saboer反應(yīng)床層結(jié)構(gòu)的cfd模擬

saboer反應(yīng)床層結(jié)構(gòu)的cfd模擬

根據(jù)國際能源局（iea）的報道，2018年世界co。近年來，國內(nèi)外對Sabatier反應(yīng)工藝的研究主要集中在催化劑的制備和反應(yīng)機理上采用數(shù)值模擬方法對反應(yīng)器進(jìn)行研究被大家廣泛使用本文首先將模擬結(jié)果和實驗結(jié)果進(jìn)行對比，驗證模擬方法準(zhǔn)確后，建立了與實驗同樣直徑D=31.7mm的圓筒，并使用DEM方法分別在圓筒內(nèi)建立隨機堆積167個等體積V=13.5mm1模型的構(gòu)建1.1顆粒角度的影響實際生產(chǎn)過程中，顆粒（催化劑）入料方式為重力作用下的自由落體運動，下落過程中顆粒與顆粒、顆粒與壁面之間的摩擦碰撞會使顆粒位置和角度產(chǎn)生隨機性。為近乎真實的模擬這一過程，采用DEM方法，將顆粒材料設(shè)置為glass，壁面材料設(shè)置為steel，使顆粒在重力作用下，從床層頂部隨機下落堆積，設(shè)置停止標(biāo)準(zhǔn)為顆粒速度v采用Dixon1.2床層模型本文計算模型采用Hwang等1.3sabut構(gòu)建為研究固定床反應(yīng)器中微-介尺度的三傳一反現(xiàn)象，已經(jīng)建立了隨機堆積顆粒床層幾何模型，但顆粒內(nèi)部微孔道很難實施建模，將其假設(shè)為多孔介質(zhì)模型，在床層流體域和顆粒多孔介質(zhì)域分別添加傳質(zhì)、傳熱模型，假設(shè)床層流體域發(fā)生層流流動，求解動量守恒、能量守恒、質(zhì)量守恒和反應(yīng)動力學(xué)方程。(1）動量守恒方程見式(3)和式(4)。式中，I為單位張量；ρ為混合物密度，可由式(5)計算。式中，M為混合物摩爾質(zhì)量，kg/mol。(2）能量守恒方程見式(6)。式中，C式中，λ(4）反應(yīng)動力學(xué)方程在H/C=4的情況下，幾乎可忽略副反應(yīng)的影響，Sabatier反應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)地位，反應(yīng)式見式(9)。采用Rotaru等式中，k為速率常數(shù)；K為吸附平衡常數(shù)；KCO1.4網(wǎng)格劃分及邊界層添加堆積顆粒之間的接觸點會增大網(wǎng)格數(shù)量，且接觸點附近的網(wǎng)格質(zhì)量很差，會使計算不收斂。人們通常對顆粒進(jìn)行縮小、切割、放大或橋接以解決接觸點問題流體域和顆粒域都采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，為使顆粒中參數(shù)計算更加精確，對顆粒域網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，在顆粒外壁面和內(nèi)壁面各添加3層邊界層以詳細(xì)捕捉外壁面附近流體流動及內(nèi)壁面附近反應(yīng)、擴散過程。邊界層第一層厚度7.94×10采用速度進(jìn)口、壓力出口邊界條件，入口為充分發(fā)展的流動，入口H/C=4,v2結(jié)果與討論2.1模型的精度驗證建立Hwang等2.2形狀床的微帶分布2.2.1co集合實際生產(chǎn)的Ni/Al提取3種床層同一位置顆粒內(nèi)CO2.2.2截面溫度場分布柱形顆粒和球形顆粒床層溫度分布規(guī)律幾乎一致，都會出現(xiàn)熱點區(qū)域，并隨反應(yīng)進(jìn)行向出口端移動，本文只提取球形顆粒場分布進(jìn)行分析。