微通道甲醇蒸汽重整模拟
制氢技术路径的选择是氢能走向商业化应用的一个重要课题，总体上可分为电解水制氢和化学制氢，前者如果采用绿电（比如风电、太阳能、水电等）进行制氢，那么可以真正意义上实现“绿氢”生产；而化学制氢通常是通过碳基燃料重整反应进行制氢，但是这种技术通常伴随着碳排放，不过技术上却很容易实现，应该是目前最为常见的制氢方式。今天，我们做一个简单的在微通道内通过甲醇和水蒸气进行重整反应进行制氢的模拟案例。创建如下的二维平面对称模型，包括两个通道：空气加热通道和反应通道，两个通道之间喷涂一层催化剂，催化剂层创建为零厚度壁面；反应通道高0.25mm，中心为对称面；空气加热通道高0.5mm，顶部为绝热壁面；反应通道长度10mm。需要指出的是，这个计算域是一个微小通道，如果要采用连续性介质假设的NS方程求解流场，那么需满足一定条件，即克努森数Kn小于0.001，因为一般认为当克努森数小于0.001时，气体流动属于连续介质。（注：克努森数Kn表示气体分子的平均自由程λ与流场的特征长度L的比值，对于管道/通道而言，特征长度L取等效水力直径），本案例假定满足克努森数条件。划分四边形结构化网格，节点上约，最小正交质量1。启用组分输运模型，并勾选体积化学反应和表面化学反应，本反应器假设重整反应发生在催化剂表面，因此采用表面化学反应模型，另外需要先勾选体积反应才可勾选表面反应。层流状态下，只有有限速率（finite rate/No TCI）模型可用。甲醇重整反应我们只考虑如下两个反应，因此混合物组分为甲醇（气态）、氢气、水蒸气、一氧化碳、二氧化碳和空气。注意空气不参与化学反应，100%存在于加热通道内，反应通道不存在空气，由于混合物组分中最后一个组分不之间求解浓度方程，而是通过前面的所有组分浓度计算结果和100%相减而得，因此通常将组分浓度最高的组分放在最后以减小计算误差。但是对于本案例而言，如果将空气列为最后的组分，那么可能会出现反应通道中存在空气组分的情况（计算误差），即使很小。这是不符合实际情况的，因此本案例将空气放在前面，观察化学反应式，可用预测氢气的体积浓度相对较高，因此将氢气作为最后的组分。定义混合物的物性参数，为了更符合实际情况，不采用常物性设置，当然如果有具体的实测值就最好了。定义上述两个化学反应式，注意反应类型为表面反应，反应速率采用如下模型，层流有限速率模型采用阿伦尼乌斯方程计算反应速率常数，各模型的前面三项分别和指前因子A、温度指数β和活化能相对应，注意下式的活化能单位是J/mol，而FLUENT的活化能单位是J/kmol，因此活化能输入值等于下列值乘以1000。后面几项的指数对应反应的速率指数（rate exponent），对于基元反应，速率指数就等于化学计量数，而非基元反应，两者通常不相等，此时就需要实验值或者经验值了。另外，对于全局正向反应，可以将生成物的速率指数设置为0。将加热空气流道的化学反应取消勾选，表示该区域不发生化学反应，当然不取消也是没有问题的，因为后续进出口都不会设置有反应组分。空气流道入口设置为速度入口，速度值3m/s，温度600K，组分为100%空气；空气流道出口设置为压力出口，表压0Pa，回流组分100%空气；反应流道入口设置为速度入口，速度值0.033333m/s，温度500K，摩尔组分为50%水蒸气和50%甲醇（水醇比为1）；反应流道出口设置为压力出口，表压0Pa，回流摩尔组分为50%水蒸气和50%甲醇。催化剂层为耦合面，耦合面是一对面，将邻近域为反应流体域的那个面设置表面化学反应面，表示化学反应发生在该面。收敛标准设置为能量方程10-8，其他标量10-5，提高化学反应计算精度。稳态计算，压力速度耦合算法采用默认的coupled算法。出口的甲醇摩尔分数分别为0，可知甲醇的转化率为100%。我们看一下中心对称面、反应流道中间以及化学反应面的化学反应速率，可以看出，除了化学反应面上有反应，其他位置都没有反应，这就是表面反应。
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首次发布时间：2023-12-25
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