CFD模拟在浆态床反应器设计中的应用（一）

znxql

   经典图书

发表时间：2013/10/17

1 前言

我国是一个石油资源短缺，煤和天然气资源相对丰富的国家，单纯依靠石油进口填补缺口日益困难，必须找到非石油路线来解决液体燃料短缺的问题。采用天然气资源或者煤炭资源生成合成气，通过费托合成得到液体烃类的技术开发受到极大的关注。用于费托合成的反应器一般分为固定床、流化床与浆态床三类。固定床反应器与流化床反应器已经有工业装置运行生产，但是相对于浆态床反应器这两类反应器在设备投资、热效率、产物收率等方面均存在不足，而且浆态床反应器结构简单，易于放大，因而采用浆态床反应器进行费托合成是最具经济潜力的技术路线。

费托合成浆态床反应器涉及气液固三相复杂反应体系，其内部多相流体系的流动特性对于反应的传质与传热过程具有非常重要的影响。在浆态床反应器内，液相产物裹挟催化剂颗粒成为浆液而充满反应器内部空间，构成连续相。合成气作为分散相通过气体分布器被分散为气泡进入反应器，与浆液接触。随着气相流量由小变大，反应器内流场的流型会由均匀鼓泡区过渡至湍动鼓泡区，气泡运动同时又会引起浆液的循环流动，因此研究反应器内气泡的分散与运动性质(包括气泡的粒径分布、运动速度、气含率等等)以及浆液的运动特性可以为浆态床反应器的设计、放大和内构件的开发等工作提供坚实的基础数据支持。但是，由于浆态床反应器的复杂性，单纯通过实验进行反应器设计是十分困难的。

近年来，随着计算机技术的飞速发展，运用计算流体力学模拟辅助多相流研究有了很大进展。计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)的基本思想可以归纳为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场(如速度场和压力场)，用一系列有限个离散点上的变量值的集合代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上变量间关系的代数方程组，然后求解代数方程组，从而获得场变量的近似值。为了更有效的进行浆态床反应器设计研究，必须将CFD模拟与实验相结合。

本文采用CFD模拟技术，首先研究了不同气速和不同结构分布器下，反应器内的气—浆两相流场。然后，对气体分布器进行了优化。在此基础上，进一步模拟了采用开口向下气体分布器的反应器内，气液固三相流场。将模拟计算与试验结果相互验证，为浆态床反应器的热模研究和放大提供可靠依据。

2 浆态床反应器气浆两相模拟

采用计算流体力学商业软件CFX，针对浆态床外环流反应器中型冷模装置(塔径280mm)进行两相CFD模拟计算。冷模实验中，气相为空气，水为液相，玻璃球为固相。运用欧拉-欧拉模型，将液固两相合并为浆相当做连续相，气相为分散相。采用k-ε湍流模型描述各相湍流，选用Ishii & Zuber模型模拟气浆两相间曳力。

从反应器底部沿轴向向上截取高度h为1m的部分，其结构如图1所示，包括气体分布器、上升管和一部分下降管。经过模型简化和网格独立性分析，所建模型的网格数量为80万。

图1 浆态床环流反应器的简化结构及其网格划分

采用开孔向下的气体分布器，截取反应器不同轴向高度处的径向截面，图2～4是反应器内不同轴向高度处的径向截面上平均气相体积分数的模拟值和实验值进行比较。其中，(a)为截面上平均气相体积分数随表观气速的变化的实验值与模拟值对比；(b)为平均气相体积分数实验值与模拟值的偏差。

从图2(a)～4(a)可知，气相平均体积分数的模拟值同实验值的变化趋势是一致的，但是数值上有一定的偏差，且这种偏差随着表观气速和固相体积分数的增加而增加，误差范围从±25%增长到了±50%，如图2(b)～4(b)所示。

图2 固相体积分数为0%时，不同径向截面上气相平均体积分数的实验值和模拟值比较

图3 固相体积分数为10%时，不同径向截面上气相平均体积分数的实验值和模拟值比较

图4 固相体积分数为20%时，不同径向截面上气相平均体积分数的实验值和模拟值比较

造成这种现象的主要原因是忽略液固相间作用力造成的误差。实验是气液固三相体系，液固相间是存在相互作用的；而CFD模拟中将液固两相作为同一个浆相处理，忽略了液固相间的作用力。从图2～4中还可看出，在同一固相体积分数下，各径向截面上的平均气相体积分数的模拟值比实验值大，且随着固相体积分数的增加，二者的差距越来越大。这是因为CFD模拟中忽略了液固相间的相间作用力，随着固相体积分数的增加，液固相间的相互作用力也不断增加，越来越不可忽略。