CN115171801A - 一体化挥发性有机物高效催化脱除装置的优化设计方法 - Google Patents

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CN115171801A CN202210785866.2A CN202210785866A CN115171801A CN 115171801 A CN115171801 A CN 115171801A CN 202210785866 A CN202210785866 A CN 202210785866A CN 115171801 A CN115171801 A CN 115171801A
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Abstract

本发明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。

Description

一体化挥发性有机物高效催化脱除装置的优化设计方法
技术领域
本发明属于环境工程技术领域，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。
背景技术
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。
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。
发明内容
为了克服现有技术的缺点和不足，本发明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。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
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：
(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
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：
质量守恒方程(连续性方程)
Figure BDA0003728559310000021
动量守恒方程
Figure BDA0003728559310000022
能量守恒方程
Figure BDA0003728559310000023
标准k-ε方程
Figure BDA0003728559310000024
Figure BDA0003728559310000031
式中：
Figure BDA0003728559310000032
代表相对速度矢量，p代表压强，ρ代表密度，
Figure BDA0003728559310000033
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，xi代表方向，Gk代表由于平均速度梯度引起的湍流动能，Gb代表由于浮力引起的湍流动能，
Figure BDA0003728559310000034
代表湍流粘性系数，C、Cμ、C1ε、C1ε、C1ε为经验常数，σk代表湍流动能k的普朗特数，σε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
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：
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：
Figure BDA0003728559310000035
式中，Si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；
(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-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；
(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-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。
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。
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℃。
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，分一层或多层放置。
作为优选，所述催化室位于每层电热管下方100～200mm处，分一层或多层铺设催化剂。
作为优选，所述催化剂为RuOx/MOy-ZrzTi1-zO2蜂窝催化剂；所述催化剂活性组分为RuOx，使用MOy-ZrzTi1-zO2作为载体，其中MOy-ZrzTi1-zO2载体为ZrzTi1-zO2通过酸性金属氧化物MOy负载得到的混合金属氧化物；RuOx/MOy-ZrzTi1-zO2蜂窝催化剂在1000ppm二氯甲烷，20％O2，N2平衡，22500mL/(g·h)空速的测试条件下，在320℃能够达到90％的二氯甲烷转化率，并且产物CO2选择性高达90％。
