固定床反应器内流场的CFD模拟研究
用CFD方法模拟膜生物反应器内部流场及布气优化
中空纤维膜材料与膜过程教育部重点实验室 天津 ! * F 天津工业大学 0 ' M '环境与化学工程学院 ) ) ! @ D 北京 * 北京 * # F 中国科学院生态环境研究中心污染控制研究室 ) ) ) @ A ! F 北京市交通运输环境保护中心 ) ) ) * ! 天津 ! + F 天津膜天膜科技股份有限公司 ) ) + A D
收稿日期 # ) * # E * * E # D 基金项目 国家自然科学青年基金 # $ % 国家水体污染控制与治理科技重大专项 # $ A * ! D @ ! + G( A * * ) @ ! * + # ) * * H g ) D ! * D E ) ) * 作者简介 王 ! 捷# $ & 男& 副教授 & 博士 & 主要从事膜法水处理技术的研究 & # $ ' * G D G E ; E < 0 3 & W 0 / 3 9 8 ' 9 ? ' 6 / ! = B B >
!! 为了减缓膜面污染及维持高浓度的污 泥 生 化降 " 解 能 力 &膜 生 物 反 应 器 # Z 9 < M . 0 / 9J 3 % . 9 0 6 8 % . 运行过程中 需 要 高 强 度 的 曝 气 作 用 ' 因 此 与 ZJ S$ 其它污水处理工艺相比 & ZJ S 运行中需要 很高的 能 其中膜擦洗曝气 ( 生化工艺曝气能耗占 系 统 运行 耗& ) ** 能耗的 D ' 因此了解各种布 气 方式下 ZJ "` S内 部流场特 性 & 对 于 合 理 设 计 ZJ S 构型及布气方式 以达到节能降耗的目的至关重要 ' 由于反 应 器 内部 流场复杂多变 & 因此仅通过实验手段获得整体流场 分布特性受到 一 定 的 局 限 性 ' 近 年 来 & 随着计算流 " 技术 体力学 # 2 % < 8 0 8 3 % / 0 &V & 3 ?I / 0 < 3 6 C 2 V I$ > K 已在反应器设 计 ( 优 化中 得到 及其软件的迅速发展 & # E +* 了广泛的应用 ) & 它的优势在于应用数值软件求解 可以实现过程设计 ( 优 化以 及 放大 ' 如今 描述过程 & A E @* 已成为解决工程问题的一种新的手段 ) ' 内 部 流 场 数 值 模 拟 属 于 气 液 两相流范 ZJ S ) G E * #* 畴 & 气液两相流是 常 见 的 一 种 物 质 流 动 & 广泛应 * ) E * #* 用于 工 程 和 环 境 领 域 中 ) ' 在 ZJ 运 行 过程 S 中& 曝气是重要的环节 & 曝气的作用一方面 是 向 反 应 以保证好氧微生物所需 的溶 解氧 % 另一 器内充空气 & 方面是吹扫膜组件 & 气泡对膜面的冲刷剪切以减缓膜 * * ! E * A 污染) ' 对于 Z 由于 J S 构型 及 布气 方式的优 化 & 有些问 工程实际装置的复杂性及实验条件的局限性 & 题在实验室难以完 成 ' 而 计 算 流 体 力 学 模 拟 可 以 实 )" * 现及预见工程放大可能出现的一些问题 '\ . % & &等 * 运用 2 V I 对应用 最广 泛的 Z J S 反应池 构 型 进行 了 二维数值模 拟 & 对 其进行布 气 方式 优化 & 考 察了 特 定 曝气强度和布气方式对 Z J S 运行特性的影响 ' 在上述研 究 的 基 础 上 & 运用 2 V I 数值模拟方法 对曝气引发的 Z 同时 J S 内流场的状态进 行了分 析 & 比较了曝气管正对 齐 膜 组 件 下 方 # 简称+ 对 齐, 布 气$ 及+ 对齐 , 布气时在膜单元两侧加上曝气导流板 # 简称 + 对齐 , 导流布气 $ 构型的改进给 Z J S 内部流 场 带来 的改变 & 由此 提出 了布气方 式 的优 化方案 & 以便 为 大 型Z 工程设计提供相应的理论基础 ' J S
反应器内流动场的数值模拟研究
