甲醇制烯烃(MTO)是由合成气经过甲醇转化为低碳烯烃的工艺，是替代石油作为原料获取低碳烯烃最有前景的新途径。由于MTO反应器内复杂的气固流动结构，使得该反应器的放大难度大大增加。借助先进的计算流体力学（CFD）方法，使得我们更易于认清这种复杂的流动结构，有助于预测与判断反应器内的各种流化与反应状态，并指导MTO反应器的放大与设计。本课题拟采用CFD方法对MTO流化床进行模拟与优化，重点考察模型曳力参数、颗粒镜像系数、进口气速等对模拟结果的影响。模拟结构表明，EMMS曳力比传统的Gidaspow和Wen-yu曳力能够更好的预测非均匀流动结构。在不失精度的要求下，EMMS曳力模型大大减少了计算工作量，并且提高了模拟效率，表明其能够用于工程放大的问题与优化模拟过程。其次，不同颗粒镜像系数的模拟结果表明该参数对颗粒的浓度基本没有影响。最后，考察了操作条件(进口速度)对模拟结果的影响，低气速时径向颗粒浓度更高。关键词 气固流动，EMMS模型，计算流体力学，MTO反应器
目 录
1 绪论 1
1.1 研究背景与方向 1
1.2 流化床反应器的流型和特点 1
1.3 介尺度结构的模型 2
1.4 气固两相流动的数值模拟方法 3
1.5 气固两相流动的曳力模型 3
1.6 流化床数值模拟的模型 4
1.7 颗粒动力学理论 4
2 MTO工艺流程 6
2.1 MTO工艺流程介绍 6
2.2 MTO工艺的特点 9
2.3 MTO工艺对于环保的影响 9
2.4 MTO工艺的经济效益 10
3 模拟策略 10
3.1 CFD软件的介绍 10
3.2 CFD的求解过程 11
3.3 CFD的商用软件——FLUENT 11
3.4 数学模型 12
4 模拟工况 15
4.1 模拟对象 15
4.2 模拟参数 16
5 结果与讨论 17
5.1 曳力模型分析 17
5.2 不同曳力系数的分析 22< *景先生毕设|www.jxszl.com +Q: &351916072& 
br /> 5.3 进口速度的分析 24
5.4 颗粒镜像系数的分析 26
5.5 颗粒径向浓度的分析 28
结论 30
致谢 31
参考文献 32
1 绪论
1.1 研究背景与方向
低碳烯烃作为最基础的化工合成原料，在现代化工生产中占据着极其重要的地位。在现有成熟工艺中，制取烯烃的原料主要来自石油。而全球石油资源日渐稀少，原油价格不断上涨的现实情况要求我们不断探索制取烯烃的新路线。结合我国石油资源匮乏而煤炭资源丰富的现状，利用甲醇制取烯烃工艺（MTO）已成为近年来研究热点，并将有望替代传统石油工艺[1, 2]。
近年来，甲醇制烯烃（MTO）工业化应用过程引起学术和工业界相当大的关注，主要是因为前已述及我国国情是多煤少油，相对较容易由煤制取获得甲醇[35]。中国科学院大连化学物理研究所(DICP)是MTO工艺发展的先驱者之一，从上世纪八十年代末就开始研究甲醇转化所使用SAPO34轻烯烃催化剂[6]。经过几十年的持续努力，2010年8月在包头神华进行1800kt/a DMTO的工业化生产。这也导致DMTO可能将成为中国最重要的轻烯烃生产工艺路线。
甲醇制烯烃过程中，MTO反应主要装置多为流化床反应器。通常，根据流化状态的不同，一般流化床又分为鼓泡流化床、湍动流化床和循环流化床等。操作条件的微小变化也可能会影响所呈现出的流化状态，比如不同的颗粒（催化剂）粒径，不同的流化床结构尺寸等都可能会影响最终的流化状态。目前，甲醇制烯烃(MTO)主要反应装置一般常用鼓泡流化床反应器，因此本论文重点对鼓泡流化床反应器的进行模拟与优化。
