1、第 卷 第 期 年 月 化 学 工 程（）收稿日期：作者简介：郭强（），男，硕士，副教授，研究方向为热能利用与节能技术，电话：，：。填充床反应管内甲醇催化燃烧数值模拟郭 强，朱 同，杨财毛，季钰冲，丁梓亮，陆青松（常州大学 石油工程学院，江苏 常州）摘要：为探究填充床反应管内甲醇催化燃烧规律，运用 软件结合多孔介质模型，对内径 ，长 的填充床反应管内甲醇和空气在铂（）上催化燃烧过程进行了数值模拟。通过分区设置催化反应和气相反应，分析了不同入口速度、当量比和入口温度对燃烧过程的影响。研究结果表明：贫燃、低流速有利于催化反应，富燃、高流速易引发气相反应；入口流速不大于 ，当量比不大于 时，反应主要
2、发生在催化床层段；甲醇催化转换率随入口温度的增加而增加，但增加速率逐渐减小，考虑经济性及高效性，入口温度选取在 为宜。研究结果可为实际填充床催化燃烧反应器的设计和优化提供一定参考。关键词：填充床；甲醇；多孔介质；催化燃烧；数值模拟中图分类号：；文献标识码：文章编号：（）：，（，）：，（），：；催化燃烧可以使燃料在较低温度下起燃，降低反应活化能、提高燃烧效率，目前是处理挥发性有机物（）最常用的方法之一。管式填充床反应器由于比面积大，单位容积的传热面积大，催化剂填充更换方便等优点，被广泛应用于化工生产及催化反应过程。其中，催化剂填充段，可看作多孔介质，而多孔介质能够加强燃烧器内气流扰动，加速原料气
3、的混合，其较大的蓄热能力和换热面积更能有效实现对进口原料气的预热，改善燃烧过程稳定性。甲醇作为一种挥发性有机物，具有易挥发、着火点低、能量密度高、燃烧产物氮氧化物排放低等优点，是一种前景乐观的石油、化石燃料替代燃料。燃烧过程中伴随着复杂的传热、传质及流动问题，给郭 强等 填充床反应管内甲醇催化燃烧数值模拟 投稿平台：实际测量带来了困难，而计算机模拟却能在节约资源的同时，有效解决这些问题。钟北京等通过对微通道内甲烷在镀铂热壁上催化燃烧模拟，得出当量比和温度是影响甲烷催化转换率重要因素；李欣婷等通过对微型圆管燃烧器中二甲醚的铂催化燃烧，预测了引发气相反应的最优工况；陈俊杰等通过对氢气微尺寸催化燃烧
4、的数值模拟，得出了催化反应和气相反应同时存在时，管道内主要发生催化反应，气相反应可完全忽略。由于缺少甲醇在催化剂表面的详细反应机理，对催化燃烧模拟也鲜少以甲醇为研究对象。因此，本文选用甲醇作为研究对象，采用一步反应机理，忽略催化床层段气相反应，将催化反应和气相反应分段设置。催化剂填充床段发生以 为催化剂的催化反应，催化剂床后发生气相燃烧。通过对整个燃烧过程中入口速度、当量比、入口温度和甲醇转换率等因素的研究，总结填充床燃烧管内甲醇催化燃烧规律。模型及验证 模型及方法描述图 为本文所采用的填充床甲醇催化燃烧反应管三维网格模型图。燃烧管直径，壁厚 ，总长度 ，从 处起填充 的球形催化剂，催化剂床前
5、端填充 的惰性耐高温瓷球，以支撑催化剂和减缓气流对催化剂的冲击。管内气体流动为湍流，加密边界层采用湍流壁面模型，催化剂和瓷球填充段采用多孔介质模型，流动为层流，多孔方程选用物理速度。反应模型选用组分输运及反应流模型，采用甲醇在 表面催化燃烧的一步反应机理：指前因子 ，活化能 ；气相反应动力学参数：指前因子 ，活化能 。为简化计算，设置各物理量参数为常数，壁面参数：密度 ，比热容 （），导热系数 （）；催化剂参数：密度 ，比热容 （），导热系数 （），孔隙率 ；瓷球参数：密度 ，比热容 （），导热系数 （），床层孔隙率 。多孔介质区域阻力系数由式（）和式（）计算得出，转换率由式（）计算。边界条件
6、设置：速度入口，压力出口，壁面为辐射对流换热条件发射率，对流换热系数 （）。混合物比热按混合定律计算，动力黏度、导热系数按质量加权平均计算，质量扩散率按分子运动论计算。（）（）（）式中：为黏性阻力系数；为惯性阻力系数；为平均颗粒直径；为孔隙率。（）式中：为转换率；为进口平均甲醇质量分数；为出口平均甲醇质量分数。图 甲醇催化燃烧器网格模型图 模型验证在入口速度 ，进口温度 ，当量比为 工况下，分别对网格数 、进行迭代计算。不同网格数下，燃烧器出口处温度结果对比如表 所示。当网格数大于 之后，计算结果随网格数几乎不再发生变化，所以综合考虑计算准确性和高效性，选定网格数为 。表 不同网格数计算结果对
