基于CFX的規(guī)整催化劑甲烷化反應(yīng)器流場模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

訾 雪

(東營職業(yè)學(xué)院，山東 東營 257100)

山西、新疆省份煤炭資源豐富，煤制天然氣能夠很好地解決天然氣短缺、煤炭供能污染環(huán)境的問題。煤制天然氣工藝中最主要的就是甲烷化反應(yīng)器。甲烷化反應(yīng)器有多種，其中為了克服反應(yīng)放熱溫升高、催化劑中毒和壓降高的缺點(diǎn)，規(guī)整結(jié)構(gòu)催化劑的甲烷化反應(yīng)器受到人們的重視。規(guī)整催化劑由狹小的、相互平行的表面涂覆催化劑的孔道陣列組成，擴(kuò)散阻力小、選擇性高、活性好、壓降小，在汽車尾氣凈化、煙氣脫除NOx、有機(jī)物的制備中都有著廣泛的應(yīng)用。由于催化劑內(nèi)孔道獨(dú)立，流體進(jìn)入催化劑后流動形態(tài)不發(fā)生改變，因此流體必須在進(jìn)入催化劑之前分配均勻。以流體均勻分配為目標(biāo)，模擬優(yōu)化入口管徑0.04 m，筒體內(nèi)徑0.154 5 m的反應(yīng)器。流體從進(jìn)口管流入，經(jīng)自由空間后進(jìn)入高為0.03 m使流體均勻分布的Al2O3層，最后通過0.8 m高的規(guī)整催化劑床層，從反應(yīng)器另一端流出，見圖1。

圖1 反應(yīng)器整體結(jié)構(gòu)

1 數(shù)值模擬模型

Al2O3層、規(guī)整催化劑床層區(qū)域流體均使用多孔介質(zhì)模型，流體選用實(shí)際氣體模型。

連續(xù)性方程見式(1)：

(1)

動量守恒方程見式(2)：

(2)

多孔介質(zhì)模型見式(3)：

(3)

由于規(guī)整催化劑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，流體從孔道軸向(z軸的正方向)流入孔道，忽略x、y兩方向速度，且將壓損系數(shù)設(shè)置為z方向壓損系數(shù)108倍。故規(guī)整催化劑多孔介質(zhì)的模型可化簡為式(4)。

(4)

計算Al2O3球?qū)拥淖枇p失[2]需假設(shè)流體在其內(nèi)部的流動為各項(xiàng)同性。

2 流場數(shù)值模擬

2.1 無分布器反應(yīng)器流場模擬

由于不發(fā)生反應(yīng)的流體在規(guī)整催化劑內(nèi)部流動狀態(tài)不變，故模擬僅選取0.2 m高催化劑床層。結(jié)構(gòu)圖及模型如圖2所示。

圖2 數(shù)值模擬反應(yīng)器結(jié)構(gòu)及模型

進(jìn)口氣體成分為CH4、CO、H2、H2O，組成摩爾分?jǐn)?shù)分別為50.26%、7.5%、22.4%、19.77%。入口氣速(在入口條件下)、壓力、溫度分別為20.7 m/s、3 MPa、553 K。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分模型。模擬選用多孔介質(zhì)模型，Al2O3球?qū)又凶兓目障堵实谋磉_(dá)式需要編寫CCL語言[1]，規(guī)整催化劑空隙率為0.7。離散方程選用有限體積法，物理量殘差均小于10-4。

圖3為模擬計算后的反應(yīng)器軸向截面流場矢量圖，圖3中看出與流動方向垂直的截面內(nèi)流體流速差別很大，在中心處流速大，周圍流速接近0，此外還可以看到流體進(jìn)入Al2O3球?qū)雍螅鲌龇植忌杂懈纳啤?/p>

2.2 有分布器流場數(shù)值模擬

現(xiàn)加入不同類型的氣體分布器(擋板型氣體分布器、篩板分布器)進(jìn)行流場的模擬改善流場效果，以流場均勻度為目標(biāo)，尋求最優(yōu)結(jié)構(gòu)。

2.2.1 安裝擋板型分布器反應(yīng)器流場的數(shù)值模擬

對已有反應(yīng)器圖4相似得到擋板尺寸0.04 m，其余結(jié)構(gòu)參數(shù)不變。建立模型并劃分網(wǎng)格，局部網(wǎng)格加密分布器附近的流體。參數(shù)設(shè)置同前設(shè)置一致。

模擬結(jié)果如第10頁圖5、圖6，比較了距離入口管口0.25 m處(自由流動空間)、0.35 m處(規(guī)整催化劑層內(nèi))截面上兩次模擬中軸向速度、壓力沿徑向的變化，有分布器的反應(yīng)器流場更均勻。無分布器的反應(yīng)器內(nèi)流速集中，且出現(xiàn)了回流。擋板加入后，流體從其四周流出，流至壁面，而由于擋板的存在、Al2O3球?qū)幼枇Φ仍蜃杂闪鲃訁^(qū)中心流形成返混，但整個流場流速相比無分布器更均勻，在規(guī)整催化劑層內(nèi)的壓差在300 Pa～400 Pa，而在無分布器壓差為1 kPa。擋板對反應(yīng)器內(nèi)流場有一定改善作用。與自由空間內(nèi)截面曲線相比，裝有擋板分布器的反應(yīng)器在催化劑截面內(nèi)流速隨徑向的變化要均勻得多。Al2O3球?qū)涌梢院芎玫馗纳拼呋瘎┐矊觾?nèi)流場。

