內冷式高溫高壓反應器傳熱研究

趙 飛, 張延玲, 朱 榮, 田冬東, 朱伶楓

(北京科技大學 冶金與生態工程學院,北京 100083)

內冷式高溫高壓反應器傳熱研究

趙 飛, 張延玲, 朱 榮, 田冬東, 朱伶楓

(北京科技大學 冶金與生態工程學院,北京 100083)

采用一維穩態傳熱的方法對內冷式高溫高壓反應器內壁傳熱進行工程計算,然后在相同條件下利用Fluent軟件對反應器內流場和溫度場進行數值模擬,最后將兩種算法得到的結果進行對比分析。研究了高溫高壓條件下反應器內壁的傳熱情況,分析了反應器內氣體和內壁縱向溫度分布的變化規律,結果表明:工程計算和數值模擬得到的結果是一致的,兩種方法對高溫高壓反應器的傳熱計算是可靠的,數值模擬與工程計算相比更能反映出真實的高溫高壓反應器傳熱情況。

高溫高壓反應器;工程計算;數模模擬

在化工和航空航天等領域的研究中常常涉及到高溫高壓反應工藝條件,如化工領域中煤的甲烷化和二氧化碳重整甲烷的研究,需要在高溫高壓(1 200 K,10 MPa)條件下進行,航天領域的材料抗氧化燒蝕研究,需要在高溫高壓條件下(2 000～2 500 K,1～2 MPa)條件下進行,這類反應的苛刻條件對反應設備結構和材質提出了很高的要求,需要反應器能夠在高溫和高壓條件下工作。

現有高溫高壓反應器其主要分為釜式反應器和管式反應器[1],多采用不銹鋼材料或者是防腐非金屬材料制成,反應器工作時是通過外部加熱,其存在的最主要問題是在高溫下反應器不能同時承受較高壓力。

董躍[2]提出了基于高溫區壓力平衡和承壓區低溫的原理,利用保溫材料和石英管開發了小型高溫高壓反應器,并通過傳熱方程建立了反應器溫度分布模型,但由于保溫材料和石英管具有熱震性,無法承受大范圍內的溫度變化,因此應用范圍具有很大局限性。邰學林[3]提出了等壓內冷式高溫高壓化學反應器,該反應器采用雙層結構,層間采用液體冷卻,反應器內部的壓力和層間冷卻液壓力基本保持相同,確保反應器內層承受高溫,反應器外層承受高壓,解決了反應器無法同時承受高溫高壓的問題,但其未對反應器的結構及傳熱進行理論計算,而傳熱計算是反應器結構設計的重要環節。

目前關于高壓高溫條件下的反應器傳熱研究的報道還較少,高溫高壓反應器是未來反應器發展的趨勢所在,因此本文針對內冷式高溫高壓反應器的傳熱情況進行了工程計算和數值模擬,最終獲得了反應器內高溫氣體沿軸向和徑向的變化規律以及反應器內壁縱向溫度的分布規律,對內冷式高溫高壓反應器的設計和應用具有重要的理論指導意義。

1 數學模型

1.1 高溫高壓反應器傳熱過程的工程計算

本研究僅考慮高溫氣體對高溫高壓反應器內壁的傳熱,高溫氣體被認為是物理性質,溫度均勻的灰介質,在進行工程計算時對高溫高壓反應器內壁只考慮徑向的傳熱,不考慮軸向傳熱[4-5]。高溫高壓反應器內氣體對內壁的傳熱方式主要為對流換熱和輻射換熱,采用如下傳熱學[6-8]基本公式進行計算:

qo=αo(Tf-Tw) ；

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:qo為高溫高壓氣體對高溫高壓反應器內壁的對流換熱熱流密度；αo為高溫高壓氣體與高溫高壓反應器內壁間的對流換熱系數；Tf和Tw分別為流體和內壁的溫度;qr為高溫高壓氣體對高溫高壓反應器內壁的輻射換熱熱流密度；C0為絕對黑體輻射系數,C0=5.675 W/(m2·K4)；εf和Bf分別為氣體的黑度和吸收率；εw為壁面的黑度；Tf和Tw分別為流體和內壁的溫度；Ma為冷卻水量；Qa為冷卻水量帶走的熱量；Cp為冷卻水的比熱容。

