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在特斯拉微通道反应器中基于CFD的甘油蒸汽重整制氢模型研究
CFD Modeling of Hydrogen Production from Glycerol Steam Reforming in Tesla Microchannel Reactor
1. 主要摘要
本文研究了基于甘油蒸汽重整（GSR）制氢的特斯拉微通道反应器的数值模拟，通过CFD模型对特斯拉微通道及改良的特斯拉微通道反应器的性能进行了优化。利用响应曲面法（RSM）建立统计模型预测制氢产率。通过在通道中增加倾斜壁障以改变流动路径，在773K、蒸汽/碳比为4和进料流速为2×10⁻⁵ kg/s的条件下，将甘油转化率从20.89%提升至78.33%。结果表明，改良后的特斯拉几何结构通过增强反应物与催化剂的接触面积有效提高了制氢效率。
2. 引言
甘油作为生物资源的副产物，是生产氢气的可再生燃料原料。氢气作为清洁能源，其能量密度比液体烃类高三倍。甘油蒸汽重整是一种前景广阔的制氢技术，但其生产效率受制于催化剂及反应器设计。传统反应器如直通道和蛇形通道虽具备制氢能力，但流体混合效率低。特斯拉微通道反应器设计有助于提高反应效率，本文使用CFD方法模拟不同工艺条件下特斯拉微通道反应器的甘油蒸汽重整过程，并优化其设计以提升制氢性能。
3. 主要内容
采用三种微通道设计，包括直通道、特斯拉通道和改良特斯拉通道。特斯拉通道具有中央主通道及上下回路，而改良特斯拉通道在中央路径上增设了倾斜壁障，迫使流体进入上下回路，增加与催化剂的接触面积。
模型包含甘油分解（DEC）、水煤气变换（WGS）和甲烷化（MET）三种反应，每种反应的动力学参数依据Co-Ni/Al₂O₃催化剂设定，通过有限体积法（FVM）求解反应器内的流动与传热过程。
使用Gambit软件创建2D结构网格。边界条件设置包括“质量流量入口”和“压力出口”，壁面温度恒定，并在中心线设置对称条件，确保模型精确和稳定。
研究表明，进料流速增大会缩短反应停留时间，降低甘油转化率。较低流速有助于延长停留时间，增进转化效率。
随温度上升，氢气产量显著提升，特别是在较高温度下，甘油分解反应加速，氢气生成速率更高，反应更为充分。
增大S/C比可提高水煤气变换反应的进程，进而提升氢气产量，但效果不如流速和温度显著。最佳条件下，较高S/C比有助于最大化氢气产率。
建立的RSM模型显示，进料流速、温度和S/C比显著影响氢气产率，二次方程模型拟合度高（R²=0.999），可以精确预测不同条件下的氢气产量。
在特斯拉通道中央路径上增设倾斜壁障，迫使流体进入上下回路，增大流体与催化剂的接触面，从而提高反应效率。
增加的壁障使流体在通道中发生旋转和循环，增强流体混合，提高气体在通道内的分布均匀性，促进反应的进行。
模拟结果显示，改良结构在温度773 K、S/C比为4和流速为2×10⁻⁵ kg/s时，甘油转化率提升至78.33%，显著优于原始特斯拉几何结构。
特斯拉几何中的流体集中在中央路径，而改良结构使流体更均匀地分布在上下回路。通过对比分析，改良结构在更高进料流速下仍能保持高效转化。
改良特斯拉结构能够在较短的通道长度或较高的进料流速下达到与特斯拉结构相同的转化效果，显著降低了反应器体积和运营成本。
在RSM的实验设计中，选取了进料流速、反应温度和S/C比三大变量。优化结果表明，最佳条件为进料流速2×10⁻⁵ kg/s、温度823 K和S/C比6。
RSM模型中建立的二次方程具备良好的预测精度，可用于快速筛选最佳工艺条件并预测氢气产率，帮助优化生产条件。
三维响应面图展示了不同变量间的交互作用，例如增大温度和S/C比可共同提升氢气产量，便于理解各因素对氢气产量的影响。
4. 主要结论
响应曲面法优化结果显示，较低进料流速、更高的反应温度和蒸汽/碳比能显著提高制氢产率。
5. 主要结果图
6. 参考文献
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一区TOP期刊《Energy》—中央分级旋流燃烧器中一氧化碳（CO）形成特性的数值研究
一区TOP期刊《Energy》—CFD-DEM耦合模拟颗粒高速自旋和热传递的规律
一区TOP期刊《Energy》—ANSYS与COMSOL电磁-热耦合模型对比分析
一区TOP期刊《Computers and Geotechnics》— 三维耦合MPM模拟隧道面在水力-机械作用下的坍塌机制
一区TOP期刊《Energy》— COMSOL模拟考虑沉积压缩效应的天然气水合物降压开采储层物理和力学特性的演变
一区TOP期刊《Energy》— VOF-DEM耦合模拟气-液-固多相流混合过程中的传质
一区TOP期刊《Energy》— CFD-DEM模拟颗粒在页岩孔隙中堵塞问题
一区TOP期刊《Energy》— 高剪切流动的 CFD-DEM 数值模拟方法
一区TOP期刊《Energy》— 超临界 CO2热泵系统扁管气体冷却器结构分析与优化
