可分为：绝热式反应器和换热式反应器。
2.1绝热式反应器在反应器中的反应区(催化剂层)不与外界换热的称为绝热式反应器。
一般来说，反应热效应小；调节进A反应器的物料温度，就可使反应温度不致超出反应允许的温度范围的反应过程等可采用绝热式反应器。
绝热式反应器具有结构简单，反应空间利用率高，造价便宜等优点。
图1是绝热床反应器的示意图。
如果反应热效应较大，为了减小反应区内轴间温度分布不均，可将绝热反应器改成多段绝热式反应器，在各段之间进行加热或冷却，它可使各段反应区接近适宜温度。
图2是多段绝热床反应器的示意图。
总之，不论是吸热或放热的反应，绝热床的应用相当广泛。
特别对大型的，高温的或高压的反应器，希望结构简单，同样大小的装置内能容纳尽可能多的催化剂以增加生产能力(少加换热空间)，而绝热床正好能符合这种要求。
列管式固定床反应器的模拟与设计 毕业设计
列管式固定床反应器的模拟与设计摘要：列管式固定床反应器是化工行业和石化行业中一种非常重要的反应器,对一些强放热反应优势明显。
传统的模拟和设计列管式反应器的方法是基于单管实验,假定工业反应器内各反应管的操作条件与单管实验条件相同,也就是说忽视了工业反应器内冷却条件和流动的不均匀性,这个假定会引起很大的误差。
邻二甲苯氧化制苯配是工业生产苯配的主要工艺,其工业生产主要在列管式固定床反应器内进行。
要设计合理的列管式反应器,最重要的就是确定壳程空间的最优解。
本文提出了一个关于壳程的二维小池模型,将壳程空间分成若干个二维小池,在所有小池内,冷却剂的流动只有平行于管束和垂直于管束两个分量。
关键词:列管式反应器,固定床,结构设计目录列管式固定床反应器的模拟与设计 (1)第1章前言 (3)第2章文献综述 (4)2.1苯配生产 (4)2.2列管式固定床反应器的结构 (5)2.3列管式固定床反应器的设计进展 (7)2.4反应器的分析方法 (18)2.5反应器结构的优化 (19)第3章列管式固定床反应器中邻二甲苯氧化反应的研究 (20)3.1邻二甲苯氧化制苯配工艺 (20)3.2一维拟均相模型求解管侧 (22)3.3二维拟均相模型求解管侧 (24)3.4操作参数对邻二甲苯氧化反应的影响 (26)3.5结果与讨论 (28)第6章全文总结 (29)参考文献 (31)第1章前言固定床催化反应器是化学工业和石油化学工业中应用多、用面广泛的反应设备,根据其换热方式可分为绝热和非绝热(列管式)两种。
对于反应热效应很大,收率对温度敏感而又要求高转化率和高选择性的反应,为维持适宜的温度,必须用换热介质来移走或供给热量,采用列管式固定床反应器是非常合适的。
如丙烯胺氧化制备丙烯睛、蔡或邻二甲苯氧化制备苯配、乙烯氧化制环氧乙烷、苯或正丁烷氧化制顺配、异丁烯氧化制备甲基丙烯酸等[1][5]。
如今,相当一部分气固相催化反应在列管式固定床反应器中进行,而该反应器的设计开发技术大都是从国外引进,国内的装置普遍存在温差较大的问题,主要是壳程冷却剂流动分布不均的问题。
高比表面积双孔SiO2负载钴基催化剂费托合成反应性能研究
DOI: 10.19906/ki.JFCT.2022077高比表面积双孔SiO 2负载钴基催化剂费托合成反应性能研究胡雪琪 ，吕 帅 ，赵燕熹 ，张煜华* ，刘成超* ，李金林（中南民族大学 催化转化与能源材料化学教育部重点实验室和催化材料科学湖北省重点实验室, 湖北 武汉 430074）摘 要：载体的结构可以显著影响钴基费托合成催化剂的活性和产物选择性。
大孔结构载体可以改善反应物和产物的传质情况，提升CO 转化活性和C 5+ 产物选择性；高比表面积载体有利于使负载的金属分散，提高催化剂的金属利用效率和稳定性。
然而，要获得同时具备高比表面积和大孔结构特征的载体相对困难。
本研究采用结构导向水解法，合成了一种比表面积达1103.2 m 2/g 的介孔（2.9 nm ）-大孔（63.8 nm ）双孔二氧化硅（BP-SiO 2）载体，研究了其负载钴催化剂的费托合成反应性能。
结果表明，相对规整介孔SBA-15分子筛负载的钴催化剂Co/SBA-15，210 ℃反应时，催化剂Co/BP-SiO 2的CO 转化率提高33.3%，CH 4选择性降低30.1%，C 5+ 选择性增加到80.0%，稳定性显著增强。
