趙 飛, 張延玲, 朱 榮, 田冬東, 朱伶楓

(北京科技大學(xué) 冶金與生態(tài)工程學(xué)院,北京 100083)

內(nèi)冷式高溫高壓反應(yīng)器傳熱研究

趙 飛, 張延玲, 朱 榮, 田冬東, 朱伶楓

(北京科技大學(xué) 冶金與生態(tài)工程學(xué)院,北京 100083)

采用一維穩(wěn)態(tài)傳熱的方法對(duì)內(nèi)冷式高溫高壓反應(yīng)器內(nèi)壁傳熱進(jìn)行工程計(jì)算,然后在相同條件下利用Fluent軟件對(duì)反應(yīng)器內(nèi)流場和溫度場進(jìn)行數(shù)值模擬,最后將兩種算法得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。研究了高溫高壓條件下反應(yīng)器內(nèi)壁的傳熱情況,分析了反應(yīng)器內(nèi)氣體和內(nèi)壁縱向溫度分布的變化規(guī)律,結(jié)果表明:工程計(jì)算和數(shù)值模擬得到的結(jié)果是一致的,兩種方法對(duì)高溫高壓反應(yīng)器的傳熱計(jì)算是可靠的,數(shù)值模擬與工程計(jì)算相比更能反映出真實(shí)的高溫高壓反應(yīng)器傳熱情況。

高溫高壓反應(yīng)器;工程計(jì)算;數(shù)模模擬

在化工和航空航天等領(lǐng)域的研究中常常涉及到高溫高壓反應(yīng)工藝條件,如化工領(lǐng)域中煤的甲烷化和二氧化碳重整甲烷的研究,需要在高溫高壓(1 200 K,10 MPa)條件下進(jìn)行,航天領(lǐng)域的材料抗氧化燒蝕研究,需要在高溫高壓條件下(2 000～2 500 K,1～2 MPa)條件下進(jìn)行,這類反應(yīng)的苛刻條件對(duì)反應(yīng)設(shè)備結(jié)構(gòu)和材質(zhì)提出了很高的要求,需要反應(yīng)器能夠在高溫和高壓條件下工作。

現(xiàn)有高溫高壓反應(yīng)器其主要分為釜式反應(yīng)器和管式反應(yīng)器[1],多采用不銹鋼材料或者是防腐非金屬材料制成,反應(yīng)器工作時(shí)是通過外部加熱,其存在的最主要問題是在高溫下反應(yīng)器不能同時(shí)承受較高壓力。

董躍[2]提出了基于高溫區(qū)壓力平衡和承壓區(qū)低溫的原理,利用保溫材料和石英管開發(fā)了小型高溫高壓反應(yīng)器,并通過傳熱方程建立了反應(yīng)器溫度分布模型,但由于保溫材料和石英管具有熱震性,無法承受大范圍內(nèi)的溫度變化,因此應(yīng)用范圍具有很大局限性。邰學(xué)林[3]提出了等壓內(nèi)冷式高溫高壓化學(xué)反應(yīng)器,該反應(yīng)器采用雙層結(jié)構(gòu),層間采用液體冷卻,反應(yīng)器內(nèi)部的壓力和層間冷卻液壓力基本保持相同,確保反應(yīng)器內(nèi)層承受高溫,反應(yīng)器外層承受高壓,解決了反應(yīng)器無法同時(shí)承受高溫高壓的問題,但其未對(duì)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)及傳熱進(jìn)行理論計(jì)算,而傳熱計(jì)算是反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。

目前關(guān)于高壓高溫條件下的反應(yīng)器傳熱研究的報(bào)道還較少,高溫高壓反應(yīng)器是未來反應(yīng)器發(fā)展的趨勢(shì)所在,因此本文針對(duì)內(nèi)冷式高溫高壓反應(yīng)器的傳熱情況進(jìn)行了工程計(jì)算和數(shù)值模擬,最終獲得了反應(yīng)器內(nèi)高溫氣體沿軸向和徑向的變化規(guī)律以及反應(yīng)器內(nèi)壁縱向溫度的分布規(guī)律,對(duì)內(nèi)冷式高溫高壓反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有重要的理論指導(dǎo)意義。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 高溫高壓反應(yīng)器傳熱過程的工程計(jì)算