反应器内流动场的数值模拟研究在化学工程、生物工程等众多领域中，反应器是实现物质转化和能量传递的关键设备。
而反应器内的流动场特性对于反应过程的效率、产物的质量和产量等方面都有着至关重要的影响。
因此，对反应器内流动场进行深入研究具有重要的理论意义和实际应用价值。
数值模拟作为一种有效的研究手段，能够在不进行实际实验的情况下，预测反应器内流动场的分布情况，为反应器的设计、优化和操作提供重要的参考依据。
通过建立合理的数学模型和采用适当的数值计算方法，可以模拟出反应器内流体的速度、压力、温度等物理量的分布，从而揭示流动场的内在规律。
在进行反应器内流动场的数值模拟时，首先需要对反应器的几何结构进行精确的描述。
这包括反应器的形状、尺寸、进出口位置等信息。
同时，还需要确定流体的物理性质，如密度、粘度等。
这些参数的准确性直接影响到数值模拟结果的可靠性。
数学模型的建立是数值模拟的核心环节之一。
常见的数学模型包括连续性方程、动量方程和能量方程等。
这些方程描述了流体的质量守恒、动量守恒和能量守恒原理。
为了更好地模拟实际情况，还需要考虑流体的湍流特性、化学反应等因素。
在湍流模拟方面，常用的模型有 kepsilon 模型、雷诺应力模型等。
对于涉及化学反应的情况，则需要引入相应的反应动力学方程。
数值计算方法的选择也是至关重要的。
有限差分法、有限元法和有限体积法是常用的数值计算方法。
有限差分法简单直观，但对于复杂几何形状的适应性较差；有限元法在处理复杂几何形状和边界条件方面具有优势，但计算量较大；有限体积法在守恒性方面表现出色，适用于大多数流体流动问题。
在实际应用中，需要根据具体问题的特点选择合适的数值计算方法。
在完成数值模拟计算后，需要对结果进行详细的分析和评估。
通过可视化技术，可以直观地展示反应器内流动场的分布情况，如速度矢量图、压力云图等。
同时，还可以提取关键位置的物理量数据，进行定量分析。
例如，分析进出口的压力差、速度分布的均匀性等。
流体力学中的CFD模拟研究
流体力学中的CFD模拟研究CFD模拟是指在计算机上运用数值计算和模拟技术，对流体的物理过程和流动特性进行分析研究的一种方法。
CFD技术的广泛应用，源于其高效性、低成本性和灵活性。
流体力学中的CFD模拟，可以用于研究各种流动过程，提升工艺效率，改善产品性能，优化设计方案等方面。
本文将从CFD模拟的定义入手，分别从数值分析、物理模型、数值算法和应用领域等方面，介绍CFD模拟在流体力学中的应用现状和发展趋势。
一、CFD模拟的数值分析CFD模拟是基于数值分析方法进行研究的，因此数值的准确性和稳定性是保证模拟精度的重要保障。
在进行CFD模拟时，需要对流体的物理特性进行数值处理，将流体的连续、动量和能量方程转化为数学模型，并通过计算机程序进行求解。
数值分析中关键的概念包括离散化、差分格式、收敛性、稳定性等，这些要素在CFD模拟中都具有重要的意义。
二、CFD模拟的物理模型流体力学中的CFD模拟，需要对流体的运动方程和物理模型进行建立和求解。
在建立物理模型时，需要根据具体问题选择相应的数学模型和物理模型，以适应不同流体场的特性。
物理模型分为两类，一类是欧拉方程模型，这种模型适用于高速压缩气流等欧拉流场；另一类是Navier-Stokes方程模型，这种模型适用于低速流体流场等复杂流动场。
三、CFD模拟的数值算法CFD模拟的数值算法是采用有限差分法、有限体积法、有限元法和谱方法等数值方法，对物理方程进行离散处理，通过迭代计算取得输出结果。
在数值算法中，差分格式的设计和选取对求解的精度和效率都有很大影响，因此需要在具体问题中选择合适的数值算法和差分格式。
四、CFD模拟的应用领域CFD模拟在工业和科学领域中有着广泛的应用，可以用于流体流动的数值计算、精细化工艺过程的数值模拟、气体和液体的混合过程研究、航空航天等领域的设计优化等方面。
例如，可以采用CFD模拟对液体混合过程进行数值模拟，研究不同混合比例对混合效果的影响；可以利用CFD模拟对船舶的水动力性能进行数值计算，研究不同外形对流阻力的影响等方面。
