非均勻熱流密度下多孔介質(zhì)內(nèi)氨反應(yīng)特性研究

阮景昕,鄧澤宏,胡 甜,王躍社,3

(1.西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049;2.中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610213;3.中國電建太陽能熱發(fā)電工程研究中心，西安 710065)

0 前 言

伴隨著中國能源轉(zhuǎn)型步伐的加快，利用可再生能源如太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮艽鎮(zhèn)鹘y(tǒng)能源是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰，碳中和”目標(biāo)的重要途徑之一。其中，太陽能因其儲量豐富性、環(huán)境友好性將成為能源變革中主要的可替代能源[1-2]。目前利用的太陽能發(fā)電技術(shù)主要有2種：光伏發(fā)電和光熱發(fā)電。太陽能熱發(fā)電技術(shù)通過聚焦的方式將低能流的太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)楦吣芰鞯臒崮?，加熱工作介質(zhì)然后推動(dòng)汽機(jī)發(fā)電。由于太陽能在時(shí)間和空間上分布具有不連續(xù)性和不穩(wěn)定性，為保證電能的安全穩(wěn)定輸出，在太陽能熱發(fā)電站中嵌入儲能系統(tǒng)是關(guān)鍵一環(huán)。根據(jù)能量利用的形式，目前儲能系統(tǒng)有三大類：顯熱儲能、潛熱儲能以及熱化學(xué)儲能。其中，熱化學(xué)儲能方式因具有儲能密度高、儲能體積小、可常溫存儲、熱損失小等優(yōu)勢而成為研究熱點(diǎn)。相比于其他熱化學(xué)儲能方式，氨基熱化學(xué)儲能又有如下優(yōu)點(diǎn)：氨來源豐富，成本低廉；氨可逆反應(yīng)無副反應(yīng)產(chǎn)物；氨反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單；合成氨技術(shù)很成熟，因此它是一種很有前途的儲能方式。

基于氨的能量存儲方法包括氨合成和分解的熱化學(xué)循環(huán)過程。氨分解是吸熱反應(yīng)，氨合成過程是放熱反應(yīng)，這些過程被循環(huán)利用以存儲和釋放能量。目前合成氨技術(shù)已經(jīng)很成熟，而對系統(tǒng)吸熱側(cè)的氨分解反應(yīng)的研究尚處于初級階段。合成氨的高效催化劑并不適合氨分解[3]，因此需要單獨(dú)對氨分解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理進(jìn)行特定的研究。趙朝暉等人[4]以La-CoMoNx/CNTs為催化劑，通過確定本征動(dòng)力學(xué)參數(shù)，建立了氨分解制氫的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)其反應(yīng)機(jī)理符合Temkin-Pyzhev機(jī)理。