圖3 反應(yīng)器內(nèi)部流場矢量圖

圖4 擋板型分布器的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)

圖5 不同截面流速隨徑向變化

圖6 催化層截面壓力隨徑向變化

2.2.2 分布器結(jié)構(gòu)對流動的影響

擋板雖然進(jìn)一步改善了流場，但流場不均勻性仍較明顯。因此模擬從改變擋板直徑和安裝高度、自由流動空間長度以及在擋板開孔等方面優(yōu)化流場。

1) 改變擋板直徑

分別模擬了直徑為20、30、40、50 mm擋板分布器。當(dāng)擋板直徑為20 mm時，其變化曲線呈“倒V”型，擋板僅暫時分散流體，流體流動一段距離后匯合。當(dāng)直徑大于等于30 mm時，曲線變?yōu)閁型，流動效果相差不大。

2) 擋板分布器開孔

圖7顯示了在自由流動區(qū)域，擋板開孔孔徑大于15 mm時，流速隨徑向的變化曲線由“V”型變?yōu)椤癢”型。當(dāng)大到25 mm時，曲線形狀變成無擋板時倒“V”型。圖8顯示開口直徑越大，催化劑床層內(nèi)流體流速越均勻性，當(dāng)直徑達(dá)到25 mm時，流體流場又變得不均勻。開口直徑為2 mm時，流場改善效果最好。圖8、圖9為在氣體分布器頂端不同開口直徑下，距離入口管口0.25 m、0.35 m處截面流體速度隨徑向的距離變化。

圖7 催化層不同擋板半徑流速隨徑向變化

圖8 自由空間不同開孔直徑流速隨徑向變化

圖9 催化層不同開孔直徑流速隨徑向變化

3) 氣體分布器安裝高度

對安裝在不同高度開孔為2 cm、直徑為4 cm的擋板進(jìn)行了模擬，圖10顯示在規(guī)整催化層內(nèi)，擋板安裝在離入口截面8.5 cm和9 cm處的變化曲線呈W狀，孔內(nèi)流出的流體和反應(yīng)器四周的流體較少混合。距離大于10 cm時，變化曲線呈M狀。在離入口截面9 cm處，流速的均勻性最好。

圖10 催化層不同高度分布器流速隨徑向變化

4) 自由流動空間長度

模擬擋板開口直徑,直徑為2 cm、4 cm，安裝在距離入口9 cm處不同自由流動區(qū)域長度的反應(yīng)器流場。流體流型在15 cm長度自由流動空間未發(fā)展完全。長度為20 cm時，流場發(fā)展較完全，流入Al2O3層后得到進(jìn)一步混合。長度為25 cm時，成型的流型進(jìn)入到Al2O3層后變化不大，由此，自由空間長度仍取20 cm。

如第11頁圖11所示，對反應(yīng)器入口處的結(jié)構(gòu)優(yōu)化后認(rèn)為自由空間長為20 cm，擋板直徑、開孔直徑、高度為4 cm、2 cm、9.5 cm的反應(yīng)器流場較好。

2.2.2 安裝篩板型分布器反應(yīng)器流場的數(shù)值模擬

對兩種孔徑(1 mm、2 mm)篩板分布器的反應(yīng)器進(jìn)行流場模擬，孔為正三角形排布，篩板分布器距入口0.15 m，結(jié)構(gòu)模型如圖12、圖13，模擬方法與前一致。

圖11 催化層不同自由空間長度流速隨徑向變化

圖12 反應(yīng)器入口及篩板結(jié)構(gòu)

圖13 反應(yīng)器網(wǎng)格模型

由于篩板型分布器的孔板并非軸對稱，故沿徑向分布的流速曲線不能完整表示流場的分布。流場均勻性通過對與流動方向垂直截面上1 335個點(diǎn)的軸向速度求標(biāo)準(zhǔn)差來界定，如式(5)、式(6)所示。

(5)

(6)

通過兩種反應(yīng)器流場在流速均勻性和出入口壓降方面的比較(見表1、表2)，可知與無分布器時的反應(yīng)器流場相比，擋板型分布器、篩板型分布器均使流場分布的更加均勻，但壓損增加，其中擋板型分布器的流場均勻度和壓損都好于篩板式分布器。

表1 有無分布器反應(yīng)器壓降對比

表2 有無分布器反應(yīng)器流速均勻度對比

3 結(jié)語

分別進(jìn)行了無分布器、有篩板分布器、擋板分布器的反應(yīng)器流場模擬，模擬發(fā)現(xiàn)擋板型分布器、篩板型分布器均以增加壓損為代價改善流場均勻性，其中擋板型分布器的壓損和流場均勻度更好，同時基于流速均勻分布對裝有該分布器的反應(yīng)器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，找到了最優(yōu)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)。