煤制天然气甲烷化反应器过程模拟与结构优化

第 3 8卷 第 4期 2 0 1 5年 1 O月 煤 炭 转 化 C0AL C0NVERS 1 0N Vo 1 ． 3 8 No ． 4 Oc t ． 2 O 1 5 煤制天然气甲烷化反应器过程模拟与结构优化 程 源洪” 张亚新 肖建发D 赵 静 ” 摘 要 利 用 ANS Y S C F X软件 对 甲烷化 固定床反 应 器进行 了数 值模 拟 ， 通过 C E L语 言编 写 源项 的形 式将 甲烷 化反 应速 率 方程添 加到 模拟 过程 中， 从 而获得 了反 应 器 内部 流场 、 温度 场及 组分 浓度 的分 布． 经与现 场检 测 的 出 口温度 和 组分 浓度 的对 比 ， 证 明 了模 拟 结果 的 准确 性 ． 通 过 改 变进 气 口方 式和增 加扰 流装 置获 得 了均 匀的 场分布 ， 进 而研 究 了产 率与 结构之 间的关 系． 关键 词 甲烷 化 固定床 反应 器 ， 场分 布 ， 结构优 化 中 图分类 号 T QO 5 1 ． 1 4 ， TQO 1 8 0 引 言 究了 结 构与 产率 之间的 关 联 关系· 甲烷化 固定床 反应 器是 整个 煤制 气工 艺 中最重 要 的设 备 ， 其结 构 多为 圆柱形 ， 内部床 层 由颗粒 状催 化 剂 和催 化剂 载体 填 充 而 成 ， 原 料 气从 床层 的空 隙 流 过 ， 在催 化剂 作用 下发 生反 应 ， 反应 过程 伴 随着复 杂 的 传热 、 传质 及动 量变 化 ， 构成 了多 场耦 合 的复杂 体系． D - 2 1 因此 ， 对于热效应较强的甲烷化 固定床反 应器的设计和优化 ， 不但需要获得速度和压降分布 ， 更 需要 提取 反 应器 内的温度 场和 组分 浓度 分 布． [ 3 - s ] 尽 管 固定 床反 应器 的应 用 和 研 究 已有 很 长 的历 史 ， 但 由于 内部流 动 和传 递 过 程 的复 杂性 ， 同 时受 到检 测 条件 的限制 ， 目前 人 们 对 床 层 内部 的 传 递过 程 缺 乏 足 够 的了解 ． 尤其 对 含有化 学 反应 的 固定 床 内 部 流 场 的研 究 更是 屈 指 可 数 ， 这 是 因为 反 应 速率 方 程与 流 场 分 布是 一 个 相互 耦 合 的关 系[ 8 ] ， 传 统 的计 算方法很难获得详细 的场分布 ， 只能近似得出过程 的平 均值 ． [ 9 而 计 算 流体 力 学 ( C F D) 的数 值 模 拟 方 法， 通过数值方法......