一体化挥发性有机物高效催化脱除装置的优化设计方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种一体化挥发性有机物高效催化脱除装置的优化设计方法，所述方法基于计算流体力学技术的数值模拟方法，首先完成装置模型构建，使用软件对初始装置内部流场进行数值模拟，阐明装置内中心区域气体超温现象的成因及贴壁流对边缘区域气体充分受热的不利影响；在此基础上，依次增置气流分布板、导流板和聚气环优化装置内部结构，探究关键构件设计优化对其内部流场均匀性的具体提升效果。本发明专利技术有助于消除催化燃烧反应器内气体超温现象及贴壁流现象，提高装置内部流体速度场、温度场分布均匀性，进而有助于缓解局域超温现象导致的催化剂失活，在延长催化剂使用寿命的同时，提高挥发性有机物催化脱除效率，降低污染物治理所需能耗。理所需能耗。理所需能耗。

【技术实现步骤摘要】
一体化挥发性有机物高效催化脱除装置的优化设计方法


[0001]本专利技术属于环境工程
，具体地说是涉及一种一体化挥发性有机物高效催化脱除装置的优化设计方法。

技术介绍

[0002]挥发性有机物(VOCs)是形成光化学烟雾及雾霾的重要前驱体，研究结果表明，大气环境中的VOCs会与氮氧化物、硫氧化物等其他污染物在紫外光照射条件下发生化学反应，产生过氧乙酰硝酸酯及臭氧(O3)等大气氧化剂的同时，生成多种有毒有害气溶胶，进而促进PM2.5的形成。为实现对上述大气污染问题的高效治理，VOCs污染治理技术的研发突破刻不容缓。
[0003]综合考虑各VOCs废气治理方法的适用范围、成本、处理彻底性等多方因素，催化氧化技术被认为是目前较具前景的VOCs末端控制技术。实际工业应用环境中VOCs的催化脱除效率不仅与催化剂性能密切相关，还会受到催化燃烧反应器内部流体速度场、温度场分布的影响。反应器内贴壁流等现象的存在会导致催化室内部分区域实际反应温度偏低，进而降低污染物催化脱除效率，增加废气治理所需能耗；反应器内气体流速分布不均会导致部分气体受热时间过长，催化室内特定区域实际反应温度过高，进而破坏催化剂形貌结构，缩短催化剂使用寿命。由此可得，催化脱除装置的优化设计是进一步推动VOCs催化氧化技术应用推广，促进VOCs稳定高效催化脱除的关键因素。近年来，越来越多的研究人员将计算流体力学技术应用于催化燃烧反应器的设计优化之中，但现有研究往往对反应器结构进行大量简化，这可能会影响计算结果精确性，同时在VOCs催化脱除领域，对相应反应器的设计优化研究也仍然缺乏。