國內(nèi)對氨基熱化學(xué)儲能系統(tǒng)研究很少，尤其是針對儲能系統(tǒng)中的氨反應(yīng)器研究更是屈指可數(shù)。華南理工大學(xué)龍新峰等人[5-6]通過建立氨化學(xué)反應(yīng)模型，加入反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，數(shù)值模擬分析了氨基蓄熱系統(tǒng)的效率、熱性能。對氨基熱化學(xué)儲能研究主要集中在澳大利亞和美國。澳大利亞國立大學(xué)和美國科羅拉多大學(xué)主要針對氨基儲能的工程設(shè)計(jì)、吸熱器研制以及高壓下鎳基催化劑性能的研究[7-11]，建立了氨反應(yīng)器的雛形并沿著管長方向建立了一維的氨分解反應(yīng)模型用于擬合反應(yīng)的活化能和指前因子以及分析氨反應(yīng)管的性能。此后Lovegrove等人搭建了1個(gè)電加熱的氨反應(yīng)系統(tǒng)[12-13]，該系統(tǒng)包含了氨分解和合成氨反應(yīng)，在實(shí)驗(yàn)過程中通過流量控制器來設(shè)定氨入口流量值，通過測量壁面上的溫度以及反應(yīng)物溫度和給定的電功率來計(jì)算熱損。同時(shí)他還建立了二維的準(zhǔn)均勻的固定床催化劑反應(yīng)器計(jì)算模型，分析了操作溫度、壓力以及入口流量對氨分解率的影響情況。Siddiq[14]針對合成氨反應(yīng)器建立了一維穩(wěn)態(tài)的準(zhǔn)均勻流動(dòng)模型，他發(fā)現(xiàn)在最佳運(yùn)行模式中，氨的產(chǎn)量相比參考模式可以提高15%，在最佳模式中要求入口溫度達(dá)到900 K，高于一般工業(yè)合成氨的700 K左右。此外還有一些學(xué)者對整個(gè)系統(tǒng)做了一些瞬態(tài)模擬，如Bran-Anleu等人[15]建立了一維合成氨子系統(tǒng)的流動(dòng)換熱及反應(yīng)模型，研究了入口溫度和流速對系統(tǒng)響應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)流速增大時(shí)，反應(yīng)器出口達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間縮短了，同時(shí)發(fā)現(xiàn)如果入口速度過低，出口溫度達(dá)不到650 ℃。Calro等人[16]采用Temkin-Pyzhev方程建立了小型反應(yīng)器內(nèi)氨分解反應(yīng)模型，模擬了三維下的氨反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)在有反應(yīng)選擇膜的情況下，在550 ℃左右，氨基本完全分解，比無膜情況下轉(zhuǎn)化率提高18%。類似的現(xiàn)象也在Valentina等人[17]的文獻(xiàn)中出現(xiàn)，即在常規(guī)填充反應(yīng)器中引入Pd基膜，獲得了比在足夠高的溫度下的熱力學(xué)平衡轉(zhuǎn)化率更高的氨分解轉(zhuǎn)化率。在研究氨基儲能系統(tǒng)的性能時(shí)，另一個(gè)核心問題是研究多孔介質(zhì)內(nèi)氨分解的化學(xué)反應(yīng)。Ni采用局部熱平衡方法建立了一個(gè)二維甲烷重整反應(yīng)用于研究反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和各種操作參數(shù)對產(chǎn)氫含量的影響[18]。Wang等人[19]在研究多孔介質(zhì)容積式反應(yīng)器內(nèi)甲烷蒸汽重組性能時(shí)，采用局部非熱平衡模型和P1近似輻射模型研究穩(wěn)態(tài)條件下多孔介質(zhì)內(nèi)固體和氣體溫度分布。

目前研究氨基熱化學(xué)儲能中的氨分解反應(yīng)或者合成氨反應(yīng)，所建立的數(shù)值模型大多為一維、二維，模型中也沒有涉及到管內(nèi)氣體流動(dòng)以及組分傳輸與反應(yīng)之間的影響機(jī)制。本文構(gòu)建一個(gè)多孔介質(zhì)內(nèi)氨催化分解反應(yīng)的三維模型，從本質(zhì)上去揭示氨分解反應(yīng)與氣體流動(dòng)及組分傳輸?shù)年P(guān)系，總結(jié)氨反應(yīng)能質(zhì)傳遞和轉(zhuǎn)化的一般規(guī)律，通過對模型的離散求解，針對催化劑顆粒直徑以及孔隙率分布，提出實(shí)際的反應(yīng)管優(yōu)選參數(shù)及設(shè)計(jì)方法，為提升氨反應(yīng)管性能提供支撐。

