天然气脱硫催化器内流场的数值模拟与优化分析

【摘要】： 天然气是目前国际上公认的优质、清洁、安全、廉价的能源，具有抗爆性高、排放污染物少、经济安全等优点。随着我国西气东输工程的深入及储运技术的提高，作为石油产品价廉物美的替代品，天然气逐渐成为汽车发动机理想的燃料。 本文首先介绍了我国发展天然气汽车的可行性、必要性与国内外发展状况，然后详细叙述天然气脱硫对天然气汽车的必要性及初步设计。文中重点研究了以FLUENT为软件平台天然气脱硫催化器的建模方案，为了使含有硫化氢的天然气尽可能均匀地通过整个催化剂载体，以提高天然气脱硫催化器转化效率和使用寿命，对其进行了数值模拟与仿真优化，并与以往的相关结论进行对比。 (1)对于常规结构的天然气脱硫催化器，长渐扩管结构的流场均匀性明显优于短渐扩管结构。 (2)对于常规结构的直圆锥长渐扩管，从流动的角度来看，设计催化器时，原则上应采用小锥角扩张管，Fluent模拟发现在0°～40°之间，10°扩张管的速度分布与40°扩张管几乎一致，因α越小，扩张管的长度越大，结构越不紧凑，所以，考虑到催化器结构紧凑，催化器取40°扩张角最为合适。 (3)对斜线扩张管催化器的流场的模拟仿真，发现相同的扩张管长度下，由于斜扩张管的入口气流方向发生转向，使载体边沿区域的流动得到加强，整个催化器的流速分布均匀性得以提高。还得出斜扩张管结构的流动均匀性函数是以扩张角度为自变量的先增后减的趋势函数，其最大值在60°附近。 (4)对EDH结构的催化器的流场进行数值模拟仿真，发现EDH增强型扩张管结构可以较为明显地改善催化器的流速分布，并能降低流动阻力，是一种有效的扩张管结构形式。我们的模拟结果和文献的研究结论是一致的，说明用Fluent对建立的催化器流动数学模型进行仿真是切实可行的。 (5)双载体结构优于单载体结构，当催化器采用双载体时，两载体之间的间距越大，造成第一块载体流速分布越不均匀，但第二块载体的分布均匀性却得到改善，两载体间缝隙对流动均匀性影响很大，对压力损失影响不大，在设计双载体催化器时应充分考虑两块载体流速分布均匀的不一致性，避免载体间过大的缝隙。 模拟结果为催化器的结构优化提供了依据。 【关键词】：天然气 脱硫催化器 数值模拟 优化分析
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TE646
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-15
• 第一章 绪论15-26
• 1.1 天然气汽车发展现状15-18
• 1.1.1 天然气汽车15
• 1.1.2 天然气汽车的优越性及存在的不足15-17
• 1.1.3 天然气汽车的国内外发展现状17-18
• 1.2 我国发展天然气汽车的必要性与可行性18-20
• 1.2.1 我国发展天然气汽车的必要性18-19
• 1.2.2 我国发展天然气汽车的可行性19-20
• 1.3 天然气汽车脱硫的必要性20-21
• 1.4 天然气脱硫方法的选择21-23
• 1.4.1 吸收法21-22
• 1.4.2 分解法和生物法22-23
• 1.5 活性炭脱除低浓度硫化氢23-25
• 1.5.1 活性炭脱 H_2S的反应机理23
• 1.5.2 各种因素对活性炭脱硫化氢的影响23-24
• 1.5.3 活性炭的再生24-25
• 1.6 本文研究主要内容25-26
• 第二章 CFD软件及 Fluent软件综述26-31
• 2.1 计算流体力学(CFD)简介26-28
• 2.1.1 CFD软件的主要应用领域26-27
• 2.1.2 CFD通用软件的主要特点27-28
• 2.2 Fluent软件的简介28-30
• 2.2.1 Fluent软件特点28-29
• 2.2.2 Fluent软件优点29-30
• 2.3 本章小结30-31
• 第三章 天然气脱硫催化器模型建立31-41
• 3.1 天然气脱硫催化器简介31-33
• 3.1.1 模型建立31-33
• 3.2 天然气脱硫催化器内流场指标33
• 3.2.1 流速均匀性指标定义33
• 3.2.2 压力损失指标定义33
• 3.3 催化器结构示意图及网格划分33-37
• 3.3.1 直圆锥扩张管34-35
• 3.3.2 斜线型扩张管35
• 3.3.3 增强型扩张管35-36
• 3.3.4 假设边界条件36-37
• 3.4 控制方程计算式37-40
• 3.4.1 控制方程计算式37-39
• 3.4.2 速度和压力的修正39-40
• 3.5 本章小结40-41
• 第四章 天然气脱硫催化器内流场数值模拟及分析41-50
• 4.1 催化器结构参数对流动特性影响41-48
• 4.1.1 长、短渐扩管41-43
• 4.1.2 扩张角度α43-47
• 4.1.3 收缩管47-48
• 4.2 本章小结48-50
• 第五章 新型天然气脱硫催化器内流场优化分析50-62
• 5.1 引言50
• 5.2 斜线型入口扩张管50-52
• 5.2.1 结构形式50
• 5.2.2 计算及分析50-51
• 5.2.3 结论及理论分析51-52
• 5.3 增强型入口扩张管52-55
• 5.3.1 结构形式52-53
• 5.3.2 计算及分析53-54
• 5.3.3 结论54-55
• 5.4 载体的结构参数55-59
• 5.4.1 载体的长度55-56
• 5.4.2 载体的长径比56-58
• 5.4.3 双载体58
• 5.4.4 载体缝隙△d58-59
• 5.4.5 双载体长度59
• 5.4.6 其他59
• 5.5 三种新型催化器性能比较59-61
• 5.5.1 催化器结构优化设计准则59-60
• 5.5.2 新型催化器性能比较60-61
• 5.6 本章小结61-62
• 第六章 结论及今后工作建议62-64
• 6.1 结论62-63
• 6.2 今后工作的建议63-64
• 参考文献64-66
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文66-67
• 附录一：Fluent 软件计算界面示例67-71

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