莫畏难, 苏有勇, 朱冬冬丨低管径比固定床反应器床层特性及流动传热模拟

文摘 2024-07-15 18:18 北京

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低管径比固定床反应器床层特性及流动传热模拟

莫畏难苏有勇朱冬冬

昆明理工大学现代农业工程学院，云南昆明 650500

DOI：10.12034/j.issn.1009-606X.223294

摘要管式固定床常用于高温催化裂解工艺，探究低管径比固定床结构特性和高温下流动传热规律，可以为优化固定床高温催化裂解工艺提供参考。针对粒子解析法中离散元DEM方法对颗粒描述不准确和网格划分困难的问题，采用基于刚体动力学的blender生成床层堆积模型，并提出了新的接触点处理方法。该方法不改变颗粒和床层形状参数，适用于各种形状颗粒，减小了模型接触处理难度。生成了三种反应管内径与柱状颗粒的等比表面积球当量直径之比(管径比D/d_p)的圆柱状颗粒床层和一种球状颗粒床层，探究了管径比和颗粒形状对床层结构和流动传热特性的影响。结果表明，床层总体空隙率随着管径比增大而减小，颗粒堆积呈圈层分布，径向空隙率和轴向平均速度的径向分布曲线高度一致，压降与Eisfeld修正式基本吻合。此外，床层流场分布与床层结构高度相关，流道空隙的大小会直接影响沟流现象的产生，进一步影响其温度场分布和传热。球状颗粒床层有更均匀的温度场分布，但传热弱于圆柱状颗粒床层。

关键词固定床反应器；接触点处理方法；压降；流动传热；数值模拟

1 前言

固定床反应器是化工过程中常用的反应器之一，在工业上有着广泛的应用。特别在高温催化裂化领域，如烯烃催化裂解工艺^[1, 2]和各类生物油的催化升级^[3]，固定床均为主要的反应器，一般以圆柱形的管道作为容器，内部填充一定数量的催化剂形成床层。反应物以气体的形态从高温床层的空隙中流过，发生反应，同时伴随着强烈的传热和传质过程，这些特征共同构成了一个复杂的耦合流动反应体系^[4]。低管径比固定床，尤其是管径比小于10的固定床，由于受壁面效应的影响显著，床层特性及内部流体的流动行为和温度分布更加复杂，因此，亟须一个能准确描述反应器内部情况的模型^[5]。

计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)的应用使固定床模型的建立和行为预测成为可能。当前CFD建立固定床模型主要有两种方法：多孔介质方法(Porous Medium Model, PMM)和粒子解析法(Particle-resolved CFD, PRCFD)^[6]。PMM将固定床视为一个连续体；内部不存在单个的催化剂粒子，通过添加动量损失源项的方式来替代粒子。PMM可以捕捉平均压降和温度增加，但不能再现二次流和流动各向异性，如分离、振荡和涡流的形成。PRCFD以计算机生成颗粒随机堆积的床层结构，建立真实的反应床层进行流体仿真。Eppinger等^[7]提出了一种基于离散元(Discrete Element Method, DEM)算法的包装球体和圆柱体的自动数值生成方法，也能够产生环的堆积，该方法用胶合球或团块球模型拟合复杂的粒子，即许多球体被黏在一起以表示圆柱、环形和其他形状。Caulkin等^[8]发现，胶合球方法会显著影响模型精度，尤其是对角点和边缘缺乏真实的表示。Boccardo等^[9]提出了一种新的颗粒生成方法，基于刚体动力学的开源软件blender生成各种复杂形状的催化剂颗粒，建立更加真实的固定床床层。Partopour等^[10]在此基础上提出了一套新的用于生成任意形状颗粒固定床的仿真流程。自此，利用blender生成床层开始兴起，相关研究开始涌现^[11-14]。但国内关于该方法的研究并不多，多数仍以DEM方法为主^[15,16]

