异丙醇—丙酮—氢气化学热泵放热反应器传递及反应性能多尺度研究

【摘要】目前我国能源利用效率较低,与发达国家相比还有很大的进步空间,余热回收利用尤其是低温余热回收利用已成为提高能源利用效率、解决能源危机的重要手段。低温余热品位低难以直接利用,大部分被排放造成巨大的能源浪费。最好的利用低温余热的方式是将其温度提升,使之可以被直接利用。如果这一方法得以实现,不但可以大幅度提高能源利用效率,而且可以扩大能源利用的范围,如太阳能、地热能等低温自然能源,有效缓解能源危机。化学热泵因其高效率、无污染、低能耗、温度提升幅度高等优点而成为低温热品位提升的首选装置。异丙醇-丙酮-氢气化学热泵(IAH-CHP)则是众多化学热泵中应用潜力较大的一种。它利用一对可逆的化学反应,异丙醇低温(80℃)脱氢发生吸热反应生成丙酮和氢气；丙酮高温(200℃)加氢发生放热反应生成异丙醇,从而将低温热温度提升,使之可以在工业上直接应用。本文以锅炉低温烟气余热深度利用为研究背景,采用实验和数值模拟相结合的方法在分子尺度、多孔催化剂尺度、反应器尺度和系统尺度对IAH化学热泵丙酮高温加氢放热反应器传递及反应性能进行了多尺度研究。首先在分子尺度上对丙酮高温加氢放热反应进行了动力学实验研究。实验使用非晶态合金雷尼镍催化剂,通过改变空速、操作压力、氢气流量、反应温度等实验条件,对丙酮转化率、异丙醇选择性及反应产物进行了研究。实验确定了丙酮加氢的反应网络,分别对三种不同反应进行了机理研究,在实验数据和合理假设的基础上拟合出对应的Langmuir-Hinshelwood动力学方程,并分析了各操作条件对反应的具体影响。其次在多孔催化剂尺度上对化学反应与传热传质在多孔催化剂内的耦合和协同作用进行了数值研究,重点分析了催化剂颗粒内组分扩散对组分分布、温度分布、反应速率、丙酮转化率及异丙醇选择性的影响。模拟结果表明,催化剂微孔直径是扩散系数的决定因素,在催化剂颗粒边缘存在一个很薄的过渡区域,扩散系数及反应速率在此区域梯度十分明显；由于反应发生在催化剂颗粒内部,使得内部温度比外部流体温度稍高;丙酮转化率和异丙醇选择性都随催化剂颗粒直径的增加而增加,随微孔直径的增加而减小；异丙醇产量随催化剂颗粒直径增加而增加,随微孔直径增加先增加后减小。根据模拟结果,本文给出了催化剂颗粒直径和微孔直径的推荐值。然后在反应器尺度上对丙酮高温加氢放热反应器传递和反应性能使用Fluent多孔介质非热平衡模型进行了数值研究,分析了催化剂颗粒直径、催化剂导热系数、反应器直径和空速等参数对气固两相传热及丙酮加氢反应的影响。模拟结果表明在本研究中气固两相温差较小,不会对反应产生较大影响；催化剂导热系数和反应器直径对反应器温度场分布具有十分显著的影响,催化剂导热系数的增加能显著增强反应器传热能力,降低反应器温度及径向温差,反应器直径增加则会显著增加反应器温度；空速增加虽然会降低异丙醇选择性和丙酮转化率,但是也会增加异丙醇产量,因此有助于提高系统效率。在反应器性能数值研究的基础上对反应参数进行了优化,综合考虑能量品位、反应热、丙酮转化率与反应温度的关系,确定了最佳反应温度；结合数值模拟结果对比氢气丙酮摩尔比增加产生的丙酮转化率收益及压力损失,确定了最佳氢气丙酮摩尔比。为解决随机填充固定床反应器压力损失大和传热能力差的不足,本文提出一种结构化填充方法,并使用Fluent进行3D模拟,模拟结果表明此结构化填充方法不但可有效降低系统压力损失,而且传热能力更优秀。最后在系统尺度上提出了一种新型高效的多级放热反应器串联IAH化学热泵系统。