1 氨反應(yīng)管模型建立

1.1 物理模型

本實(shí)驗(yàn)研究的氨反應(yīng)管內(nèi)氨分解過程如圖1所示，太陽輻射能聚焦在氨反應(yīng)管上，反應(yīng)管中的氨氣通過與管壁和催化劑多孔介質(zhì)進(jìn)行換熱升溫，并在催化劑表面活性作用下發(fā)生高溫催化分解反應(yīng)產(chǎn)生氫氣和氮?dú)?。塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中氨反應(yīng)器表面的太陽能流密度分布是不均勻的。因此，導(dǎo)致其溫度分布也是不均勻的。氨反應(yīng)器為總長L，半徑R0的圓管，均勻尺寸的直徑為dp的NiO-Al2O3催化劑顆粒被包裝在反應(yīng)器內(nèi)。隨著氣體在反應(yīng)管內(nèi)的濃度擴(kuò)散，該氨分解反應(yīng)過程是一個(gè)多孔介質(zhì)內(nèi)高溫化學(xué)反應(yīng)耦合氣體傳熱傳質(zhì)過程。特別的是由于反應(yīng)管束豎直、平行且緊密地排布在吸熱器表面，因此，管壁面只有一半面向太陽輻射，另一半面緊貼吸熱器并可被認(rèn)為是絕熱表面。

圖1 反應(yīng)管內(nèi)氨分解過程示意圖

1.2 數(shù)學(xué)模型

本文采用考慮軸向、徑向和周向的三維模型模擬單根反應(yīng)管內(nèi)氨催化分解反應(yīng)的特性。接下來對本研究中使用的單管催化反應(yīng)器作以下假設(shè)：

(1) 由于反應(yīng)管長徑比很大，因此，徑向上的擴(kuò)散作用可忽略不計(jì)，只考慮軸向和周向上的熱擴(kuò)散和質(zhì)量擴(kuò)散。

(2) 由于多孔介質(zhì)中氨氣接近層流流動(dòng)狀態(tài)，因此，忽略徑向和周向上的流動(dòng)，只考慮管軸向上的流動(dòng)。

(3) 由于管周長相對管長可以忽略，因此，假定太陽能流密度沿著管周向方向均勻布置，只在管長方向有一定分布。

(4) 由于氨分解的反應(yīng)溫度不是特別高(500～600 ℃)，根據(jù)陳等人[20]的研究可以發(fā)現(xiàn)不考慮管內(nèi)輻射偏差小于4.5%，因此，在本模型中忽略顆粒間及顆粒與氣體間的輻射換熱。

由于反應(yīng)管內(nèi)氣體與多孔介質(zhì)間存在一定的溫差,本模型采用局部非熱平衡模型進(jìn)行建模。基于以上假設(shè)在穩(wěn)態(tài)條件下可得流體側(cè)能量守恒方程：

-MNH3R′ΔH+hsfAsf(Ts-Tf)

(1)

式中:ρm為混合氣體密度，kg·m-3；um為混合氣體表觀速度，m·s-1；Cp,m為混合氣體比熱容， J·kg-1·K-1；ε為反應(yīng)管孔隙率；λf為流體導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1·K-1；R′為氨分解速率，kmol·m-3·s-1；ΔH為化學(xué)反應(yīng)焓變，J·kg-1；hsf為固體與流體間換熱系數(shù)，W·m-2·K-1；Asf為比表面積，m-1。

對于固體側(cè)可得：

-hsfAsf(Ts-Tf)

(2)

式中:λs為固體導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1·K-1。

對于氣體組分氨，根據(jù)質(zhì)量守恒可得：

(3)

式中:f為氨氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Df為氣體擴(kuò)散系數(shù)，m2·s-1；MNH3為氨摩爾質(zhì)量，kg·kmol-1。

整個(gè)化學(xué)反應(yīng)及流動(dòng)過程的壓降可以采用Ergun Equation[21]來近似計(jì)算：

(4)

實(shí)際中壁面的邊界條件應(yīng)為太陽能流密度分布，但由于實(shí)驗(yàn)只能控制壁面的溫度，而溫度與太陽能流密度一般成正向關(guān)系。因此，本文將溫度分布等價(jià)于太陽能流密度分布。太陽能流密度空間分布近似高斯分布，因此，本文也假定溫度沿著管長方向呈高斯分布：