CFD仿真模拟技术和模型介绍flunet模拟仿真计算流体力学
CFD仿真模拟技术在流体动力学研究中的应用
随着计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）的不断发展，仿真模拟技术在流体动力学研究中的应用越来越广泛。
CFD是一种使用数值方法对流体流动进行模拟的计算技术，它可以预测流体动力学行为，为工程设计和优化提供重要依据。
本文将介绍CFD仿真模拟的基本原理、方法和应用实例。
一、CFD仿真模拟的基本原理
CFD仿真是通过计算机模拟流体流动的过程，它基于流体力学基本控制方程，如Navier-Stokes方程、传热方程等，通过数值计算得到流场的分布、变化和相互作用等细节。
CFD仿真是一种基于计算机的技术，因此它具有高效、灵活、可重复性高等优点。
二、CFD仿真模拟的方法
CFD仿真模拟的方法可以分为直接数值模拟（DNS）和基于模型的模拟（MBM）两种。
1.直接数值模拟（DNS）
DNS是通过直接求解流体控制方程的方法进行模拟。
它能够准确地模拟流体的运动规律，但计算量大，需要高性能计算机支持，且对计算资源和时间的要求较高。
通常，DNS用于研究简单流动现象或作为参考模型。
2.基于模型的模拟（MBM）。
固定床催化剂反应器流动性能研究
固定床催化剂反应器流动性能研究固定床催化剂反应器是一种重要的化工设备，广泛应用于化学反应、石油化工、环保领域等。
固定床催化剂反应器的流动性能是影响化学反应效率和结果的重要因素之一，因此，我们需要对其进行深入的研究。
一、固定床催化剂反应器的原理固定床催化剂反应器是一种连续流动反应器，反应器内置有固定的催化剂床，反应物从反应器底部进入，反应物在催化剂中发生化学反应后，产生的产物从反应器顶部出口排出，而未反应的反应物则循环再次进入催化剂床。
固定床催化剂反应器的反应过程中需要考虑的参数非常多，比如气体的流量、压力、温度、反应物质的化学成分、反应物料的粒度等等。
同时，由于反应器内的催化剂是非常脆弱的，因此反应器需要考虑到催化剂的质量和寿命等因素，这些都是固定床催化剂反应器研究的重要方面。
二、影响固定床催化剂反应器流动性能的因素1、催化剂的形状和尺寸催化剂的形状和尺寸会直接影响反应器的流动性能。
当催化剂粒子太小，反应物进入反应器后容易悬浮在空气中而无法顺畅地移动。
而对于催化剂粒子太大，则会导致反应物无法进入催化剂床内，从而降低反应效率。
2、流速反应器内流速越快，反应物就越容易经过催化剂床并进行反应。
但是速度过快也容易导致催化剂床内压力过高、温度过高，同时也会磨损催化剂，缩短催化剂的寿命。
3、气体的状态气体是反应过程中的主要流体，其状态对反应器流动性能有重要影响。
气体的流量、压力和温度都需严格控制，且反应过程中产生的气体必须及时排出，以维持反应器的正常运作。
三、固定床催化剂反应器流动性能研究的方法1、计算模型通过计算机模拟的方法，可以预测固定床催化剂反应器的流动性能，并优化反应器的设计。
这种方法需要长时间的计算，以获得精确的结果。
计算模型可以进行参数优化，改善反应器的性能。
2、实验研究实验研究是一种验证计算模型和优化参数的方法。
实验可以通过摄像头、传感器等实验设备对反应器内的参数进行实时监控，并对反应器内的不同参数进行改变，观察对反应结果的影响。
CFD方法在固定床反应器传热研究中的应用_郭雪岩
第59卷 第8期 化 工 学 报 V ol .59 N o .8 2008年8月 Jo urna l of Chemical I ndust ry and Engineer ing (China ) Aug ust 2008综述与专论 CFD 方法在固定床反应器传热研究中的应用郭雪岩(上海理工大学动力工程学院,上海200093)摘要:固定床反应器是一种常见的化学和生化反应器,由于内部结构十分复杂,固定床内的局部流动和传热过程研究一直是一个颇具挑战性的问题。