作为优选，所述气流分布板位于换热器上方10～30mm处，材质选择钢板或者铝板，气流分布板厚度为5mm～20mm，气流分布板表面均匀排布若干数量的圆孔或矩形孔，开孔率为50％～70％。
作为优选，所述导流板位于装置入口下方80～120mm处，呈回字锥型，材料选择钢板或者铝板，导流板厚度为5mm～20mm，锥面倾斜角为20°～80°。
作为优选，所述聚气环位于电热管上方50～150mm处，材料选择钢板或者铝板，聚气环厚度为5mm～20mm，聚气环宽度为80～120mm，聚气环与水平面夹角为20°～80°，聚气环上均匀排布若干数量的圆孔或矩形孔，开孔率为35％～60％。
污染物废气由顶部装置入口进入催化脱除装置，经导流板、气流分布板均匀气体流速之后，换热器入口平面流体径向速度偏差控制在2～3m/s；反应气体经换热器预热至220～280℃后流经聚气环，聚气环可有效调节边缘区域气体流速，消除装置内贴壁流现象，进而促进反应气体在电热管段充分加热。治理废气于电热管段加热至350℃左右后进入催化室，于催化室内被RuOx/MOy-ZrzTi1-zO2蜂窝催化剂催化氧化为H2O、CO2等无机小分子，生成物气体由装置底部矩形装置出口排出，最终实现挥发性有机物的高效催化脱除。
相对于现有技术，本发明的有益效果在于：
(1)本发明基于计算流体力学技术的数值模拟方法，与传统通过经验、半经验关联式对反应器进行优化设计的方法相比，借助模拟手段可获取大量全息数据，同时节省较多的资金和时间；
(2)本发明一体化挥发性有机物高效催化脱除装置结构紧凑，传质、传热效率较高，具有良好的经济效益；
(3)本发明一体化挥发性有机物高效催化脱除装置内铺设的RuOx/MOy-ZrzTi1-zO2蜂窝催化剂氧化降解VOCs具有良好的催化活性和稳定性，其在1000ppm二氯甲烷，20％O2，N2平衡，22500mL/(g·h)空速的测试条件下，在320℃能够达到90％的二氯甲烷转化率，并且产物CO2选择性高达90％；
(3)本发明气流分布板和导流板的优化设计能够显著提升一体化挥发性有机物高效催化脱除装置内换热器入口段气体流速分布均匀性(换热器入口平面流速标准偏差RSD值由140％降低至50％左右，流体径向速度偏差可由10m/s降低至2-3m/s左右)，调节气体受热时间，消除催化室内气体超温现象，进而有助于催化剂使用寿命的延长；
(4)本发明聚气环的优化设计可消除一体化挥发性有机物高效催化脱除装置内电热管段气体贴壁流现象，促进边缘区域气体充分受热，提高催化室内气体温度分布均匀性(催化剂上表面气体温度偏差由230℃降低至50℃左右，温度分布相对标准偏差RSD值由8％降低至3％左右)，进而有助于提升VOCs实际催化脱除效率(VOCs催化脱除效率由90％提升至98％)，降低污染物治理所需能耗；
(5)本发明一体化挥发性有机物高效催化脱除装置能够适应废气组分、浓度、流速多变的实际工业应用环境，可广泛应用于有机溶剂生产、制药、喷漆等领域的有机废气治理。
附图说明
图1为本发明一体化挥发性有机物高效催化脱除装置模型结构图；
图2为本发明一体化挥发性有机物高效催化脱除装置内气流分布板结构示意图；
图3为本发明一体化挥发性有机物高效催化脱除装置内导流板结构示意图；
图4为本发明一体化挥发性有机物高效催化脱除装置内聚气环结构示意图；
图5为初始一体化挥发性有机物高效催化脱除装置模型示意图；
图6为初始一体化挥发性有机物高效催化脱除装置内部流体速度分布云图；
图7为初始一体化挥发性有机物高效催化脱除装置内z＝500mm平面，沿x轴附近流体速度径向分布示意图；
图8为初始一体化挥发性有机物高效催化脱除装置内部流体温度分布云图；
图9为初始一体化挥发性有机物高效催化脱除装置内第一层催化剂表面流体温度分布云图；
图10为结构优化后一体化挥发性有机物高效催化脱除装置内部流体速度分布云图；
图11为结构优化后一体化挥发性有机物高效催化脱除装置内z＝500mm平面，沿x轴附近流体速度径向分布示意图；
图12为结构优化后一体化挥发性有机物高效催化脱除装置内部流体温度分布云图；
图13为结构优化后一体化挥发性有机物高效催化脱除装置内第一层催化剂上表面流体温度分布云图。
具体实施方式
下面通过实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明，这些实施例是对本发明的说明而作，不是对本发明的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例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，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
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：
质量守恒方程(连续性方程)
Figure BDA0003728559310000071
动量守恒方程
Figure BDA0003728559310000072
能量守恒方程
Figure BDA0003728559310000073
标准k-ε方程
Figure BDA0003728559310000074
Figure BDA0003728559310000081
式中：
Figure BDA0003728559310000082
代表相对速度矢量，p代表压强，ρ代表密度，
