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CO₂吸附剂大孔隙CaO的实验研究与数值模拟

作　者: 孟祥奎
导　师: 曹长青
学　校: 青岛科技大学
专　业: 化学工程
关键词: 大孔隙CaO吸附剂数值模拟孔隙模型碳化气固鼓泡流化床
分类号: TQ424.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

CO2给全球环境带来的负面影响关系到整个人类社会的生存问题,温室效应已不再是气候和全球环境领域的问题。如何解决废气中CO2问题成为当前一个重要的研究课题。CaO原料来源广,制备成本低,反应时间短,吸附量大,可循环利用,是CO2的良好吸收剂,受到广大研究者的青睐。但一般的CaO吸附剂吸附能力有限,并且在碳化过程中容易形成孔堵塞、在煅烧过程中容易发生烧结问题,如何提高CaO吸附剂的吸附能力是研究的热点。本文采用实验方法在实验室中制备出大孔隙CaO吸附剂,解决了在碳化过程中的孔堵塞问题,提高了C02的吸附效率,通过实验和模拟的手段验证了大孔隙CaO吸附剂的性能,以及大孔隙CaO吸附剂内部渗透压降与各种参数之间的关系,同时也验证了模拟的可靠性。在大孔隙CaO孔隙结构研究中发现,吸附剂内部孔道结构复杂,具有分形特性和随机性,以前研究者建立的各种吸附模型很难准确的计算CO2的吸附过程,所以本文提出了分形任意孔模型来模拟大孔隙CaO吸附剂吸附CO2过程,结果表明,计算结果与实验结果吻合良好,但受学习程度和时间的关系,本文建立的吸附模型还需要进一步的修正和验证。并利用Fluent6.3研究了规则分形孔隙模型中的流体流动特性,为研究真实的CaO孔道内的流体流动提供参考数据。本文采用气-固鼓泡流化床来吸附C02,所用吸附剂为本文制备的大孔隙CaO吸附剂,所采用的研究方法是实验与模拟相结合。由于不同的颗粒、不同的气体在Fluent中的流化是不一样的,导致最佳的操作条件也是不一样的,因此,对自己所要应用的颗粒和气体进行冷态模拟,得出相应的最佳操作条件是必要的,在最佳流化条件下研究气体浓度与反应温度对大孔隙CaO吸附剂转化率的影响。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-12
1 文献综述  12-36
  1.1 CaO吸附剂及其应用现状  12-14
    1.1.1 CaO吸附剂概述  12
    1.1.2 CaO作为CO_2吸附剂的研究进展  12-13
    1.1.3 提高CaO吸附性能的方法  13-14
  1.2 CaO吸附剂孔结构、孔模型研究现状  14-23
    1.2.1 CaO吸附剂孔结构的研究  14-16
    1.2.2 CaO吸附剂孔模型的研究  16-23
  1.3 流态化技术  23-33
    1.3.1 气固两相流态化技术  23-25
      1.3.1.1 Geldart的颗粒分类法  24
      1.3.1.2 分布板的选择  24-25
      1.3.1.3 流化状态的判别  25
    1.3.2 计算流体力学概述  25-26
    1.3.3 气固流化床模拟概述  26-30
      1.3.3.1 多相流数值计算方法  27
      1.3.3.2 多相流模型选择的基本原则  27
      1.3.3.3 气固流化床控制方程  27-28
      1.3.3.4 FLUENT中适用于气固模型的曳力模型  28-29
      1.3.3.5 操作参数对模拟计算的影响  29-30
    1.3.4 利用Fluent对多孔介质模拟  30-33
      1.3.4.1 多孔介质理论及在CO_2吸附过程应用概述  30-32
      1.3.4.2 多孔介质模拟  32-33
  1.4 本课题研究的意义、目的和内容  33-36
    1.4.1 本课题研究的意义和目的  33-34
    1.4.2 本课题的研究内容  34-36
2 大孔隙CaO吸附剂的制备及其性能的CFD与实验研究  36-54
  2.1 引言  36
  2.2 实验部分  36-39
    2.2.1 大孔隙CaO吸附剂的制备  36-37
      2.2.1.1 大孔隙CaO吸附剂制备原理  36-37
      2.2.1.2 大孔隙CaO吸附剂制备过程  37
    2.2.2 大孔隙CaO吸附剂性能的研究  37-39
      2.2.2.1 大孔隙CaO吸附剂结构特性验证装置和操作流程  37-38
      2.2.2.2 大孔隙CaO吸附剂颗粒内部压降研究装置和操作流程  38-39
  2.3 模拟部分  39-42