有效参数法是长期以来固定床传热研究的常用方法,但是由于对固定床内温度场缺乏准确的了解,目前为止许多基于有效参数法的传热模型的普适性仍然存在问题。
计算流体力学(CFD )的数值模拟方法是近年来应用于固定床流动和传热研究的一种新的研究方法,它通过数值方法求解流动和传递的微分方程组而获得流场和温度场。
CFD 数值模拟方法能够提供精确的局部流动和传递信息如速度分布、压力分布、温度分布、组分浓度分布等。
本文综述和分析了CFD 方法在固定床反应器的流动和传热研究领域的最新进展,讨论了CFD 方法在该领域的应用前景。
关键词:固定床;CF D ;传热中图分类号:T Q 021.1 文献标识码:A文章编号:0438-1157(2008)08-1914-09CFD m odeling of heat transfer in fixed bed reactorsGUO Xuey an(School o f Power Engineering ,University of S hanghai f or S cience and Technology ,Shanghai 200093,China )Abstract :Fixed bed reacto rs (FBRs )have been widely used in chemical and bio -chemicalpro cesse s .H ow ever ,lo cal flo w and heat transfer in fixed bed reactors have challenged researchers fo r a long period .Altho ug h the effective parameter me thods hav e been applied ex tensively to m odeling local heat transfer in fixed beds ,the g eneral validity of effectiv e paramete rs m odeling is still questionable due to the lack of full understanding of lo cal tempe rature fields in fixed beds .The co mputational fluid dynamics (CFD )technique is a new alternative to experimental appro aches to investiga te flow s and heat transfer in fix ed beds .It num erically solves the flow and /or transport go verning equations and o btains local informa tion like flow and temperature fields .In co ntrast to the averag ed values acquired w ith the conventional theoretical and ex perimental methods ,the results of CFD sim ulation are accurate local distributions of velocity ,pressure ,temperature ,specie concentration and so o n .The latest wo rk and pro gress in the field o f CFD modeling o f hea t transfer in fixed bed reactors we re reviewed and analyzed ,and also the perspectives of CFD application in fix ed bed modeling w ere discussed .Key w o rds :fix ed beds ;CFD ;hea t transfer 2008-05-27收到初稿,2008-06-20收到修改稿。