根據式(1)—(4)對某高溫高壓反應器內壁進行傳熱計算,計算條件和計算結果分別如表1和表2所示。

表1 計算條件

表2 計算結果

1.2 高溫高壓反應器傳熱過程的數值模擬

1.2.1幾何模型

本研究針對高溫高壓反應器結構建立相應的幾何模型,流體計算空間為300 mm×1 000 mm,整個流體計算域采用二維軸旋轉幾何模型,網格為四邊形網格,靠近壁面處網格較密,整個模型尺寸及邊界條件如圖1所示,圖2為計算區域內的網格劃分。

圖1 計算模型

圖2 模型網絡

1.2.2計算模型與邊界條件

本研究采用的湍流模型為標準k-ε湍流模型[2],該模型是典型的兩方程模型,由Launder和Spalding于1972[9-10]年提出,是目前使用最廣泛的湍流模型,在標準k-ε模型中,湍動能k和湍動能耗散率ε是2個未知量,與之對應的輸運方程[11-13]如下式所示:

(5)

(6)

式中:ρ為密度;μ為層流粘性系數;μt為湍流粘性系數;ui為速度在i方向上分量;Gk是由平均速度梯度而產生的湍流動能;Gb是由浮力而產生的湍流動能;YM是由在可壓縮湍流過渡到全部擴散速率而引起的波動擴張;σk和σε分別為k和ε的湍流普朗特數;C1ε,C2ε和C3ε為常數;Sk和Sε為自定義源相。

輻射傳熱模型的選擇對溫度分布的準確模擬起決定性作用,正確選取輻射換熱模型是傳熱模擬的關鍵問題[14]。離散坐標法(DOM)算法可靠,計算工作量小,計算結果精度較高,是目前反應器內輻射傳熱過程數值模擬的一種較好方法[15],其輸運方程如下式所示:

·(I(r,S)S)+(α+σS)I(r,S)=

(7)

與工程計算對應的反應器邊界條件見表3。

表3 邊界條件

2 結果與討論

2.1 反應器內氣體溫度分布

圖3為高溫高壓反應器內氣體溫度分布云圖,圖4和圖5分別為高溫氣體沿反應器軸向和徑向的溫度分布曲線。

圖3 反應器內氣體溫度分布云圖

圖4 反應器內氣體溫度沿軸向分布

圖5 反應器中點處氣體溫度沿徑向分布

從圖4中可以看出,不同氣體溫度條件下,高溫氣體沿軸向的溫度分布趨勢相同,氣體溫度沿著軸向方向逐漸減小,溫度梯度不大,數值模擬結果與工程計算結果吻合性很高,最大差值僅為1.8%。從圖5中可以看出3種氣體溫度條件下,高溫高壓反應器內氣體溫度先沿著徑向呈略微減小趨勢,在貼近壁面處(0.15 m處)出現較大的溫度梯度,氣體溫度由2 000 K以上降低到400 K以內,這是由于氣體在壁面處存在的溫度邊界層所產生的大溫度梯度導致的。

2.2 內壁內側溫度分布

圖6 反應器內壁內側溫度分布

從圖6中可以看出不同氣體溫度條件下,高溫高壓反應器內壁內側溫度分布趨勢相同,入口處內壁內側溫度較高,內壁溫度沿著反應器長度方向快速下降,隨后趨于穩定,在內壁中段和后段壁溫基本達到穩定。隨著反應器內氣體溫度的升高,雖然冷卻水水量由15 t/h增加到25 t/h(見表3),但反應器內壁內側溫度仍不斷升高,這是因為高溫氣體的輻射能力受氣體溫度影響很大,氣體溫度越高,其熱輻射能力就越大,高溫氣體向壁面傳遞的熱量也就越多,內壁溫度也就越高。此外,不同溫度條件下,數值模擬計算得到的內壁平均溫度(實心標記)與工程計算結果(空心標記)的差別在8%以內。