技术实现思路

[0004]为了克服现有技术的缺点和不足，本专利技术提供了一种一体化挥发性有机物高效催化脱除装置的优化设计方法。该方法有助于消除催化燃烧反应器内气体超温现象及贴壁流现象，提高装置内部流体速度场、温度场分布均匀性，进而有助于在延长催化剂使用寿命的同时，提高VOCs催化脱除效率，降低污染物治理所需能耗。
[0005]为实现上述目的，本专利技术所采取的技术方案为：
[0006]一种一体化挥发性有机物高效催化脱除装置的优化设计方法，所述方法基于计算流体力学技术的数值模拟方法，首先完成一体化挥发性有机物高效催化脱除装置模型构建，使用Fluent18.2软件对初始装置内部流场进行数值模拟，阐明催化脱除装置内中心区域气体超温现象的成因及贴壁流对边缘区域气体充分受热的不利影响；在此基础上，依次增置气流分布板、导流板和聚气环优化催化脱除装置内部结构，探究关键构件设计优化对其内部流场均匀性的具体提升效果；具体步骤包括：
[0007](一)前处理：几何建模与网格划分
[0008]利用ANSYS Geometry软件对一体化挥发性有机物高效催化脱除装置进行三维建
模，利用ANSYS Mesh软件对所建立几何模型进行网格划分，其中：一体化挥发性有机物高效催化脱除装置分区域进行建模，网格生成采用非结构化四面体网格生成方法，并采用局部网格加密手段对换热器、电热管、气流分布板、导流板和聚气环所在区域的网格点进行重新排布；为各区域模型选择并命名边界类型后，导出几何模型的网格文件；
[0009](二)计算求解：控制方程设定、边界条件定义多孔介质模型引入与迭代求解
[0010](1)控制方程设定
[0011]根据实际工况条件可知，气体在催化燃烧反应器内部呈单相湍流状态，近似稳态流动；将反应气体视为不可压缩流体，选取湍流模型，构建控制方程如下：
[0012]质量守恒方程(连续性方程)
[0013][0014]动量守恒方程
[0015][0016]能量守恒方程
[0017][0018]标准k
‑
ε方程
[0019][0020][0021]式中：代表相对速度矢量，p代表压强，ρ代表密度，代表质量，μ代表运动粘性系数，h代表热传导系数，T代表温度，Φ代表损耗函数，t代表时间，x
i
代表方向，G
k
代表由于平均速度梯度引起的湍流动能，G
b
代表由于浮力引起的湍流动能，代表湍流粘性系数，C、C
μ
、C
1ε
、C
1ε
、C
1ε
为经验常数，σ
k
代表湍流动能k的普朗特数，σ
ε
代表湍流耗散率ε的普朗特数；
[0022](2)边界条件及相关计算参数设置
[0023]根据实际工况条件，对废气治理过程中顶部冷侧进风量、温度及VOCs污染物总含量进行设置；结合催化燃烧反应器模型相关参数，完成边界条件的建立：
[0024]一体化挥发性有机物高效催化脱除装置的入口设定为固定流量入口边界条件，边界紊流条件设定为低紊流强度；装置出口设定为大气压条件下的静压力出口边界条件；此外，结合换热器和电热管的功率及比表面积，分别在换热器表面及电热管表面设置相应恒定热流；
[0025](3)多孔介质模型引入
[0026]借助多孔介质模型模拟催化燃烧反应器内部催化剂对流场的影响；多孔介质指的是一类具有均匀孔隙的固相物质，Fluent软件中以达西定律求解多孔介质内的压降及速度关系：
[0027][0028]式中，S
i
代表i方向上的动量源项，μ代表流体粘度，ρ代表流体密度，v代表流速，α
代表表示介质渗透性参数，C2代表惯性阻力因子；
[0029](4)迭代求解
[0030]使用ANSYS Fluent18.2求解器，采用高解析格式求解，其中求解Navier
‑
Stocks方程采用分离式解法中的SIMPLE算法，均方根残差收敛标准为1.0E
‑
4，稳态迭代计算直至残差收敛后，保存计算结果；
[0031](三)后处理：流场分布信息获取及关键构件设计优化提升效果分析
[0032]采用ANSYS CFD
‑
POST软件对模拟计算结果进行可视化处理，阐明初始反应装置内中心区域气体超温现象的成因及贴壁流对边缘区域气体充分受热的不利影响；在此基础上，分析探究关键构件设计优化对反应装置内部流场均匀性的具体提升效果，最终实现一体化挥发性有机物高效催化脱除装置的优化设计。
