基于离散元方法与计算流体动力学耦合的固定床反应器中乙烷催化燃烧的数值模拟

《Industrial & Engineering Chemistry Research》：Numerical Simulation of a Fixed-Bed Reactor for Ethane Catalytic Combustion Based on the Discrete Element Method Coupled with Computational Fluid Dynamics

三维颗粒分布固定床反应器模型揭示乙烷催化燃烧中预催化剂区高温高浓度特性，颗粒细化优化流场但加剧压降，调控入口流速可同步提升转化率与降低温差，宏观性能对浓度变化不敏感。研究为VOCs催化燃烧过程优化提供理论支撑

　　

催化燃烧技术是目前处理工业挥发性有机化合物（VOCs）最常用的方法之一，因为它具有高效性和低能耗的特点。在这项研究中，通过离散元方法（DEM）与计算流体动力学（CFD）相结合，建立了一个用于乙烷催化燃烧的三维颗粒固定床反应器模型。对内部气体流动以及热和质量传递的特性进行了计算分析。并与传统的多孔介质模型进行了比较，研究了颗粒尺寸变化和工作条件波动对反应器性能的影响。结果表明，催化剂颗粒的实际堆积结构更准确地反映了固定床反应器内的真实物理化学特性。催化反应主要集中在预催化剂段，在该区域乙烷浓度迅速下降，温度迅速升高。同时，床层内的流速、压降、乙烷浓度和温度在径向和轴向方向上都呈现出不均匀分布。减小催化剂颗粒尺寸可以优化流场并增强热和质量传递，但整体压降会增加。适当降低流速可以提高乙烷转化率，并减少压降和催化剂床层内的温差。乙烷浓度与催化反应速率之间存在正相关关系，但反应器的宏观性能对此不太敏感。本研究可为VOC废气催化燃烧过程的优化提供理论指导。