在流化床反应器内，气固两相流在时间上和空间上都会呈现出复杂的流化状态[7]。颗粒流体间非线性作用和固体颗粒间的非弹性碰撞，也会形成颗粒聚集的密相区和气体聚集的稀相区等非均匀结构。这些结构广泛分布于床内，随着反应流动的进行，也会发生剧烈的动态演化，甚至还会在某些临界情况下发生突变或转折性变化[8]。这些非均匀结构又会影响反应器内两相间流动和反应行为，采用计算机数值模拟的方法对气固流化过程进行模拟、预测和深入的认知，因此是一种非常有效的研究方法。
1.2 流化床反应器的流型和特点
在气固两相流动中，人们根据流化状态可以分为两种流化形式，分别为聚式流化态和散式流化态。由于物理性质的不同和流化床的不同，会产生不一样的流化状态。例如，液固流化床就是典型的散式流化态。散式流化态的主要特征为床层内固体颗粒相的浓度各处分布较为一致的。研究表明，随着流体速度的增大，会使床层内颗粒堆积呈现一种均匀分布，即表现为堆积的颗粒床层的膨胀和颗粒间间隙的增加。同时，也不会破坏床层内的平衡状态，表现为上半部分的床层稳定和压降保持基本不变。然而，对于气固流化床，一般情况下会出现聚式流化态。聚式流化态的主要特征为固体颗粒相的浓度分布不均匀。由于固体颗粒相的浓度不同，流化床内出现了两种结构。也就是其中一种结构就是乳化相，即在连续相内固体颗粒相的浓度和气孔在进口处分布均匀。另一相就是气泡相，即气体在往上运动的时候伴随夹带着少量固体颗粒[9]。本论文的重点研究对象就属于这种聚式流态化的气固两相流动。
气固流化床当气速超过临界流化气体速度后，固体开始出现流化，床层出现了气泡，并明显地出现两个区，即浓相区和的稀相区。浓相区为颗粒聚集的区域，稀相区是气泡为主的流动区域。当气体的速度较低时，气泡较大，阻力波动大，气体不能和固体很好的接触。这个时候的床层就是鼓泡流化床。
流化床系统由于其优良的传热传质特性广泛应用于工业装置。流化粒子应用于许多工业过程，如干燥、混合、造粒、涂料、加热和冷却。流化床能够促进粒子与流体之间良好的传热，以及体相之间的传热。在各种工业领域中，深入了解流化床的传热过程可以帮助设计和操作该类流化反应系统。随着计算能力的提高，计算流体动力学(CFD)已经被越来越多的使用，作为一种辅助工具用于流化床内的多相流动反应等过程的预测与优化过程。
1.3 介尺度结构的模型
近几十年来，研究者们通过对不同的结构建立数学模型，发现了不均匀结构（介尺度结构）模型的准确性比均匀结构的准确性更高，于是不少研究人员系统对不同的介尺度结构曳力模型及其耦合模拟进行研究。最常见的就是将欧拉模型和介尺度模型相结合，使欧拉模型的应用面更加广泛。在一定程度下，网格划分的越细，模拟的准确性就越高。但超出了这个程度，网格进行更细的划分，模拟状况下的参数也是不会发生任何的改变的。所以当网格细化到一定程度时，将达到网格无关性。传统的欧拉双流体建模思路是基于网格平均化，但是实际床层内通常是非均匀的流动，因此模型与实际情况两者间是存在矛盾的。为此，研究人员们将介尺度结构及其影响引入到本构关系的封闭中，这样不仅可以减少计算量，而且可以保证模拟结果的准确性。目前介尺度模型有四种，分别是关联法，直接数值模拟（DNS），双流体模型基础上的细网格模拟，以EMMS模型为代表的多尺度CFD方法。

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