[0033]作为优选，所述催化脱除装置包括壳体，所述壳体顶部设有装置入口，壳体底部设有装置出口，所述壳体内设有换热器、电热管、催化室、气流分布板、导流板和聚气环；所述导流板、气流分布板、换热器、聚气环、电热管由上而下顺次设置，所述催化室设置在电热管下方。
[0034]作为优选，所述换热器位于装置入口下方400～500mm处，由350～800根无缝钢管紧密排列组成，可将反应气体由80℃加热至220～280℃。
[0035]作为优选，所述电热管位于换热器下方100～200mm处，电热管型号为GYQ3型管状电热元件，单组电热管加热功率为5.8KW，共6～30组，分一层本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种一体化挥发性有机物高效催化脱除装置的优化设计方法，其特征在于：所述方法基于计算流体力学技术的数值模拟方法，首先完成一体化挥发性有机物高效催化脱除装置模型构建，使用Fluent18.2软件对初始装置内部流场进行数值模拟，阐明催化脱除装置内中心区域气体超温现象的成因及贴壁流对边缘区域气体充分受热的不利影响；在此基础上，依次增置气流分布板、导流板和聚气环优化催化脱除装置内部结构，探究关键构件设计优化对其内部流场均匀性的具体提升效果；具体步骤包括：(一)前处理：几何建模与网格划分利用ANSYS Geometry软件对一体化挥发性有机物高效催化脱除装置进行三维建模，利用ANSYS Mesh软件对所建立几何模型进行网格划分，其中：一体化挥发性有机物高效催化脱除装置分区域进行建模，网格生成采用非结构化四面体网格生成方法，并采用局部网格加密手段对换热器、电热管、气流分布板、导流板和聚气环所在区域的网格点进行重新排布；为各区域模型选择并命名边界类型后，导出几何模型的网格文件；(二)计算求解：控制方程设定、边界条件定义多孔介质模型引入与迭代求解(1)控制方程设定将反应气体视为不可压缩流体，选取湍流模型，构建控制方程如下：质量守恒方程动量守恒方程能量守恒方程标准k
‑
ε方程ε方程式中：代表相对速度矢量，p代表压强，ρ代表密度，代表质量，μ代表运动粘性系数，h代表热传导系数，T代表温度，Φ代表损耗函数，t代表时间，x
i
代表方向，G
k
代表由于平均速度梯度引起的湍流动能，G
b
代表由于浮力引起的湍流动能，代表湍流粘性系数，C、C
μ
、C
1ε
、C
1ε
、C
1ε
为经验常数，σ
k
代表湍流动能k的普朗特数，σ
ε
代表湍流耗散率ε的普朗特数；(2)边界条件及相关计算参数设置结合催化燃烧反应器模型相关参数，完成边界条件的建立：一体化挥发性有机物高效催化脱除装置的入口设定为固定流量入口边界条件，边界紊流条件设定为低紊流强度；装置出口设定为大气压条件下的静压力出口边界条件；此外，结合换热器和电热管的功率及比表面积，分别在换热器表面及电热管表面设置相应恒定热流；(3)多孔介质模型引入
借助多孔介质模型模拟催化燃烧反应器内部催化剂对流场的影响；多孔介质指的是一类具有均匀孔隙的固相物质，Fluent软件中以达西定律求解多孔介质内的压降及速度关系：式中，S
i
代表i方向上的动量源项，v代表流速，α代表表示介质渗透性参数，C2代表惯性阻力因子；(4)迭代求解使用ANSYS Fluent18.2求解器，采用高解析格式求解，其中求解Navier
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Stocks方程采用分离式解法中的SIMPLE算法，均方根残差收敛标准为1.0E
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4，稳态迭代计算直至残差收敛后，保存计算结果；(三)后处理：流场分布信息获取及关键构件设计优化提升效果分析采用ANSYS CFD
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POST软件对模拟计算结果进行可视化处理，阐明初始反应装置内中心区域气体超温现象的成因及贴壁流对边缘区域气体充分受热的不利影响；在此基础上，分析探究关键构件设计优化对反应装置内部流场均匀性的具体提升效果，最终实现一体化挥发性有机物...

【专利技术属性】
技术研发人员：高翔，杨洋，郑成航，郑重，周灿，宋浩，吴卫红，刘少俊，张霄，
申请(专利权)人：浙江大学嘉兴研究院，
类型：发明
国别省市：