(5)

式中:z為沿軸線方向的距離，m；σ為溫度分布的有效偏差系數(shù)，用于表征溫度分布均勻程度。

由于管壁有一定的厚度，管壁內(nèi)壁面和外壁面間的導(dǎo)熱根據(jù)圓管壁傅里葉導(dǎo)熱定律可得：

(6)

在上述能量和質(zhì)量守恒方程中，對于氨分解速率，本文采用經(jīng)典的Temkin-Pyzhev公式，它適用于反應(yīng)接近平衡狀態(tài)，其表達(dá)式為：

(7)

式中：k0為反應(yīng)指前因子， mol·m-2·s-1；Eα為反應(yīng)活化能，此處的值為1.92 105 J·mol-1；k為氣體常數(shù)，值為8.314 J·mol-1·K-1；kp為化學(xué)反應(yīng)平衡常數(shù)；dp為催化劑顆粒直徑，m。

當(dāng)反應(yīng)遠(yuǎn)離平衡時(shí)假定反應(yīng)速率只與氨的分壓有關(guān)[22]，給出了氨在遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)下的表達(dá)式為：

(8)

能量守恒方程中的固體與流體之間的換熱系數(shù)以及比表面積根據(jù)Wakao經(jīng)典公式[23]可得：

(9)

流體側(cè)反應(yīng)管入口邊界條件為氣體入口溫度和流量，固體側(cè)由于在邊界處不考慮軸向的擴(kuò)散情況因此沿軸向方向?qū)釣榱悖?/p>

m(r,θ,z=0)=minδ(r,θ,z=0)=1

(10)

根據(jù)Amiri對加熱壁面的研究[24]，固體壁面和液體壁面溫度局部相等，熱流根據(jù)各自的有效導(dǎo)熱系數(shù)決定，因此，內(nèi)管壁邊界條件為：

(11)

本模型假定外管壁涂有選擇性吸收涂層，外管壁吸收的能量為：

qin=ξqs-qloss

(12)

式中:qin為單位面積壁面吸收的熱量，W·m-2；ξ為吸收率；qs為單位面積壁面投入的熱量，W·m-2；qloss為壁面與大空間的熱損失，W·m-2；hw,a為壁面與外界空氣之間的換熱系數(shù)，W·m-2·K-1；x為實(shí)際物體發(fā)射率(黑度)；σ0為黑體輻射常數(shù)， 5.67×10-8W·m-2·K-4。

其中壁面與外界空氣間的換熱系數(shù)求解過程如下：

(13)

式中:L為特征長度，m；v為空氣運(yùn)動(dòng)粘度，m2·s-1；μ為空氣動(dòng)力粘度，Pa·s-1；λa為空氣導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1·K-1。

本文中取壁面溫度為550 ℃，空氣溫度為25 ℃，因此定性溫度為287.5 ℃，此時(shí)μ=2.952×10-5Pa·s，v=4.774×10-5m2·s-1，Cp=1.043×102J·kg-1·K-1，λa=4.309×10-2W·m-1·K-1。

2 數(shù)值模型驗(yàn)證

本文對數(shù)值模型進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，分別在橫截面上選取5×5、10×10、20×20、30×30、40×40、50×50共6組網(wǎng)格，管長方向上選取10、20、100、200、500、1000個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行模擬，模擬的氨分解率和管中心出口溫度結(jié)果分別如圖2、3所示。

圖2 氨分解率與橫截面上網(wǎng)格數(shù)關(guān)系圖

圖3 氨分解率與長度方向網(wǎng)格數(shù)關(guān)系圖

可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)橫截面上網(wǎng)格為30×30，管長方向?yàn)?00以上時(shí)，結(jié)果變化很小，基本可認(rèn)為此時(shí)網(wǎng)格的變小對模擬結(jié)果沒有大的影響。因此，本模型最終選取網(wǎng)格數(shù)為30×30×500共計(jì)450 000網(wǎng)格。