本研究僅考慮高溫氣體對(duì)高溫高壓反應(yīng)器內(nèi)壁的傳熱,高溫氣體被認(rèn)為是物理性質(zhì),溫度均勻的灰介質(zhì),在進(jìn)行工程計(jì)算時(shí)對(duì)高溫高壓反應(yīng)器內(nèi)壁只考慮徑向的傳熱,不考慮軸向傳熱[4-5]。高溫高壓反應(yīng)器內(nèi)氣體對(duì)內(nèi)壁的傳熱方式主要為對(duì)流換熱和輻射換熱,采用如下傳熱學(xué)[6-8]基本公式進(jìn)行計(jì)算:

qo=αo(Tf-Tw) ；

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:qo為高溫高壓氣體對(duì)高溫高壓反應(yīng)器內(nèi)壁的對(duì)流換熱熱流密度；αo為高溫高壓氣體與高溫高壓反應(yīng)器內(nèi)壁間的對(duì)流換熱系數(shù)；Tf和Tw分別為流體和內(nèi)壁的溫度;qr為高溫高壓氣體對(duì)高溫高壓反應(yīng)器內(nèi)壁的輻射換熱熱流密度；C0為絕對(duì)黑體輻射系數(shù),C0=5.675 W/(m2·K4)；εf和Bf分別為氣體的黑度和吸收率；εw為壁面的黑度；Tf和Tw分別為流體和內(nèi)壁的溫度；Ma為冷卻水量；Qa為冷卻水量帶走的熱量；Cp為冷卻水的比熱容。

根據(jù)式(1)—(4)對(duì)某高溫高壓反應(yīng)器內(nèi)壁進(jìn)行傳熱計(jì)算,計(jì)算條件和計(jì)算結(jié)果分別如表1和表2所示。

表1 計(jì)算條件

表2 計(jì)算結(jié)果

1.2 高溫高壓反應(yīng)器傳熱過程的數(shù)值模擬

1.2.1幾何模型

本研究針對(duì)高溫高壓反應(yīng)器結(jié)構(gòu)建立相應(yīng)的幾何模型,流體計(jì)算空間為300 mm×1 000 mm,整個(gè)流體計(jì)算域采用二維軸旋轉(zhuǎn)幾何模型,網(wǎng)格為四邊形網(wǎng)格,靠近壁面處網(wǎng)格較密,整個(gè)模型尺寸及邊界條件如圖1所示,圖2為計(jì)算區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格劃分。

圖1 計(jì)算模型

圖2 模型網(wǎng)絡(luò)

1.2.2計(jì)算模型與邊界條件

本研究采用的湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型[2],該模型是典型的兩方程模型,由Launder和Spalding于1972[9-10]年提出,是目前使用最廣泛的湍流模型,在標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型中,湍動(dòng)能k和湍動(dòng)能耗散率ε是2個(gè)未知量,與之對(duì)應(yīng)的輸運(yùn)方程[11-13]如下式所示:

(5)

(6)

式中:ρ為密度;μ為層流粘性系數(shù);μt為湍流粘性系數(shù);ui為速度在i方向上分量;Gk是由平均速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能;Gb是由浮力而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能;YM是由在可壓縮湍流過渡到全部擴(kuò)散速率而引起的波動(dòng)擴(kuò)張;σk和σε分別為k和ε的湍流普朗特?cái)?shù);C1ε,C2ε和C3ε為常數(shù);Sk和Sε為自定義源相。

輻射傳熱模型的選擇對(duì)溫度分布的準(zhǔn)確模擬起決定性作用,正確選取輻射換熱模型是傳熱模擬的關(guān)鍵問題[14]。離散坐標(biāo)法(DOM)算法可靠,計(jì)算工作量小,計(jì)算結(jié)果精度較高,是目前反應(yīng)器內(nèi)輻射傳熱過程數(shù)值模擬的一種較好方法[15],其輸運(yùn)方程如下式所示:

·(I(r,S)S)+(α+σS)I(r,S)=

(7)