与传统单级放热反应器IAH化学热泵相比,多级放热反应器串联IAH化学热泵的放热量得到了极大的提升,系统焓效率和火用效率也有较大幅度的增加；在放热量相同的情况下,多级放热反应器串联IAH化学热泵的物料流量,催化剂填装量,以及再沸器、增压器和加热器的热负荷都得到了极大幅度的降低,系统焓效率和火用效率都有一定的增加。由于多级串联放热反应器各级放热温度不同,可将各级反应器释放的热量分别用作不同途径,以减少能量混合带来的火用损失。
【作者】段彦军；
【导师】淮秀兰；李勋锋；
【作者基本信息】中国科学院研究生院（工程热物理研究所），工程热物理，2014，博士
【关键词】化学热泵；高温丙酮加氢；反应动力学；多孔催化剂；热质传递；多尺度；

【参考文献】
[1]胡卉.智能物流条件下多业务实体的组合优化与协调问题研究[D].北京交通大学,2008.
[2]梁美珠.基于嵌入式系统的无线Mesh AP的研究[D].山东建筑大学,检测技术与自动化装置,2013,硕士.
[3]马学良.振荡压路机压实动力学及压实过程控制关键技术的研究[D].长安大学,2009.
[4]王永卫.政府知识管理绩效评价研究[D].安徽大学,情报学,2013,硕士.
[5]汪文强.原油储罐内底板腐蚀机理分析与涂层防腐蚀技术研究[D].华东理工大学,动力机械及工程,2014,硕士.
[6]蒋云飞.我国海岛开发进程中海岛与陆域联动发展策略研究[D].华东师范大学,人文地理学,2013,硕士.
[7]李明明.内幕交易行为的刑法规制问题研究[D].辽宁大学,法律,2012,硕士.
[8]马晔.环境责任保险与环境侵权损害赔偿社会化竞合的研究[D].石家庄经济学院,环境与资源保护法学,2012,硕士.
[9]黄新茹.从理论到实践：错误分析理论与初中英语写作教学[D].山东师范大学,教育（专业学位）,2013,硕士.
[10]张佳.过度金属—含氮羧酸配合物的合成和性质研究[D].中北大学,无机化学,2013,硕士.
[11]李强,戴启明.武钢热轧带钢厂精轧轧制压力数学模型研制成功[J].冶金自动化,1985,04:65.
[12]左国防,王琦.石墨烯纳米复合材料在电子转移及光电转换中的应用研究[J].材料导报,2012,17:5-9.
[13]宿志瑞.大肠杆菌ETT2毒力岛的检测与分析[D].扬州大学,预防兽医学,2011,硕士.
[14]赵霞.财务估价模型的比较分析与现实应用[D].东北财经大学,会计学,2003,硕士.
[15]钱龙军,盛安冬,郭治.不确定随机系统的满意估计问题研究[J].自动化学报,2002,05:789-792.
[16]林宇.滨海沙地厚荚相思人工林养分特征与植物碳储量[D].福建农林大学,林业,2012,硕士.
[17]刘金艳.针灸学常用术语数据库构建及针灸术语标准化的方法学研究[D].北京中医药大学,针灸推拿学,2014,硕士.
[18]谷薇.高等教育大众化阶段首都市属高校学风建设研究[D].北方工业大学,思想政治教育,2014,硕士.
[19]刘文娇.云南抗战漫画运动研究[D].云南艺术学院,艺术教育,2014,硕士.
[20]陈祥.决奈达隆类似物的新合成方法探索[D].西南大学,有机化学,2014,硕士.
[21]商伟华.论技术侦查的法律规制[D].河北大学,诉讼法学,2014,硕士.
[22]白京兰.清代新疆法律的多元形态与边疆治理——以伊斯兰教法为中心[J].学术月刊,2014,10:144-156.
