【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及石油化工領(lǐng)域，更具體涉及一種工業(yè)脫氫雙環(huán)徑向反應(yīng)器流動(dòng)模型建模方法。
技術(shù)介紹
1、烷烴脫氫工藝包括長(zhǎng)鏈烷烴脫氫工藝和低碳烷烴脫氫工藝，通常在氫氣的存在下，脫氫反應(yīng)在軸向或徑向活塞流絕熱反應(yīng)器中進(jìn)行，直鏈烷烴在以氧化鋁或沸石為載體的鉑催化劑上發(fā)生脫氫反應(yīng)生成直鏈單烯烴。脫氫反應(yīng)過(guò)程伴隨著異構(gòu)化、裂化、二聚化等副反應(yīng)。氣體在反應(yīng)器內(nèi)的流速分布和壓力分布會(huì)影響到脫氫反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選擇性，因此研究烷烴和氫氣在反應(yīng)器內(nèi)的流體力學(xué)行為有較高的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值，也可以為脫氫裝置的改進(jìn)提供參考依據(jù)。
2、徑向流動(dòng)反應(yīng)器是一種反應(yīng)物沿徑向穿過(guò)催化床的氣固催化反應(yīng)器，一般由中心流道、環(huán)形催化劑床層及環(huán)形流道構(gòu)成，流體從中心管道(或環(huán)形管道)沿軸向進(jìn)入反應(yīng)器，沿軸向流動(dòng)的同時(shí)，沿徑向流動(dòng)，穿過(guò)環(huán)形催化劑層，匯入環(huán)形管道(或中心管道)沿軸向同一端或另一端流出反應(yīng)器。與軸向流動(dòng)反應(yīng)器相比，徑向流動(dòng)反應(yīng)器具有流通面積大、流速低、流程短、床層壓降低的特點(diǎn)。
3、目前徑向流動(dòng)反應(yīng)器已廣泛應(yīng)用于石油化工、化學(xué)合成、能源、環(huán)境等領(lǐng)域，獲得了良好的使用效果。經(jīng)過(guò)多年的研究和生產(chǎn)實(shí)踐，人們對(duì)徑向反應(yīng)器內(nèi)的流體流動(dòng)、氣體分布、傳熱、傳質(zhì)、穩(wěn)定性和操作控制等規(guī)律的認(rèn)識(shí)不斷深化，認(rèn)為其性能主要取決于流體沿催化床軸向的分布，如果流體分布不均勻?qū)⒂绊懘矊訙囟确植肌舛确植己头磻?yīng)器的穩(wěn)定性，也會(huì)影響反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和選擇性。因此對(duì)反應(yīng)器的流體力學(xué)研究是其設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。
4、2016年，江洪波等發(fā)表了雙環(huán)徑向反應(yīng)器的一維流動(dòng)模型，用基于
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)的目的在于公開(kāi)一種由修正的動(dòng)量方程、ergun方程、連續(xù)性方程，推導(dǎo)工業(yè)脫氫反應(yīng)器流動(dòng)模型，模擬反應(yīng)物流在主流道和催化劑床層的流體力學(xué)行為，采用數(shù)值算法對(duì)雙環(huán)徑向反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解的工業(yè)脫氫雙環(huán)徑向反應(yīng)器流動(dòng)模型建模方法。
2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)提供了一種工業(yè)脫氫雙環(huán)徑向反應(yīng)器流動(dòng)模型建模方法，基于一種雙環(huán)徑向反應(yīng)器，該反應(yīng)器圍繞中心管從內(nèi)向外同軸依次設(shè)置有內(nèi)環(huán)隙和外環(huán)隙，當(dāng)物料從反應(yīng)器的內(nèi)環(huán)隙流道沿軸向進(jìn)入反應(yīng)器時(shí)，在內(nèi)環(huán)隙中流體沿徑向分成兩股流體，一部分流體沿徑向流經(jīng)外側(cè)催化劑床層，沿外環(huán)隙流道流出；另一部分沿徑向流經(jīng)內(nèi)側(cè)催化劑床層，沿中心管道流出，最終兩部分流體匯合后流出反應(yīng)器，包括以下步驟，
3、步驟1，向程序中輸入雙環(huán)徑向反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和反應(yīng)器進(jìn)料參數(shù)；
4、步驟2，根據(jù)雙環(huán)徑向反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定軸向和徑向的網(wǎng)格數(shù)量，初始化床層壓力場(chǎng)；
5、步驟3，計(jì)算內(nèi)外側(cè)催化劑床層壓力及速度場(chǎng)；
6、步驟3.1，根據(jù)壓力初場(chǎng)，通過(guò)ergun方程描述床層氣相的壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)，并計(jì)算二維速度場(chǎng)；
7、步驟3.2，判斷二維速度場(chǎng)是否滿足連續(xù)性方程殘差的要求，若滿足則跳到步驟4，如未滿足要求則根據(jù)速度場(chǎng)，通過(guò)求解有限差分線性方程組，得到壓力矯正場(chǎng)，更新壓力場(chǎng)，返回步驟3.1；
