saboer反应床层结构的cfd模拟

saboer反应床层结构的cfd模拟

根据国际能源局（iea）的报道，2018年世界co。近年来，国内外对Sabatier反应工艺的研究主要集中在催化剂的制备和反应机理上采用数值模拟方法对反应器进行研究被大家广泛使用本文首先将模拟结果和实验结果进行对比，验证模拟方法准确后，建立了与实验同样直径D=31.7mm的圆筒，并使用DEM方法分别在圆筒内建立随机堆积167个等体积V=13.5mm1模型的构建1.1颗粒角度的影响实际生产过程中，颗粒（催化剂）入料方式为重力作用下的自由落体运动，下落过程中颗粒与颗粒、颗粒与壁面之间的摩擦碰撞会使颗粒位置和角度产生随机性。为近乎真实的模拟这一过程，采用DEM方法，将颗粒材料设置为glass，壁面材料设置为steel，使颗粒在重力作用下，从床层顶部随机下落堆积，设置停止标准为颗粒速度v采用Dixon1.2床层模型本文计算模型采用Hwang等1.3sabut构建为研究固定床反应器中微-介尺度的三传一反现象，已经建立了随机堆积颗粒床层几何模型，但颗粒内部微孔道很难实施建模，将其假设为多孔介质模型，在床层流体域和颗粒多孔介质域分别添加传质、传热模型，假设床层流体域发生层流流动，求解动量守恒、能量守恒、质量守恒和反应动力学方程。(1）动量守恒方程见式(3)和式(4)。式中，I为单位张量；ρ为混合物密度，可由式(5)计算。式中，M为混合物摩尔质量，kg/mol。(2）能量守恒方程见式(6)。式中，C式中，λ(4）反应动力学方程在H/C=4的情况下，几乎可忽略副反应的影响，Sabatier反应占据主导地位，反应式见式(9)。采用Rotaru等式中，k为速率常数；K为吸附平衡常数；KCO1.4网格划分及边界层添加堆积颗粒之间的接触点会增大网格数量，且接触点附近的网格质量很差，会使计算不收敛。人们通常对颗粒进行缩小、切割、放大或桥接以解决接触点问题流体域和颗粒域都采用非结构化四面体网格，为使颗粒中参数计算更加精确，对颗粒域网格进行加密处理，在颗粒外壁面和内壁面各添加3层边界层以详细捕捉外壁面附近流体流动及内壁面附近反应、扩散过程。边界层第一层厚度7.94×10采用速度进口、压力出口边界条件，入口为充分发展的流动，入口H/C=4,v2结果与讨论2.1模型的精度验证建立Hwang等2.2形状床的微带分布2.2.1co集合实际生产的Ni/Al提取3种床层同一位置颗粒内CO2.2.2截面温度场分布柱形颗粒和球形颗粒床层温度分布规律几乎一致，都会出现热点区域，并随反应进行向出口端移动，本文只提取球形颗粒场分布进行分析。当t=500s时，沿反应器轴向中心截面热源分布如图7所示，放热量从床层进口端到出口端依次降低，颗粒边界处放热量高于颗粒中心，表明床层进口端和颗粒表面反应更为剧烈，反应速率更大。截面温度场分布如图8所示，床层进口端反应不稳定，温度梯度大，由于壁面与外界换热的存在，导致反应器靠近壁面的温度低于床层中心温度，床层出口区由于无热量产生尤为明显；流体总体流动方向至上而下，导致床层进口端产生的反应热更趋于向床层下端传递堆积。结合上述原因，床层中心会出现一个约881K的球形热点区域。提取床层中心轴线上温度每隔100s的变化，如图9所示，在外界温度、壁面换热系数不变的条件下，持续反应产生的热量会不断堆积使床层整体温度上升。当t=100s时，床层温度延中心轴线先大幅升高，再缓慢降低，这是由于床层进口端反应更剧烈，此时，球形热点区域在距床层进口端2R的位置。随反应的进行，入口反应逐渐趋于稳定，床层进口端温升梯度逐渐减缓，热量随流体作用向出口端推移，t=500s时热点已移动至距床层进口端3R的位置，几乎在床层末端。2.3减少研发成本从床层介尺度角度出发，通过改变操作条件来提高反应器性能，能大大减少研发成本。基于上述球形颗粒床层模型，选择了颗粒形状、床层壁面温度、入口惰性颗粒、入口流速和入口温度作为变量，探讨了操作条件对CO2.3.1表1和表4的形状和温度的影响出口CO由图10可知，等体积情况下，当t=200s时，球形颗粒比d2.3.2床层物质摩尔比分布由上一节可知，球、柱形颗粒床层整体特征规律一致，本节以球形颗粒床层为代表，探究入口条件对颗粒内物质分布的影响。图12为t=500s时，床层中心轴线上各物质摩尔分数分布情况，反应物和生成物的摩尔比都符合Sabatier反应的计量系数比；颗粒中反应物呈现外层高中心低的规律，生成物恰好相反，使床层内物质整体分布规律呈波浪形式。如图12所示，H入口区增加两层同样大小的26颗惰性球层，颗粒内CO入口流速每增加1倍时CO入口温度每增加20K时CO3sabuer反应和传递数学模型的耦合分别建立167颗等体积的随机堆积球形、柱形催化剂床层几何模型，使用经实验验证准确的模拟方法，对催化剂微尺度和床层介尺度的Sabatier反应和传递数学模型进行耦合模拟计算，主要得到以下结论。(1）柱形催化剂中心CO(2）柱形催化剂床层内流体沟流、回流和滞留现象比球形更突出，床层中部都会出现近似球形的热点区域，并随反应的进行向床层出口缓慢移动，催化剂内反应物浓度呈现外层高内层低的环状分布。由于扩散系数的不同，导致床层前端会产生富CO(3)CO催化剂的作用机理c——浓度，mol/mD——床层直径，mmDddh——柱形催化剂高度，mml——床层高度，mmP——压力，PaQR——床层半径，mmr——反应速率，mol/(mT——温度