1、固定床反应器中错流流动的数值模拟第 2O 卷第 4 期2006 年 8 月高校化学工程JournalofChemicalEngineeringofChineseUniversitiesNo.4,01.2OAug.2006文章编号:10039015(2006)04?0527?06固定床反应器中错流流动的数值模拟刘永兵-一,陈纪忠,阳永荣(1.浙江大学化学工程与生物工程学系,浙江杭州 310027;2,湖南理工学院化工系,湖南岳阳 414000)摘要:为了了解内置有传热管列而被强化的固定床床层内的错流流动 ,在考虑对流项和扩散项对流场的作用情况下,基于 Ergun 方程建立了该种固定床反应器多孔介
2、质的数学模型,模拟了床层的压力分布,然后在管子按不同的三角形和正方形排列方式情况下,研究了床层内气体在多圆管管间及周边的速度分布.由于管道的阻挡,沿主体流动方向的速度分量 v 在圆管正前,后方近壁处,v 显着下降,随着离开圆管距离的增大,其影响减弱,影响范围 s1.0D.;气体在圆管前后流速下降,管间流速呈现增大的波形曲线,其波峰和波幅的大小以及波形曲线的形状,不仅与管间距离和入口速度有关,而且与圆管的排列方式有关.计算结果与实验值比较表明模型能正确描述床层的压力分布;采用三角形排列方式,与采用正方形排列方式相比,强化了床层内的对流传热,使得床层内温度分布更趋于均匀.关键词:固定床反应器;错流
3、流动;Ergun 方程;排列方式中图分类号:TQ021.1TQ051.14 文献标识码:ANumericalSimulationofCrossFlowinFixedBedReactorLIUYong.bing-,CHENJi.zhong,YANGYong-rong(1.DepartmentofChemicalandBiochemicalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China;2,DepartmentofChemicalEngineering,HunanInstituteofScienceandTechnolo,Yueyang414
4、000,China)Abstract:BasedontheErgHasequationandwithconsideringtheconvectionteHTIanddiflusiontermofthefluidflOW,amathematicmodelusedtosimulatethefluidflowinthefixed.bedreactorwithiiLrlerimmersedtubeswasestablished,Usingthemodeldeveloped,thepressuredistributionofthefixed-bedreactorWascalculated,andthec
5、alculatingresultshavegoodagreementwiththecorrespondingexperimentaldataobtainedfromliterature,whichindicatesthatthemodeliSreliable.Furthermore,themodelWasusedtostudythegasvelocitydistributionaffectedbytheimmersedtubesinthefixed.bedreactor.Theresultsshowthatalongthemaingasflowdirection,thegasvelocityv
6、closetothetube-walldescendsremarkablyatthefrontofandbehindthetubesbecauseofthehindranceofthetubes,however,theVincreasesbetweenthetubes.Thepeakandwidthofthewavygasvelocitydistributioncurvesalongthewidthofthefixed-bedarerelativetothespacebetweenthetubes,theinletgasvelocityandthetuhearrangementmode.Iti
7、sfoundthatthehindranceeffectofthetubeonthegasvelocityiSonlylimitedwithinadistanceofthetuhediametermeasuredfromthecenterofthetube.Itisalsoshownthatthestaggeredarrangementofthetubeswithtriangularpitchwillcausestrongerdisturbanceofthegasflowthanthatcausedbythein-linearrangementwithsquarepitch,SOthatthe
