折流杆列管式反应器壳程流动沸腾过程的CFD模拟研究

摘要

列管式固定床反应器具有优良的移热能力，被广泛应用于强放热反应过程。传统的列管式固定床反应器一般采用折流挡板增强湍动，改善传热并支撑管束，但折流挡板造成的横向流动压降大，且易诱发管束振动,而利用折流栅代替折流挡板可以有效解决上述问题。然而，由于折流栅缺少对流体径向的强制折流作用，造成反应器壳程的流动径向分布不均匀，反应器中心易形成流动死区，这是采用折流栅的不利因素。本文拟采用CFD方法对移热介质在反应器壳程的流动与传热过程进行模拟研究以探索改善径向均布性能的方法。加压沸腾水是高效的移热介质，可以改善温度径向分布的均匀性。反应器管束间的流动沸腾过程非常复杂，目前对其流动与传热规律尚不十分清楚。
　　本文建立了流动沸腾过程的数学模型，该模型在欧拉-欧拉双流体模型的基础上，耦合了相间动量、能量和质量传递模型和RPI壁面沸腾模型。通过与实验数据对比发现，模拟结果与实验数据吻合较好，证明了所建数学模型的可靠性。
　　单元流道模型有无折流杆两种情况的对比研究结果表明折流杆可以促进汽泡向流道中心区域移动，降低反应管壁面处的气含率，进而降低反应管壁面温度。通过获得的流场分析可知折流杆改善气含率分布的原因如下：减小流通截面积，使流体轴向流速加大；促进横向流动；折流杆的背部存在漩涡流，产生离心力。通过考察折流杆间距对气含率和反应管壁温分布状况的影响，确定了较佳的折流杆间距为80~120mm。利用反应器进口段的1/4截面模型初步分析了流动沸腾过程中液体温度的分布状况，发现液体的径向温差在7K左右，不满足工程需要。基于这一问题，考察了入射通道、入射通道长度和数量对液体温度径向分布的影响，获得了最优的反应器结构，设置入射通道3＃,4＃和5＃。
　　最后，考察了最优的反应器结构在不同入口流速和壁面热通量下的温度分布状况，发现入口流速和壁面热通量影响液体温度的径向分布。
　　本文利用CFD方法模拟了折流杆列管式反应器壳程的流动沸腾过程，获得了有关流场与温度场等信息，可以指导工业上折流杆列管式反应器的设计。

目录

声明

前言

第一章 文献综述

1.1课题背景

1.2研究进展

1.3流动沸腾过程的数值模拟研究

1.4本文的研究内容及意义

第二章 流动沸腾过程的数学模型

2.1欧拉-欧拉双流体模型

2.2相间传递模型

2.3壁面沸腾模型

2.4湍流模型

2.5汽泡对主流体湍动的影响

2.6本章小结

第三章 反应器单元流道模型的模拟

3.1模型的验证

3.2网格划分以及边界条件

3.3结果分析

3.4本章小结

第四章 反应器全截面模型的模拟

4.1模型结构和模拟参数

4.2反应器壳程的流场与温度场

4.3结构优化

4.4不同操作条件对温度场的影响

4.5本章小结

第五章 结论与展望

5.1结论

5.2展望

符号说明

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