反应器液体分布器CFD模拟优化研究
反应器液体分布器CFD模拟优化研究摘要:液体分布器的分散效果影响着液-液反应的进行，本文以某反应器液体分布器为研究对象，采用CFD方法对其进行了流动模拟研究，得到了其内部压力、速度分布等信息，在分析了当前设计的液体分布器存在的问题，从结构上提出了优化方案，进行了优化模拟，为该烷基化反应器液体分布器的工业设计提供了参考。
关键词:液体分布器；CFD模拟；结构优化中图分类号：TQ021 文献标识码： A引言反应器对于化工工艺的实现起着至关重要的作用，对于液液两相反应，反应器内液体分布器的分散效果好坏直接决定了烷基化反应效率的好坏。
通过理论计算能够大致得到液体分布器的分散情况，但是若要得到精度更高更为准确的分散情况便变得较为困难，同时也很难通过传统的实验方法测得液体分布器各个出孔的数据。
随着计算流体力学的发展，CFD（Computational Fluid Dynamics）方法以其在既无法做分析解而又难以实验确定的复杂问题上表现出具有成本低而又能模拟较复杂或较理想过程等优点而越发成为现今科学研究、产品设计等的重要手段[1]。
本文以某反应器的液体分布器为研究对象，采用CFD模拟的方法，对液体分布器进行了模拟研究，优化分布器结构参数，为反应器设计提供一定的指导作用。
值得一提的是，很多反应器都是液-液反应，因此本文对液体分布器的模拟优化研究具有普适意义。
1 液体分布器几何模型某反应器选用排管式液体分布器，其工艺尺寸如下：分配主管直径为200mm，布液支管直径为30mm，总支管2×13=26根，以中心支管为对称中心对称排列，间距为70.7mm，中心支管长430mm，其余长度分别为430/430/430/360/290/220 mm，小孔直径6 mm，孔间距为70.7 mm，按正方形排列，并且距器壁20mm的区域不布孔，主管的正下方开13个孔，布液管上开132个孔，分别为6/6/6/6/5/4/3，均开在下方，孔总数为145个。
气固湍动流化床结构曳力模型的建立及其cfd模拟
气固湍动流化床结构曳力模型的建立及其cfd模拟湍动流化床反应器因其气固接触充分、热质传递效率高、处理量大等优点，已广泛应用于化学和石油工业等诸多领域。
目前，湍动流化床的研究多集中在流动行为方面，传质行为的研究相对较少，传质行为的计算流体力学(putational fluid dynamics, cfd)模拟更是鲜有报道。
针对湍动流化床稀密两相均为半连续相的特性，本论文将其气固流动结构分为拟离散的气穴相和拟离散的聚团相，并使用cc，cd，csc，csd，cf和csf六个浓度参数描述湍动流化床的传质过程，从而根据质量守恒等原理建立基于结构的气固传质模型，最后通过cfd模拟验证气固传质模型的可靠性，并对湍动流化床的气固传质行为进行分析研究。
提出将湍动流化床的流动结构分为拟均匀的稀密两相，根据两相间质量守恒建立基于湍动流化床非均匀结构的气固传质模型的新思路。
首先，通过推导获得每一相的传质速率方程，将各相传质速率进行加和即可得总体传质速率，再结合平均传质速率定义，即可获得基于结构的湍动流化床传质系数的表达式，用于描述非均匀结构对湍动流化床气固传质的影响；其次，结合传质平衡原理、传质与反应的平衡关系等可得到一维和二维的组分输送方程，并实现传质方程所需六个浓度参数的封闭求解。
气固流动参数由基于结构的湍动流化床曳力模型求解，传质模型的数值模拟由商业软件fluent实现，以甲烷燃烧和臭氧分解实验结果对模拟结果进行校验，结果表明模拟结果与实验数据吻合较好，证明该传质模型具有较高的准确性。
通过模拟研究还发现，虽然甲烷浓度在催化剂浓度较高的位置会因化学反应消耗而降低，但组分流动以及扩散的影响使甲烷浓度与催化剂浓度之间不存在绝对的大小对应关系。
