规整催化剂数值模拟的研究进展

訾 雪

(东营职业学院，山东 东营 257091)

传统固定床层是由多个大小不同、随机堆积的催化剂颗粒填充在反应器内形成的，颗粒在床层内的分布不均匀，易发生沟流和短路，且反应物的停留时间不一，易导致飞温和催化剂失活。与上述催化剂相比，规整结构催化剂由相互平行、狭窄的、包含催化剂的孔道阵列而成，孔道口的大小和形状可独立变化。因孔道结构规则，当流体进入该催化剂时，在孔道内其流动状态不变，有助于化学反应能够按照设计的模式发生以及反应的放大设计，同时避免了催化剂颗粒之间的磨损和压力损失大等缺点。在反应特性上，规整催化剂也有不错的表现。这些优异的性能都是颗粒状催化剂不具备的。其最突出的应用是在汽车转换器净化尾气和电厂脱除烟气中的NOX。除此之外，在其他化工过程中也有越来越多的应用，wei liu[1]证实，蜂窝型整体催化剂用于乙苯脱氢反应时具有良好的效果，G.A. JARVI[2]、C.H.Bartholomew[3]均制备了用于甲烷化反应的蜂窝型整体催化剂，韩丽[4]将规整催化剂应用于生产苯酚的最后一步CHP 的分解反应中。有关规整催化剂制备的专利更是不胜枚举。

规整催化剂的研究主要集中在催化剂制备、反应器设计、反应机理、催化剂孔道内的传质传热特性等方面。由于其结构特点，数值模拟是研究规整催化剂和设计其反应器的有效手段。因此我们以规整催化剂的数值模拟过程为研究对象，下面分别对数值模拟的对象单孔道、整体催化剂进行介绍。

1 整体反应器模拟

流体进入到规整催化剂孔道内，流型不发生改变，所以流体在流入催化剂前的分布非常重要，规整催化剂的整体反应器模拟，就是针对反应器同一截面中流速不均、压降大等问题，优化反应器结构。大部分模拟整体反应器的文献以汽车催化转化器为研究对象。黄鑫等人[5-7]用流体计算软件FLUENT 对整体反应器进行仿真，用多孔介质模型模拟规整催化剂，用以研究反应器流场及影响流场的因素，并改变反应器结构以优化流场。黄莉莉[8]同样采用FLUENT 软件进行数值模拟，但其应用了新的网格求解技术，并编写了Newton-Raphson 算法数值，用以模拟整个反应器。

2 单孔道数值模拟

单孔道数值模拟能够应用详细的反应机理，很好地再现单孔道内“三传一反”作用的结果。彭炜琳[9]利用“三传一反”方程式，对转化器单孔道建立了一维单孔道模拟模型。G.Veser[10]对发生甲烷催化氧化制合成气反应的铂基规整催化剂，提出了结合具体反应机理的一维异相反应器模型，数值模拟结果与实验数据吻合较好。Renate Schwiedernoch[11]借助DETCHEM 软件，对发生反应的单孔道进行二维模拟，模拟中使用了多步非均相反应机理，并将催化剂表面的覆盖率作为催化剂位置的函数。de Smet[12]用三维模型，模拟发生甲烷制合成气反应的催化剂，但用到的反应模型是较简单的表面反应模型。Anna Holmgren[13]对开孔形状为圆角正方形的单孔道建立了三维模型。David Schlereth[14]分别用二维模拟均相模型和三维模型，对发生不可逆反应、放热反应、一级反应动力学反应的规整催化剂进行模拟，着重分析了热传导因素对规整催化剂性能的影响。

由于模型复杂，软件也是数值模拟研究规整催化剂必不可少的工具。梅红[15]通过CFX 流体力学仿真软件，模拟整体反应器和单孔道，分析金属规整催化剂的传质传热现象。宋艳慧[16]、刘学义[17]利用FLUENT 软件，分别以汽车催化转化器、烟气脱硝催化剂为研究对象，进行二维、三维稳态、非稳态的研究。郭华[18]、孙树平[19]运用FLUENT 软件与Chemkin 软件，耦合二维模拟规整催化剂的孔道。康红艳[20]同样基于Fluent 软件建立催化剂孔道模型，并在FLUENT 内输入详细的反应机理。Olaf Deutschmann[21]通过FLUENT 软件耦合化学反应软件DETCHEM，三维模拟孔道内部的化学反应与热平衡，模拟了催化剂表面上发生的基于多步化学反应的化学过程，并加入了涂层模型。为了减少计算量，作者在孔道对称前提下只模拟了1/8 通道。

3 结论

综上所述，研究规整催化剂主要的数值模拟方法，是使用流体力学计算软件CFX、FLUENT，分别研究单孔道或整个反应器内的传质传热与反应效果，从而进行反应器设计。但由于此两种软件内的反应模型比较单一，故需要耦合Chemkin 或DETCHEM 软件，或是对软件进行二次开发，建立详细的反应模型。不借助软件，通过建模模拟规整催化剂的方法难度较大，模拟对象集中在一维、二维模型，三维模型中的反应原理较简单，但其可以根据需要，考虑催化剂的表面涂覆等因素，在研究反应微观方面，该方法是不可缺少的。