基于Fluent的微通道天然气废气重整的数值模拟

报告为非常小（低于2%[4]），因此认为流体是不可压缩的。假设反应混合物是理想的牛顿流体；反应发生在多孔区域；由于气相反应比在微通道中的催化反应慢得多，故将其忽略[5]；整个过程忽略重力的影响。

1.2 物理模型建立

待模拟的微通道反应器由多个平行的方形通道组成，每个通道高度为7.5 μm，长度为10-4 m。

2 数值模拟与结果分析

2.1 數值模拟

利用GAMBIT构造图1的模型，网格划分采用四边形网格，共7.5 104个。利用Fluent软件对偏微分方程、边界条件、流体和多孔催化剂层的物理性质、反应速率表达式进行设置并求解。利用速度-压力耦合模型，算法为基于压力的求解器的Simple算法，精度为二阶迎风格式，入口边界采用速度边界/温度边界，出口边界采用压力边界，催化剂-气体界面被定义为涉及速度和物质质量和热通量的连续性的内部边界条件，壁面采用无滑移壁面边界条件。

2.2 结果与讨论

本文分别研究了进料温度，O2/C和H2O/C比率和燃料组成的影响。表1给出了各个变量的取值，模拟时只改变单一变量，其余变量保持恒定。微通道进料的体积流量为90 NmL·min-1，其中燃料和CO2的入口流量分别为15和9.3 NmL·min-1，而O2和H2O蒸汽）的流量视O2/C和H2O/C比值而定。最后，通过改变N2的流量以保持总进料流速恒定。

2.2.1 进料温度的影响

图2为进料温度对图1所示通道中轴线处温度分布的影响。由图可得，随着进料温度的变化，没有检测到显着的热点形成，并且沿着通道获得几乎均匀的温度分布，这可为驱动EGR来产生H2的反应提供足够热量。这是因为热传导速率较快快导致的。由于本次模拟为层流状态，故雷诺数取值为20至100，努塞尔（Nu = hdh/k）为定值。并且由于通道直径为微米级，导致传热系数、传热速率较高。考虑到热点形成在具有固有差的传热特性的具有填充床几何形状的重整器中清楚可见[6]，可以要求使用微通道反应器以提供改进的EGR效率。由于在传热特性较差的填充床形状重整器会形成热点，故采用微通道反应器来改进EGR的效率。由图2可看出，温度上升值随进料温度升高而减小，当进料温度为1 123 K时温度上升值最小。这是因为在较高的温度下有利于SR反映的进行，并导致温度下降。事实上，TOX和SR反应在较高温度下更快，但SR消耗的热量防止温度进一步升高，而较高的SR速率也会使温度快速下降，导致整个通道的温度分布不均匀。此外，随着进料温度升高，峰值温度更接近入口温度，这是由TOX速率的增加而导致的。图3描述了进料温度对H2和CO生产速率的影响，可以看出产物随进料温度升高而增多。图3中还可以观察到H2和CO比例接近于3，但由于存在WGS反应，该比例不完全等于3。这是因为随着温度升高，SR反应速率提高。由图4可看出，由于TOX和SR速率的增加，甲烷转化率随着进料温度的升高而指数增加。

2.2.2 O2/C比率的影响

使O2/C比率从0.50至1.25改变，同时其它参数保持默认值，研究O2/C比值对温度和产物分布的影响。图5描述了进料中O2的占比对沿通道中轴线处温度分布的影响。进料中O2/C比值最大时温度升高值最大，这是因为进料中O2的量较高，导致更多的甲烷被氧化并释放更多的热。同时，这还导致温度峰值向通道下游移动。而温度达到峰值后迅速降低，这是由于吸热反应SR的速率提升而导致的。

由图6可看出，增加进料中的O2量对H2和CO的生产速率没有大的影响。当O2/C比从0.50变化到1.0时观察到生产速率轻微的增加，这是由温度和TOX产生的蒸汽的增加引起的。然而，在O2/C在1.0以上时，生产速率随比值增加而降低，这是因为TOX中甲烷被过量消耗，导致SR反应中甲烷量不足，从而降低SR反应的速率。图中可看出甲烷转化率随O2的量增加而提升。图7表明转化率增加主要与TOX反应有关，SR反应对其无明显影响。

2.2.3 H2O/C比率的影响

改变入口蒸汽流速，其他参数保持默认值，研究进料中H2O/C比值变化的影响。在每次运行中，甲烷的体积流速保持恒定，并且蒸汽流速相应地改变以实现所需的H2O/C比。图8表明中轴线温度随蒸汽/碳比率增加而轻微增加。但理论上，进料中H2O增加导致甲烷TOX反应速率降低和甲烷SR反应速率增加，两者均会导致通道温度降低。这是因为随着进料中蒸汽的量增加，轻微放热的WGS反应开始发生。在1 020至1 040 K范围内的WGS的平衡常数为1.1～1.3。因此，虽然WGS反应放热而导致高温会对WGS反应起限制作用，但是反应动力学和蒸汽量的增加会削弱这种限制。故仍一些热量被释放到通道中，导致温度升高约3 K。温度的小变化由WGS的低反应焓引起。如图9所示，向进料中加入额外的蒸汽增加了H2和CO的形成，因为在蒸汽的存在对SR反应是有利的。可以观察到H2形成和H2O/C比率之间的近似线性关系，但是CO量的变化不遵循WGS产生H2时消耗CO的趋势。由图10看出，改变进料中蒸汽量，甲烷转化率改变仅为约1.2%。故改变H2O/C比率对甲烷转化率没有大的影响。同时，随着进料中蒸汽量的增加，甲烷转化率略有下降，这是因为甲烷的TOX反应被进料中的蒸汽所抑制。尽管蒸汽添加有利于甲烷的SR反应，但该反应依赖于TOX反应，故总转化率降低。

3 结 论

本文主要研究了改变进料温度，摩尔进口O2/C和H2O/C比率以及进料中丙烷含量对温度和产物分布的影响。得出结论为在所有情况下，由于微通道反应器的固有改进的传热特性，温度分布是均匀的，即没有沿着通道的尖锐热点；发现增加进料中的进料温度，H2O/C比可提高H2生产率，提高值在5.51×10-11至4.23×10-9 kmol∙s-1范围内；增加O2/C比有利于甲烷转化并升高微通道中的温度；甲烷转化率在27.5%至65.5%范围内。

参考文献：

[1]Mancusi E， Acampora L， Marra F， Altimari P. Hysteresis in autothermal methane reforming over Rh catalysts：Bifurcation analysis[J]. Chem Eng J，2015，262：1052-1064.

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