當(dāng)t=500s時，沿反應(yīng)器軸向中心截面熱源分布如圖7所示，放熱量從床層進(jìn)口端到出口端依次降低，顆粒邊界處放熱量高于顆粒中心，表明床層進(jìn)口端和顆粒表面反應(yīng)更為劇烈，反應(yīng)速率更大。截面溫度場分布如圖8所示，床層進(jìn)口端反應(yīng)不穩(wěn)定，溫度梯度大，由于壁面與外界換熱的存在，導(dǎo)致反應(yīng)器靠近壁面的溫度低于床層中心溫度，床層出口區(qū)由于無熱量產(chǎn)生尤為明顯；流體總體流動方向至上而下，導(dǎo)致床層進(jìn)口端產(chǎn)生的反應(yīng)熱更趨于向床層下端傳遞堆積。結(jié)合上述原因，床層中心會出現(xiàn)一個約881K的球形熱點區(qū)域。提取床層中心軸線上溫度每隔100s的變化，如圖9所示，在外界溫度、壁面換熱系數(shù)不變的條件下，持續(xù)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量會不斷堆積使床層整體溫度上升。當(dāng)t=100s時，床層溫度延中心軸線先大幅升高，再緩慢降低，這是由于床層進(jìn)口端反應(yīng)更劇烈，此時，球形熱點區(qū)域在距床層進(jìn)口端2R的位置。隨反應(yīng)的進(jìn)行，入口反應(yīng)逐漸趨于穩(wěn)定，床層進(jìn)口端溫升梯度逐漸減緩，熱量隨流體作用向出口端推移，t=500s時熱點已移動至距床層進(jìn)口端3R的位置，幾乎在床層末端。2.3減少研發(fā)成本從床層介尺度角度出發(fā)，通過改變操作條件來提高反應(yīng)器性能，能大大減少研發(fā)成本?；谏鲜銮蛐晤w粒床層模型，選擇了顆粒形狀、床層壁面溫度、入口惰性顆粒、入口流速和入口溫度作為變量，探討了操作條件對CO2.3.1表1和表4的形狀和溫度的影響出口CO由圖10可知，等體積情況下，當(dāng)t=200s時，球形顆粒比d2.3.2床層物質(zhì)摩爾比分布由上一節(jié)可知，球、柱形顆粒床層整體特征規(guī)律一致，本節(jié)以球形顆粒床層為代表，探究入口條件對顆粒內(nèi)物質(zhì)分布的影響。圖12為t=500s時，床層中心軸線上各物質(zhì)摩爾分?jǐn)?shù)分布情況，反應(yīng)物和生成物的摩爾比都符合Sabatier反應(yīng)的計量系數(shù)比；顆粒中反應(yīng)物呈現(xiàn)外層高中心低的規(guī)律，生成物恰好相反，使床層內(nèi)物質(zhì)整體分布規(guī)律呈波浪形式。如圖12所示，H入口區(qū)增加兩層同樣大小的26顆惰性球?qū)?，顆粒內(nèi)CO入口流速每增加1倍時CO入口溫度每增加20K時CO3sabuer反應(yīng)和傳遞數(shù)學(xué)模型的耦合分別建立167顆等體積的隨機堆積球形、柱形催化劑床層幾何模型，使用經(jīng)實驗驗證準(zhǔn)確的模擬方法，對催化劑微尺度和床層介尺度的Sabatier反應(yīng)和傳遞數(shù)學(xué)模型進(jìn)行耦合模擬計算，主要得到以下結(jié)論。(1）柱形催化劑中心CO(2）柱形催化劑床層內(nèi)流體溝流、回流和滯留現(xiàn)象比球形更突出，床層中部都會出現(xiàn)近似球形的熱點區(qū)域，并隨反應(yīng)的進(jìn)行向床層出口緩慢移動，催化劑內(nèi)反應(yīng)物濃度呈現(xiàn)外層高內(nèi)層低的環(huán)狀分布。由于擴散系數(shù)的不同，導(dǎo)致床層前端會產(chǎn)生富CO(3)CO催化劑的作用機理c——濃度，mol/mD——床層直徑，mmDddh——柱形催化劑高度，mml——床層高度，mmP——壓力，PaQR——床層半徑，mmr——反應(yīng)速率，mol/(mT——溫度