多孔介质内化学反应驱动的类沸腾热质传递机理研究

多孔介质内液相有机化合物催化脱氢反应是新能源氢动力汽车和气液化学热泵中的一个主要过程，对系统工作效率有着重要的影响。由于存在孔隙尺度效应、多相多组分流动和吸热化学反应过程的耦合作用，其热质传递机理尚不明确，因此对其展开研究具有重要的理论与实际意义。本项目拟以异丙醇在多孔介质结构内的液相催化脱氢反应过程为研究对象，采用可视化观测、实验测量与格子Boltzmann数值计算相结合的手段，详细研究化学反应驱动的气泡在孔隙体系内的动态行为特性，揭示气液相界面热质耦合传递机理，查明多孔介质内气液两相流型的动态变化特性及影响因素，得到运行与结构参数对气液固三相温度场、气液两相流场、组分浓度场和反应转化率的影响规律，探索多孔介质内吸热化学反应、气液两相流动和热质传递间的内在联系及耦合作用机制，为相关技术应用提供重要理论基础与关键技术支撑。

根据课题研究计划，本项目主要从液相催化反应动力学实验研究、多孔介质内耦合化学反应过程的多相多组分流动传热特性研究、气相催化反应动力学实验研究及多孔介质内耦合化学反应过程的单相多组分热质传递特性研究四个方面展开。主要进展及取得成果如下：.（1）开展了针对异丙醇液相脱氢反应机理的实验研究，研究了传统雷尼镍催化剂和新型非晶态雷尼镍催化剂的催化活性，结果表明非晶态雷尼镍催化剂具有较高的低温液相脱氢性能，异丙醇液相脱氢反应中异丙醇的吸附和解吸为反应速率控制步骤，且丙酮的吸附和解吸在两个活性位点上进行，基于实验研究得到了两种催化剂在Langmuir-Hinshelwood型反应动力学表达式。.（2）进一步发展了耦合化学反应的多相多组分流动与传热传质综合的lattice Boltzmann数理模型，对液相异丙醇脱氢反应进行了初步研究。将改进的伪势模型与Carnahan–Starling状态方程相结合使两相密度比接近700，通过对Carnahan–Starling状态方程共存曲线的数值及理论求解的对比分析验证了模型的可行性，随后研究了多孔介质内多相反应的流动传热特性，该模拟的成功实施拓宽了格子-Boltzmann方法在多相反应过程领域的应用。.（3）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。.（4）将分形理论与格子Boltzmann方法相结合构建了多孔介质内耦合化学反应的单相多组分流动与传热传质过程LB模型，对丙酮加氢化学反应热质传递特性及影响因素进行了研究。探讨了反应物摩尔比、进口速度、孔隙率及浮升力对反应特性的影响。对热质传递的分析结果表明：在多孔介质中进行化学反应，流动行为对热质的传递过程起着重要作用；自然扩散和对流扩散的耦合效应加剧了孔隙体系内化学反应的多组分热质传递机理研究的复杂性，通过研究，揭示了孔隙体系内耦合化学反应的单相多组分扩散和能量传递过程特性及其与反应转化率间的内在联系与规律。