关键词：费-托合成；双孔；钴基催化剂中图分类号： O643 文献标识码： AFischer-Tropsch synthesis performance of cobalt-based catalysts supported on bimodalporous SiO 2 with high specific surface areaHU Xue-qi ，LÜ Shuai ，ZHAO Yan-xi ，ZHANG Yu-hua *，LIU Cheng-chao *，LI Jin-lin（Hubei Key Laboratory of Catalysis and Materials Science , Key Laboratory of Catalysis and Energy Materials Chemistry ofMinistry of Education , South-Central Minzu University , Wuhan 430074, China ）Abstract: The structure of the supports can significantly affect the Fischer-Tropsch catalyst activity and selectivity.The porous structure can improve the mass transfer of reactants, enhance the CO conversion activity and C 5+ product selectivity; the high specific surface area is beneficial to disperse the loaded metal, improve the catalyst metal utilization efficiency and catalyst stability. However, it is relatively difficult for supports to obtain high specific surface area and macropore structure characteristics simultaneously. A mesoporous (2.9 nm) -macroporous (63.8 nm)bi-porous silica (BP-SiO 2) support with a high specific surface area of 1103.2 m 2/g was synthesized by the structure-directed hydrolysis method, and its catalytic performance for Fischer-Tropsch synthesis was investigated. The results showed that compared to the Co/SBA-15 catalyst with equivalent mesopore diameter, the catalyst Co/BP-SiO 2 showed CO conversion rate nearly increased by 33.3%, CH 4 selectivity reduced by 30.1%, improved C 5+selectivity and stability.Key words: Fischer-Tropsch synthesis ；bimodal pore ；cobalt based catalyst能源是现代社会赖以生存和发展的基础，清洁液体燃料的供给能力关系着中国国民经济的可持续性发展，是中国国家安全保障战略基础之一[1]。
列管式固定床F-T合成反应器的模拟及优化
列管式固定床F-T合成反应器的模拟及优化陈金锋【期刊名称】《大氮肥》【年(卷),期】2012(035)004【摘要】With the features of Fischer-Tropsch tubular fixed-bed synthesis reactor a one-dimensional, simulated homogeneous phase mathematical model has been established and a comparison and analysis of the simulation calculation and experiment result are carried out, it shows that the model could preferably describe the F-T synthesis reaction process.In view of the thermal