2.3 內壁外側溫度分布

圖7 反應器內壁外側溫度分布

從圖7中可以看出不同氣體溫度條件下,高溫高壓反應器內壁外側溫度分布趨勢相同,內壁溫度沿著反應器長度方向快速下降,隨后趨于穩定,在內壁的后段壁溫稍顯增加趨勢,這是因為冷卻水經過反應器前段后水溫有所增加,在反應器后段的冷卻能力有所下降,從而導致內壁溫度稍有升高。與圖6相比,高溫高壓反應器內壁外側溫度與內側溫度分布趨勢相同,不同溫度條件下,數值模擬得到的內壁外側平均溫度與工程計算結果的最大差值為3.5%。

2.4 冷卻水溫度分布

從圖8中可以看出不同氣體溫度條件下,冷卻水溫度分布趨勢是沿著反應器軸向不斷增加,不同氣體溫度條件下,冷卻水出水溫度稍高于工程計算假設值,最大差值僅為1%,驗證了工程計算的假設,體現了工程計算的合理性。

3 結論

采用工程計算和數值模擬相結合的方式對高溫高壓反應器內壁傳熱進行了計算,通過對兩種算法得到的結果進行對比分析,研究了高溫高壓反應器內壁的傳熱情況,分析了反應器內高溫氣體沿軸向和徑向的變化規律以及反應器內壁縱向溫度的分布規律,結果如下。

圖8 冷卻水溫度分布

1) 不同氣體溫度條件下,高溫高壓反應器內氣體溫度沿軸向和徑向溫度分布趨勢相同,數值模擬計算得到出口氣體平均溫度與工程計算結果一致,最大差值僅為1.8%;

2) 不同氣體溫度條件下,反應器內壁內側和外側溫度分布趨勢相同,兩種計算方法計算得到的內壁內側和外側溫度相差不大,內壁內側溫度差值在8%以內,內壁外側溫度差值最大為3.5%;數值模擬計算得到冷卻水溫度與假設值差值僅為1%,驗證了工程計算的假設,體現了工程計算的合理性;

3) 與工程計算相比,數值模擬更能真實的反應高溫高壓反應器內溫度分布的變化,具有更高的準確性。

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(編輯：劉笑達)

StudyonHeatTransferofInner-condensingHighTemperature-PressureReactor

ZHAOFei,ZHANGYanling,ZHURong,TIANDongdong,ZHULingfeng

(SchoolofMetallurgicalandEcologicalEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China)

The heat transfer of inner-condensing high temperature-pressure reactor inner wall was calculated by the method of one-dimensional steady-state heat transfer, and then the flow field and temperature field in the reactor were numerically simulated under the same conditions using Fluent software. Finally, obtained results of the two algorithms were compared and analyzed to study the heat transfer of the reactor inner wall under the high temperature-pressure conditions, and change laws of temperature distribution of reactor gas in the reactor and longitudinal temperature distribution of the inner wall were analyzed. The results show that: the results of the engineering calculation and numerical simulation are consistent, the two methods for the calculation of the heat transfer of the high temperature-pressure reactor are reliable, and compared with engineering calculation, the numerical simulation better reflects the real heat transfer situation of the reactor.

high temperature-pressure reactor;engineering calculation;numerical simulation

2013-08-12

國家重大科學儀器設備開發專項基金資助項目(2011YQ14014505)

趙飛(1987-)，男，河南駐馬店人，博士生，主要從事冶金工程專業研究，(Tel)15210607010

張延玲，女，副教授,(Tel)13911891432

1007-9432(2014)02-0163-05

TK175

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