利用Fluent软件对N2O催化分解反应器数值模拟

王志彦,马小丰,李英霞,陈 建

(1.唐山开滦化工科技有限公司,河北 唐山 063611; 2.北京化工大学化学工程学院,北京 100029)

在文献[1-2]中,我们研究了整体式Fe-β分子筛催化剂的制备方法,并考察整体式Fe-β分子筛催化N2O分解反应性能。结果表明,优化后的制备条件为拟薄水铝石粉质量分数40%,硝酸质量分数8%,水粉比0.6 mL·g-1。在相同反应温度、空速和N2O浓度下,孔密度越高,Fe-β分子筛催化剂活性越强；对于相同孔密度的整体式催化剂,随着空速增加,N2O转化率降低；在相同反应空速和温度下,N2O浓度越大,对应的转化率越高。

在此研究基础上,本文运用Fluent软件对蜂窝状整体式分子筛催化剂与棒状催化剂床层进行数值模拟,考察孔径、温度、空速、入口N2O浓度对反应过程的影响,并对棒状与整体式催化剂的压降、转化率、温度分布进行对比分析。

1 实验部分

1.1 蜂窝状催化剂的模型选择

图1为整体式催化剂的孔道模型。催化剂活性组分分布于孔道外壁,催化剂外壁厚度超过0.1 mm,当含N2O的原料气体通过催化剂外壁进入孔道内部时,N2O经过催化剂活性组分并发生分解反应,该过程可以视为体积反应。

图1 N2O催化分解整体式催化剂的孔道模型Figure 1 Channel model of monolithic catalyst for N2O catalytic decomposition

针对单通模型进行假设：首先,每一个孔道的流动特征都相同,通过模拟其中一条孔道的反应状态,可以推断整个反应器的情况；其次,模拟反应原料气为N2O和空气的混合气体；最后,认为单通道模型内壁具有多孔道结构,气-固相反应的数学模型确定为多孔介质模型。模型的推导方程如下[3-4]：