Figure BDA0003728559310000083
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，xi代表方向，Gk代表由于平均速度梯度引起的湍流动能，Gb代表由于浮力引起的湍流动能，
Figure BDA0003728559310000084
代表湍流粘性系数，C、Cμ、C1ε、C1ε、C1ε为经验常数，σk代表湍流动能k的普朗特数，σε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
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：
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：
Figure BDA0003728559310000085
式中，Si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；
(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-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；
(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-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。
参照图1-4，所述催化脱除装置包括壳体，所述壳体顶部设有装置入口1，壳体底部设有装置出口2，所述壳体内设有换热器5、电热管7、催化室8、气流分布板4、导流板3和聚气环6；所述导流板3、气流分布板4、换热器5、聚气环6、电热管7由上而下顺次设置，所述催化室8设置在电热管7下方。
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℃。
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，分一层或多层放置。
所述催化室位于每层电热管下方100～200mm处，分一层或多层铺设催化剂，所述催化剂为RuOx/MOy-ZrzTi1-zO2蜂窝催化剂；所述催化剂活性组分为RuOx，使用MOy-ZrzTi1-zO2作为载体，其中MOy-ZrzTi1-zO2载体为ZrzTi1-zO2通过酸性金属氧化物MOy负载得到的混合金属氧化物；RuOx/MOy-ZrzTi1-zO2蜂窝催化剂在1000ppm二氯甲烷，20％O2，N2平衡，22500mL/(g·h)空速的测试条件下，在320℃能够达到90％的二氯甲烷转化率，并且产物CO2选择性高达90％。
所述气流分布板位于换热器上方10～30mm处，材质选择钢板或者铝板，气流分布板厚度为5mm～20mm，气流分布板表面均匀排布若干数量的圆孔或矩形孔，开孔率为50％～70％。
所述导流板位于装置入口下方80～120mm处，呈回字锥型，材料选择钢板或者铝板，导流板厚度为5mm～20mm，锥面倾斜角为20°～80°。
所述聚气环位于电热管上方50～150mm处，材料选择钢板或者铝板，聚气环厚度为5mm～20mm，聚气环宽度为80～120mm，聚气环与水平面夹角为20°～80°，聚气环上均匀排布若干数量的圆孔或矩形孔，开孔率为35％～60％。
污染物废气由顶部装置入口1进入催化脱除装置，经导流板3、气流分布板4均匀气体流速之后，换热器5入口平面流体径向速度偏差可控制在2～3m/s；反应气体经换热器5预热至220～280℃后流经聚气环6，聚气环6可有效调节边缘区域气体流速，消除装置内贴壁流现象，进而促进反应气体在电热管4段充分加热。治理废气于电热管6段加热至350℃左右后进入催化室8，于催化室8内被RuOx/MOy-ZrzTi1-zO2蜂窝催化剂催化氧化为H2O、CO2等无机小分子，生成物气体由装置底部矩形装置出口2排出，最终实现挥发性有机物的高效催化脱除。
实施例2
通过计算流体力学技术(CFD)，构建初始一体化挥发性有机物高效催化脱除装置模型，如图5所示。污染物废气由顶部圆口进入反应器，经过预热器、电热管加热后，于催化室内被催化氧化，生成物由底部矩形排气口排出。换热器位于A区域，电热管位于B区域，共18组分两层放置；催化室位于C区域，分为两层铺设商用Pt/Al2O3催化剂。
以装置气体入口中心为坐标轴原点，建立坐标系，如图5所示。装置总高度为3.072m，气体入口距A区域垂直距离为468mm，A区域高度为908mm，B区域上下两部分高度分别为490mm和370mm，C区域上下两部分高度均为150mm。气体入口为圆形，其直径为350mm；气体出口为矩形，其长、宽分别为337.5mm和240mm。
根据实际工况条件，废气治理过程中顶部冷侧进风量为3500m3/h，温度约为80℃，VOCs污染物总含量约为300mg/m3。结合催化燃烧反应器模型相关参数，可完成边界条件的建立。进口处边界条件设定如下：水利直径din设定为0.35m，气流速度vin设定为10.105m/s，气体温度设定为353.15K。出口处边界条件设定如下：水利直径dout设定为0.28m，出口压力p设定为0。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恒定热流4136.56W/m2和9531.64W/m2。
