Численное моделирование химических превращений водородсодержащих газов в микроканалах

• Автор: Козлов, Станислав Павлович
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 123 с. : ил.

Оглавление

Принятые обозначения

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Современное состояние исследований

1.1. Химические превращения водородсодержащих газов

1.2. Кинетика каталитических реакций

1.3. Тепломассообмен в микроканалах

1.4. Численное моделирование химических превращений при течении смеси в микроканалах

Выводы, постановка задач исследования

Глава 2. Двумерная модель гетерогенных химических превращений в микроканале и методы ее численного решения
2.1. Математическая постановка задачи гетерогенных химических превращений в микроканале
2.2. Построение разностной схемы
2.3. Используемые кинетики для моделирования химических превращений водородсодержащих газов
2.4. Проверка точности и погрешность вычислений
Выводы
Глава 3. Кинетика каталитических реакций
3.1. Методика получения кинетических параметров каталитической реакции на основе экспериментальных данных
3.2. Кинетика паровой конверсии монооксида углерода
Выводы
Глава 4. Моделирование эндотермических каталитических реакций в
микроканалс
4.1. Численные расчеты гидродинамики и тепломассообмена при химических превращениях метана и паров воды
4.2. Влияние взаимной диффузии на процесс паровой конверсии водородсодержащих газов
4.3. Сравнение с экспериментальными данными химических превращений метана и паров воды на родиевом нанокатализаторе
4.4. Численные расчеты гидродинамики и тепломассообмена при химических превращениях метанола в среде паров воды
4.5. Тепло- и массообмен при химических превращениях в микроканале
Выводы
Глава 5. Моделирование экзотермических каталитических реакций монооксида
углерода и паров воды в микроканале
5.1.Численные расчеты полей температур и концентраций компонент при химических
превращениях монооксида углерода и парой воды при постоянной температуре
5.2. Химические превращения монооксида углерода и паров воды в переменном поле
температуры
Выводы
Заключение
Литература
Принятые обозначения
х, у- продольная и поперечная координаты, м.
Ц К-продольная и поперечная скорости, м/с. й?- ширина канала, м.
Р — давление, Па. р - плотность, кг/м3. р- динамическая вязкость, кг/(с-м).
Л- теплопроводность, Вт/(м-К).
со - завихренность с'1.
ц/- функция тока, кг/(с-м).
Х-мольная доля вещества.
Г-массовая доля вещества.
М-мольная масса, кг/моль.
ЫУ, АХ - Число узлов сетки на соответствующих осях, /^-коэффициент диффузии, м2/с.
Т- температура, К.
И- удельная энтальпия вещества, Дж/кг.
/гг_о - удельная теплота образования г -го компонента, Дж/кг.
Ср- удельная теплоемкость при постоянном давлении, Дж/(кгК).
Рт - универсальная газовая постоянная, г - скорость реакции, моль/(м2 с).
.у,-- скорость появления (исчезновения) /-го компонента, моль/(м2 с). к - константа скорости реакции, моль/(кгса4 - с).
К- коэффициенты адсорбции.
Кр - константы равновесия.
ся полиномом второго порядка. Кинетика химических превращений задавалась степенным законом из работы (Keiski R.L et al 1993). При помощи одномерной модели и программного обеспечения gPROMS были найдены значения кинетических параметров. В работе (Deutschmann О. Schmidt L. D. 1998) использовалась 2-D эллиптическая модель для расчета микроканаль-ных реакторов с ламинарным режимом течения реагирующей смеси. В этой работе использовался коммерческий продукт для расчета гидродинамики «Fluent» совместно с написанной подпрограммой моделирующей кинетику каталитического окисления метана. Пренебрегая продольной диффузией и используя приближение пограничного слоя (Hayes R.E., Kolaczkowski S.T., 1994) получил параболическую модель для расчета химически реагирующих смесей в каналах. В работе (Raja L.L. et al. 2000) год проведено прямое сравнение решений моделирования каталитического горения метана полученных, в результате использования трех разных приближений течения: одномерной модели течения, прямого решения уравнений Навье Стокса и приближения пограничного слоя. В работе показано, что наблюдается хорошее соответствие между полученными результатами модели Навье Стокса и погранслойно-го приближения. Модель реактора идеального смешения предполагает, что конверсия реагентов определяется скоростью реакции в большей степени, чем процессами переноса. Сравнивая расчеты по этой модели с решением системы полных уравнений Навье Стокса в работе (Chaniotis A.D., Poulikakos
D., 2005) определена область, в которой данное приближение справедливо. В работе (Hyung G.P., et al. 2006) для расчета паровой конверсии метанола использовались: 3D модель, решаемая CFD FLUENT; квази - 3D модель, представляющая собой поршневую модель для реагирующего потока в сочетании с 3D моделью для теплообмена; упрощенная 1D модель, которая является поршневой моделью с допущением того, что температура каталитического слоя постоянна.