固定床甲烷化反应过程模拟及反应器结构强度分析
本文以ANSYS-Workbench模拟软件为平台，结合5000m3/h的甲烷化示范装置提供的反应器结构尺寸、进出口参数等，对自热式固定床甲烷化反应器进行数值模拟及分析。首先分析了催化床层的空隙率分布规律及其与流动特性的联系，进而研究了整个反应器内的流动规律，在此基础上基于流量分配均匀的目标对反应器结构参数进行了优化。然后，在流体流动模型的基础上，通过将甲烷化动力学方程以源项的形式添加到组分守恒方程中，从而对甲烷化反应过程进行了模拟。提取了温度以及组分浓度在反应器中的分布规律，并通过改变操作参数探究影响床层温度分布与甲烷产率的影响因素。最后，在获得温度场的基础上利用“热-力耦合”方法对反应器进行了结构强度评价。 研究结果表明：①利用离散元软件PFC-3D与有限元软件ANSYS-APDL耦合建模能够快速准确的建立变径随机填充球床模型；空隙率在径向上具有波动性，在近壁面处有壁效应；流体通过填充球床时，速度在径向分布上具有与空隙率一致的波动性；随填充颗粒的减小压降波动逐渐不明显。②流体在反应器内的流动缓慢，受边界层以及空隙率的综合影响，速度极值出现在中心以及距中心250mm处。反应器内筒与外筒间的环隙内存在非理想流动，选择“反应器内筒的外壁增加扰流环板”的形式来进行基于流量分配均匀的结构优化。③对于催化床层区，轴向上温升明显，受反应物浓度影响，升温速度先快后慢。在径向上，温度分布呈现为“两边高、中间低”。催化区壁面温度与中心温度差值在5℃-30℃范围内。甲烷产率及床层内温度场受到入口温度、流量、H2/CO比以及结构等方面的影响，通过数值模拟分析了影响规律，并确定了进口参数的操作范围。④甲烷化反应器内筒壁面既有轴向又有径向的温度梯度，进而存在很大热应力：轴向温升产生二次应力，内筒两侧换热产生的径向温差产生的是较大的峰值应力，会导致内筒产生疲劳。
煤制气;甲烷化;固定床反应器;空隙率;热力耦合
新疆大学
硕士
化工过程机械
张亚新
2016
中文
TQ541
74
2017-07-26（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）