與工程計(jì)算對(duì)應(yīng)的反應(yīng)器邊界條件見表3。

表3 邊界條件

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)器內(nèi)氣體溫度分布

圖3為高溫高壓反應(yīng)器內(nèi)氣體溫度分布云圖,圖4和圖5分別為高溫氣體沿反應(yīng)器軸向和徑向的溫度分布曲線。

圖3 反應(yīng)器內(nèi)氣體溫度分布云圖

圖4 反應(yīng)器內(nèi)氣體溫度沿軸向分布

圖5 反應(yīng)器中點(diǎn)處氣體溫度沿徑向分布

從圖4中可以看出,不同氣體溫度條件下,高溫氣體沿軸向的溫度分布趨勢(shì)相同,氣體溫度沿著軸向方向逐漸減小,溫度梯度不大,數(shù)值模擬結(jié)果與工程計(jì)算結(jié)果吻合性很高,最大差值僅為1.8%。從圖5中可以看出3種氣體溫度條件下,高溫高壓反應(yīng)器內(nèi)氣體溫度先沿著徑向呈略微減小趨勢(shì),在貼近壁面處(0.15 m處)出現(xiàn)較大的溫度梯度,氣體溫度由2 000 K以上降低到400 K以內(nèi),這是由于氣體在壁面處存在的溫度邊界層所產(chǎn)生的大溫度梯度導(dǎo)致的。

2.2 內(nèi)壁內(nèi)側(cè)溫度分布

圖6 反應(yīng)器內(nèi)壁內(nèi)側(cè)溫度分布

從圖6中可以看出不同氣體溫度條件下,高溫高壓反應(yīng)器內(nèi)壁內(nèi)側(cè)溫度分布趨勢(shì)相同,入口處內(nèi)壁內(nèi)側(cè)溫度較高,內(nèi)壁溫度沿著反應(yīng)器長度方向快速下降,隨后趨于穩(wěn)定,在內(nèi)壁中段和后段壁溫基本達(dá)到穩(wěn)定。隨著反應(yīng)器內(nèi)氣體溫度的升高,雖然冷卻水水量由15 t/h增加到25 t/h(見表3),但反應(yīng)器內(nèi)壁內(nèi)側(cè)溫度仍不斷升高,這是因?yàn)楦邷貧怏w的輻射能力受氣體溫度影響很大,氣體溫度越高,其熱輻射能力就越大,高溫氣體向壁面?zhèn)鬟f的熱量也就越多,內(nèi)壁溫度也就越高。此外,不同溫度條件下,數(shù)值模擬計(jì)算得到的內(nèi)壁平均溫度(實(shí)心標(biāo)記)與工程計(jì)算結(jié)果(空心標(biāo)記)的差別在8%以內(nèi)。

2.3 內(nèi)壁外側(cè)溫度分布

圖7 反應(yīng)器內(nèi)壁外側(cè)溫度分布

從圖7中可以看出不同氣體溫度條件下,高溫高壓反應(yīng)器內(nèi)壁外側(cè)溫度分布趨勢(shì)相同,內(nèi)壁溫度沿著反應(yīng)器長度方向快速下降,隨后趨于穩(wěn)定,在內(nèi)壁的后段壁溫稍顯增加趨勢(shì),這是因?yàn)槔鋮s水經(jīng)過反應(yīng)器前段后水溫有所增加,在反應(yīng)器后段的冷卻能力有所下降,從而導(dǎo)致內(nèi)壁溫度稍有升高。與圖6相比,高溫高壓反應(yīng)器內(nèi)壁外側(cè)溫度與內(nèi)側(cè)溫度分布趨勢(shì)相同,不同溫度條件下,數(shù)值模擬得到的內(nèi)壁外側(cè)平均溫度與工程計(jì)算結(jié)果的最大差值為3.5%。

2.4 冷卻水溫度分布

從圖8中可以看出不同氣體溫度條件下,冷卻水溫度分布趨勢(shì)是沿著反應(yīng)器軸向不斷增加,不同氣體溫度條件下,冷卻水出水溫度稍高于工程計(jì)算假設(shè)值,最大差值僅為1%,驗(yàn)證了工程計(jì)算的假設(shè),體現(xiàn)了工程計(jì)算的合理性。

3 結(jié)論

采用工程計(jì)算和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式對(duì)高溫高壓反應(yīng)器內(nèi)壁傳熱進(jìn)行了計(jì)算,通過對(duì)兩種算法得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,研究了高溫高壓反應(yīng)器內(nèi)壁的傳熱情況,分析了反應(yīng)器內(nèi)高溫氣體沿軸向和徑向的變化規(guī)律以及反應(yīng)器內(nèi)壁縱向溫度的分布規(guī)律,結(jié)果如下。

圖8 冷卻水溫度分布

1) 不同氣體溫度條件下,高溫高壓反應(yīng)器內(nèi)氣體溫度沿軸向和徑向溫度分布趨勢(shì)相同,數(shù)值模擬計(jì)算得到出口氣體平均溫度與工程計(jì)算結(jié)果一致,最大差值僅為1.8%;

