馮振君（中石化濟(jì)南分公司，山東 濟(jì)南 250014）

固定床反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)的CFD模擬研究

馮振君（中石化濟(jì)南分公司，山東 濟(jì)南 250014）

固定床反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)不穩(wěn)定，壓降以及流體速度變化梯度較大對(duì)裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。本文利用CFD數(shù)值模擬方法，結(jié)合多孔介質(zhì)模型對(duì)固定床內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行模擬研究，詳細(xì)分析了全床內(nèi)的壓力分布及速度分布。研究發(fā)現(xiàn)，固定床壓降增加的主要區(qū)域發(fā)生在催化劑堆積區(qū)，且擴(kuò)徑和縮徑處存在較大的速度梯度，導(dǎo)致床體受到一定的沖擊。

固定床;數(shù)值模擬;流場(chǎng)

眾所周知，固定床反應(yīng)器在石油化工、冶金等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。例如，典型的催化重整反應(yīng)器是其在石油化工中的重要應(yīng)用之一。油氣進(jìn)入固定床反應(yīng)器與催化劑接觸進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)后的產(chǎn)物從反應(yīng)器引出。研究固定床流動(dòng)特性對(duì)反應(yīng)器的優(yōu)化操作和設(shè)計(jì)有著至關(guān)重要的意義。隨著計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的發(fā)展以及計(jì)算設(shè)備的日益強(qiáng)大，CFD數(shù)值模擬方法越來越廣泛的用于機(jī)械設(shè)計(jì)和操作優(yōu)化。利用CFD模擬可以在較短的時(shí)間里得到流場(chǎng)詳細(xì)的信息，不僅為實(shí)驗(yàn)提供指導(dǎo)，還可以為優(yōu)化和設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。本文采用CFD數(shù)值模擬方法，模擬小型固定床流動(dòng)特性，包括內(nèi)部流場(chǎng)及壓降，為固定床反應(yīng)器的優(yōu)化、設(shè)計(jì)和放大提供依據(jù)。

1 模擬對(duì)象及工況設(shè)置

首先利用CAD軟件構(gòu)建固定床的幾何模型，如圖1-(a)所示。進(jìn)口管道直徑為16 cm，催化劑堆積區(qū)域直徑為50 cm，床層高度為150 cm，催化劑粒徑為100 cm。因流道空間比較復(fù)雜，采用Gambit軟件對(duì)其進(jìn)行有限元非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，如圖1-(b)所示。其中，網(wǎng)格總數(shù)為25000。入口邊界條件為速度入口，氣速為10 m/s，介質(zhì)為空氣。出口邊界條件為壓力出口。壁面采用無滑移邊界條件，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

圖1 固定床的幾何模型及網(wǎng)格劃分

2 數(shù)學(xué)模型

N-S方程是計(jì)算流體力學(xué)研究中的最基本方程，可以比較準(zhǔn)確地描述流動(dòng)，適用于可壓縮粘性流體的流動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)方程如下式所示：

其中，湍流模型采用k-ε湍流模型，采用分離隱式求解器求解其內(nèi)部流場(chǎng)。將催化劑堆積區(qū)域視為多孔區(qū)域，采用多孔介質(zhì)模型來描述。其中粘性阻力為2e+09 1/m2。內(nèi)部阻力系數(shù)為15000 1/m2。其中空隙率設(shè)置為0.4。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

首先，本文統(tǒng)計(jì)了固定床的出口和入口的流量，分別為1.9475 kg/s和1.9474 kg/s。可見出口流量與入口流量基本相同，說明整個(gè)模擬流域基本趨于穩(wěn)定。

對(duì)于固定床反應(yīng)器而言，其內(nèi)部流場(chǎng)及壓降的信息對(duì)其操作和優(yōu)化有著重要的意義。利用CFD模擬可以得到全床任意位置處的壓力信息和速度信息。圖2-(a)為固定床反應(yīng)器的壓力分布云圖。由圖2-(a)可以看出氣體在入口處壓力較大，出口處壓力較小，在固定床的催化劑堆積處壓力梯度較大、壓降較大。說明了若要降低固定床反應(yīng)器的壓降需要對(duì)催化劑的堆積進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖2-(b)為流體的速度分布云圖。由圖2-(b)可以看出，在入口處由于存在明顯的擴(kuò)徑，流體速度迅速降低，而在催化劑填料區(qū)速度變化不大。此外，出口處由于存在縮徑，流體速度反而增加。由此可知，在擴(kuò)徑段和縮徑段流體的速度變化梯度較大，將會(huì)對(duì)固定床反應(yīng)器造成一定的沖擊。

圖2 固定床內(nèi)的壓力及速度分布云圖

4 結(jié)語

本文利用CFD數(shù)值模擬方法，結(jié)合多孔介質(zhì)模型對(duì)固定床全床流場(chǎng)進(jìn)行模擬研究。通過對(duì)壓力分布及速度分布的云圖進(jìn)行分析可以得到，催化劑堆積區(qū)是固定床壓降增加的主要區(qū)域，而擴(kuò)徑和縮徑段的存在會(huì)導(dǎo)致較大的速度梯度，導(dǎo)致床體受到一定的沖擊。因此，若要達(dá)到固定床的平穩(wěn)操作需要對(duì)催化劑堆積區(qū)域以及出、入口區(qū)域進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

馮振君(1990-),中石化濟(jì)南分公司,男,山東聊城,本科,助理工程師,油氣加工工藝