    2.3.1 模型建立  40-41
    2.3.2 CFD模型与数值方法  41
    2.3.3 模拟条件  41-42
  2.4 结果与讨论  42-51
    2.4.1 大孔隙CaO吸附剂特性验证结果  42-46
      2.4.1.1 草酸浓度对CaO转化率的影响  42-43
      2.4.1.2 草酸浓度大孔隙CaO吸附剂比表面积和孔容积的影响  43-44
      2.4.1.3 没碳化大孔隙CaO吸附剂孔容积分布特性  44-45
      2.4.1.4 碳化后大孔隙CaO吸附剂孔容积分布特性  45-46
    2.4.2 大孔隙CaO颗粒内部渗透压降研究结果  46-51
      2.4.2.1 大孔隙CaO吸附剂对气体流动特性的影响  46-49
      2.4.2.2 气速对大孔隙CaO吸附剂颗粒内部压降分布的影响  49-50
      2.4.2.3 大孔隙CaO吸附剂颗粒长度对其内部压降分布的影响  50
      2.4.2.4 大孔隙CaO吸附剂颗粒的孔隙率对其内部渗透压降的影响  50-51
  2.5 结论  51-52
  2.6 本章小结  52-54
3 大孔隙CaO吸附剂孔隙模型及碳化模型研究  54-70
  3.1 引言  54
  3.2 规则分形孔隙模型模拟  54-62
    3.2.1 数学模型的建立  55-56
    3.2.2 几何模型的建立  56
      3.2.2.1 Sierpinski模型构建方法  56
      3.2.2.2 Sierpinski模型建立与网格划分  56
    3.2.3 模拟条件  56-57
    3.2.4 结果与讨论  57-62
      3.2.4.1 进口气速对气含率云图的影响  57-58
      3.2.4.2 进口气速对CO_2含量的影响  58
      3.2.4.3 进口气速对总压降的影响  58-59
      3.2.4.4 进口气速对气体流速和压力的影响  59-60
      3.2.4.5 空气和CO_2的速度矢量图  60-61
      3.2.4.6 不同级模型内流体流动特性的比较  61-62
  3.3 分形任意孔模型的建立与验证  62-68
    3.3.1 数学模型的建立  62-65
      3.3.1.1 分形模型的建立  62-63
      3.3.1.2 孔隙率的分形描述  63
      3.3.1.3 内表面积S_0的分形描述  63-64
      3.3.1.4 总孔长度L_0的分形描述  64
      3.3.1.5 分形任意孔模型在脱碳中的应用  64-65
    3.3.2 结果与讨论  65-68
      3.3.2.1 大孔隙CaO吸附剂的孔径分布  65-66
      3.3.2.2 产物层厚度与转化率的关系  66-67
      3.3.2.3 粒径对大孔隙CaO吸附剂转化率的影响  67
      3.3.2.4 反应温度对大孔隙CaO吸附剂转化率的影响  67-68
  3.4 结论  68-69
  3.5 本章小结  69-70
4 大孔隙CaO吸附剂在气固鼓泡流化床中的流化模拟及碳化转化率研究  70-86
  4.1 引言  70
  4.2 实验装置与方法  70-72
  4.3 模拟分析  72-77
    4.3.1 数学模型  72-74
    4.3.2 几何模型及网格  74-76
    4.3.3 边界条件  76-77
  4.4 结果与讨论  77-84
    4.4.1 操作参数对气固流化床固含率的影响  77-82
      4.4.1.1 分布板对固含率的影响  77-78
      4.4.1.2 CaO颗粒粒径对固含率的影响  78-79
      4.4.1.3 填料层高度对固含率的影响  79
      4.4.1.4 恢复系数对固含率的影响  79-80
      4.4.1.5 进口气速对固含率的影响  80
      4.4.1.6 迭代步长对固含率的影响  80-81
      4.4.1.7 曳力模型对固含率的影响  81-82
    4.4.2 CO_2浓度对大孔隙CaO吸附剂转化率的影响  82-83
    4.4.3 反应温度对大孔隙CaO吸附剂转化率的影响  83-84
  4.5 结论  84
  4.6 本章小结  84-86
结论  86-87
展望  87-88
参考文献  88-96
致谢  96-98
攻读学位期间发表的学术论文目录  98-100

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