随着气速的增加，由于组分流入速率增加和停留时间变短，臭氧浓度有所增加，但因为气固传质得到强化，反应消耗的臭氧总量是增加的。
此外，稀密两相间的组分交换过程是臭氧分解反应的控制步骤。
本工作利用臭氧分解作为模型反应，通过以上的湍动流化床传质模型分析了传质模拟结果与相间传质系数求解关联式、气速的关系。
化学反应器的流体力学模拟
化学反应器的流体力学模拟在化学反应器的设计和操作中，了解液体内部的流动情况，对于反应器的效率和稳定性具有重要的影响。
传统的实验方法受到时间、成本和安全等限制，而数值模拟方法则成为了一种有效的替代手段。
本文将介绍化学反应器的流体力学模拟方法，并探讨其在实际应用中的优势和不足之处。
一、化学反应器模拟的意义和目的化学反应器模拟是通过数值计算方法来模拟反应器内部的流场、物质转移和反应过程，以预测反应器中的动态变化和优化反应条件的方法。
在现代化学工业生产中，反应器是一种重要的基础设施，它们用于合成大量不同的化学物质，如药品、涂料、塑料、橡胶等，反应器的工业规模从几千升到几万升不等。
为了实现反应的高效、高品质和安全、可持续性生产，准确预测反应器内部的流场是至关重要的。
其次，化学反应器模拟可以更好地了解反应器内部的复杂流场和化学反应过程，包括反应器内部的流动方式、物质传输和热传递等。
对于反应器的设计和优化来说，流体力学模拟可以为工程师提供有益的信息，以提高反应器的性能和效率。
最后，化学反应器模拟可以较为准确地预测反应器内部的温度、压力和反应物浓度变化等参数，有助于找出潜在的问题和进行更好的管理和控制。
二、化学反应器模拟的方法化学反应器模拟通常需要建立一个反应器的三维计算模型。
该模型可以通过计算流体力学软件（CFD）来实现。
CFD使用基于数学和计算机的方法，将流体运动和热量传递的物理定律转化为数值计算方法，通过牛顿力学、材料科学和化学工程等学科交叉应用，计算反应器内部流体运动的速度、温度和压力等变量。
在建立计算模型之前，需要准确测量反应器的物理参数和流动参数，包括反应物浓度、反应速率常数、反应器尺寸、合适的进出口装置、反应器内部的流体特性等等。
根据这些参数，可以开始建立反应器模型。
建立反应器模型的过程包括反应器几何模型建立、网格剖分、定界条件设定和计算求解。
其中，网格剖分是模型建立的关键步骤之一，因为它直接影响计算结果的精度和耗时。
基于CFD-DEM的柱形颗粒固定床反应器流场特性数值模拟
基于CFD-DEM的柱形颗粒固定床反应器流场特性数值模拟王凯莉;张亚新【摘要】The flow field characteristics of fixed bed with randomly packed columnar-shaped particles were simulated by using computational fluid dynamics-discrete element method(CFD-DEM)coupling.By establishing a particle model closer to the solid shape of the columnar-shaped catalyst and numerically simulating the flow characteristics of the randomly packed fixed-bed,the distribution of the internal void and the distribution of pressure field and velocity field in the bed were obtained.By changing the ratio of the tube diameter and the particle diameter(N referred to as diameter ratio),the fixed bed