赵 飞, 张延玲, 朱 荣, 田冬东, 朱伶枫

(北京科技大学 冶金与生态工程学院,北京 100083)

内冷式高温高压反应器传热研究

赵 飞, 张延玲, 朱 荣, 田冬东, 朱伶枫

(北京科技大学 冶金与生态工程学院,北京 100083)

采用一维稳态传热的方法对内冷式高温高压反应器内壁传热进行工程计算,然后在相同条件下利用Fluent软件对反应器内流场和温度场进行数值模拟,最后将两种算法得到的结果进行对比分析。研究了高温高压条件下反应器内壁的传热情况,分析了反应器内气体和内壁纵向温度分布的变化规律,结果表明:工程计算和数值模拟得到的结果是一致的,两种方法对高温高压反应器的传热计算是可靠的,数值模拟与工程计算相比更能反映出真实的高温高压反应器传热情况。

高温高压反应器;工程计算;数模模拟

在化工和航空航天等领域的研究中常常涉及到高温高压反应工艺条件,如化工领域中煤的甲烷化和二氧化碳重整甲烷的研究,需要在高温高压(1 200 K,10 MPa)条件下进行,航天领域的材料抗氧化烧蚀研究,需要在高温高压条件下(2 000～2 500 K,1～2 MPa)条件下进行,这类反应的苛刻条件对反应设备结构和材质提出了很高的要求,需要反应器能够在高温和高压条件下工作。

现有高温高压反应器其主要分为釜式反应器和管式反应器[1],多采用不锈钢材料或者是防腐非金属材料制成,反应器工作时是通过外部加热,其存在的最主要问题是在高温下反应器不能同时承受较高压力。

董跃[2]提出了基于高温区压力平衡和承压区低温的原理,利用保温材料和石英管开发了小型高温高压反应器,并通过传热方程建立了反应器温度分布模型,但由于保温材料和石英管具有热震性,无法承受大范围内的温度变化,因此应用范围具有很大局限性。邰学林[3]提出了等压内冷式高温高压化学反应器,该反应器采用双层结构,层间采用液体冷却,反应器内部的压力和层间冷却液压力基本保持相同,确保反应器内层承受高温,反应器外层承受高压,解决了反应器无法同时承受高温高压的问题,但其未对反应器的结构及传热进行理论计算,而传热计算是反应器结构设计的重要环节。

目前关于高压高温条件下的反应器传热研究的报道还较少,高温高压反应器是未来反应器发展的趋势所在,因此本文针对内冷式高温高压反应器的传热情况进行了工程计算和数值模拟,最终获得了反应器内高温气体沿轴向和径向的变化规律以及反应器内壁纵向温度的分布规律,对内冷式高温高压反应器的设计和应用具有重要的理论指导意义。

1 数学模型

1.1 高温高压反应器传热过程的工程计算

本研究仅考虑高温气体对高温高压反应器内壁的传热,高温气体被认为是物理性质,温度均匀的灰介质,在进行工程计算时对高温高压反应器内壁只考虑径向的传热,不考虑轴向传热[4-5]。高温高压反应器内气体对内壁的传热方式主要为对流换热和辐射换热,采用如下传热学[6-8]基本公式进行计算:

qo=αo(Tf-Tw) ；

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:qo为高温高压气体对高温高压反应器内壁的对流换热热流密度；αo为高温高压气体与高温高压反应器内壁间的对流换热系数；Tf和Tw分别为流体和内壁的温度;qr为高温高压气体对高温高压反应器内壁的辐射换热热流密度；C0为绝对黑体辐射系数,C0=5.675 W/(m2·K4)；εf和Bf分别为气体的黑度和吸收率；εw为壁面的黑度；Tf和Tw分别为流体和内壁的温度；Ma为冷却水量；Qa为冷却水量带走的热量；Cp为冷却水的比热容。

根据式(1)—(4)对某高温高压反应器内壁进行传热计算,计算条件和计算结果分别如表1和表2所示。

表1 计算条件

表2 计算结果

1.2 高温高压反应器传热过程的数值模拟

1.2.1几何模型

本研究针对高温高压反应器结构建立相应的几何模型,流体计算空间为300 mm×1 000 mm,整个流体计算域采用二维轴旋转几何模型,网格为四边形网格,靠近壁面处网格较密,整个模型尺寸及边界条件如图1所示,图2为计算区域内的网格划分。

图1 计算模型

图2 模型网络

1.2.2计算模型与边界条件

本研究采用的湍流模型为标准k-ε湍流模型[2],该模型是典型的两方程模型,由Launder和Spalding于1972[9-10]年提出,是目前使用最广泛的湍流模型,在标准k-ε模型中,湍动能k和湍动能耗散率ε是2个未知量,与之对应的输运方程[11-13]如下式所示:

(5)

(6)

式中:ρ为密度;μ为层流粘性系数;μt为湍流粘性系数;ui为速度在i方向上分量;Gk是由平均速度梯度而产生的湍流动能;Gb是由浮力而产生的湍流动能;YM是由在可压缩湍流过渡到全部扩散速率而引起的波动扩张;σk和σε分别为k和ε的湍流普朗特数;C1ε,C2ε和C3ε为常数;Sk和Sε为自定义源相。