8、formerarrangementmodewillfavortotheheattransferandwillcausethetemperaturefieldtobecomemoreuniforminthefixed-bedreactor.Keywords:fixedbedreactor;cross-flow;ErgunSequation;arrangementmodel 引言在石油,生物化工和精细化工行业中,固定床反应器得到广泛的应用.为了优化反应器的性能,掌收稿日期:2004-12.27:修订日期:20o5.o7.o5.作者简介:刘永兵(1972?),男 ?湖南邵阳人?浙江大学博士生 .通讯
9、联系人:陈纪忠:E-maU:高校化学工程 2006 年 8 月握固定床反应器流体的流场是非常必要的,而且流体的流场对床层内的温度分布和化学反应的影响起着重要的作用.但由于固定床中流速的直接测量是一个国际公认的难题,通常是通过间接测量的方法来确定固定床中的速度场,比如热线法,光学法,吸附脱附法,测压法等.国内外不少学者【I】对固定床中速度分布进行了研究,早在五十年代,就对床层中径向速度分布进行了实验研究,近年来,随着计算流体力学技术和计算机技术得到迅速的发展,许多学者通过数学模型对床层中速度分布进行预测【删.特别需要指出的是,催化重整,芳烃的异构和歧化,乙苯的脱氢制苯乙烯以及合成氨和甲醇生产等过
10、程往往是伴随着较强的吸热或放热反应,固定床反应器前后部位的温度和反应速度差异较大,而强化传热和改善反应效果的有效方法是在床层内设置传热构件7,81.在固定床内设置传热构件,流体与换热管垂直里错流流动时床层中圆管周边的压力场和速度场十分复杂,至今国内外很少报道,国外仅有 Cheng91和 Badrvo做过情况相类似的数学模拟 ,研究了圆管处于无限大的多孔介质体系中,流体与圆管呈错流流动时圆管周边的流场.国内刘玉兰IH 等对低尺 P.下的流体行为进行了研究,考察了气体与圆管呈错流流动时圆管周边及圆管管间的压力场和速度场.但是在其建立的数学模型中,未能考虑对流项和扩散项对压力场和速度场的影响,而且只
11、考察单管和双管对流场的影响.本文考虑了对流项和扩散项对流场的作用,并与其实验数据进行对比验证.然后在不同的三角形和正方形排列方式情况下,研究了床层内气体在多圆管管间及周边的速度分布,这对于设计固定床反应器内换热构件是有理论指导意义.2 二维数学物理模型及边界条件在固定床反应器中,流体与换热管中的传热介质呈错流流动,且传热构件一般为数十根乃至数百根的管群,因此本文对固定床内置两种不同多管排列方式进行研究.本研究所采用的固定床反应器物理模型如图 1 所示,主要物理参数:模拟的床层长宽为 160mm160mm,高度为 400mm,内置外径为 27mm的圆管.图 Ka)为单管模型,用于与文献【ll】中
12、实验结果的对比,验证模型的有效性.图 Kb)和(c) 分别为两种不同圆管的排列方式模型,图 l(1)为正方形排列方式,图 Kc)为三角形排列方式,管中心间距为 40.0mm,用于研究在不同的排列方式下,床层内气体在圆管管间及周边的速度分布.假设空气为理想气体,达到稳态时,在固定床床层内流体与圆管呈错流流动,流体与固体颗粒摩擦的阻力项,可用Ergun 方坨】 表示,联合连续性方程 ,动量守恒方程,对于固定床流体流动的二维模型可写成如下形式:连续性方程:旦+旦:0方向:Y 方向:Inlet(a)(b)(c)图 1 物理模型示意图Fig.1Sketchmapofphysicalmodel+V 一(芬
13、)-一 lj 一+J 一+V 一考+(+)-V 一 II 小 Ij 一+j 一VlV床层的边界条件:Y=0.v=Vo=0Y=H,P=Po=,=V=0(2)(3)第 2O 卷第 4 期刘永兵等:固定床反应器中错流流动的数值模拟圆管壁的边界条件:,.,=v=0由于壁效应,固定床床壁附近的孔隙率可由下式计算=l+0.55expIl 一 2(L/2 一 Ix1)/,(4)在考虑了对流项和粘性项的数学模型中,能够很好地描述在管壁附近和固定床床壁附近,出现较大的速度梯度;尤其在传热构件一般为数十根乃至数百根的管群时 ,速度梯度对粘性项和对流项的影响不能忽略,模型考虑对流项和粘性项对流场的影响,使得模型更加
14、准确.采用有限体积法对偏微分方程进行离散化,非线性方程组采用 TDMA 方法进行求解,流场的求解采用压力.速度耦合的 SIMPLER 算法,对于以上不同的物理模型,采用不同的网格.当连续性方程的质量源项小于 l0_4,认为迭代收敛.3 模型的验证表 l 是尺 P 口为 85.8 时二维流动模型的计算值与文献【l1 】中实验测定值的对比,从表 1 可以看出,考虑了对流项和粘性项对流场影响的固定床多孔介质数学模型,计算结果与文献中实验数据的相对误差均在 7%以内 ,吻合较好,模型能正确地描述床层内的压力分布,这表明基于 Ergun 方程建立了固定床反应器多孔介质的数学模型是合理有效的,模型需要考虑