本研究還實(shí)際搭建了1個(gè)氨分解吸熱實(shí)驗(yàn)平臺，設(shè)定實(shí)驗(yàn)條件為：常壓，流量0.5～4 L·min-1，溫度400～500 ℃，入口溫度50 ℃。然后將氨分解反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測量值與模擬計(jì)算值進(jìn)行比較，對比結(jié)果如圖4所示?？梢钥吹皆诘土魉傧履M值與實(shí)驗(yàn)值差距較大，但是在相對高流速下二者的值吻合較好。實(shí)際上在低流速下管壁溫度由于容易受到外部環(huán)境影響而非完全均勻分布，但模擬過程中又設(shè)定管壁溫度為恒定值。因此，在低流速下模擬結(jié)果會有較大誤差。

圖4 氨分解反應(yīng)的模擬值與實(shí)驗(yàn)值對比圖

經(jīng)驗(yàn)證在高流速下本模型可以較好地模擬氨催化反應(yīng)的過程，接下來研究氨反應(yīng)過程中能質(zhì)傳遞、轉(zhuǎn)化的一般規(guī)律以及催化劑顆粒對氨分解率的影響。將模擬條件設(shè)定為：顆粒直徑0.5～2 mm，孔隙率0.2～0.8，入口流量17g·s-1，入口溫度200 ℃，出口壓力2 MPa，熱流分布偏差系數(shù)2.5。采用控制變量法研究催化劑顆粒大小及分布對氨反應(yīng)的影響規(guī)律，模型原始參數(shù)設(shè)置如下：顆粒直徑1 mm，孔隙率0.5。

3 討論與結(jié)果

3.1 氨分解熱-化學(xué)能轉(zhuǎn)換一般規(guī)律

氨反應(yīng)過程牽涉到流動(dòng)傳熱、導(dǎo)熱、組分傳輸?shù)冗^程。在流動(dòng)方面，如果不考慮質(zhì)量流量的變化，假定反應(yīng)速度遠(yuǎn)大于流動(dòng)速度，則流動(dòng)過程主要涉及到固液之間的對流傳熱；在導(dǎo)熱方面主要涉及到壁面與固體骨架的導(dǎo)熱以及骨架之間的導(dǎo)熱，與骨架的有效導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)；組分輸運(yùn)則主要與氣體有效擴(kuò)散系數(shù)有關(guān)。表1給出了固體和流體換熱系數(shù)、有效導(dǎo)熱系數(shù)、有效擴(kuò)散系數(shù)對氨反應(yīng)的影響。

表1 固體和流體換熱系數(shù)、有效導(dǎo)熱系數(shù)、有效擴(kuò)散系數(shù)對氨反應(yīng)的影響表

從表1中可以看出有效導(dǎo)熱系數(shù)和有效擴(kuò)散系數(shù)的改變會對氨反應(yīng)過程產(chǎn)生一定影響，而固流換熱系數(shù)的改變幾乎沒有影響到氨反應(yīng)過程。一般來說固體和流體之間的換熱系數(shù)比較大，所以氣體和固體之間溫差不大，因此改變固體和流體換熱系數(shù)不會對氨反應(yīng)產(chǎn)生大的影響，這與表1所示結(jié)果一致。

接下來研究導(dǎo)熱系數(shù)與管內(nèi)熱量傳遞間的關(guān)系，高、低導(dǎo)熱系數(shù)下外壁面和管中心氣體溫度差著管長方向變化情況如圖5所示。在高導(dǎo)熱系數(shù)條件下，壁面溫度和管中心的溫度差很小。此時(shí)如果壁面溫度也比較小，那么散熱損失就少，因此熱效率升高的同時(shí)氨轉(zhuǎn)化率也會升高。