8、步驟4，根據(jù)催化劑床層進(jìn)出口邊界處的氣體線速度，根據(jù)流量守恒計(jì)算流道的速度分布；
9、步驟5，根據(jù)流道速度分布，通過(guò)流道的動(dòng)量方程計(jì)算流道壓力分布，通過(guò)布?xì)饪讐航倒角蟪鲞^(guò)孔壓降；
10、步驟6，由流道壓力分布和過(guò)孔壓降計(jì)算床層進(jìn)出口邊界處壓力，調(diào)整邊界條件；并對(duì)邊界調(diào)整幅度是否達(dá)到精度進(jìn)行判斷，若未達(dá)到，則返回步驟3，若達(dá)到要求，則計(jì)算壓降和軸向布?xì)饩鶆蚨取?/p>
11、作為本專利技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)，所述雙環(huán)徑向反應(yīng)器內(nèi)部的物料流動(dòng)時(shí)，修正動(dòng)量方程為：
12、
13、式中±項(xiàng)，在集流流動(dòng)時(shí)取－，分流流動(dòng)時(shí)取+；
14、p為流道內(nèi)的壓力；z為與流道流動(dòng)方向一致的軸向坐標(biāo)；k為動(dòng)量交換系數(shù)；u為流道中的氣體流速；λ為氣體流動(dòng)摩擦阻力系數(shù)；ρg為氣體密度；de為流道的水力學(xué)直徑；下標(biāo)i的取值，0代表內(nèi)環(huán)隙流道，1代表外環(huán)隙流道，2代表中心管流道；ki值是動(dòng)量交換系數(shù)；當(dāng)i＝0時(shí)，表示流體在內(nèi)環(huán)隙流道中的流動(dòng)，為分流流動(dòng)，
15、
16、當(dāng)i＝1或2時(shí)，表示流體在外環(huán)隙、中心管流道中的流動(dòng)，為集流流動(dòng)，
17、
18、作為本專利技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)，氣體流動(dòng)摩擦阻力系數(shù)λ的求取公式為：
19、
20、其中，re為雷諾數(shù)。
21、作為本專利技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)，布?xì)膺^(guò)孔壓降的表達(dá)式是：
22、
23、其中，ξ為過(guò)孔阻力系數(shù)；ω為氣體過(guò)孔速度；
24、
25、
26、其中f是與布?xì)夤鼙诤窈涂讖接嘘P(guān)的校正系數(shù)，其公式為，
27、
28、氣體過(guò)孔速度表達(dá)式為：
29、
30、其中為流道開(kāi)孔率；f為流道的截面積。
31、作為本專利技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)，在催化劑床層中，氣體通過(guò)催化劑床層的阻力引起氣體壓力的變化，所述步驟3.1中，床層中的壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)具體可由下式描述：
32、
33、
34、
35、
36、
37、
38、pbi為內(nèi)側(cè)催化劑床層壓力；vbi為內(nèi)側(cè)催化劑床層徑向速度；ubi為內(nèi)側(cè)催化劑床層軸向速度；pbo為外側(cè)催化劑床層壓力；vbo為外側(cè)催化劑床層徑向速度；ubo為外側(cè)催化劑床層軸向速度；α，β為與床層顆粒性質(zhì)有dp為催化劑顆粒直徑；ε為顆粒床層孔隙率；μ為氣體粘度；r為反應(yīng)器徑向坐標(biāo)。
39、作為本專利技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)，所述(13)和(14)轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型為：
40、
41、
42、
43、
44、作為本專利技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)，對(duì)于徑向反應(yīng)器的催化劑床層邊界不能用固定邊界，故在邊界處存在徑向氣流，軸向也由于壓力梯度而存在軸向氣流，故模型的邊界條件是：首先，在固定邊界處，流體遵守壁面無(wú)滑移條件，而且壓力梯度是零：
45、
46、其次，在開(kāi)孔區(qū)域，利用ergun方程計(jì)算催化劑床層邊界的壓力降來(lái)決定邊界條件：
47、
48、
49、作為本專利技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟6中，流場(chǎng)的精確值為u，v，p；迭代初場(chǎng)為u*，v*，p*；校正場(chǎng)為u′，v′，p′；
50、則有：u′＝u-u*，v′本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種工業(yè)脫氫雙環(huán)徑向反應(yīng)器流動(dòng)模型建模方法，其特征在于，基于一種雙環(huán)徑向反應(yīng)器，該反應(yīng)器圍繞中心管從內(nèi)向外同軸依次設(shè)置有內(nèi)環(huán)隙和外環(huán)隙，當(dāng)物料從反應(yīng)器的內(nèi)環(huán)隙流道沿軸向進(jìn)入反應(yīng)器時(shí)，在內(nèi)環(huán)隙中流體沿徑向分成兩股流體，一部分流體沿徑向流經(jīng)外側(cè)催化劑床層，沿外環(huán)隙流道流出；另一部分沿徑向流經(jīng)內(nèi)側(cè)催化劑床層，沿中心管道流出，最終兩部分流體匯合后流出反應(yīng)器，包括以下步驟，