15、对流项和粘性项对流场的影响,尤其是在多管换热构件导致更复杂流场的时,更应该考虑.表 1 床层各点压力实验值与模型计算值(Rev-.85.8)Table1Dataofpressuremeasuredandmodeleda)(Rep85.8)Position1-l1.22-l2I22I33-l3I23I34-lx/nun-25O_4O040_4O0400地坠!Measured671,9673.0588.9589.9590.15l8.5527.8520.7493.8Calculated688.6688.6589.5589.5589.5518.0519.2519.2482.56-l6.26I37-l7
16、I27I38-lx/nuny/nun2OO2O3OO3O-5022022022024024024o270MeasuredCalculated412.4413.4413.7382.8375.7380.8332.5390.5390.5390.5370.4370.4370.4325.6Position9-39-4lo.1lOI2lOI3lO-4lO-5x/nuny/nunO5O-78_6O_4O-25O3lO310350350350350350MeasuredCalculated275.9269.7203.3205.82l1.O2o6.9214.2255.8255.8l99.8199.8l99.8l
17、99.8l99.8798.2798.24 结果与分析4.1 正方形排列方式对流场的影响图 2 和图 3 是在床层的不同深度为 Y 方向离圆管中心的距离)固定床主体速度 v 的分布图,其中图 2 为第一层圆管前方的速度分布,图 3 为第二层圆管后方的速度分布.由图可知,圆管前方和后方的速度分布趋势大致相同:在固定床边壁处 ,由于床层边壁附近空隙率增大,使得边壁速度明显增大,大约为主体流速的 2 倍;在距圆管中心 0.5Dt(近圆管贴壁 )处,圆管正前方和正后方近贴壁处 v 严重下降,由于圆管的阻挡,此区域流速最低,而两管之间,由于未有圆管的阻挡,v 逐渐增大,从而使得在两管前,后方的两管之间,速
18、度曲线为一中间高两图 2 第一层圆管前方同定床气体速度 v 的分布图(=O.4m?s-)Fig.2Velocitycomponentvatthefrontofthefursttubelayer(vo=0.4m?s 一)边低的波型曲线:随着与圆管距离的加大,圆管的阻挡影响减弱 ,速度逐渐趋于分布均匀,在距圆管中心 1.0Dt 处,圆管之前,后方的 V 都已基本一致,同一截面各处的速度几乎基本相同;这清晰地表明在方向上,圆管对主体 v 的影响距离约为一个圆管直径.一瑚一一一一柏 m 一一一埘抛一伽一一.m 一一一跏一.:一枷抛一一一 m 一一一姗一一瑚一一一 m 一一一渤一一如抛一一一一一一抛一一
19、一一一 m 一粼高校化学工程 20o6 年 8 月1.51.2一O?9I0.6,0.30.0.:1 一-0.08-0.040.000.040.08,m圈 3 第二层圆管后方固定床气体速度 v 的分布圈(vo:O.4m?s)Fig.3VelocitycomponentVbehmdthesecondtubelaycrvo=O.4m?s)图 4 两层圆管之间固定床气体速度 v 的分布图(vo=O.4m?s.)Fig.4VelocitycomponentbetweentwotIIbelayers(vo=0.4m.s图 4 是在两层管之间不同位置固定床气体速度,的分布图,从图可以看出:第一层圆管后方近壁
20、处与第二层圆管前方近壁处速度分布分别与上面的图 2 和图 3 的距圆管中心0.5It(近圆管贴壁 )处速度分布基本一致.随着向两层中间位置靠拢,速度分布仍然为中间高两边低的波型曲线,但振荡的幅度明显减少.这主要是由于离上下两层圆管有一定的距离,圆管的阻挡减弱,使得振荡的幅度变小.图 5 是在不同入口速度下,两层管中间位置速度分布的波形曲线图,由图可见,在圆管前后方,因圆管的存在,速度出现一定的下降,且随着入口速度越大,下降得越显着.图 5 不同入口速度下两层管中间位置速度分量的波形曲线圈Fig.5WavecurveofvelocitycomponentVbetweentwotubelayers
21、underdifferentinletvelocities4.2 三角形排列方式对流场的影响图 6 和图 7 是在床层的不同深度(.l 为 Y 方向离圆管中心的距离)固定床气体速度, 的分布图 ,其中图 6 为第一层圆管前方的速度分布,图 7 为第三层圆管后方的速度分布.从图 6 和图 7可以看出,速度分布与图 2 和图 3 趋势大致相同:即在圆管的正前,后方速度明显变小,在两圆管之间,随着向中间靠拢速度逐渐增大;随着与圆管中心距离的加大,速度逐渐趋于分布均匀,在距圆管中心 1.0Dt 处,圆管之前,后方的,都已基本一致,同一截面各处的速度几乎基本相同.图 8 和图 9 分别为第一层管和第二层管之间以及第二层和第三层管之间不同位置固定床气体速度,的分布图,由图 8 和图 6 第一层圆管前方固定床气体速度 v 的分布圈(vo=0.4m.s 一)Fig.6Velocitycomponentvatthefrontofthefirsttubelayer(vo=O.4m?s11.5i.2o?9曼 0.60.30.0:l?5D:.,!一一 j.-