stability of the fixed-bed reactor, maximum allowable tube diameter and temperature difference of heat transfer are calculated.With model calculation result an appropriate range of diameter of reactor tube and coolant temperature is obtained ,which can optimize the design of F-T tubular fixed-bed synthesis reactor.%针对列管式固定床F-T合成反应器的特点建立了一维拟均相数学模型。
通过对模型计算与试验结果进行对比分析,表明该模型可以较好的描述反应过程。
并从固定床反应器的操作热稳定性出发,对列管式固定床F-T合成反应器的最大允许管径和最大传热温差进行了计算。
固定床管式反应器内催化剂颗粒堆积与反应模拟
固定床管式反应器内催化剂颗粒堆积与反应模拟
汤之强;段晓霞
【期刊名称】《石油化工》
【年(卷),期】2024(53)1
【摘要】采用数值模拟方法结合反应动力学,针对乙烯环氧化生产环氧乙烷的反应,考察了直径40.0mm的反应管中填充不同宏观尺寸的单孔或七孔催化剂颗粒时,反应器床层平均空隙率、堆密度以及单位床层高度压降、乙烯转化率、环氧乙烷选择性等参数的变化规律。
模拟结果表明,对于七孔催化剂颗粒,随着催化剂外径的增加,床层平均空隙率大体呈现减小的趋势,这与单孔催化剂颗粒的变化趋势类似;而床层堆密度、乙烯转化率、环氧乙烷选择性均大体呈现增加的趋势,与单孔催化剂颗粒的变化趋势相反。
【总页数】10页(P41-50)
【作者】汤之强;段晓霞
【作者单位】中国石化北京化工研究院燕山分院;中国科学院过程工程研究所【正文语种】中文
【中图分类】TQ018
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工业级错流列管式固定床反应器的CFD模拟_杨遥
出口 盘 环 形 折 流 板 进口
(a). Schematic Diagram
(b). Disk-doughnut Baffle 图 1 模拟对象的几何结构 Fig. 1 Geometry structure of simulated domain
(c). Tubes Layout
表 1 模拟对象的结构参数 Table 1 Parameters of the simulated domain Geometric parameters Shell diameter/mm Shell height/mm Tube number Tube diameter/mm Distribution pattern Tube pitch/mm Values 5000 6000 18796 Φ25×3 Equilateral Triangle 32
2016-00-00 收到初稿，2016-00-00 收到修改稿。 联系人：黄正梁。第一作者：杨遥（1989—） ，男，博士研究生在读，学生。 基金项目：国家自然科学基金（91434205） ，国家杰出青年科学基金（21525627） ，浙江省杰出青年科学基 金项目（LR14B060001） ，高等学校博士学科点专项科研基金（20130101110063） 。 Received date: 2016-00-00. Corresponding author: Dr.Huang Zhengliang, huangzhengl@ Foundation item: supported by The Project of National Natural Science Foundation of China (91434205),National Science Fund for Distinguished Young (21525627), natural science foundation of Zhejiang province(Grant No. LR14B060001), Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China(20130101110063). 1 / 14
费托合成催化剂流化床还原的数值模拟
