＊梁文俊 鞠浩琳 任思達(dá) 李想

（北京工業(yè)大學(xué) 區(qū)域大氣復(fù)合污染防治北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100124）

引言

揮發(fā)性有機(jī)化合物（Volatile Organic Compounds）簡(jiǎn)稱VOCs，是指在常溫下，沸點(diǎn)50℃至260℃的各種有機(jī)化合物[1]。VOCs是導(dǎo)致城市灰霾和光化學(xué)煙霧的重要前體物[2]，參與大氣環(huán)境中臭氧和二次氣溶膠的形成，其對(duì)區(qū)域性大氣臭氧污染、PM2.5污染具有重要的影響[3-4]。VOCs主要來(lái)源于煤化工、石油化工、燃料涂料制造、溶劑制造與使用等過(guò)程[5]。盡管各類化工行業(yè)明確規(guī)定了諸如甲苯、甲醛、二噁英等特定揮發(fā)性有機(jī)物的排放限值，但是由于排放源基數(shù)大、舊有技術(shù)更新不及時(shí)等，大氣環(huán)境中的VOCs依舊保持較高速增長(zhǎng)[6]。新興的VOCs處理技術(shù)中，熱催化氧化技術(shù)因具有反應(yīng)溫度低、耗能小、凈化效率高、二次污染少等優(yōu)點(diǎn)，已作為比較成熟的環(huán)保技術(shù)廣泛應(yīng)用于尾氣處理領(lǐng)域[7]。但催化劑造價(jià)較高、催化效果受外界條件影響較大，因此，在實(shí)際應(yīng)用催化劑時(shí)，應(yīng)確保進(jìn)氣的均質(zhì)性，以確保廢氣能夠與催化劑充分反應(yīng)，這樣，第一，可以最大程度地使用催化劑，其次，可以避免大量的局部放熱引起的催化劑燒結(jié)和設(shè)備損壞。因此，針對(duì)其開展流場(chǎng)、溫度場(chǎng)等方面的探究很有必要。

然而，進(jìn)氣的流速、流態(tài)等流動(dòng)問(wèn)題難以在實(shí)際操作中準(zhǔn)確地繪制和測(cè)定，必須采用實(shí)驗(yàn)研究或近似解法，為保證分析精準(zhǔn)，引入數(shù)值模擬方法[8]，通過(guò)離散近似的計(jì)算，把原來(lái)在時(shí)間、空間坐標(biāo)中連續(xù)的物理量的場(chǎng)用有限個(gè)離散點(diǎn)上的值的集合來(lái)代替并按照方程求解[9]。

計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）是隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展而產(chǎn)生的一個(gè)介于數(shù)學(xué)、流體力學(xué)和計(jì)算機(jī)之間的交叉學(xué)科，通過(guò)計(jì)算機(jī)和數(shù)值方法來(lái)求解流體力學(xué)的控制方程，可以彌補(bǔ)理論分析的不足，它兼有理論性和實(shí)踐性的雙重特點(diǎn)，利用計(jì)算機(jī)的力量對(duì)難以實(shí)驗(yàn)分析的流體力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行模擬和分析，為現(xiàn)代科學(xué)中許多復(fù)雜流動(dòng)與傳熱問(wèn)題提供了有效的解決方法[10]。

CFD被廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域。李春杰等[11]運(yùn)用Fluent模擬了氣液混合射流的清洗效果，分析了氣液混合射流流場(chǎng)特點(diǎn)及影響因素，改進(jìn)了油管清洗技術(shù)。Zhang等[12-13]使用FLUENT模擬了V型下行反應(yīng)器中生物質(zhì)熱解蒸汽的催化升級(jí)，從流體動(dòng)力學(xué)、化學(xué)反應(yīng)和停留時(shí)間分布等方面分析了V型下行反應(yīng)器熱解蒸汽的催化升級(jí)過(guò)程。馬亞兵等[14]建立了旋流混合反應(yīng)器三維幾何模型，對(duì)污水加藥旋流混合反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行模擬，研究了污水處理量、污水含油質(zhì)量濃度、反應(yīng)器直徑和筒體高度對(duì)藥劑混合效果的影響，并優(yōu)化了旋流混合反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高了含油污水處理中藥劑的混合效率。Dixon和Nijemeisland[15]使用CFD來(lái)模擬重整器的流型以獲得準(zhǔn)確的射流信息。劉文杰等[16]對(duì)高壓水射流的噴嘴結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化模擬，提高了高壓水射流技術(shù)的破煤效率。孫兆強(qiáng)等[17]對(duì)清管器的射流過(guò)程進(jìn)行仿真分析，得到了具有最佳射流效果的天然氣管道射流清管器噴嘴結(jié)構(gòu)。劉永輝等[18]建立單一流道的二維幾何模型，對(duì)比分析不同槽深和槽寬時(shí)的流場(chǎng)情況，并將優(yōu)化后的棒狀柱塞和常用的襯墊式柱塞對(duì)比，進(jìn)一步提高棒狀柱塞舉液密封效果。

