煤制天然气甲烷化反应器过程模拟和结构优化.pdf

第 38卷 第 4期 煤 炭 转 化 Vo1．38 No．4 2015年 1O月 C0ALC0NVERS10N Oct．2O15 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ANSYSCFX软件对 甲烷化 固定床反应器进行 了数值模拟，通过 CEL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 TQO51．14，TQO18 0 引 言 究了结构与产率之间的关联关系· 1 甲烷化固定床反应器的模型建立 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 1．1 结构模型与网格划分 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 甲烷化固定床反应器由内筒和外筒两部分组成 杂的传热、传质及动量变化 ，构成了多场耦合的复杂 (见图 1)，其 中内筒中间部分装有催化剂颗粒．原料 体系．D-21因此，对于热效应较强的甲烷化固定床反 气从底部侧面人 口进入 ，通过两筒环隙时被 内筒反 应器的设计和优化，不但需要获得速度和压降分布， 应放出的热量加热后到达顶部区域 ，在此混合完全 更需要提取反应器 内的温度场和组分浓度分布．[3-s] 后进人到内筒的催化剂床层进行甲烷化反应 ，这个 尽管固定床反应器 的应用和研究已有很长的历史 ， 过程会放 出大量的热 ，最后反应气通过 出口流出．反 但 由于内部流动和传递过程 的复杂性 ，同时受到检 应器具体结构尺寸见第 90页表 1． 测条件 的限制 ，目前人们对床层 内部的传递过程缺 1 2 4 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 图 1 甲烷化反应器 结构 的平均值．[9而计算流体力学 (CFD)的数值模拟方 Fig．1 Structurediagram ofmethanationreactor 法，通过数值方法求解流动和传递的微分方程组，从 1一 Gasvent；2-- Thermocouplegaugehole；3-- Supportlug；4一 而获得流场和温度场 ，为解决此类 问题提供了新 的 Gasinlet；5 Gasoutlet；6-- Thermocouplegaugehole 方 向．[1“本研 究 以 ANSYSCFX模拟软件为平 使用 Workbench中的Meshing软件进行 网格 台，以新疆庆华集团年产 55亿 m。煤制天然气项 目 划分 ，由于整个反应器的结构复杂 ，因此采用非结构 反应器为研究对象 ，通过所提供的结构、现场实测进 性网格 ，并对网格进行局部加密处理．整个模型划分 口参数等数据建立反应器的数学模型，从而对 甲烷 网格单元数 45230个 ，节点数 112356个 ，平均歪斜 化 固定床反应器进行数值模拟 ，以获得 甲烷化 固定