费托合成催化剂流化床还原的数值模拟郭中山;王峰;许明;蒋雪冬;卜亿峰【摘要】开发流化床还原技术是实现费托合成催化剂高活性并提高其长周期运转性能的可能途径,而流化床还原操作条件的优化为该技术的关键.结合计算流体力学,利用双流体模型研究了流化介质、催化剂粒径、催化剂密度以及操作气速等操作条件对催化剂流化状态的影响.数值模拟结果表明:流化介质对催化剂的流化状态影响较大,催化剂细粉在流化床还原过程中可被有效分离;随着催化剂密度的增大,其操作气速也需相应提高.模拟结果和实验数据相一致,验证了数值模拟的合理性,展现了计算流体力学在指导反应器设计和优化方面的前景.【期刊名称】《煤质技术》【年(卷),期】2017(000)006【总页数】4页(P1-4)【关键词】流化床;费托合成;催化剂;计算流体力学;数值模拟;流化状态;操作气速【作者】郭中山;王峰;许明;蒋雪冬;卜亿峰【作者单位】神华宁夏煤业集团煤制油分公司 ,宁夏银川 750411;神华宁夏煤业集团煤制油分公司 ,宁夏银川 750411;北京低碳清洁能源研究所 ,北京 102209;北京低碳清洁能源研究所 ,北京 102209;北京低碳清洁能源研究所 ,北京 102209【正文语种】中文【中图分类】TQ4260 引言费托合成技术是煤炭洁净利用的重要方向之一，其主要原理为CO 与 H2反应生成碳氢化合物，具有清洁、环保、燃烧性能优异等优点[1]。
开发高活性、高产品选择性和高稳定性的催化剂是费托合成技术成功的最关键因素之一。
新制备的铁基催化剂或钴基催化剂均为氧化态，不具备对费托合成反应起催化作用的物理结构和化学状态，只有在特定条件下将其还原后才具有催化活性[2-4]。
还原工艺及参数影响着还原态催化剂的物相组成和晶相结构，而后者决定了催化剂的合成反应性能和使用寿命，因此催化剂还原工艺条件的优化对费托合成工艺具有重要意义[5-9]。
目前常用的还原方法是采用浆态床还原反应器，按照一定进口气体组成、温度、压力和空速来还原催化剂，存在投资成本高、高压操作、还原时间长等问题[10]。
列管式固定床反应器管束间单相流动与传热的CFD研究
固定床反应器的数学模型
固定床反应器的数学模型1、概述凡是流体通过不动的固体物料所形成的床层而进行反应的装置都称作固定床反应器，其中尤以用气态的反应物料通过由固体催化剂所构成的床层进行反应的气-固相催化反应器占最主要的地位。
如炼油工业中的催化重整，异构化，基本化学工业中的氨合成、天然气转化，油化工中的乙烯氧化制环氧乙烷、乙苯脱氢制苯乙烯等等。
此外还有不少非催化的气-固相反应，如水煤气的生产，氮与电反应生成灰氮(CaCN2)以及多矿物的焙烧等，也都采用固定床反应器。
固定床反应器之所以成为气固催化反应器的主要形式，是由于具有床的流体轴向流动可看作为平推流，在完成同样的生产任务时，所需的催化剂用量(或反应器体积)最小；床流体的停留时间可格控制，温度分布可适当调节，因而有利于提高化学反应的转化率和选择性；床催化剂不易磨损，可以在高温高压下操作等优点，但固定床中传热较差，对于热效应大的反应过程，传热与控温问题就成为固定床技术中的难点和关键，为解决这一问题而提出了多种形式的床层结构。
2、固定床反应器的结构形式固定床反应器类型很多．按换热式不同可分为：绝热式反应器和换热式反应器。
2.1绝热式反应器在反应器中的反应区(催化剂层)不与外界换热的称为绝热式反应器。
一般来说，反应热效应小；调节进A反应器的物料温度，就可使反应温度不致超出反应允的温度围的反应过程等可采用绝热式反应器。
绝热式反应器具有结构简单，反应空间利用率高，造价便宜等优点。
图1是绝热床反应器的示意图。
如果反应热效应较大，为了减小反应区轴间温度分布不均，可将绝热反应器改成多段绝热式反应器，在各段之间进行加热或冷却，它可使各段反应区接近适宜温度。
图2是多段绝热床反应器的示意图。
总之，不论是吸热或放热的反应，绝热床的应用相当广泛。
特别对大型的，高温的或高压的反应器，希望结构简单，同样大小的装置能容纳尽可能多的催化剂以增加生产能力(少加换热空间)，而绝热床正好能符合这种要求。
不过绝热床的温度变化总是比较大的，而温度对反应结果的影响也是举足轻重的，因此如取舍，要综合分析并根据实际情况来决定。
费托合成固定床反应器评价系统
费托合成固定床反应器评价系统包括流程图、特点、技术指标和配置清单。
1 .流程图：■|反应炉拧温I“6S2结构流程图2 .特点：1 .固定床反应器评价系统的所有部件均采用优质产品;2 .三路气体，分别走合成气，N2和3 .固定床反应管为管式反应器，反应管内置测温套管，可实时监测催化剂床层温度。
固定床反应管拆卸方便。
