甲烷水蒸气重整反应数值模拟
固体氧化物燃料电池以善于“吃粗粮”而闻名于世，但其也不是硬吃，而是要借助重整器这个非常重要的部件，先把燃料进行预先处理。比如以天然气为燃料，需要先通过重整器对燃料进行预重整，有的可能只需要重整器高碳烃，有的除了高碳烃可能还需要重整掉一部分CH4。今天，我们做一个甲烷水蒸气重整反应的案例。 建立如下的三维反应管模型，长度0.6m，直径50mm，划分六面体结构网格，单元数261800，最小正交质量0.77。 本案例中介质流速非常缓慢，雷诺数只有数十，因此采用层流模型。 启动组分输运和化学反应模型。这里我们假设催化剂粒径很小，均匀填充在反应管内，因此用均匀多孔介质模型来表征催化剂的性质，因此化学反应采用体积反应。 因此我们在化学反应机制中设置三个反应，FLUENT的化学反应动力学采用Arrhenius式，这里的α和β为速率指数，对于基元反应，速率指数就等于化学计量数。这里的k为反应速率常数，计算式如下，注意这里的下标f（forward）表示正向反应，如果还要考虑逆向反应，则下标为b（backward）。 需要注意的是阿伦尼乌斯速率（Arrhenius rate）的计算涉及到几个关键参数：指前因子、活化能和温度指数等，这些参数的设定直接影响计算结果的准确性，最好有相关的实验数据可以引用，本案例采用假定的参数进行计算，切记不可直接用于工程设计。 混合物物性参数采用如下设置，如果采用默认的常值可能会带来不小计算误差。 反应管计算域均设置为均匀的多孔介质，孔隙率0.519，物性参数按如下假定值设置。 按如下参数设置入口边界条件，入口为水蒸气和甲烷的混合物，且水碳比为2。 壁面设置为辐射边界，外界温度（炉膛）600℃，外部发射率1。 水碳比为2时，管内温度分布如下，前半段温度显著低于后半段，甲烷重整反应是一个吸热反应，吸收了大量热量，通过壁面的热功率为201W，这个能量维持反应的进行。 水碳比为2时，甲烷的转换率为54.77%。甲烷转换率等于进出口甲烷摩尔分数差除以进口甲烷摩尔分数。 总结起来，甲烷水蒸气重整反应模拟的两个重要因素需要把握：反应速率参数和催化剂性质的表征。[2] Methane/steam global reforming kinetics over the Ni/YSZ of planar prereformers for SOFC systems[3] 甲烷水蒸气重整制氢反应及其影响因素的数值分析 著作权归作者所有，欢迎分享，未经许可，不得转载
首次发布时间：2023-07-03
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