reactors with N=3,5,10,20 were established and the effects of N on the flow field characteristics were analyzed.The results showed that when N was 5,the packed bed was dense and uniform,and the pressure drop was large and the velocity fluctuation was small.Therefore,a better flow field characteristic of the columnar catalyst bed in the fixed bed reactor was obtained with this diameter ratio.%采用计算流体动力学-离散单元耦合法(CFD-DEM),研究了柱形颗粒随机堆积固定床床层的流场流动特性.建立更接近柱形催化剂实体形状的颗粒模型,采用颗粒随机堆积法建立了固定床床层,通过对床层内部的流动特性数值模拟,得到床层内部空隙分布云图及压力场和速度场的分布规律.改变管径和粒径的比值(N,简称直径比),建立N为3,5,10和20的反应器固定床床层,分析了直径比对流场特性的影响.结果表明,当N 为5时,床层堆积较为密实均匀,压降较大,速率变化幅度较小,故此管径比下固定床反应器内柱状催化剂床层有较好的流场特性.【期刊名称】《化学反应工程与工艺》【年(卷),期】2017(033)005【总页数】7页(P474-480)【关键词】柱形颗粒;随机填充固定床;计算流体动力学-离散单元耦合;流场特性;数值模拟【作者】王凯莉;张亚新【作者单位】新疆大学化学化工学院,新疆乌鲁木齐 830046;新疆大学化学化工学院,新疆乌鲁木齐 830046【正文语种】中文【中图分类】O359固定床反应器被广泛应用于各种化工生产过程中，其结构多为圆柱形，内部床层由颗粒状催化剂和催化剂载体填充而成。
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Ｐ ： ’ 一 ｇ ｔ ’ ａ ｄ ， Ｊ ＋ 等 ｇ ｒ ａ （ ｔ （ ｖ ‘ ） ＋ ／ ． ｔ ７ １
（ １ ）
其中， 湍 流模型 采用 ｋ － ｅ 湍流模 型 ， 采 用分 离隐式求解 器求 解其 内部流场 。将 催化剂堆 积 区域 视 为多孔区域 ， 采用 多孔介 质模 型来描述 。其 中粘 性阻 力为 ２ ｅ ＋ ０ ９ ｌ ／ ｍ 。 内部 阻 力系数为 ｌ ５ ０ ０ ０ Ｊ ／ ｍ 。其中空隙率设 置为 ０ ． ４ 。
首先 ， 本文 统 计 了 固定 床 的 出 １ ５ １ 和 入 口的 流 量 ， 分 别 为 １ ． ９ ４ ７ ５ ｋ 和１ ． ９ ４ ７ ４ ｋ ｇ ／ ｓ 。 可 见 出 口流 量 与入 口流 量 基 本 相
众所 周知 ， 固定 床 反应 器在 石油 化工 、 冶金 等领 域有 着非 常广泛 的 应用 。例如 ， 典 型的催化 重整 反应器是 其在石 油化 工
将 会对 固定床 反应器造成一 定的冲击 。 层 高度 为 １ ５ ０ Ｃ ｎ ｌ ， 催化 剂 粒 径 为 ｌ ０ ０（ ＇ Ｉ ｌ ｌ 。 因流 道 空 间 比较 复 较 大 ， 杂， 采用 Ｇ ａ ｍｂ ｉ ｔ 软 件对其进 行有 限元 非结 构 网格 划分 ， 如图 ｌ 一 （ Ｉ ） 所示 。其 中 ， 网格总数 为 ２ ５ ０ ０ ０ 。入 口边 界条件为速 度 入 口，
拟研 究 ， 详 细 分析 了全 床 内的压 力 分 布及 速度 分 布 ．研 究发
现， 固定床 压降 增加 的主要 区域 发 生在催 化 剂堆 积 区 ， 且扩 径 和缩 径处 存在较 大的速度梯 度 ， 导致床体 受到一定 的冲击
关键 词 ： 固定 床 ： 数值模 拟； 流 场
３计算结果与分析
