王富荣，石磊，刘姣，丁茯，安萍

工艺与装备

快速移热型螺旋缠绕式反应器数值模拟

王富荣1，石磊1，刘姣2，丁茯1，安萍1

（1. 沈阳化工大学 资源化工与材料教育部重点实验室，辽宁 沈阳 110142；2. 中国科学院 过程工程研究所, 北京 100190）

为解决传统的绝热固定床反应器不能快速移除反应热的问题，创建了一个内置8根“蛇形”移热管的三维螺旋缠绕式反应器模型，并对其进行了网格独立性验证，最终确定其网格数目为6 216 916个。为验证其移热效果，又分别创建了8根移热管的列管反应器模型1和24根移热管的列管反应器模型2，使用ANSYS Fluent软件分别对三个反应器进行冷水和热空气的逆流换热模拟。采用多孔介质模型代替实际的催化剂，实现气相、催化剂床层、移热管和管内冷却液完全耦合传热的三维计算流体力学（CFD）模拟。模拟结果表明，螺旋缠绕式反应器的进出口温差约为270 K。列管反应器1的进出口温差为30 K。列管反应器2的进出口的温差为157 K。螺旋缠绕式反应器的移热效果比两个传统的列管反应器好，这是由于反应器中的“蛇形”移热管结构增大了反应器的换热面积，所以它的移热效果最好。

数值模拟；螺旋缠绕式反应器；移热

固定床反应器广泛应用于石油、制药、化工、冶金、纺织、电力等领域，例如，在炼油厂的建设中，反应器的投资约占整个工艺设备投资的35%~40%[1]。目前，大部分的商业化固定床反应器工艺，如鲁奇(Lurgi)、托普索(TREMPTM)、以及 DAVY等[2]，由多个反应器串联组成，通过补充产品循环气或水蒸气来消除反应热[3]。此类工艺多段绝热、气体循环和多段移热比较复杂，因此有必要开发一种新型的单段反应器，快速移除反应热，缩短反应流程。

螺旋缠绕式反应器是一种新型的反应器，具有安全性高、床层阻力低、移热性能好等优点，可广泛应用于各种工业领域[4-7]。为了减少传热过程中的热损失，提高能量利用效率，许多学者对缠绕式反应器的流体流动和传热特性进行了广泛的研究[8]。为了解决缠绕式反应器壳程的传热问题，Wu等[9]建立了均相流的理论模型。Jamshidi等[10]通过实验分析了螺旋管式换热器的强化传热效果，结果表明增大螺距有利于获得高的传热速率。

在本研究中，我们的目标是设计一个螺旋缠绕式反应器，以实现反应热的快速移出。反应器内置“蛇形”移热管束，以中央支撑管为中心，类螺旋状布置。同时，创建了两个传统的列管反应器，并使用ANSYS Fluent软件分别对三个反应器进行了水-气逆流换热模拟，验证新型螺旋缠绕式反应器的强化传热效果。

1 螺旋缠绕式反应器建模

1.1 反应器几何模型及网格划分

使用ANSYS Design Modeler软件创建了三维螺旋缠绕式反应器模型。反应器的模型结构如图1所示，具体的几何尺寸如表1所示。

图1 螺旋缠绕式反应器几何模型

进气口位于反应器上方，轴向进气。原料混合气从顶部进入，流经“蛇形”移热管和催化剂并发生反应，最后从反应器底部流出。移热介质循环水从底部进入，在移热管内流动并带走反应热，从顶部流出，与反应气逆流换热。管外装填催化剂，管内移热介质水，床层的阻力低。反应器有两层管，每层有四个管，两层管之间的螺旋方向相同。

表1 螺旋缠绕式反应器几何尺寸

螺旋缠绕式反应器有效的反应高度为1 000 mm, 有效的反应直径为420 mm，共有8根移热管，每根移热管在入口和出口处都有50 mm的直管，移热管之间的间距为30 mm，移热管的直径为38 mm，厚度为2.5 mm，移热管的排布方式为圆形排布。中央支撑管的直径为100 mm，由于支撑管在模拟中的作用不大，所以忽略。小弯管半径为50 mm。

本文使用ANSYS Meshing模块对螺旋缠绕式反应器进行网格划分，为提高计算精度，对移热管附近区域进行了加密处理。为了更好地捕捉移热管附近的温度梯度变化，对管壁两侧的流体域添加边界层，一共5层，增长率为1.2。最终得到的网格如图2所示。