從表1還可以看出當(dāng)有效擴(kuò)散系數(shù)增大時(shí)會導(dǎo)致管壁峰值溫度降低，這可能是由組分在不同區(qū)域的擴(kuò)散引起的。接下來本文分別模擬了高擴(kuò)散率和低擴(kuò)散率時(shí)的管內(nèi)橫截面上氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)徑向分布情況。不同擴(kuò)散系數(shù)條件下的氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度沿管徑方向變化如圖6所示，在高擴(kuò)散系數(shù)條件下，氨氣在管內(nèi)分布更為均勻，同時(shí)溫度也更為均勻。同時(shí)可以看到在近壁面區(qū)域，高擴(kuò)散系數(shù)下的氣體溫度要低于低擴(kuò)散系數(shù)下的氣體溫度，這就可以降低管壁的峰值溫度。并且擴(kuò)散作用使得絕熱低溫區(qū)域的氨氣能擴(kuò)散到高溫管壁附近，因此在整個(gè)反應(yīng)過程中，氣體的擴(kuò)散作用有可能利于氨的分解反應(yīng)。

圖5 高、低導(dǎo)熱系數(shù)下外壁面和管中心氣體溫度差沿著管長方向變化情況圖

圖6 不同擴(kuò)散系數(shù)條件下的氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度沿管徑方向變化圖

3.2 孔隙率與顆粒直徑對氨分解率的影響

本文研究了氨反應(yīng)管性能與孔隙率和顆粒直徑之間關(guān)系。模擬了催化劑顆粒直徑在0.5、1、2 mm下的氨分解反應(yīng)，不同孔隙率和顆粒直徑條件下反應(yīng)管性能對比如圖7所示。

通過分析結(jié)果可知，氨分解率隨著孔隙率的增大先緩慢減小然后再迅速下降;隨著孔隙率的增大，熱效率降低的同時(shí)管壁峰值溫度上升;在相同孔隙率下顆粒的粒徑越小，氨分解率和熱效率越高，并且管壁峰值溫度和溫度不均勻性也下降了。這說明小的顆粒直徑和孔隙率減小有利于反應(yīng)管內(nèi)氨的反應(yīng)，但這需要反應(yīng)管內(nèi)填充更多的催化劑材料并且使整個(gè)反應(yīng)管的沿程阻力增大，制造和運(yùn)行成本相應(yīng)上升。

圖7 不同孔隙率和顆粒直徑條件下反應(yīng)管性能對比圖

3.3 徑向孔隙率分布對氨分解率的影響

氨分解催化劑的成本在整個(gè)氨反應(yīng)管中占比較高。本文將進(jìn)一步探究在使用相同重量的催化劑時(shí)，徑向孔隙率如何分布才能優(yōu)化氨反應(yīng)管性能，使氨分解率上升，同時(shí)管壁峰值溫度下降。本文模擬了孔隙率徑向線性分布且平均孔隙率為一定值的情況，例如孔隙率沿管徑方向的分布為0.3～0.7，即表示在管中心位置孔隙率為0.3，在管壁位置孔隙率為0.7。由于徑向上的孔隙率有變化，因此在模擬中徑向界面上的有效擴(kuò)散系數(shù)在同一個(gè)界面的兩側(cè)的值不一致，模擬時(shí)取界面相鄰的2個(gè)單元體的有效擴(kuò)散系數(shù)的平均值作為該界面上的有效擴(kuò)散系數(shù)。徑向孔隙率分布對氨反應(yīng)的影響結(jié)果如表2所示，孔隙率沿管中心到管壁方向減小時(shí)，氨的轉(zhuǎn)化率會提高，孔隙率減小的斜率越大，氨分解率越高，同時(shí)熱效率有一定的上升且管壁峰值溫度也降低。