盡管CFD已被廣泛應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，但是對(duì)于有機(jī)燃燒反應(yīng)器的模擬，特別是催化氧化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面的研究報(bào)道很少。在工業(yè)條件下，鼓入反應(yīng)器的氣流通常比在實(shí)驗(yàn)室條件下更為湍急。為保證進(jìn)氣的均質(zhì)性，研究建立了反應(yīng)器的三維模型，并利用ANSYS FLUENT進(jìn)行了仿真優(yōu)化。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較，得到了一種有效的優(yōu)化方案。研究結(jié)果可為工業(yè)應(yīng)用提供參考。

1.模型的建立

(1)幾何模型

甲苯催化反應(yīng)器由入口管、漸擴(kuò)管、主體管、漸縮管和出口管組成，如圖1所示。根據(jù)對(duì)不同形狀導(dǎo)流板的優(yōu)化效果研究可知，當(dāng)導(dǎo)流板的阻擋效果較弱時(shí)，其對(duì)流場(chǎng)的優(yōu)化效果有限，氣流在主體管段內(nèi)仍呈現(xiàn)中間流速快、兩側(cè)流速慢的趨勢(shì)；而當(dāng)導(dǎo)流板的阻擋面積過(guò)大時(shí)。會(huì)對(duì)氣流產(chǎn)生較大干擾，導(dǎo)致擾動(dòng)、甚至是尾端回流的出現(xiàn)，不利于氣流的均勻分布。在已報(bào)導(dǎo)的研究中，選擇了多種不同版型的導(dǎo)流板組合的方式，達(dá)到期望的布風(fēng)效果，但考慮到工業(yè)應(yīng)用中，雙板或三板的組合存在一定的工藝難度，且會(huì)提高反應(yīng)器的壓損，因此，期望通過(guò)一塊導(dǎo)流板達(dá)到組合板的布風(fēng)效果。綜上所述，設(shè)計(jì)了如圖2所示的米字板進(jìn)行布風(fēng)。

圖1 甲苯催化反應(yīng)器物理模型

圖2 米字板幾何模型（單位：mm）

(2)網(wǎng)格劃分

為保證最大程度地反映實(shí)際流場(chǎng)的同時(shí)降低運(yùn)算復(fù)雜度，選用了結(jié)構(gòu)-非結(jié)構(gòu)混合的方式構(gòu)建網(wǎng)格，對(duì)空管部分采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，導(dǎo)流板部分采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格，從而保證了氣體經(jīng)導(dǎo)流板優(yōu)化后的區(qū)域內(nèi)的模擬精度。生成的網(wǎng)格實(shí)例如圖3。

圖3 甲苯催化反應(yīng)器網(wǎng)格劃分示意圖

(3)模型選取與基本假設(shè)

本研究選用ANSYS FLUENT 18.0進(jìn)行模擬運(yùn)算，考慮到實(shí)際工況條件，選用RNG k-ε模型作為湍流模型[19]：

k方程：

ε方程：

其中：Gk是平均速度梯度產(chǎn)生的紊流能量；Gb是浮力引起的紊流能量；YM是可壓縮紊流中波浪膨脹對(duì)總耗散的貢獻(xiàn)；αk和αε分別是反向有效的普朗特?cái)?shù)；Sk和Sε是用戶定義的源術(shù)語(yǔ)。

常數(shù)項(xiàng)的定義如下：C1ε為1.42，C2ε為1.68，Cμ為0.0845。

在數(shù)值模擬中，對(duì)所選模型作出以下假設(shè)：

①反應(yīng)器內(nèi)氣體流動(dòng)參數(shù)沿圓筒截面方向相等；

②忽略重力的影響；

③選擇空氣作為流體，并將其視為不可壓縮流體。

(4)邊界條件

本實(shí)驗(yàn)采用速度入口、壓力出口，近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁函數(shù)，壁面為無(wú)滑移壁。物理模型實(shí)驗(yàn)中所選擇的速度和溫度與數(shù)字模型中的相同。具體邊界條件如表1所示。

表1 邊界條件

2.模擬結(jié)果與分析

如圖4所示，未經(jīng)導(dǎo)流板優(yōu)化的空管流場(chǎng)十分紊亂，有較大的速度梯度，在實(shí)際應(yīng)用中不利于催化反應(yīng)的進(jìn)行，因此，進(jìn)行流場(chǎng)優(yōu)化十分必要。為了找到合適的參數(shù)，對(duì)不同厚度的導(dǎo)流板進(jìn)行了模擬，并與物理模型進(jìn)行了比較。分別對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖4 未添加導(dǎo)流板的初始反應(yīng)器流場(chǎng)云圖

