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基于自定义反应速率的甲烷水蒸气重整反应
余花生
6月前
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4663
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14
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预计阅读时间:
12
分钟
1 前言
春节快到了,今天是年前最后一更,提前祝大家龙年大吉。
之前的案例我们说过,如果反应速率不能用FLUENT的标准阿累尼乌斯形式来定义,那么只能以用户自定义形式了。先前我们做过两个UDF定义反应速率的案例,感兴趣的读者可以在历史消息搜索关键字查看。采用DEFINE_VR_RATE这个宏来定义速率更容易,我们只需要将动力学方程用UDF表达出来即可。今天,我们做一个这样的案例。
友情提醒:今天的案例算是化学反应模拟进阶版,在阅读本案例前,建议读者先阅读之前的几个化学反应速率的案例。
2 建模与网格
创建如下的二维轴对称反应器,长100mm,内径10.7mm。
3 反应式及动力学方程
应用范围最广的甲烷水蒸气重整反应式及动力学方程如下,参考之前的案例,我们首先需要将反应速率单位kmol/kg-h换算为FLUENT的标准kmol/m3-s。这就需要反应器的催化剂质量以及反应器的体积(即计算域的体积),我们假定催化剂的质量为0.4g,而反应器的体积可根据上述二维模型尺寸计算而得。
3 边界条件与求解设置
定义混合物物性以及组分构成,注意各个组分的顺序要明确,因为反应速率的UDF有指针通过索引编号指向各个组分。
定义反应式,注意指前因子、活化能、温度指数和速率指数都可以随意设定,因为通过UDF定义速率后,这些参数不起作用了。当然,反应的化学计量数是必须的了,因为各个组分的反应速率关系就等于化学计量数的关系。
通常反应器内部流动是层流流动,也可以通过雷诺数来判断,本案例我们采用层流模型。
反应器入口设置为质量流量入口,流量9.73e-6kg/s,温度673K,水碳比3.0。
出口为压力出口,表压0Pa。
壁面为恒温边界,温度900K。
反应器工作压力10bar,通过操作压力来定义,因为混合物密度采用不可压缩理想气体模型,因此密度由操作压力、气体常数以及温度确定。该模型的使用条件是,压力对密度的影响可以忽略,对应于本反应器也就是流动压损相比工作压力非常小。
编译反应速率UDF,并通过外挂调用。
可以从入口进行初始化,但是要特别注意,各个组分都给定一个非零初始值,为什么呢,一方面是为了启动反应(FLUENT的有限速率模型在初始化时会自动给生成物以0.01的质量分数),另一方面从上述动力学方程可以看出,有些组分的分压出现在分母处,如果质量分数为0,那么分压为零,则会造成计算奇异而报错。
4 计算结果
先看一下三个反应的反应速率云图,可以看出三个自定义反应速率都被调用计算了。
再检查一下质量和能量守恒性,守恒良好。
最后看一下反应器中心线各个组分的摩尔分数,符合实际情况。
来源:仿真与工程
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首次发布时间:2024-03-03
最近编辑:6月前
余花生
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无戎
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5月前
您好,请问这个反应中,催化剂的作用只通过UDF控制反应速率实现吗?需要添加多孔介质吗?
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