PDF《烧结板布风的甲烷化流化床反应器建模与分析》

然后将网 格导入 ANSYS-FLUENT 利用 UDF 定位识别进口边界网格并对进口网格进行编号(0,1,2,…)(图2为编号顺序示意图) ,并通过网格编号均匀地选取一些网格作为进气孔,其余网格设置进气量为 0;

对于进气网格而言,由于烧结板存在孔径分布,故采用线性同余算法[29] 使进气网格进气量在一定范 围内随机分配.具体方法为在选取进气网格的同时通过式(20)和(21)产生随机气速,并将产生 的气速分配给该网格,如此反复循环直到所有进气网格均具有气速,最后通过式(22)验证总进气 量和实验及无板模型是否保持一致,若保持一致则输出结果,若不一致重新分配赋值. 图2进口网格编号顺序示意图 Fig.2 Number of inlet mesh 进气量的计算公式为 (20) (21) (22) 式中,vn 为进气速率,δ 为增量,a 为乘子,M 为模,An 为进口不同网格的面积,Q 为总进气量.设v0 为初始种子,则可通过上式计算得到烧结板在进口的随机进气量. 1.5 计算方法及操作条件 上述控制方程可通过 ANSYS-FLUENT 计算求解,但模型中耦合了流动、反应、传热及传质等 描述传递规律的方程,致使计算复杂且难以收敛.依据文献[30] 结果及课题组的经验[20] ,模型求解可 采用分步计算,先得到稳定的流场后加入反应以求解温度场与浓度场.压力-速度耦合采用 Phase Coupled SIMPLE,空间离散方法采用一阶迎风格式. 反应过程中原料气从反应器的底部进入, 原料中 V(N2):V(H2):V(CO)=1.37:3.1:1, 总流速 0.2m/s, 系统温度 350℃;

耦合烧结板模型甲烷化过程的进口边界采用烧结板模型,无板模型的进口边界为 均匀的进口流速,反应器壁面对气相无滑移,固相有滑移,出口为压力出口. 实验中催化剂总质量为

125 g,真密度 ρ 真=1.8 g/mL,床层高度 32.13 mm,催化剂颗粒的粒径分 布如表

1 所示,在模拟中取催化剂的平均直径 0.172mm. 表1催化剂粒径分布 Tab. 1The size distribution of the catalyst 目数 直径范围/μm 重量分率 堆密度 120~150 106~120 0.05 混合后催化剂体 积为 114.98 mL, ρ 堆=1.091 g/mL 80~120 120~180 0.50 60~80 180~250 0.40 40~60 250~380 0.05

2 结果与分析 数值模拟在商用软件 ANSYS-FLUENT 平台上完成,颗粒相和流体相的连续性方程,动量守恒 方程中的重力项和压力梯度项以及能量守恒方程可以直接设定,而动量方程中的气固曳力相,化学 反应动力学项以及烧结板模型均通过 UDF 来实现. 2.1 模型有效性验证 如图

3 取反应器进口面及流化床分布板段 x=0,y=0 面作为参考面可以得到烧结板气速分布图, 由图 3(a)速度云图可知气体以均匀的入射位置进入流化床,由于烧结板存在一定的孔径分布,所 以每一个入射位置的入射气量(即图中参考面中通过不同颜色反映的气速大小)在孔径范围随机分 布.图3(b)表示分布板段 x=0 参考面进口气速分布矢量图,图中显示进口不同位置气速不同,进 一步说明烧结板模型的有效性. (a) 速度分布云图 (b) 分布板段 x=0 参考面速度矢量图 图3烧结板气速分布图 Fig.3 Distribution of inlet gas velocity 图4(a)和(b)分别表示烧结板模型与无板模型不同时刻颗粒相的流动状态,由图可知使用 烧结板模型在床层进口段存在明显的射流,在0.3s 后床层已呈现明显的不对称性,而无板模型对称 性持续到 0.5s. 烧结板由于不同位置进气量不同导致流化过程随机性增加, 更快达到均匀流化状态, 进一步说明烧结板模型均匀随机布气的有效性.结合图