辐射传热模型的选择对温度分布的准确模拟起决定性作用,正确选取辐射换热模型是传热模拟的关键问题[14]。离散坐标法(DOM)算法可靠,计算工作量小,计算结果精度较高,是目前反应器内辐射传热过程数值模拟的一种较好方法[15],其输运方程如下式所示:

·(I(r,S)S)+(α+σS)I(r,S)=

(7)

与工程计算对应的反应器边界条件见表3。

表3 边界条件

2 结果与讨论

2.1 反应器内气体温度分布

图3为高温高压反应器内气体温度分布云图,图4和图5分别为高温气体沿反应器轴向和径向的温度分布曲线。

图3 反应器内气体温度分布云图

图4 反应器内气体温度沿轴向分布

图5 反应器中点处气体温度沿径向分布

从图4中可以看出,不同气体温度条件下,高温气体沿轴向的温度分布趋势相同,气体温度沿着轴向方向逐渐减小,温度梯度不大,数值模拟结果与工程计算结果吻合性很高,最大差值仅为1.8%。从图5中可以看出3种气体温度条件下,高温高压反应器内气体温度先沿着径向呈略微减小趋势,在贴近壁面处(0.15 m处)出现较大的温度梯度,气体温度由2 000 K以上降低到400 K以内,这是由于气体在壁面处存在的温度边界层所产生的大温度梯度导致的。

2.2 内壁内侧温度分布

图6 反应器内壁内侧温度分布

从图6中可以看出不同气体温度条件下,高温高压反应器内壁内侧温度分布趋势相同,入口处内壁内侧温度较高,内壁温度沿着反应器长度方向快速下降,随后趋于稳定,在内壁中段和后段壁温基本达到稳定。随着反应器内气体温度的升高,虽然冷却水水量由15 t/h增加到25 t/h(见表3),但反应器内壁内侧温度仍不断升高,这是因为高温气体的辐射能力受气体温度影响很大,气体温度越高,其热辐射能力就越大,高温气体向壁面传递的热量也就越多,内壁温度也就越高。此外,不同温度条件下,数值模拟计算得到的内壁平均温度(实心标记)与工程计算结果(空心标记)的差别在8%以内。

2.3 内壁外侧温度分布

图7 反应器内壁外侧温度分布

从图7中可以看出不同气体温度条件下,高温高压反应器内壁外侧温度分布趋势相同,内壁温度沿着反应器长度方向快速下降,随后趋于稳定,在内壁的后段壁温稍显增加趋势,这是因为冷却水经过反应器前段后水温有所增加,在反应器后段的冷却能力有所下降,从而导致内壁温度稍有升高。与图6相比,高温高压反应器内壁外侧温度与内侧温度分布趋势相同,不同温度条件下,数值模拟得到的内壁外侧平均温度与工程计算结果的最大差值为3.5%。

2.4 冷却水温度分布

从图8中可以看出不同气体温度条件下,冷却水温度分布趋势是沿着反应器轴向不断增加,不同气体温度条件下,冷却水出水温度稍高于工程计算假设值,最大差值仅为1%,验证了工程计算的假设,体现了工程计算的合理性。

3 结论

采用工程计算和数值模拟相结合的方式对高温高压反应器内壁传热进行了计算,通过对两种算法得到的结果进行对比分析,研究了高温高压反应器内壁的传热情况,分析了反应器内高温气体沿轴向和径向的变化规律以及反应器内壁纵向温度的分布规律,结果如下。

图8 冷却水温度分布

1) 不同气体温度条件下,高温高压反应器内气体温度沿轴向和径向温度分布趋势相同,数值模拟计算得到出口气体平均温度与工程计算结果一致,最大差值仅为1.8%;

2) 不同气体温度条件下,反应器内壁内侧和外侧温度分布趋势相同,两种计算方法计算得到的内壁内侧和外侧温度相差不大,内壁内侧温度差值在8%以内,内壁外侧温度差值最大为3.5%;数值模拟计算得到冷却水温度与假设值差值仅为1%,验证了工程计算的假设,体现了工程计算的合理性;

3) 与工程计算相比,数值模拟更能真实的反应高温高压反应器内温度分布的变化,具有更高的准确性。

[1]张丙模.小型高温高压反应器及加压炭催化CH4/CO2重整研究[D].太原:太原理工大学,2010.

[2]董跃.煤制甲烷小型高温高压反应器的研究和开发[J].煤炭转化,2010,33(2):66-67.

[3]邰学林.等压内冷式高温高压化学反应器[P].中国发明专利: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]陶文铨.数值传热学[M].西安:西安交通大学出版社,2001.

[7]张先棹.冶金传输原理[M].北京:冶金工业出版社,1988.

[8]王秉铨.工业炉设计手册[M].北京:机械工业出版社,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]张德良.计算流体力学教程[M].北京:高等教育出版社,2010.

[12]John D，Anderson J R.计算流体力学入门[M].北京:清华大学出版社,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.

(编辑：刘笑达)

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

国家重大科学仪器设备开发专项基金资助项目(2011YQ14014505)

赵飞(1987-)，男，河南驻马店人，博士生，主要从事冶金工程专业研究，(Tel)15210607010

张延玲，女，副教授,(Tel)13911891432

1007-9432(2014)02-0163-05

TK175

:A