基于改进数值模拟的加氢反应器内部流场特性分析.pdf

第3 7 卷第6 期2023年11月天津化工Tianjin Chemical IndustryVol.37No.6Nov.2023基于改进数值模拟的加氢反应器内部流场特性分析崔日（中国石化镇海炼化分公司，浙江宁波3 152 0 0）摘要：加氢反应器是石油化工和化学工业中关键设备，用于将有机化合物中的不饱和键转化为饱和键。为优化加氢反应器的设计和提高其效率，数值模拟方法成为研究加氢反应器内部流场特性的重要工具。此次利用改进的数值模拟方法研究了加氢反应器的内部流场特性。通过优化参数设置和模拟技术，可准确模拟和预测流动行为、温度分布和压力变化等特性。数值模拟方法在加氢反应器设计和优化方面具有重要意义，可提供关键信息用于流体行为理解、性能预测和成本节约。此次研究能够改善加氢反应器内部流场特性的模拟效果，为实际应用提供支持和指导。关键词：有限元；数值模拟；加氢反应器；ANSYS软件；内部流场doi:10.3969/j.issn.1008-1267.2023.06.030中图分类号：TQ051文献标志码：A文章编号：10 0 8-12 6 7(2 0 2 3)0 6-0 10 1-0 3近年来，加氢反应器在石油化工和化学工业中扮演着至关重要的角色，通过加氢反应将有机化合物中的不饱和键转化为饱和键,从而实现催化剂的再生和提高产品质量。加氢反应器在炼油、石化、化肥等领域具有广泛的应用。为提高反应器的效率、产品质量及降低能耗成本，对加氢反应器内部流场特性进行深人研究具有重要意义。为实现这一目标，数值模拟方法成为研究加氢反应器内部流场特性的重要工具。数值模拟方法利用计算机进行数值计算和模拟，从而分析实际系统或过程的数学模型。在加氢反应器的研究中，常见的数值模拟方法包括有限元法、有限差分法、边界元法、有限体积法、谱方法和有限时间步法等。这些方法可通过设置合适的参数和边界条件，模拟和预测加氢反应器内部的流动行为、温度分布、压力变化等特性。传统的数值模拟方法在处理加氢反应器内部流场特性时存在一些限制和挑战，为克服这些问题，此次研究将ANSYS软件作为实验平台，通过优化方法改进传统的有限元数值模拟方法，旨在提高加氢反应器内部流场特性的模拟效果和准确性。1加氢反应器与改进数值模拟方法研究加氢反应器通常由反应器本体、催化剂床、进料装置、产物分离装置和控制系统等组成，具体结构和组成因反应器的规模和工艺要求而异。一般而言，加氢反应器本体由壳体和管束构成。壳体通常为一个圆筒形容器，管束包括内壁催化剂床和外壁导流装置。加氢反应器内部的流场分布对反应器的热量和质量传递及催化剂的利用率等关键性能具有重要影响。合理设计和优化加氢反应器内部流场，能够提高反应器的效率和产品质量，降低能耗和生产成本。内部流场特性是指在加氢反应器或其他流体系统内部发生的流动现象及相关特征，包括流速分布、温度分布、压力分布、浓度分布等一系列描述流场状态的物理量。通过分析和研究内部流场特性,可以了解流体在加氢反应器内的运动规律、能量传递与转化、物质传输等过程。内部流场特性的研究对设计、优化和改进加氢反应器及其他流体系统具有收稿日期：2 0 2 3-0 7-0 3作者简介：崔日（19 8 7-）,男，硕土研究生，工程师，从事加氢设备运行管理及故障分析研究工作。102重要意义，能够提供流动行为、传热效率、物质转化效率等方面的关键信息。在工程领域中，数值模拟方法被广泛应用于各种工程问题的求解和分析。常见的数值模拟方法如下。1)有限元法。软件平台为ANSYS、A BA Q U S、COMSOL,适用于结构力学、流体力学、电磁场等多个领域，具有灵活的几何建模能力和强大的求解能力。2)有限差分法。软件平台为FLUENT、O p e n-FOAM,适用于流体力学等领域，通过网格上的差分逼近来求解偏微分方程。3)边界元法。软件平台为FEKO、A u t o SEA 2，适用于求解边界上的问题，如声学、电磁场等领域，减少了对内部区域的离散化。4)有限体积法。软件平台为FLUENT、O p e n-FOAM,适用于流体力学、热传导等领域，将控制体积内的平均值作为基础，能够准确描述物理量的变化。5)谱方法。软件平台为SNOOPY、D e d a l u s,适用于以函数展开为基础的数值模拟，通过高精度的级数逼近求解问题6)有限时间步法。软件平台为MATLAB、Py t h o n，适用于求解与时间相关的问题,如常微分方程和偏微分方程，有不同精度和稳定性的算法可供选择。通过对比可知，有限元法具有灵活的几何建模能力和强大的求解能力。因此本研究以ANSYS软件作为实验平台，通过优化、改进传统的有限元数值模拟方法，最终得到加氢反应器在优化数值模拟方法下的内部流场特性分析结果 1-3 2基于改进数值模拟的加氢反应器内部流场特性研究利用ANSYS软件对加氢反应器的内部流场特性进行分析,过程涉及多个参数的设置,其中一些关键参数包括几何参数、边界条件、流体性质、反应物输送方式与速度、动力学参数及热传天津化工导和传热参数。