作者简介 ： 冯振君 （ １ ９ ９ ０ 一 ） ， 中石化济南分公司， 男， 山东聊城 本 科， 助理工程师， 油气加工工艺
２数学模型
准确地 描 述流 动 ， 适 用于 可 压缩粘 性流 体 的流 动 ， 其运 动 方程
人１ ５ １ 处 由于 存 在明显 的扩 径 ， 流 体速 度迅 速 降低 ， 而 在 催化剂
出 口处 由于 存 在缩径 ， 流体 速 度 首 先利 用 Ｃ ＡＤ软 件 构建 固定床 的 几何 模型 ， 如图 １ 一 （ ａ ） 所 填 料 区速 度 变化 不大 。此 外 ， 在扩 径段和 缩径段 流体的速 度变 化梯 度 示 。进 口管道 直 径为 １ ６ Ｃ Ｉ Ｉ Ｉ ， 催 化剂堆 积 区域 直径 为 ５ ０ Ｃ Ｉ Ｉ １ ， 床 反而 增加 。 由此 可知 ，
气速 为 １ ０ ｍ ／ ｓ ， 介 质为空 气。 出 口边 界条件 为压 力 出 口。 壁面
采 用无滑移边 界条 件 ， 采用标 准壁面 函数。
¨
图２固定床 内的压 力及速度分布 云图
４结语
本 文利用 Ｃ Ｆ Ｄ数值模 拟方法 ， 结 合 多孔 介 质模 型对 固定床
Ｉ Ｉ
固定床反应器 内流场 的 ＣＦ Ｄ模拟研 究
冯振 君 （ 中石 化济 南分 公 司 ， 山东 济南 ２ ５ ０ ０ １ ４ ）
摘要 ： 固定床 反应 器内流场 不稳 定 ， 压降 以及 流体 速度 变
化 梯 度 较 大 对 装 置 运 行 的 稳 定 性 产 生 较 大 影 响 本 文 利 用 ＣＦ Ｉ ） 数值 模拟 方法 ， 结 合 多孔 介 质 模 型 对 固 定 床 内 流 场 进 行 模
拟方法 ， 模拟小 型固定 床流动 特性 ， 包括 内部流场 及 压降 ， 为 固 积进 行优化设 计。 图２ － （ ｂ ） 为流 体的 速度 分 布云 图 。由 图 ２ 一 （ Ｉ ） ） 可 以看 出 ， 在 定床反应 器的优化 、 设计 和放大提供 依据 。
ｌ 模拟对 象及工 况设置
图１ 固定床的几何模型及网格划分
全床 流场 进 行模拟 研 究 。通过 对压 力 分布及 速度 分布 的云 图 进行 分析可 以得到 ， 催化剂堆 积区 是固定 床压降增 加的 主要区 域， 而 扩 径和缩 径段 的 存在 会导致 较 大的速 度 梯度 ， 导 致 床体 受到一 定 的冲击 。因此 ， 若要 达到 固定床 的平 稳操 作需要 对催
说 明整个模拟 流域基本趋 于稳定 。 中的 重 要应 用之 一 。油 气进 入固 定床 反应 器 与催化 剂接 触进 同 ， 对于 固定床 反应 器而 言 ， 其 内部流场 及压 降的信 息对 其操 行反应 ， 反应后 的产物 从 反应器 引出。研 究固定 床流动特 性对 Ｆ Ｄ模拟 可 以得 到全 床任 意 反应 器 的优 化操 作和 设 计有 着至 关重 要的 意义 。随 着计 算流 作和优 化 有着 重要 的意 义 。利 用 Ｃ 和速 度 信息 。 图２ － （ ａ ） 为 固定床 反应 器的 压 体 力学 （ Ｃ Ｆ Ｄ） 的发 展以 及计算 设备 的 日益强大 ， Ｃ Ｆ Ｄ数值 模拟 位置处 的压 力信 息、 － （ ａ ） 可以看 出气体在 入 口处压 力较大 ， 出口 方法 越来 越广 泛 的用 于机 械设计 和操 作 优化 。利 用 Ｃ Ｆ Ｄ模拟 力分布云 图。 由图 ２ 蛳： 妻 ¨蛳 耋 ｌ 亳 跏 ” 轴舢 ∞ ¨ ¨ 幽 ∞ ∞ 啦 Ｉ ¨ ∞ 蛳脚ｍ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ 咕小 ＊ 在 固定 床的 催化 剂堆 积处 压 力梯度较 大 、 压降较 可以 在较短 的时 间里得到 流场详 细的信 息 ， 不仅 为实验提 供指 处 压 力较 小 ， 导， 还可 以为优 化和设 计提供理 论基础 。本文 采用 Ｃ Ｆ Ｄ数 值模 大。 说明 了若 要降低 固定床 反应 器的 压降 需要 对 催化 剂的堆