以中轴面(zx平面)为监测平面构建流体速度分布云图，以探究初始一体化挥发性有机物高效催化脱除装置内部流体速度分布。由图6所示模拟计算结果可知，初始一体化挥发性有机物高效催化脱除装置内部流体速度场均匀性较差，存在两个明显问题：1.换热器入口段不同区域气体流速差距过大，中心区域气体流速过大，边缘区域气体流速过小；2.第一层电热管段边缘区域存在明显贴壁流现象。选取换热器上表面附近z＝500mm处平面，计算沿x轴附近流体速度径向分布，以进一步探究换热器入口段附近气体流速分布，结果如图7所示。由图中数据可知，流体沿x轴方向存在较大速度偏差，中心段气体流速远大于边缘段气体流速，速度差值高达9.39m/s。
以中轴面(zx平面)为监测平面，构建流体温度分布云图，以探究初始一体化挥发性有机物高效催化脱除装置内部流体温度分布。初始一体化挥发性有机物高效催化脱除装置内部流体温度分布云图如图8所示，由图8所示模拟计算结果可知，初始一体化挥发性有机物高效催化脱除装置内部流体温度场均匀性较差，换热器入口段中心区域流体温度明显低于两侧，这是由于该区域气体流速过快，与换热器接触时间过短所导致的。同时我们可以发现，换热器内特定区域存在气体温度过高现象，这可能是因为换热器入口段边缘区域气体流速过慢，加热时间过长。温度过高的气体在向下流过换热器管路的同时往中心区域汇聚，未得到充分冷却后又受到电热管进一步加热，这也导致了在第一层催化剂上表面附近区域内，中间段流体存在温度过高的现象。催化室内部分区域气体温度甚至高达710K以上，该温度明显高于催化反应正常温度，可能会破坏催化剂表面形貌结构，缩短催化剂使用寿命。此外，由图8所示模拟计算结果还可以看出，在第一层催化剂上表面附近区域内，两侧流体温度明显偏低，仅能达到480K左右。该区域内过低的流体温度是由电热管段的贴壁流现象所导致的，边缘区域气体沿反应器壁面迅速流下，与电热管接触时间过短，导致反应气体未能得到充分加热便与第一层催化剂接触。过低的反应温度，会导致催化剂无法达到理想的催化活性，进而对VOCs的催化脱除效率产生负面影响。为进一步探究第一层催化剂上表面附近流体温度分布，构建了该平面内气体温度分布云图，模拟结果如图9所示。由图中数据可以看出，第一层催化剂上表面附近流体最大温差超过230℃。虽然该平面流体平均温度(577.7K)属于催化反应正常温度范围内，但是计算求得的RSD值高达8.10％，可见该平面内流体温度分布均匀性较差，催化室内VOCs的高效稳定催化脱除无法得到可靠保证(VOCs催化脱除效率仅为90％)。
实施例3
对实施例2所述催化剂进行优化，选用RuOx/MOy-ZrzTi1-zO2蜂窝催化剂替代原用催化剂，发现VOCs催化脱除效率由90％提升至94％，可见RuOx/MOy-ZrzTi1-zO2蜂窝催化剂氧化降解VOCs具有良好的催化活性。
实施例4
对实施例2所述初始一体化挥发性有机物高效催化脱除装置进行设计优化：在换热器上方30mm处增设气流分布板，气流分布板钢板厚度为10mm，钢板表面均匀排布11×12个直径为85mm的圆孔；在装置入口下方100mm处增设大小两个导流板，导流板上口直径分别为100mm和300mm，高度均为185mm，锥面倾斜角为45°，钢板厚度为8mm；在第一层电热管上方70mm处增置聚气环，聚气环钢板宽度为120mm，厚度为6mm，与xy水平面夹角为30°，各钢板上均匀排布直径为30mm和40mm的圆孔。优化后装置模型结构图如图1所示，继续选用RuOx/MOy-ZrzTi1-zO2蜂窝催化剂，发现VOCs催化脱除效率提升至98％。
构建zx平面流体速度分布云图，以探究增置气流分布板、导流板和聚气环后一体化挥发性有机物高效催化脱除装置内部气体流速场均匀性改善情况，模拟计算结果如图10所示。计算z＝500mm平面上气体流速相对标准偏差RSD值为51.4％，较装置优化前降低84.3％。进一步探究该平面沿x轴附近流体速度径向分布，模拟计算结果如图11所示。由图中数据可得，催化脱除装置结构优化后，流体径向速度偏差仅为2.35m/s，相较原先的9.39m/s降低7.04m/s。由此可得，增置气流分布板、导流板和聚气环后，换热器入口段流体速度分布均匀性得到显著提升，中心区域气体流速明显下降，边缘区域气体流速适当上升。同时可以发现催化脱除装置结构优化后电热管段边缘区域气体流速由初始的3.3m/s左右降低至1.1m/s，基本与其他区域气体流速保持一致。该计算结果表明催化脱除装置结构的优化可以消除催化燃烧反应器内存在的贴壁流现象，这有助于边缘区域流体充分受热，进而能够提高催化室内流体温度分布的均匀性。
构建催化脱除装置内zx平面流体温度分布云图，如图12所示。由图中数据分析可得，增置气流分布板、导流板和聚气环后换热器内部流体温度分布均匀性显著提升，中间区域气体加热效果得到改善且换热器内气体超温现象基本消除。此外，进一步探究第一层催化剂上表面附近流体温度分布可以看出，局部区域气体超温现象完全消除，该区域气体最高温度仅为621K，处于催化反应正常温度区间内。在此基础上，构建第一层催化剂上表面附近气体温度分布云图，数据结果如图13所示。可以发现，催化脱除装置结构优化后，催化室内边缘区域气体温度过低的问题得到解决，气体最低温度在576K左右，仍处于催化反应正常温度区间内。计算该平面温度相对标准偏差，结果仅为3.10％，相较初始RSD值(8.10％)降低5％，可见增置气流分布板、导流板和聚气环后催化室内流体温度分布均匀性显著提升。
