固定床反應器內流場的CFD模擬研究

馮振君（中石化濟南分公司，山東 濟南 250014）

固定床反應器內流場的CFD模擬研究

馮振君（中石化濟南分公司，山東 濟南 250014）

固定床反應器內流場不穩定，壓降以及流體速度變化梯度較大對裝置運行的穩定性產生較大影響。本文利用CFD數值模擬方法，結合多孔介質模型對固定床內流場進行模擬研究，詳細分析了全床內的壓力分布及速度分布。研究發現，固定床壓降增加的主要區域發生在催化劑堆積區，且擴徑和縮徑處存在較大的速度梯度，導致床體受到一定的沖擊。

固定床;數值模擬;流場

眾所周知，固定床反應器在石油化工、冶金等領域有著非常廣泛的應用。例如，典型的催化重整反應器是其在石油化工中的重要應用之一。油氣進入固定床反應器與催化劑接觸進行反應，反應后的產物從反應器引出。研究固定床流動特性對反應器的優化操作和設計有著至關重要的意義。隨著計算流體力學（CFD）的發展以及計算設備的日益強大，CFD數值模擬方法越來越廣泛的用于機械設計和操作優化。利用CFD模擬可以在較短的時間里得到流場詳細的信息，不僅為實驗提供指導，還可以為優化和設計提供理論基礎。本文采用CFD數值模擬方法，模擬小型固定床流動特性，包括內部流場及壓降，為固定床反應器的優化、設計和放大提供依據。

1 模擬對象及工況設置

首先利用CAD軟件構建固定床的幾何模型，如圖1-(a)所示。進口管道直徑為16 cm，催化劑堆積區域直徑為50 cm，床層高度為150 cm，催化劑粒徑為100 cm。因流道空間比較復雜，采用Gambit軟件對其進行有限元非結構網格劃分，如圖1-(b)所示。其中，網格總數為25000。入口邊界條件為速度入口，氣速為10 m/s，介質為空氣。出口邊界條件為壓力出口。壁面采用無滑移邊界條件，采用標準壁面函數。

圖1 固定床的幾何模型及網格劃分

2 數學模型

N-S方程是計算流體力學研究中的最基本方程，可以比較準確地描述流動，適用于可壓縮粘性流體的流動，其運動方程如下式所示：

其中，湍流模型采用k-ε湍流模型，采用分離隱式求解器求解其內部流場。將催化劑堆積區域視為多孔區域，采用多孔介質模型來描述。其中粘性阻力為2e+09 1/m2。內部阻力系數為15000 1/m2。其中空隙率設置為0.4。

3 計算結果與分析

首先，本文統計了固定床的出口和入口的流量，分別為1.9475 kg/s和1.9474 kg/s。可見出口流量與入口流量基本相同，說明整個模擬流域基本趨于穩定。

對于固定床反應器而言，其內部流場及壓降的信息對其操作和優化有著重要的意義。利用CFD模擬可以得到全床任意位置處的壓力信息和速度信息。圖2-(a)為固定床反應器的壓力分布云圖。由圖2-(a)可以看出氣體在入口處壓力較大，出口處壓力較小，在固定床的催化劑堆積處壓力梯度較大、壓降較大。說明了若要降低固定床反應器的壓降需要對催化劑的堆積進行優化設計。

圖2-(b)為流體的速度分布云圖。由圖2-(b)可以看出，在入口處由于存在明顯的擴徑，流體速度迅速降低，而在催化劑填料區速度變化不大。此外，出口處由于存在縮徑，流體速度反而增加。由此可知，在擴徑段和縮徑段流體的速度變化梯度較大，將會對固定床反應器造成一定的沖擊。

圖2 固定床內的壓力及速度分布云圖

4 結語

本文利用CFD數值模擬方法，結合多孔介質模型對固定床全床流場進行模擬研究。通過對壓力分布及速度分布的云圖進行分析可以得到，催化劑堆積區是固定床壓降增加的主要區域，而擴徑和縮徑段的存在會導致較大的速度梯度，導致床體受到一定的沖擊。因此，若要達到固定床的平穩操作需要對催化劑堆積區域以及出、入口區域進行合理設計。

馮振君(1990-),中石化濟南分公司,男,山東聊城,本科,助理工程師,油氣加工工藝