PDF《烧结板布风的甲烷化流化床反应器建模与分析》

1 模型简介 1.1 几何模型 甲烷化流化床反应器几何模型如图 1(a)所示,反应器高 300mm,直径 67.5mm.将反应器分 为上下两端,其中上段为气相区;

下段为气固两相区,是发生反应的主要区域,对该区域网格进行 局部加密处理[20] . 反应器流体域采用六面体网格, 边界采用四边形网格, 网格总数为 172.490 万个, 其中四边形网格数为 6.715 万个,六面体网格数为 165.775 万个. 烧结板直径为 67.5mm,孔径 20~70μm,平均孔径为 50μm,开孔率 11%.采用烧结板作为流化 床气体分布板,由于孔径小于颗粒粒径且气固两相作用与反应均发生在烧结板上部,故不考虑烧结 板内部变化,将烧结板简化为如图 1(b)所示二维几何. 图1反应器(a)和烧结板(b)的几何模型 Fig.1 Geometric model of reactor (a) and sintered plate (b) 气固两相区 气相区 (a) (b) 1.2 气固两相基本控制方程 采用流体双欧拉模型模拟甲烷化流化床反应器,其质量守恒方程为: (1) (2) 式中:α 为体积分数,αg+αs=1;

ρ 为密度;

u 为速度;

R 为化学反应产生的源项[21] ;

下角标 g 和s分别表示流体相和颗粒相.守恒方程的推导可以通过对各个相局部瞬时平衡进行整体平均来完成[22] . 动量守恒方程: (3) (4) 式中,p 为压力,τ 为剪应力,κ 为气固相曳力系数,F 为额外力,Fvm 为虚拟质量力.颗粒相剪应力 τs 和颗粒相压力 ps 均由颗粒动能理论(KTGF)所得.气相虚拟质量力 Fvm,g 为(5) 颗粒相虚拟质量力 (6) 气固相曳力系数 κ 采用利用 UDF 修正的 Syamlal-O'

Brien 模型[23] . (7) (8) (9) (10) 式中,ds 为颗粒直径,Re 为雷诺数. 甲烷化反应中气相各组分的输运方程[24-25] 为(11) 式中,Yg,i 为气相组分 i 的质量分数,Jg,i 为组分 i 的扩散通量,rg,i 为组分 i 的反应速率. 能量守恒方程: (12) (13) 式中:cp 为比热容,是温度 T 的函数;

q 为流体热通量;

Qr 为均相反应热;

Qsg 为相间传热量.其传 热模型采用 Gunn 模型[26] : (14) (15) (16) 式中,h 为相间体积传热系数,λg 为气体导热系数,εg 和εs 分别为气相和颗粒相的空隙率,Pr 为普 朗特数,dp 为气泡直径. 1.3 反应动力学模型 合成气甲烷化过程主要发生甲烷化和水煤气变换两个反应. 甲烷化反应: 水煤气变换反应: 反应速率方程[27]: (17) (18) 式中,pi 为气相组分分压,k 为动力学速率常数,Keq 为反应平衡常数,Kα 为CO 和H2O 吸附常数的 函数,Kc 为碳物质中间体的吸附常数,KOH 为反应中间体 OH* 的吸附常数. 该模型可以较为准确地描述甲烷化反应,但反应速率只是温度及气相组分分压的函数,采用双 欧拉模型计算时该动力学模型无法体现催化剂浓度对反应过程的影响,即无法描述催化剂活性位点 数对反应的影响,为此本研究在计算中采用新的反应速率 ri'

. (19) 该式将反应速率模型表述为 ri'

=f(T, pi, C)的形式,其中 C 表示催化剂表观浓度,表述为 C=N(1+x), 其中 N 为多次实验得到的常数,x 为通过 UDF 读取的反应过程中颗粒相的体积分数. 1.4 烧结板模型 通过对烧结板流化实验观察以及相关研究表明[28] ,流化过程中,流体通过气体分布器以射流的 方式进入床层,通过与固相颗粒进行复杂的相互作用使颗粒相获得持续的动能,整个床层呈现均匀 流化状态.为实现反应器进口段气体射流以及完全流化后颗粒相呈现均一的混合效果,需对烧结板 进行建模. 基于 CFD 软件 ANSYS-FLUENT, 利用 UDF 对进口边界进行描述以实现烧结板布风效果 的建模. 烧结板建模的基本思路,首先对几何进行网格划分得到与烧结板孔大小相近的网格;