Вычислительная гидродинамика в разработке каталитических реакторов

Вычислительная гидродинамика становится важным инструментом в исследовании процессов и аппаратов химической технологии (в частности, доля работ с применением этого метода составила в 2010 г. почти 6 % от числа всех публикаций по химической технологии издательства «Elsevier Science»). Возможности вычислительной гидродинамики показаны на трех примерах из разных областей химической технологии: разработки метода загрузки трубчатого реактора паровой конверсии природного газа, исследовании теплопереноса в реакторе гидрирования растительных жиров при замене катализатора, изучении переходных процессов в автомобильном нейтрализаторе. Верификация результатов вычислительной гидродинамики была выполнена сравнением с экспериментальными данными при разработке метода загрузки трубчатого реактора на примере решения задачи торможения частицы катализатора потоком воздуха. Полученные данные сопоставлены с классическими результатами измерения аэродинамического сопротивления шара и цилиндра и являются дальнейшим развитием работ по обтеканию потоком частиц сложной формы. В работе приведены результаты обследования реактора гидрирования жиров с учетом возможности разогрева потока и его равномерного распределения перед подачей на слой катализатора. Показано, что конструкция реактора не обеспечивает необходимого качества однородности реакционного потока, требуется модификация нагревательных элементов. Эффективность вычислительной гидродинамики для изучения быстрых процессов с химической реакцией показана на примере исследования переходных процессов в автомобильном каталитическом нейтрализаторе (влияние гидродинамики потока и теплопереноса на тепловой режим в сотовой частице катализатора очень сложно исследовать экспериментальными методами). Применение вычислительной гидродинамики позволяет значительно сократить временные и стоимостные затраты на разработку и оптимизацию конструкций эффективных каталитических реакторов с неподвижным, кипящим или движущимся слоем (в частности, многофазных реакторов с мешалками), а также смесителей, адсорберов, барботеров и других аппаратов химической технологии с движущимися средами.

1. Fluent. Version 6.1. Fluent Inc., Lebanon, New Hampshire, 2003.

2. Пат. 2180265 (РФ). Способ и устройство для загрузки частиц в трубу трубчатого реактора/ О.П.Кленов, А.С.Носков. 2001.

3. Кленов О.П., Ханаев В.М., Борисова Е.С. и др. // Катализ в промышленности. 2008. Спецвыпуск. С. 38.

4. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1974.

5. Дейч М.Е. Техническая газодинамика. М.: Энергия, 1974.