加氢反应器的几何结构和尺寸对流场特性具有重要影响，包括反应器的形状、大小、长度、直径等。边界条件指定了模拟中的反应器边界上的物理和流动性质，如入口处的流量、温度、压力等边界条件。涉及到流体物性参数，如密度、粘度、热导率等，对流场的运动和传热特性起着重要作用。考虑到加氢反应器是一个化学反应系统，需设置反应物的输送方式和速率，包括反应物的浓度和速度等。针对特定的反应类型和反应机理，需设置适当的反应速率常数或反应速率方程。对通常涉及的热传导和传热过程，需设置适当的传热系数和热传导性质等参数。以上参数的设置将对加氢反应器内部流场的特性产生直接影响。通过合理选择和调整上述参数，可以更准确地模拟和预测反应器内部的流动模式、温度分布、压力变化等特性。为得到可靠的分析结果，参数设置应在基于理论分析和多次实验数据的基础上进行优化。由于加氢反应器内部流场特性分析涉及众多影响因素和参数,对每个影响因素和相关参数进行详细分析是不现实的。此次研究利用有限元法搭建数值模拟模型，为进一步提高ANSYS软件对加氢反应器内部流场特性的模拟速度并改善其模拟效果，从以下几个方面对传统的有限元建模方法进行优化，旨在进一步提高ANSYS软件对于各项数据的处理能力。1)将自适应网络技术应用到模型建构过程中，根据流场变化和流动特征的分布调整网格的密度和布局。如基于网格的误差估计方法、误差指示器、梯度指示器等，可根据流场梯度、剪切应力等信息自动调整网格，使其在关键区域有更高的分辨率，从而捕捉细致的流动特征。2)引人多物理场耦合理念，加氢反应器内部流场特性通常涉及多个物理场的相互作用，如流体流动、热传导和质量传输等。采用多物理场耦合的模拟方法，如流体-热传导耦合、流体-质量2023年11月第3 7 卷第6 期传输耦合等，可以更准确地描述这些物理场之间的相互影响,提高模拟结果的准确性。根据反应器的具体特点对反应模型进行优化，如针对加氢反应器的具体反应特点对反应模型进行优化和改进；针对不同的催化剂和反应机理选择适当的反应模型，调整反应速率常数以适应实际情况。此外，还可以考虑复杂反应动力学模型的应用，如表面反应模型、催化剂热力学模型等，以更准确描述加氢反应器内部的反应过程。还需对边界条件进行处理，合理设置边界条件对于模拟结果的准确性至关重要。在加氢反应器内部流场特性分析中，需根据实际情况确定进口流速、出口压力、壁面温度等边界条件，并保证其与实际操作相符合。或者考虑采用流量分布器或多孔介质模型来更精确地描述边界条件。3)采用高阶数值积分方法提高模拟结果的准确性和收敛性。如高阶插值函数和数值积分方法、高阶有限元法、谱方法等，可减少数值耗散和扩散。通过上述路径能有效改善有限元软件对加氢反应器内部流场特性的模拟效果，具有以下意义。第一，数值模拟可提供详细的流速、压力、温度等流动参数分布，帮助理解流体在加氢反应器内部的运动行为、涡旋结构、流动分布等，有助于揭示流场中的端流、旋涡、逆流等复杂现象。第二,通过数值模拟可评估不同设计方案对加氢反应器内部流场特性的影响，可优化反应器的结构、进出口布置、内部构件等,以改善流体流动的均匀性、混合程度、传质传热效率等。第三，数值模拟还可预测加氢反应器内部流场的关键参数，如温度分布、浓度分布等，从而预测反应器的反应效果、产物生成情况、反应速率等重要性能指标。第四，通过数值模拟可进行虚拟实验，减少实崔日：基于改进数值模拟的加氢反应器内部流场特性分析措施 J.电焊机,2 0 2 0,50(3):6 5-6 9.103际上验的成本和时间。通过模拟不同工况和操作条件下的流场特性，可优化工艺参数，提高生产效率，减少能源消耗和废弃物的产生。第五，数值模拟可用于诊断加氢反应器内部的流动异常问题，同时提供优化建议。通过分析流场特性的变化,能够检测出可能存在的堵塞、混合不均匀、热点等问题，并提出解决方案 5。3结论此次研究利用改进的数值模拟方法对加氢反应器的内部流场特性进行研究，优化参数设置和模拟技术,提高了模拟效果和准确性。数值模拟方法在加氢反应器设计和优化方面具有重要意义，可以帮助理解流体运动行为、优化设计、预测性能和节约成本。通过此次研究的改进方法，相关工作人员能够更准确地模拟和预测加氢反应器内部的流动行为、温度分布和压力变化等关键特性。这些研究成果为加氢反应器的设计、运行和优化提供了重要的参考和支持，有助于提高效率和产品质量，降低能耗和生产成本，推动石油化工和化学工业的可持续发展。参考文献：1】刘甜甜,李玉刚,郑世清.CFD在自吸式加氢反应器流场研究中的应用 化工进展,2 0 17,3 6(3):8 46-8 51.2】钟骏良,涂齐辉,吴刚,等.加氢反应器内气体预分布器均布性能数值研究 刀.石油化工,2 0 2 1,50(5):441-447.3鄂培宏.加氢反应器结构设计改进 化工设备与管道,2 0 2 2,59(5):33-35,41.4张建伟,魏宏文,董鑫,等.柱形涡发生器强化撞击流反应器流场特性的数值模拟 .过程工程学报，2 0 2 3,2 3(5):6 7 2-6 8 0.5】徐传华.12 Cr2Mo1R钢制加氢反应器焊接裂纹原因分析及解决