2) 不同氣體溫度條件下,反應(yīng)器內(nèi)壁內(nèi)側(cè)和外側(cè)溫度分布趨勢(shì)相同,兩種計(jì)算方法計(jì)算得到的內(nèi)壁內(nèi)側(cè)和外側(cè)溫度相差不大,內(nèi)壁內(nèi)側(cè)溫度差值在8%以內(nèi),內(nèi)壁外側(cè)溫度差值最大為3.5%;數(shù)值模擬計(jì)算得到冷卻水溫度與假設(shè)值差值僅為1%,驗(yàn)證了工程計(jì)算的假設(shè),體現(xiàn)了工程計(jì)算的合理性;

3) 與工程計(jì)算相比,數(shù)值模擬更能真實(shí)的反應(yīng)高溫高壓反應(yīng)器內(nèi)溫度分布的變化,具有更高的準(zhǔn)確性。

[1]張丙模.小型高溫高壓反應(yīng)器及加壓炭催化CH4/CO2重整研究[D].太原:太原理工大學(xué),2010.

[2]董躍.煤制甲烷小型高溫高壓反應(yīng)器的研究和開發(fā)[J].煤炭轉(zhuǎn)化,2010,33(2):66-67.

[3]邰學(xué)林.等壓內(nèi)冷式高溫高壓化學(xué)反應(yīng)器[P].中國發(fā)明專利:CN1785492A,200-04-14.

[4]Leden Bo. A Control System for Fuel Optimization of Reheating Furnaces[J]. Scandinavian Journal of Metallurgy,1986, 15 (1): 16-24.

[5]Wakamiya Y, Tsuruda M, Yamamoto T. Computer Control System for Reheating Furnace[J]. Process Control in the Steel Industry,1986(1):455-460.

[6]陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,2001.

[7]張先棹.冶金傳輸原理[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1988.

[8]王秉銓.工業(yè)爐設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[9]Maele K V,Merci B.Application of two buoyancy-modified k-ε turbulence models to different types of buoyant plumes[J].Fire Safety Journal,2006,41(2):122-138.

[10]Launder B E，Spalding D.B-Lectures in Mathematical Models of Turbulence[M].London:Academic Press, 1972.

[11]張德良.計(jì)算流體力學(xué)教程[M].北京:高等教育出版社,2010.

[12]John D，Anderson J R.計(jì)算流體力學(xué)入門[M].北京:清華大學(xué)出版社,2010.

[13]Wilcox D C. Turbulence Modeling for CFD[M].California: DCW Industries Press, 1998.

[14]CARVALHO M G,FARIAS T L.Modeling of heat transfer in radiating and combusting systems[J].Chemical Engineering Research and Design,1998,76(2):175-183.

[15]Habibi A,Merci B,Heynderickx G J. Impact of radiation model in CFD simulation of steam cracking furnaces[J].Computer and Chemical Engineering,2007,31(11):1389-1406.

(編輯：劉笑達(dá))

StudyonHeatTransferofInner-condensingHighTemperature-PressureReactor

ZHAOFei,ZHANGYanling,ZHURong,TIANDongdong,ZHULingfeng

(SchoolofMetallurgicalandEcologicalEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China)

The heat transfer of inner-condensing high temperature-pressure reactor inner wall was calculated by the method of one-dimensional steady-state heat transfer, and then the flow field and temperature field in the reactor were numerically simulated under the same conditions using Fluent software. Finally, obtained results of the two algorithms were compared and analyzed to study the heat transfer of the reactor inner wall under the high temperature-pressure conditions, and change laws of temperature distribution of reactor gas in the reactor and longitudinal temperature distribution of the inner wall were analyzed. The results show that: the results of the engineering calculation and numerical simulation are consistent, the two methods for the calculation of the heat transfer of the high temperature-pressure reactor are reliable, and compared with engineering calculation, the numerical simulation better reflects the real heat transfer situation of the reactor.

high temperature-pressure reactor;engineering calculation;numerical simulation

2013-08-12

國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(2011YQ14014505)

趙飛(1987-)，男，河南駐馬店人，博士生，主要從事冶金工程專業(yè)研究，(Tel)15210607010

張延玲，女，副教授,(Tel)13911891432

1007-9432(2014)02-0163-05

TK175

:A