固定床反应炉为哈夫炉（双开炉），单段控温，功率＜2000W,控制温度RT~120（）OC,采用PID精确控温方式，恒温过程控温精度＜±1℃；4 .反应炉下端尾气可同时进入气液分离器进行产物冷凝和气液分离，以及在保温状态下进入色谱仪中进行产物全分析；5 .反应炉下端配备气液分离器（收集器），收集器为双层结构，收集器内部有液体积液罐，可对反应产物进行冷凝和收集，待一定时间后通过下部的针型阀进行取样；6 .在反应装置旁边放置色谱仪，使连接色谱的管路尽可能短，尽量减少产物残留；7 .铝合金框架，设计紧凑，美观大气，另外尺寸大小设计合适，利于日常维修和正常拆卸。
8 .技术指标：1 .设计压力：0~10MPa,实际使用压力0~6MPa；2 .采用单段开式恒温炉，尺寸约为长200mm*长200mm*高300mm；3 .设计反应温度：室温~1200cj C,保温箱温度RT~40CrC,控制精度＜±1。
（：；4 .不锈钢反应管尺寸约为外23mm,内Iomm,催化剂装填量0~lml；5 .三路气体，准确度±1%FS线性偏差±1%FS精度±0.2%FS响应时间2~4s；量程20Oml∕min（订货前确定）。
合成气用一氧化碳标定。
6 .冷凝器为双层结构，内部有冷凝盘管，内体积约为50ml（外体积约为120ml）o 补充说明:1 .费托合成产物分布较大，而保温箱出口进入色谱仪前以及色谱仪内部部分管道采用硅胶加热带控温的方式，控制温度RT~20（TC（常规的纤维加热带只能到150℃）,会导致进入色谱分析前部分高沸点产物损失；2 .设备中所有管道均采用外径3mm不锈钢管道。
平行流列管式固定床反应器管外流体的模拟
平行流列管式固定床反应器管外流体的模拟
曹晓丽;沈荣春;束忠明;黄发瑞
【期刊名称】《化学反应工程与工艺》
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【摘要】运用计算流体力学软件FLUENT6.1对平行流列管式固定床反应器环形流道及管间流体的流动进行数值模拟.模拟结果表明,流体进入环形流道后流速急剧变化,要达到环形流道内侧壁沿圆周流量均匀分配,就必须在不同的位置开不同尺寸的孔,反应器进口挡板和分布板的设置使管问流体在进入反应器后径向分布基本均匀.建立冷模实验装置,测定流体在反应器管间不同高度同一截面上的压力分布,实验结果表明,反应器管间流体达到均匀分布.管间流体压力的模拟值与实验值相比较,两者吻合良好.
【总页数】4页(P301-304)
【作者】曹晓丽;沈荣春;束忠明;黄发瑞
【作者单位】华东理工大学化学工程联合国家重点实验室,上海,200237;华东理工大学化学工程联合国家重点实验室,上海,200237;华东理工大学化学工程联合国家重点实验室,上海,200237;华东理工大学化学工程联合国家重点实验室,上
海,200237
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5.用动量方程进行平行流列管式固定床反应器设计 [J], 王宇林;沈文伟;吴亚峰;周文成
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管式固定床钴基费托合成反应器的数值模拟周晴晴;李皓;王密;范飞;申玲【摘要】基于钴基费托合成集总反应动力学,使用Fluent对镇海炼化年产3000t 合成油试验装置进行工况模拟,得到的催化床层温度分布、CO转化率、出口物料组成、C5+质量分数的模拟计算值与中试装置试验值吻合较好.讨论了反应器进口温度、进口压力、管外沸腾水温度和反应管管径对费托合成反应结果的影响,可进一步指导反应器设计开发和操作优化.【期刊名称】《化工机械》【年(卷),期】2018(045)005【总页数】5页(P652-656)【关键词】列管式固定床反应器;费托合成;钴基催化剂;Fluent数值模拟【作者】周晴晴;李皓;王密;范飞;申玲【作者单位】兰州兰石能源装备工程研究院有限公司;兰州兰石能源装备工程研究院有限公司;兰州兰石能源装备工程研究院有限公司;兰州兰石能源装备工程研究院有限公司;兰州兰石能源装备工程研究院有限公司【正文语种】中文【中图分类】TQ051.3我国是一个“富煤、贫油、少气”的国家，发展煤间接液化的费托合成油技术(CTL)是实现煤炭资源清洁利用的重要方式，可有效缓解我国石油供需矛盾和能源供应不足的现状。
钴基费托合成具有反应温度低、重质烃选择性高、水煤气变换反应低及产物附加值高等特点，在工业生产中被广泛应用。
目前对于费托合成反应器数值模拟方面的研究已经有很多。
