一种基于Fluent流化催化裂化富氧燃烧再生过程的

本发明涉及富氧燃烧碳捕集，具体涉及一种基于fluent流化催化裂化富氧燃烧再生过程的仿真模拟方法。背景技术：1、富氧燃烧技术是一种最具有工程化应用前景的大规模co2捕集技术之一，受到了举世瞩目的关注。该技术已经应用于煤和生物质燃烧领域，并取得初步成成果。2、流化催化裂化系统中，催化剂的再生过程即空气通入再生器将催化剂表面沉积的焦炭燃烧掉也会产生并排放大量的二氧化碳。为了降低流化催化裂化过程的碳排放，近年来富氧燃烧技术也被研究人员应用于催化裂化装置中的催化剂再生过程，从而实现再生器烟气的碳捕集。3、富氧燃烧技术是使用纯氧和co2的混合气体代替空气进入催化裂化再生器与失活催化剂混合燃烧。由于几乎杜绝了传统燃烧方式中的n2，富氧燃烧再生产生的烟气中co2浓度较高。燃烧产生的含高浓度co2的烟气，一部分以再循环方式与纯氧混合后进入再生器，另一部分则经过冷凝、干燥等除杂过程后直接进入压缩设备进行co2储存。该技术既适用于旧设备改造，也可用于新建设备，具有成本低、可靠性高，并且不影响催化裂化反应过程的优点。4、采用富氧燃烧技术时，将n2替换为co2。由于co2有与n2不同的密度、比容以及气体辐射的特点，会使实际操作时再生器中气固两相的流动、温度及焦炭燃烧产生不同程度的变化。研究这种变化以及如何调整来改善再生效率对富氧燃烧技术的应用具有重要意义。5、对于催化裂化装置这种大型设备，传统实验方法很难实施，工业中也无法测得再生器内部的流动及温度变化。ansys fluent软件可用于模拟计算此类工程问题，并且可以大大节约成本。而目前国内外均没有利用fluent软件对流化催化裂化中富氧燃烧再生过程的模拟研究工作。技术实现思路1、本发明的目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种基于fluent流化催化裂化富氧燃烧再生过程的模拟方法，该方法以期模拟流化催化裂化系统再生器中催化剂富氧燃烧再生过程中气固两相在流体力学、热力学以及燃烧化学反应等方面所呈现的实际状态，以便为富氧燃烧技术在流化催化裂化系统的应用和优化提供数值仿真的理论参考。2、为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：3、一种基于fluent流化催化裂化富氧燃烧再生过程的模拟方法，该方法包括以下步骤：4、步骤s1：采用建模软件ansys spaceclaim构建再生器几何模型；5、步骤s2：利用数学模型软件对步骤s1中所得的再生器几何模型生成网格并进行划分，得到网格文件；6、步骤s3：将步骤s2所得的网格文件导入到ansys fluent软件中进行初始条件的设置，然后进行参数调试、运行求解，直至计算过程收敛，再将计算结果进行后续处理。7、进一步的，所述步骤s2中，生成的网格为非结构化网格，并且在再生器高度为1-7m的部分进行加密处理，以保证在气体和催化剂进出口部分的计算结果精度。8、进一步的，所述步骤s3中，计算初始条件包括求解器及操作条件、物理模型、材料性质以及边界条件。9、进一步的，所述求解器及操作条件中的求解器类型为pressure-based，所述求解器及操作条件中的时间模型为瞬态模型，求解器及操作条件中坐标系z轴方向的重力设置为9.8m/s2。10、进一步的，所述物理模型为多相流模型中的欧拉模型，物理模型中的流体流动模型为层流模型，物理模型中辐射模型为离散坐标模型。11、进一步的，所述离散坐标模型涉及到的基础方程如下：12、式中，a是吸收系数，σs是散射系数，i是辐射强度。13、进一步的，所述多相流模型中涉及的气固反应包括碳和氧气的反应、碳和二氧化碳的反应、碳和水蒸气的反应、以及挥发分和氧气的反应，其中，气固反应速率的计算采用多表面反应模型，涉及的反应速率计算公式包括：式中，其中ap是颗粒表面积，pg是气体分压，kr，j是表面反应的动力学速率，kd，j是气体扩散速率，sh是sherwood数，dj是扩散系数，r是气体常数，mwc是碳的摩尔质量。14、进一步的，所述材料性质包括气相流体以及固相材料，其中，所述气相流体包括氧气、氮气、二氧化碳、一氧化碳、水蒸气和氢气，所述固相材料包括焦炭、挥发分和催化剂颗粒，并且所述材料性质还包括气相材料的辐射参数、以及固相材料的密度、颗粒直径、吸收系数、散射系数、摩尔质量、定压比热容和粘度。15、进一步的，所述边界条件中将再生器底部入口设置为速度入口；再生器侧面催化剂入口设置为质量入口；再生器侧面催化剂出口设置为质量入口，入口反向相反；再生器顶部气体出口设置为压力出口，并且使用udf将从此出口流出的催化剂送入侧面的催化剂入口。