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種工業(yè)脫氫雙環(huán)徑向反應(yīng)器流動(dòng)模型建模方法，其特征在于，所述雙環(huán)徑向反應(yīng)器內(nèi)部的物料流動(dòng)時(shí)，修正動(dòng)量方程為：
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種工業(yè)脫氫雙環(huán)徑向反應(yīng)器流動(dòng)模型建模方法，其特征在于，氣體流動(dòng)摩擦阻力系數(shù)λ的求取公式為：
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種工業(yè)脫氫雙環(huán)徑向反應(yīng)器流動(dòng)模型建模方法，其特征在于，布?xì)膺^(guò)孔壓降的表達(dá)式是：
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種工業(yè)脫氫雙環(huán)徑向反應(yīng)器流動(dòng)模型建模方法，其特征在于，在催化劑床層中，氣體通過(guò)催化劑床層的阻力引起氣體壓力的變化，所述步驟3.1中，床層中的壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)具體可由下式描述：
6.
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種工業(yè)脫氫雙環(huán)徑向反應(yīng)器流動(dòng)模型建模方法，其特征在于，對(duì)于徑向反應(yīng)器的催化劑床層邊界不能用固定邊界，故在邊界處存在徑向氣流，軸向也由于壓力梯度而存在軸向氣流，故模型的邊界條件是：
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種工業(yè)脫氫雙環(huán)徑向反應(yīng)器流動(dòng)模型建模方法，其特征在于，所述步驟6中，流場(chǎng)的精確值為u，v，P；迭代初場(chǎng)為u*，v*，P*；校正場(chǎng)為u′，v′，P′；
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種工業(yè)脫氫雙環(huán)徑向反應(yīng)器流動(dòng)模型建模方法，其特征在于，所述步驟6中，采用交錯(cuò)網(wǎng)格離散流場(chǎng)的控制方程。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種工業(yè)脫氫雙環(huán)徑向反應(yīng)器流動(dòng)模型建模方法，其特征在于，所述步驟6中的軸向布?xì)饩鶆蚨染唧w通過(guò)以下得到：
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種工業(yè)脫氫雙環(huán)徑向反應(yīng)器流動(dòng)模型建模方法，其特征在于，基于一種雙環(huán)徑向反應(yīng)器，該反應(yīng)器圍繞中心管從內(nèi)向外同軸依次設(shè)置有內(nèi)環(huán)隙和外環(huán)隙，當(dāng)物料從反應(yīng)器的內(nèi)環(huán)隙流道沿軸向進(jìn)入反應(yīng)器時(shí)，在內(nèi)環(huán)隙中流體沿徑向分成兩股流體，一部分流體沿徑向流經(jīng)外側(cè)催化劑床層，沿外環(huán)隙流道流出；另一部分沿徑向流經(jīng)內(nèi)側(cè)催化劑床層，沿中心管道流出，最終兩部分流體匯合后流出反應(yīng)器，包括以下步驟，
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種工業(yè)脫氫雙環(huán)徑向反應(yīng)器流動(dòng)模型建模方法，其特征在于，所述雙環(huán)徑向反應(yīng)器內(nèi)部的物料流動(dòng)時(shí)，修正動(dòng)量方程為：
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種工業(yè)脫氫雙環(huán)徑向反應(yīng)器流動(dòng)模型建模方法，其特征在于，氣體流動(dòng)摩擦阻力系數(shù)λ的求取公式為：
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種工業(yè)脫氫雙環(huán)徑向反應(yīng)器流動(dòng)模型建模方法，其特征在于，布?xì)膺^(guò)孔壓降的表達(dá)式是：
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種工業(yè)脫氫雙環(huán)徑向反應(yīng)器流動(dòng)模型建模方法，其特征在于，在催化劑床層中，氣體通過(guò)催化劑床層的阻力引起氣體壓力...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：徐圓圓，曹寧，謝磊，董喜恩，耿祖豹，顧文忠，舒穩(wěn)強(qiáng)，王富城，曹晶，王玉，楊宗賢，許振沖，于經(jīng)緯，張昊，夏雷，陳昊，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中國(guó)石油化工集團(tuán)公司，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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