固定床反应器内流场的CFD模拟研究

冯振君（中石化济南分公司，山东 济南 250014）

固定床反应器内流场的CFD模拟研究

冯振君（中石化济南分公司，山东 济南 250014）

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CFD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。

固定床;数值模拟;流场

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。随着计算流体力学（CFD）的发展以及计算设备的日益强大，CFD数值模拟方法越来越广泛的用于机械设计和操作优化。利用CFD模拟可以在较短的时间里得到流场详细的信息，不仅为实验提供指导，还可以为优化和设计提供理论基础。本文采用CFD数值模拟方法，模拟小型固定床流动特性，包括内部流场及压降，为固定床反应器的优化、设计和放大提供依据。

1 模拟对象及工况设置

首先利用CAD软件构建固定床的几何模型，如图1-(a)所示。进口管道直径为16 cm，催化剂堆积区域直径为50 cm，床层高度为150 cm，催化剂粒径为100 cm。因流道空间比较复杂，采用Gambit软件对其进行有限元非结构网格划分，如图1-(b)所示。其中，网格总数为25000。入口边界条件为速度入口，气速为10 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1 固定床的几何模型及网格划分

2 数学模型

N-S方程是计算流体力学研究中的最基本方程，可以比较准确地描述流动，适用于可压缩粘性流体的流动，其运动方程如下式所示：

其中，湍流模型采用k-ε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2e+09 1/m2。内部阻力系数为15000 1/m2。其中空隙率设置为0.4。

3 计算结果与分析

首先，本文统计了固定床的出口和入口的流量，分别为1.9475 kg/s和1.9474 kg/s。可见出口流量与入口流量基本相同，说明整个模拟流域基本趋于稳定。

对于固定床反应器而言，其内部流场及压降的信息对其操作和优化有着重要的意义。利用CFD模拟可以得到全床任意位置处的压力信息和速度信息。图2-(a)为固定床反应器的压力分布云图。由图2-(a)可以看出气体在入口处压力较大，出口处压力较小，在固定床的催化剂堆积处压力梯度较大、压降较大。说明了若要降低固定床反应器的压降需要对催化剂的堆积进行优化设计。

图2-(b)为流体的速度分布云图。由图2-(b)可以看出，在入口处由于存在明显的扩径，流体速度迅速降低，而在催化剂填料区速度变化不大。此外，出口处由于存在缩径，流体速度反而增加。由此可知，在扩径段和缩径段流体的速度变化梯度较大，将会对固定床反应器造成一定的冲击。

图2 固定床内的压力及速度分布云图

4 结语

本文利用CFD数值模拟方法，结合多孔介质模型对固定床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化剂堆积区域以及出、入口区域进行合理设计。

冯振君(1990-),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