图2 螺旋缠绕式反应器网格划分

1.2 网格独立性验证

为确保计算精度、模拟结果的准确和减少计算时间对反应器的网格进行了独立性检验。划分了3组网格，网格单元数量分别为5 815 703、6 216 916和6 607 746。当入口速度为2 m·s-1时，提取直线=120 mm的数据，得到螺旋缠绕式反应器轴向速度分布。如图3所示，3种网格数量的轴向速度分布曲线基本一致。综合考虑计算速度、计算资源和计算精度，故本文模拟过程所采用的网格单元数为6 216 916个。

图3 不同网格数对轴向速度模拟结果的影响

2 列管反应器建模

为了验证螺旋缠绕式反应器强化传热效果，设计了两个不同的列管反应器与螺旋缠绕式反应器进行移热对比。两个列管模型如图4所示。

图4 列管反应器模型

表2 列管反应器模型1几何尺寸

表2为列管反应器模型1的几何尺寸。移热管的数目和螺旋缠绕式反应器的数目相同。移热管管径、反应器直径和高度、中央支撑管直径等都与螺旋缠绕式反应器的相同，而且8根移热管的位置都与螺旋缠绕式反应器中的直管的位置相同。共有两层移热管，每层4根。

表3 列管反应器模型2几何尺寸

表3为列管反应器模型2的几何尺寸。将移热管的数目增加到24根，其他的设计条件与列管反应器模型1相同。共有两层移热管，其中，内层9根，外层15根。图5和图6分别为列管模型1和列管模型2的网格。

由于两个列管反应器模型结构简单，并且非常规整，因此，使用结构网格对反应器进行网格划分。对移热管两侧的流体添加边界层，一共5层，增长率为1.2。两个列管反应器模型最终划分的网格单元数分别为2 863 800和3 923 600个。

3 模拟设置及控制方程

分别将三个反应器的网格模型导入商业计算流体力学软件ANSYS Fluent 中，进行流动移热模拟。移热介质为水，冷却水自下而上走管内，热空气自上而下走管外，两者逆流换热，水的初始温度为300 K，空气的初始温度为573.15 K。边界条件采用速度入口和压力出口，空气和水的入口速度都为2 m·s-1，出口压力为0 Pa（表压）。移热管的材料为钢。反应器内填充的催化剂为Ni/Al2O3，密度为2 763 kg·m-3，热导率为0.75 W/(m·k)-1，催化剂床层的孔隙率为0.48。使用多孔介质模型代替实际的催化剂床层。反应器壁面采用无滑移边界条件。使用Coupled压力-速度耦合算法，稳态模拟。模拟的收敛精度设置为1 e×10-6，当计算残差小于1 e×10-6时，可认为计算收敛。

图5 列管反应器1网格划分

图6 列管反应器2网格划分

冷却水从反应器底部入口进入移热管并与热空气进行逆流化热，这一系列过程需要满足质量守恒、动量守恒和能量守恒定律[11]。该模拟需要满足的控制方程如表4所示。

表4 控制方程

4 模拟结果分析

在ANSYS Fluent软件中迭代计算收敛后，将计算结果导入到专业的后处理软件CFD-Post中进行后处理。为了比较三个反应器的移热效果，分别提取三个反应器中央轴截面的温度分布云图，得到的结果如图7所示。

图7 反应器中央轴截面的温度分布

如图7所示，热空气通过入口进入反应器，流经移热管后，气体的温度逐渐降低。在三个反应器中，螺旋缠绕式反应器的移热效果最好，列管反应器1的移热效果最差。为了更好地比较三个反应器最终的移热效果，因此，分别提取三个反应器出口的温度分布云图，结果如图8所示。

图8 反应器出口的温度分布

如图8所示，螺旋缠绕式反应器的出口的温度最低，列管反应器1的出口温度最高。在螺旋缠绕式反应器和列管反应器2的出口处，都是壁面的温度最高，约为490 K和510 K，这是因为反应器的壁面为绝热壁面，反应器不能与外界换热，所以壁面附近的温度较高。在列管反应器1的出口处，只有移热管附近的流体温度最低，其他区域基本没有移热。两层移热管之间的温度最低。为了定量的对比三个反应器的移热效果，利用后处理工具CFD-Post分别在三个反应器的中央轴向截面上插入与反应器等高的=120 mm的直线，并提取每条线上的数值，绘制出三个反应器的温度变化，得到的结果如图9所示。