[23]陆寅.500W光伏独立/并网双模逆变器的研究[D].安徽大学,模式识别与智能系统,2013,硕士.
[24]李想.曲轴系多柔体动力学与动力润滑耦合分析[D].沈阳理工大学,机械制造及其自动化,2012,硕士.
[25]赵欣.共有系统视角下的辜鸿铭翻译策略研究[D].鲁东大学,外国语言学及应用语言学（专业学位）,2014,硕士.
[26]乔梁.甘肃省义务教育阶段城乡中小学体育教师资源现状与合理配置研究[D].西安体育学院,体育教育训练学,2013,硕士.
[27]田媛媛.谷维素抑制小鼠结肠炎症及其分子机理研究[D].中南林业科技大学,食品科学,2014,硕士.
[28]廉永康.基于USB的虚拟示波器设计[D].太原理工大学,控制理论与控制工程,2004,硕士.
[29]李原.丘脑出血引起远隔机能障碍2例报告及文献复习[D].吉林大学,临床医学,2013,硕士.
[30]陈晨.住区空间形态对于交通污染物扩散影响的数值模拟研究[D].华中科技大学,建筑学,2013,硕士.
[31]林颖.城市给水管网中颗粒物与二次污染互动影响及应急处理研究[D].华侨大学,建筑与土木工程（专业学位）,2014,硕士.
[32]史红敏.内异止痛汤治疗气滞血瘀型子宫内膜异位症的临床研究[D].黑龙江中医药大学,中医学（专业学位）,2013,硕士.
[33]闫俊.基于DSP数据调制研究与实现[D].大连海事大学,通信与信息系统,2004,硕士.
[34]李传贵.纳米储氢材料贮存使用安全评估方法研究[J].中国安全科学学报.2003(09)
[35]李林程聪红.影响用电量与经济增长关系的因素分析[J].商,,28:.
[36]田潇.我国税收立法程序法制化问题研究[D].湘潭大学,法律,2011,硕士.
[37]李亚飞.基于粗糙集的证据理论方法研究[D].合肥工业大学,2004.
[38]梁红彦.绕城高速公路指路标志优化设计研究[D].长安大学,交通运输规划与管理,2014,硕士.
[39]沈欢欢.北京市生鲜蔬菜物流资源需求研究[D].北京交通大学,2014.
[40]贾峰生.左权石匣水库坝情和水情自动测报系统[D].太原理工大学,检测技术及自动化装置,2004,硕士.
[41]李航.大学生英语写作自我效能感量表的编制[J].北京第二外国语学院学报,2014,12:70-76.
[42]黄燕茹.250MPa等静压成型超高压容器筒体结构设计及分析[D].燕山大学,机械工程,2012,硕士.
[43]茹薏.外汇储备对我国货币政策的影响分析[D].苏州大学,金融学,2014,硕士.
[44]王利粉.扶正肺瘤方对肺癌CD4~+CD25~+Treg细胞影响的临床研究[D].广州中医药大学,中医内科（专业学位）,2013,硕士.
[45]王晶苑,王绍强,李纫兰,闫俊华,沙丽清,韩士杰.中国四种森林类型主要优势植物的C:N:P化学计量学特征[J].植物生态学报,2011,06:587-595.
[46]彭甜媛.胡锦涛干部思想政治教育思想研究[D].西南大学,思想政治教育,2013,硕士.
[47]谢茂军.基于DSP的三相光伏并网逆变器的控制算法研究及实现[D].西南交通大学,电磁悬浮与超导工程,2013,硕士.
[48]邓华.商业秘密的民事司法保护[D].苏州大学,法律,2003,硕士.
[49]杨琼.城镇化与新农村建设协调发展问题研究[D].河北师范大学,政治经济学,2014,硕士.
[50]王炳.八钢连铸小方坯内部裂纹的研究[D].西安建筑科技大学,冶金工程,2004,硕士.