一体化挥发性有机物催化脱除装置优化前后VOCs催化脱除效率及装置内流体速度场、温度场分布情况的对比结果如表1所示。
表1
Figure BDA0003728559310000131
本发明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。本发明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，提高挥发性有机物催化脱除效率，降低污染物治理所需能耗。同时本发明一体化挥发性有机物高效催化脱除装置结构紧凑，传质、传热效率较高，能够适应废气组分、浓度、流速多变的实际工业应用环境，可广泛应用于有机溶剂生产、制药、喷漆等领域的有机废气治理。

Claims (9)

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
Figure FDA0003728559300000011
动量守恒方程
Figure FDA0003728559300000012
能量守恒方程
Figure FDA0003728559300000013
标准k-ε方程
Figure FDA0003728559300000014
Figure FDA0003728559300000021
式中：
Figure FDA0003728559300000022
代表相对速度矢量，p代表压强，ρ代表密度，
Figure FDA0003728559300000023
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，xi代表方向，Gk代表由于平均速度梯度引起的湍流动能，Gb代表由于浮力引起的湍流动能，
Figure FDA0003728559300000024
代表湍流粘性系数，C、Cμ、C1ε、C1ε、C1ε为经验常数，σk代表湍流动能k的普朗特数，σε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：
Figure FDA0003728559300000025
式中，Si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-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；
(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-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。
2.根据权利要求1所述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。
3.根据权利要求2所述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℃。
4.根据权利要求2所述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：所述电热管位于换热器下方100～200mm处，单组电热管加热功率为5.8KW，共6～30组，分一层或多层放置。
5.根据权利要求4所述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：所述催化室位于每层电热管下方100～200mm处，分一层或多层铺设催化剂。
6.根据权利要求5所述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：所述催化剂为RuOx/MOy-ZrzTi1-zO2蜂窝催化剂；所述催化剂活性组分为RuOx，使用MOy-ZrzTi1-zO2作为载体，其中MOy-ZrzTi1-zO2载体为ZrzTi1-zO2通过酸性金属氧化物MOy负载得到的混合金属氧化物；RuOx/MOy-ZrzTi1-zO2蜂窝催化剂在1000ppm二氯甲烷，20％O2，N2平衡，22500mL/(g·h)空速的测试条件下，在320℃能够达到90％的二氯甲烷转化率，并且产物CO2选择性高达90％。
7.根据权利要求2所述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：所述气流分布板位于换热器上方10～30mm处，材质选择钢板或者铝板，气流分布板厚度为5mm～20mm，气流分布板表面均匀排布若干数量的圆孔或矩形孔，开孔率为50％～70％。
8.根据权利要求2所述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：所述导流板位于装置入口下方80～120mm处，呈回字锥型，材料选择钢板或者铝板，导流板厚度为5mm～20mm，锥面倾斜角为20°～80°。
9.根据权利要求2所述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：所述聚气环位于电热管上方50～150mm处，材料选择钢板或者铝板，聚气环厚度为5mm～20mm，聚气环宽度为80～120mm，聚气环与水平面夹角为20°～80°，聚气环上均匀排布若干数量的圆孔或矩形孔，开孔率为35％～60％。
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