曹军等建立并求解了铁基费托合成的多物理场耦合二维轴对称数学模型，分析了反应温度、流速和H2/CO摩尔比对产物分布的影响[1]。
Rahimpour M R和Elekaei H对铁基费托合成进行了二维数值模拟，讨论分析了反应管管径对反应结果的影响并给出了最佳管径[2]。
笔者主要基于钴基费托合成集总动力学方程对管式固定床费托合成反应器进行数值模拟计算，并与镇海炼化年产3 000t合成油中试试验数据进行对比。
进一步分析讨论了工艺操作参数和反应器结构尺寸对费托合成反应结果的影响。
1 钴基费托合成数学模型的建立与求解1.1 钴基费托合成集总动力学方程合成油中试装置所使用的钴基催化剂的反应产物多为烃类(CH4、低碳烃、油及蜡等)，二氧化碳和含氧化合物含量很低，水汽变换等副反应不予考虑。
费托合成反应机理复杂，产物种类繁多，数学模拟反应过程和准确预测产物分布相对困难[3]。
根据集总思想，钴基费托合成过程中的主要反应和反应的动力学方程如下：CO+3H2→CH4+H2O(1)3CO+7H2→C3H8+3H2O(2)10CO+21H2→C10H22+10H2O(3)22CO+45H2→C22H46+22H2O(4)(5)式(5)中，ri表示化学式的反应速率，i=1，2，3，4表示化学式(1)～(4)； cCO和cH2分别表示反应气体CO和H2的摩尔浓度；T为反应温度；R为摩尔气体常数；反应动力学参数mi、ni、ki和活化能Ea,i可根据文献[4]中的动力学实验数据拟合得到，其值见表1。
其适用的操作条件范围可参考实际的合成油中试装置：反应压力1～5MPa，温度190～240℃，合成气中H2/CO摩尔比为1.4～2.5。
表1 反应动力学方程式参数ikEa /J·kmol-1mn1343 110.8689 691 018.02-2.401 32.741 52141 389.8192 020 294.66-2.506 52.756 0346.3060 400 014.67-2.011 42.443 644.7550 747 985.26-2.195 22.560 61.2 几何模型镇海炼化的钴基费托合成油中试装置[5]中，管壳型固定床反应器催化床层高度为9m，反应管管径38mm×3mm，共271根。
结合该中试装置的结构和工艺操作特点，针对反应单管建立催化床层高度l=9m，半径r=16mm，壁厚lw=3mm的二维轴对称数值模型(图1)。
管内填充球形催化剂，原料合成气以一定的温度、压力进入催化床层发生费托合成反应，反应产生的热量由管外沸腾水带走。
图1 钴基费托合成二维轴对称管式反应器模型1.3 数学模型基于钴基费托合成集总动力学模型，使用Fluent对包含动量守恒、能量守恒和质量传递的多物理场钴基费托合成固定床反应器进行数值模拟计算。
在构建相应的数学模型时，需基于以下4点假设：a.反应物、反应产物为理想气体，满足理想气体状态方程；b.使用多孔介质模型表征催化床层；c.催化床层内流体流速相对较低，处于层流状态；d.催化床层同周围流体处于热平衡状态。
1.4 边界条件反应器入口选用质量流量入口massflow-inlet边界条件，给定反应器进口气体组成(摩尔分率)yi,in、温度tin和压力pin。
壁面选用无滑移壁面边界条件，沸腾水移热则选用对流热交换边界条件。
反应器出口选用自由流出口outflow边界条件。
二维轴对称模型轴线选用axis对称轴边界条件。
1.5 计算参数与模型求解参考该中试装置，在模型计算求解过程中若无特别说明，所使用的几何模型参数、多孔介质模型参数和壁面条件参数如下：床层高度l 9m床层半径r 16mm壁厚lw 3mm催化剂密度ρcat 640kg/m3催化剂导热系数λs 1.09W/(m·K)催化剂热熔Cps 650J/(kg·K)床层空隙率ε 0.3对流换热系数h 3.9W/(m2·K)沸腾水温度tw 201.4℃2 模拟结果与模型验证2.1 计算条件选取合成油中试典型操作工况进行数值模拟计算，反应器进口温度tin=209.5℃，反应器进口压力pin=3.79MPa。
反应器进口气体组成yi,in和流量Ni,in见表2。
表2 反应器进口气体组成和流量组分H2CON2CH4C3H8C10H22C22H46H2Oyi,in0.478 00.227 00.069 70.19440.023 60.001 90.000 00.005 4Ni,in/kmol·h-1110.430 052.440 016.110 044.910 05.448 00.449 00.000 01.254 02.2 模拟结果与模型验证2.2.1 组分浓度模拟计算结果与验证在上述工况条件下，通过Fluent对钴基费托合成反应器进行了数值模拟，求得反应器出口物料组成、CO转化率xCO和产物中C5+质量分数，相关模拟计算结果与中试数据见表3。