表2 不同孔隙率沿徑向分布的結(jié)果對比表

如圖8所示為2種孔隙率徑向分布下的氨反應(yīng)管對稱面上氣體溫度分布云圖，可以看到孔隙率分布為0.2～0.8時(shí)氣體的峰值溫度更高，但氣體溫度在徑向方向上下降得更快，導(dǎo)致了壁面附近溫度更高而管中心附近溫度更低。在反應(yīng)管前端，孔隙率分布為0.8～0.2的氣體溫度升高速度明顯更快。這是由于近壁面處的低孔隙率會使固體骨架的有效導(dǎo)熱系數(shù)升高，加強(qiáng)了固體與壁面間的導(dǎo)熱，在相同的輻射能量條件下反應(yīng)管熱損較小，氣體吸收的能量更多升溫更快。

圖8 2種孔隙率分布下反應(yīng)管對稱面上氣體溫度云圖

如圖9所示為氨反應(yīng)管對稱面上氣體反應(yīng)速率云圖，從中可以看出氣體高反應(yīng)速率的面積在孔隙率分布為08～0.2時(shí)更大。當(dāng)孔隙率分布為0.2～0.8時(shí)，管壁處的高孔隙率會在一定程度上會減弱氨分解反應(yīng)速率，其整體上的化學(xué)反應(yīng)速率也會低于孔隙率分布為0.8～0.2的情況。以上結(jié)果均表明可以采用孔隙率徑向線性減小分布的方式來提高氨反應(yīng)管性能。

圖9 2種孔隙率分布下反應(yīng)管對稱面上氣體反應(yīng)速率云圖

4 結(jié) 論

本文基于氨催化分解的動(dòng)力學(xué)模型，建立了1個(gè)三維多孔介質(zhì)內(nèi)氨分解反應(yīng)與流動(dòng)及組分傳輸耦合的能質(zhì)傳遞及轉(zhuǎn)換模型，揭示了氨分解反應(yīng)特性，進(jìn)一步研究了反應(yīng)管內(nèi)催化劑顆粒直徑和孔隙率分布對氨反應(yīng)特性影響。主要結(jié)論如下：

(1) 一般來說，固體和流體的換熱系數(shù)越大，固體熱量更容易導(dǎo)入流體中，氨分解率越高，由于本文模型中換熱系數(shù)已經(jīng)較大，所以改變換熱系數(shù)大小對氨分解反應(yīng)影響不大。

(2) 有效導(dǎo)熱系數(shù)對氨分解反應(yīng)影響較大，有效導(dǎo)熱系數(shù)越大，壁面和固體骨架間的傳熱能力就越強(qiáng)，在同樣的傳導(dǎo)熱量下壁面和固體的溫差越小，散熱損失減小，熱效率升高的同時(shí)氨轉(zhuǎn)化率也有所提升。

(3) 有效擴(kuò)散系數(shù)主要影響不同位置處生成物的擴(kuò)散，使得反應(yīng)管內(nèi)的氣體和溫度分布得更加均勻，低溫區(qū)域的氨擴(kuò)散至高溫區(qū)域，提升氨轉(zhuǎn)化率的同時(shí)降低了管壁面溫度。

(4) 通過對催化劑顆粒直徑和孔隙率的研究，分別分析對比了顆粒直徑、孔隙率的變化對氨分解反應(yīng)的影響。結(jié)果表明，催化劑顆粒直徑越小，孔隙率越??；氨的分解率越大，同時(shí)壁面峰值溫度越低。這是由于小顆粒直徑和小孔隙率不僅導(dǎo)致有效導(dǎo)熱系數(shù)增大，還在相同溫度條件下提高了化學(xué)反應(yīng)速率。

(5) 針對孔隙率分布，發(fā)現(xiàn)采用徑向孔隙率線性減小的分布方式可以在降低壁面峰值溫度的同時(shí)又不降低氨分解率。

為了優(yōu)化單根氨反應(yīng)管性能，可以將催化劑顆粒直徑定為0.5 mm，其孔隙率為徑向分布0.8～0.2的線性分布方式。