7、比 网格数计算温度 计算结果及分析 入口流速的影响保持入口温度为 ，当量比为 时，改变流速从 。甲醇转换率随入口流速变化如图 所示，可以看出：流速小于 ，催化床层出口和燃烧器出口转换率均保持在接近 左右，流速大于 ，催化床层出口转换率开始下降，下降速率逐渐减小；但燃烧器出口转换率维持较高水平几乎不发生变化。产生这一现象的原因是经化学工程 年第 卷第 期 投稿平台：催化床层未反应完全的原料气，在燃烧器后段引发了气相燃烧，所以燃烧器出口甲醇转换率能够在一定流速范围内维持较高水平。图 转换率随流速变化 图 为不同入口流速时燃烧器内温度分布和甲醇浓度分布云图。可以看出：入口流速为 时，反应器内最高温度
8、出现在催化床层中部，催化床层出口甲醇转换率接近。随流速继续增大，反应最高温度向后移动。流速为 最高温度出现在催化床后，说明低流速有利于催化反应，高流速易于引发气相反应，随流速增大催化段温度降低，气相反应段温度增大。产生这一现象原因是，当催化床层长度一定时，随入口气流增大，原料气在床层停留时间减小，和催化剂表面活性位点接触难度增大，活化分子数目减少，催化燃烧强度下降，未被活化的反应物会随气流向后移动到气相反应区，达到气相反应条件后，在催化剂床层后端发生气相反应。图 不同入口速度下燃烧器内温度和质量分数云图 图 为轴线温度随入口流速变化曲线。可以看出：随流速变化轴线温度波动较大。当入口流速为 时，
9、最高温度出现在催化床中段，此时甲醇混合气在催化段已基本反应完全，所以从催化床后段温度开始逐渐下降。当入口流速为、时，由于流速较高，原料气在催化床层未完全反应，随催化反应放热，床层出口温度达到气相反应条件，在催化床层出口温度会持续上升。气相反应峰值温度位置随流速增大沿轴线方向滞后出现，且温度随流速增大而增大；对比不同反应工况，轴线温度变化在催化段与流速呈负相关，在气相反应段与流速呈正相关。图 温度随入口流速变化 图 为轴线甲醇质量分数随入口流速变化曲线。可以看出：流速越低，催化段甲醇消耗速率越快，气相反应段甲醇消耗速率减缓，这是由于入口甲醇质量分数一定时，低流速反应物与催化剂活性位点更易接触，活
10、化分子数目多，催化反应更剧烈，经催化床层后甲醇质量分数减小，在气相反应段消耗速率逐渐减小。图 甲醇质量分数随入口流速变化 当量比的影响为探究当量比对燃烧过程影响，固定入口速度为 ，入口温度为 。转换率随入口当量比变化如图 所示，可以看出：转换率随当量比增大而下降，当量比小于 ，催化床层和燃烧器出口转化率均能维持在接近，当量比大于 ，催化床转换率开始下降，燃烧器出口转换率在当量比大于郭 强等 填充床反应管内甲醇催化燃烧数值模拟 投稿平台：之后下降，且下降速率逐渐减小。转换率随当量增加逐渐下降，说明甲醇质量分数的增加不利于催化反应的进行。由催化反应动力学理论可知，催化反应实质是反应物分子在催化剂表
11、面的吸附、表面反应与生成物解吸的过程。等通过甲醇蒸气在铂丝上催化燃烧实验发现，甲醇在铂表面吸附能力比氧气强，提高氧气的浓度有利于催化反应的进行，与本文甲醇转化率随当量比增大而下降的模拟结果相符。图 转化率随当量比变化 图 为不同当量比时燃烧管内温度分布和甲醇质量分数分布云图。可以看出：当量比为 时，催化床层出口甲醇转换率接近，最高温度出现在催化床段，此时燃烧器内主要发生甲醇铂催化反应。图 不同当量比下燃烧器内温度质量分数云图 当量比为 时，催化床层出口甲醇转换率为，燃烧器出口甲醇转换率为 ，最高温度出现在催化床后。这是由于当量比较大时，较难吸附的氧气质量分数较少，被催化剂活性位点吸附活化的氧气