16、进一步的，所述步骤s3中，后续处理包括：在再生器yoz坐标平面上设置观察平面，观察再生器内部的固相体积分数、温度分布云图、气体分布云图。17、本发明的有益效果是:18、1、本发明将计算机模拟技术应用到流化催化裂化富氧燃烧再生领域，利用ansysfluent软件对催化剂富氧燃烧再生过程进行数值模拟，相对于传统实验方式，能得到再生器内部更全面细致的数据和可视化结果。19、2、本发明模拟计算方法可以自由改变系统工况，包括再生器气体入口速度，催化剂流入速度，以及入口气体组成；使用此模拟技术对于催化剂再生领域的富氧燃烧碳捕集技术的应用具有重要意义。技术特征：1.一种基于fluent流化催化裂化富氧燃烧再生过程的模拟方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：2.根据权利要求1所述的基于fluent流化催化裂化富氧燃烧再生过程的模拟方法，其特征在于，所述步骤s2中，生成的网格为非结构化网格，并且在再生器高度为1-7m的部分进行加密处理，以保证在气体和催化剂进出口部分的计算结果精度。3.根据权利要求1所述的基于fluent流化催化裂化富氧燃烧再生过程的模拟方法，其特征在于，所述步骤s3中，计算初始条件包括求解器及操作条件、物理模型、材料性质以及边界条件。4.根据权利要求3所述的基于fluent流化催化裂化富氧燃烧再生过程的模拟方法，其特征在于，所述求解器及操作条件中的求解器类型为pressure-based，所述求解器及操作条件中的时间模型为瞬态模型，求解器及操作条件中坐标系z轴方向的重力设置为9.8m/s2。5.根据权利要求3所述的基于fluent流化催化裂化富氧燃烧再生过程的模拟方法，其特征在于，所述物理模型为多相流模型中的欧拉模型，物理模型中的流体流动模型为层流模型，物理模型中辐射模型为离散坐标模型。6.根据权利要求5所述的基于fluent流化催化裂化富氧燃烧再生过程的模拟方法，其特征在于，所述离散坐标模型涉及到的基础方程如下：7.根据权利要求5所述的基于fluent流化催化裂化富氧燃烧再生过程的模拟方法，其特征在于，所述多相流模型中涉及的气固反应包括碳和氧气的反应、碳和二氧化碳的反应、碳和水蒸气的反应、以及挥发分和氧气的反应，其中，气固反应速率的计算采用多表面反应模型，涉及的反应速率计算公式包括：式中，其中ap是颗粒表面积，pg是气体分压，kr，j是表面反应的动力学速率，kd，j是气体扩散速率，sh是sherwood数，dj是扩散系数，r是气体常数，mwc是碳的摩尔质量。8.根据权利要求3所述的基于fluent流化催化裂化富氧燃烧再生过程的模拟方法，其特征在于，所述材料性质包括气相流体以及固相材料，其中，所述气相流体包括氧气、氮气、二氧化碳、一氧化碳、水蒸气和氢气，所述固相材料包括焦炭、挥发分和催化剂颗粒，并且所述材料性质还包括气相材料的辐射参数、以及固相材料的密度、颗粒直径、吸收系数、散射系数、摩尔质量、定压比热容和粘度。9.根据权利要求3所述的基于fluent流化催化裂化富氧燃烧再生过程的模拟方法，其特征在于，所述边界条件中将再生器底部入口设置为速度入口；再生器侧面催化剂入口设置为质量入口；再生器侧面催化剂出口设置为质量入口，入口反向相反；再生器顶部气体出口设置为压力出口，并且使用udf将从此出口流出的催化剂送入侧面的催化剂入口。10.根据权利要求1所述的基于fluent流化催化裂化富氧燃烧再生过程的模拟方法，其特征在于，所述步骤s3中，后续处理包括：在再生器yoz坐标平面上设置观察平面，观察再生器内部的固相体积分数、温度分布云图、气体分布云图。技术总结本发明是一种基于Fluent流化催化裂化富氧燃烧再生过程的模拟方法，该方法包括以下步骤：步骤S 1：采用建模软件Ansys SpaceClaim构建再生器几何模型；步骤S2：利用数学模型软件对步骤S 1中所得的再生器几何模型生成网格并进行划分，得到网格文件；步骤S3：将步骤S2所得的网格文件导入到ANSYS Fluent软件中进行初始条件的设置，然后进行参数调试、运行求解，直至计算过程收敛，再将计算结果进行后续处理。本发明利用ANSYS Fluent软件对催化剂富氧燃烧再生过程进行数值模拟，避免了用实际装置研究再生过程时无法得到再生器内部流动状态和温度、颗粒以及气体分布的弊端，同时也能大大降低研究成本。技术研发人员：唐禹能,代百乾,张立安受保护的技术使用者：苏州工业园区蒙纳士科学技术研究院技术研发日：技术公布日：2024/8/15