(1)米字板厚度對(duì)優(yōu)化效果的影響

米字板放置于漸擴(kuò)管后3.5mm的位置，為了更直觀地比較不同厚度米字板對(duì)氣流的優(yōu)化效果，截取了徑向的速度云圖，并計(jì)算了軸向截面上的速度面積均勻度指數(shù)及相對(duì)方差，速度面積均勻度指數(shù)越接近1，相對(duì)方差越接近0，流場(chǎng)越均勻。不同厚度米字板優(yōu)化后的反應(yīng)器徑向速度云圖如圖5所示，軸向均勻度指數(shù)點(diǎn)線圖如圖6所示。

圖6 米字板優(yōu)化后的反應(yīng)器軸向截面的面積均勻度指數(shù)與相對(duì)方差對(duì)比點(diǎn)線圖

結(jié)合圖4和圖5可以看出，米字板對(duì)反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)具有較大優(yōu)化效果，經(jīng)米字板優(yōu)化后，反應(yīng)器內(nèi)的速度梯度降低，在中段填料區(qū)基本達(dá)到均勻，且能保證較長(zhǎng)距離。綜合圖5和圖6可知，進(jìn)行加厚米字板的有助于增強(qiáng)米字板的優(yōu)化效果，但提高的程度不大。5種厚度的米字板均能保證在優(yōu)化區(qū)后10cm起至填料區(qū)結(jié)束保持0.9以上的面積均勻度指數(shù)，對(duì)比造價(jià)及制作簡(jiǎn)易度，20mm以下厚度的米字板顯然更具有應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

由圖6可知，盡管厚度不同，但優(yōu)化后的流場(chǎng)最均勻界面均出現(xiàn)在優(yōu)化區(qū)后15cm而非填料區(qū)的入口截面。因此，為進(jìn)一步提高填料區(qū)內(nèi)的流暢均勻度，選擇對(duì)米字板的擺放位置進(jìn)行右移。綜合考慮制造成本和優(yōu)化效果，選定了20mm厚的米字板進(jìn)行右移。

(2)米字板擺放位置對(duì)優(yōu)化效果的影響

為保證氣流經(jīng)過(guò)導(dǎo)流板后仍有充足的空間發(fā)散，最終選定分別右移5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm，從而保證導(dǎo)流板的末端仍位于優(yōu)化區(qū)內(nèi)。移動(dòng)后的徑向速度云圖如圖7，面積均勻度指數(shù)和相對(duì)方差對(duì)比圖如圖8所示。

圖7 20mm厚的米字板右移后的速度云圖

圖8 20mm厚的米字板右移后的面積均勻度指數(shù)與相對(duì)方差對(duì)比圖

由圖8可見，對(duì)米字板進(jìn)行右移后，填料區(qū)內(nèi)的流場(chǎng)均勻度有了小幅度的提升，通過(guò)右移，有效將最均勻截面由優(yōu)化區(qū)后15cm移至填料區(qū)入口截面，面積均勻度指數(shù)達(dá)到0.95以上，有了顯著提高。遺憾的是，分析圖7，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)右移距離較小時(shí)反應(yīng)器尾端具有較為明顯的回流圈，這可能是由于漸縮管的影響。因此認(rèn)為，右移25mm，即漸擴(kuò)管后28.5mm處是20mm厚的米字板的最佳擺放位置。

(3)物模參比

根據(jù)數(shù)模得出的最終結(jié)論，進(jìn)行了物模測(cè)試，從而驗(yàn)證數(shù)模結(jié)果的可靠性。

經(jīng)米字板導(dǎo)流后的反應(yīng)器內(nèi)流速數(shù)據(jù)如圖9所示。由圖可見，盡管存在一定的波動(dòng)，但米字板優(yōu)化后的反應(yīng)器內(nèi)氣流速度趨于均勻。

圖9 米字板優(yōu)化反應(yīng)器物模試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖

3.結(jié)論

在本研究中，以1:1的大小建立了3D甲苯催化反應(yīng)器數(shù)值模型，并與物理模型對(duì)比，驗(yàn)證了所建立模型的可靠性和結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過(guò)在反應(yīng)器內(nèi)添加導(dǎo)流板，優(yōu)化了反應(yīng)器內(nèi)的氣流形態(tài)，使其能夠均勻地進(jìn)入填料區(qū)，增大反應(yīng)器與填料接觸面積，提高反應(yīng)效率。結(jié)果表明，20mm厚的米字板放置于漸擴(kuò)管后28.5mm處能夠達(dá)到最佳的優(yōu)化效果，此時(shí)，填料區(qū)入口面的均勻度最高，可達(dá)到0.95以上的面積均勻度指數(shù)。此外，米字板的形狀簡(jiǎn)單，便于制作，有較好的工業(yè)應(yīng)用前景。