12、数目减少，催化反应被抑制。随催化反应放热，未反应的原料气在经过催化剂床层孔隙时被加速，继续向催化床后方运动，引发气相燃烧，导致反应管内最高温度后移，可以看出，气相燃烧峰值温度明显高于催化燃烧峰值温度。反应随当量比增大后移引发气相燃烧，说明反应器内甲醇催化燃烧反应过程实质是催化燃烧和气相燃烧共同作用过程，当气相燃烧和催化燃烧共同发生时，反应器所能处理的原料气浓度范围增大。同样说明了催化燃烧技术燃料 空气当量比调节范围大，能量利用率高。图 为轴线温度随当量比变化曲线。可以看出：当量比为 时，最高温度出现在催化床段，此时甲醇混合气在催化段已完全反应，从催化床出口温度开始下降。当量比为 、时，经过催化
13、床层未反应完的原料气温度在 以上，达到气相反应条件引发气相燃烧，温度还会持续上升，且高当量比反应峰值温度比低当量比反应峰值温度低。当量比从 增加到，催化段轴线温度升高；当量比大于 时，随当量比增加催化段轴线温度降低。催化段轴线温度在当量比等于 左右出现先增加后降低，进一步说明甲醇质量分数过高会抑制催化反应的进行，氧气质量分数才是甲醇催化反应速率的决定因素，增加氧气质量分数，有利于催化反应的进行。图 温度随入口当量比变化 图 为轴线甲醇质量分数随入口当量比变化曲线。可以看出：甲醇质量分数沿轴线方向减小速率随当量比变化趋势基本一致，说明一定量的催化剂处理能力是一定的。图 甲醇质量分数随入口当量比变
14、化 化学工程 年第 卷第 期 投稿平台：入口温度的影响为探究入口温度对燃烧过程影响，固定入口速度为 ，入口当量比为。转换率随入口温度变化如图 所示。可以看出：催化床层出口转换率随入口温度整体呈上升趋势，且上升趋势逐渐减缓，燃烧器出口转换率在不同工况下均维持在 左右。这是因为催化燃烧放热在床层后端引发气相燃烧，经催化床未完全反应的甲醇气被气相反应进一步消耗完全。转换率随温度增大，说明温度也是影响催化燃烧的重要因素，催化反应速率随温度升高而升高。当入口温度从 增加到 时，催化床转换率由 提升到 ，进一步增加入口温度到 ，催化床转化率从 提升到，之后随温度增加转换率提升幅度逐渐减小。因此，考虑经济性
15、及高效性，入口温度选取在 为宜。图 转化率随温度变化 图 为不同入口温度时燃烧器内温度分布和甲醇质量分数分布云图。图 不同入口温度下燃烧器内温度质量分数云图 由图 可知：入口温度 和 时，燃烧器内最高温度均出现气相反应段，并且入口温度增加，气相反应段峰值温度下降，甲醇质量分数分布减少。说明一定量的反应气，经过相同长度的催化床时，反应温度的提升会有效提升催化反应速率，造成高入口温度催化床升温比低入口温度升温快，从而在气相反应段甲醇质量分数分布减少，气相反应强度降低，峰值温度下降。图 为轴线温度随入口温度变化曲线。可以看出：入口温度越大，催化反应段温升速率越大，温度越高；气相反应段温升速率越小，温
16、度越低。但这种趋势随入口温度的增大而减小，说明一定程度上的温升有助于加快催化反应速率，但受催化剂活性影响，过高的反应温度会抑制反应速率的增大。气相反应段温度变化受催化反应段影响，催化反应越快，转换率越高，床层出口甲醇质量分数越低，导致气相反应段输入功率减小，气相反应速率减小，温升减小。图 轴线温度随入口温度变化 图 为轴线甲醇质量分数随入口温度变化曲线。可以看出：入口温度越高，催化反应段甲醇质量分数减少越快，气相反应段越慢。入口温度越高，沿轴线上同一位置处，甲醇质量分数越少，这同样说明入口温度的提升有利于催化反应的进行。图 甲醇质量分数随入口温度变化 结论（）通过构建填充床多孔介质模型，并分段设郭 强等 填充床反应管内甲醇催化燃烧数值模拟 投稿平台：置反应。研究发现实际燃烧器内反应过程是催化燃烧和气相燃烧共同作用过程。当其共同作用时，能使燃烧过程在较大的气体浓度和风量波动范围内有良好的转换效率。（）甲醇催化转换率与流速和当量比呈负相关。说明一定长度催化剂填充段的处理量是一定的，入口流速不大于 ，反应主要发生在催化床层段；氧气质量分数是甲醇催化反应速率的决定因素，增加氧气质量分数，有利于