从表中可以看出，模拟计算值同中试试验数据相对误差较小，吻合度较高。
表3 模拟计算结果与中试试验数据比较项目主要组分H2CON2CH4C3H8C10H22C22H46xCOC5+质量分数试验值0.381 30.182 60.081 90.237 70.029 10.003 90.001 60.3200.825 6计算值0.374 50.177 30.082 40.232 40.029 80.003 70.001 90.3480.864 02.2.2 温度模拟计算结果与验证催化床层轴向模拟计算值与中试温度试验值的比较结果如图2所示。
从图2可以看出温度随床层高度增加先升高后降低，但变化平缓，热点位置和热点温度值均相差不大，同中试试验结果吻合良好。
图2 催化床层温度计算值与中试试验值的比较3 操作工况分析3.1 反应器进口温度的影响反应器进口温度tin从205.5℃提高到213.5℃，保持其他操作条件和反应器结构参数不变，进口温度对催化床层温度分布和反应器出口物料组成的影响如图3和表4所示。
图3表明提高进口温度导致整个催化床层温度升高，床层热点位置向反应器进口迁移，但出口温度变化不明显。
这是因为提高进口温度，导致反应放热速率相比管外沸腾水移热速率增幅明显，热量快速积累，导致热点温度前移。
由表4可见，提高进口温度，CO转化率增大，出口产物中甲烷和低碳烃的质量分数有所增大，C5+的质量分数有所降低。
提高进口温度，有利于增大反应物单程转化率，但不利于重质烃的生成。
图3 反应器进口温度对反应器轴向温度分布的影响表4 反应器进口温度对出口物料组成的影响tin/℃xCO生成产物的质量分数CH4C3H8C10H22C22H46C5+质量分数205.50.3270.0430.0870.1180.7520.870207.50.3380.0440.0880.1180.7490.86 7209.50.3480.0450.0910.1180.7460.864211.50.3590.0460.0930.1180.7430.8 61213.50.3690.0480.0940.1180.7400.8583.2 反应器进口压力的影响反应器进口压力pin从3.00MPa提高到4.50MPa，模型计算结果如图4和表5所示，进口压力提高，在相同进口温度下，床层热点温度升高明显，反应器出口温度从212.4℃升至215.7℃。
这是因为提高进口压力增加了反应速率，对床层的传热速率影响不大，床层的温度和热点温度提高，热点位置向反应器进口迁移，但迁移很小。
由表5可见，提高进口压力，CO转化率升高明显，出口产物中甲烷和低碳烃的质量分数有所减小，C5+的质量分数有所增大。
提高进口压力有利于提高反应物单程转化率和重质烃的生成。
图4 反应器进口压力对反应器轴向温度分布的影响表5 反应器进口压力对出口物料组成的影响pin/MPaxCO生成产物的质量分数CH4C3H8C10H22C22H46C5+质量分数3.000.2440.0490.0970.1170.7360.8533.790.3480.0450.0910.1180.7460.8644. 500.4440.0430.0860.1180.7530.8713.3 沸腾水温度的影响调节汽包压力，改变管外沸腾水温度tw，考察沸腾水温度对反应器性能的影响。
沸腾水温度对费托合成反应结果和催化床层轴向温度分布的影响如图5和表6所示。
提高管外沸腾水温度，床层与冷却介质间温差减小，传热速率减小，床层温度、热点温度和出口温度升高，热点位置向反应器出口迁移。
由表6可见，沸腾水温度提高， CO转化率升高，产物中CH4和低碳烃的质量分数提高，C5+质量分数略有降低。
提高管外沸腾水温度有利于增大反应物单程转化率，不利于重质烃的生成。
图5 沸腾水温度对反应器轴向温度分布的影响表6 沸腾水温度对出口物料组成的影响tw/℃xCO生成产物的质量分数CH4C3H8C10H22C22H46C5+质量分数199.40.3350.0440.0890.1170.7500.867201.40.3480.0450.0910.1180.7460.86 4203.40.3620.0470.0930.1180.7430.8603.4 反应管管径的影响保持反应器入口温度、压力和反应器催化床层高度不变，改变反应器反应管管径d，考察反应管管径对反应器性能的影响。