图9 反应器中直线X=120 mm的轴向温度分布

如图9所示，空气的温度沿着反应器逐渐降低。螺旋缠绕式反应器的移热效果最好，进出口的温差约为270 K。列管反应器1的移热效果最差，反应器进出口的温差为30 K。列管反应器2的移热效果介于螺旋缠绕式反应器和列管反应器1之间，反应器进出口的温差为157 K。研究表明，反应器的移热能力与反应器的换热面积有很大的关系，换热面积越大，移热效果越好。在本章的三个反应器中，换热面积与每个反应器中移热管的总表面积相同。经计算，螺旋缠绕式反应器的换热面积为5.84 m2，列管反应器1的换热面积为1.01 m2，列管反应器2的换热面积3.03 m2，因此，由于螺旋缠绕式反应器中“蛇形”的移热管结构增大了反应器的换热面积，所以螺旋缠绕式反应器的移热效果最好。

3 结束语

本文使用ANSYS Design Modeler软件创建了三维螺旋缠绕式反应器模型， 为检验螺旋缠绕式反应器的移热效果，又创建了两个传统的列管反应器模型，分别为8根移热管的列管反应器模型1和24根移热管的列管反应器模型2。分别将三个反应器模型导入到ANSYS Fluent软件中，进行冷水和热空气的逆流换热迭代计算。模拟结果表明，螺旋缠绕式反应器的进出口的温差约为270 K，移热效果最好。列管反应器1进出口的温差为30 K，移热效果最差。列管反应器2的进出口的温差为157 K，移热效果介于螺旋缠绕式反应器和列管反应器1之间。经计算，螺旋缠绕式反应器的换热面积为5.84 m2，列管反应器1的换热面积为1.01 m2，列管反应器2的换热面积为3.03 m2。因此，由于螺旋缠绕式反应器中“蛇形”移热管结构增大了反应器的换热面积，所以它的移热效果比两个传统的列管反应器好。未来可将螺旋缠绕式反应器应用于甲烷化等强放热反应中。

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Numerical Simulation of Fast Heat Transfer Spiral Wound Reactor

1,1,2,1,1

（1. Key Laboratory on Resources Chemicals and Materials of Ministry of Education, Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang Liaoning 110142, China;2. Institute of Process Engineering, Chinese Academy of Science, Beijing 100190, China）

In order to solve the heat transfer problem of highly exothermic reaction in the traditional adiabatic fixed bed reactor, a three-dimensional spiral wound reactor with eight "serpentine" heat transfer tubes was modeled, and corresponding grid independence test was conducted. Accordingly, the grid number was determined as 6216916. In order to further verify its heat transfer effect, the model 1 of tubular reactor with 8 heat transfer tubes and the model 2 of tubular reactor with 24 heat transfer tubes were created, respectively. The countercurrent heat transfer between cold water and hot air in the three reactors were simulated by ANSYS Fluent software. The porous media model was employed for the actual catalyst bed. Then, the three-dimensional computational fluid dynamics (CFD) simulation of fully coupled heat transfer among gas phase, catalyst bed, heat transfer tube and coolant in the reactors was realized. The simulation results showed that the temperature difference between inlet and outlet of spiral wound reactor was about 270K,while the temperature difference between inlet and outlet of tubular reactor model 1 and model 2 were about 30K and 157K, respectively. These results verified the better heat transfer performance of spiral wound reactor compared with two traditional tubular reactors. Further analysis showed that the serpentine heat transfer tube structure increased the heat exchange area in the reactor, leading to its excellent heat transfer performance.

Numerical simulation; Spiral wound reactor; Heat transfer

国家重点研发计划（项目编号：2018YFB0604503）。

2020-11-11

王富荣（1994-），男，硕士研究生，山东省济南市人，2018毕业于鲁东大学高分子材料与工程专业，研究方向：数值模拟。

丁茯（1974-），女，教授，博士，研究方向：绿色催化；安萍（1991-），女，中级，硕士，研究方向：过程模拟与仿真。

TQ 015.2

A

1004-0935（2020）12-1489-05