当前，PRCFD已被广泛应用在固定床模型构建和流动传热模拟中。Flaischlen等^[13]对比了DEM和blender两种方法在生成不同颗粒形状床层的优劣，探究了球状、柱状、环状及齿轮状等不同颗粒形状床层结构特性。Behnam等^[17]提出了新的基于速度的固定床径向传热模型，计算了球状颗粒固定床的径向和轴向温度变化，结果与三维CFD模拟十分吻合。Zhang等^[18]利用DEM方法生成了不同管径比柱状颗粒床层，探究其床层流动和传热情况，将模拟结果与改进的传统径向热导率模型进行了比较。但不同管径比和颗粒形状所形成的固定床层结构特性对内部流动传热的影响仍缺乏足够的研究。固定床内部流场和温度场的分布会显著影响其催化反应效率，导致局部结焦、飞温等现象，增加了操作过程的安全隐患，降低了管式固定床反应器的使用寿命。

考虑当前固定床大多使用柱状和球状催化剂颗粒，本工作采用blender生成三种不同管径比柱状颗粒床层模型和一种球状颗粒床层模型，与真实装填床层对比了空隙率，探究了不同床层模型结构的特性。根据建立的床层模型进行流动和传热仿真，分析床层结构和颗粒形状对于压降、速度和温度分布的影响。在此过程中，针对粒子解析法特有的接触点问题，提出了一种新的接触区域处理方法，该方法能处理各类形状颗粒的接触问题，比当前主流的方法更为简单，降低了接触点的处理难度。

2 实验

2.1　实验装置与方法

固定床和装填颗粒的尺寸参数如图1所示，三种柱状颗粒的直径和长度分别为3.6 mm×20 mm, 3 mm×12 mm, 3 mm×10 mm，其等比外表面积当量直径d_p经计算依次为4.95, 4.00, 3.46 mm，固定床层管径比为5.05, 6.25和7.22，球状颗粒当量直径为4.00 mm。采用上海梅特勒-托利多仪器有限公司的ME204E型号电子天平称量相同质量的四种催化剂颗粒进行依次装填，测量床层高度，每种颗粒重复装填测量三次，取平均值。根据装填质量和颗粒尺寸参数计算blender建模的颗粒数量N，确保模型的真实性。

图1 固定床和装填颗粒尺寸参数示意图Fig.1 Schematic diagrams of fixed bed and size parameters of loaded particles

2.2　空隙率计算

已知装填催化剂颗粒的质量m和密度ρ，依照测量的床层高度计算床层总体积，真实床层的空隙率为：

(1)

模型床层空隙率通过计算模型床层空隙体积和总体积的比值得到。

(2)

式中，为单个颗粒体积(kg/m³)，为颗粒装填数量，为模型床层总体积(kg/m³)。

3 数值模拟

3.1　床层模型

传统DEM方法通过球状颗粒的复合产生柱状颗粒，在颗粒边缘处与真实柱状颗粒有差距，如图2所示。在床层堆积和转化为CAD格式的过程中，颗粒间产生了重叠，而基于刚体动力学的blender可有效避免这种问题^[13]。因此，采用blender建立床层模型。装填过程中，对于柱状颗粒需要给定随机的初始下落角度以模拟真实床层的装填过程。四种床层的堆积装填模型见图3，模拟参数见表1。

图2 DEM方法和blender方法颗粒堆积对比Fig.2 Comparisons of particle stacking between DEM method and blender method

图3 四种床层堆积模型示意图Fig.3 Schematic diagrams of four bed accumulation models

表1 Blender模拟参数设置Table 1 Blender simulation parameter settings

3.2　接触点处理方法

图4(a)为当前主要的四种接触点处理方法，全局接触修正的gaps^[19]和overlaps^[20]，以及局部接触修正的caps^[21]和bridges^[22]。四种方法均是在床层堆叠完成后，对床层几何模型进行修正。全局接触修正即通过将全局颗粒增大或者缩小一定比例，从而合并或者消除接触区域。因其对全局颗粒尺寸的改变，可能会对床层空隙率和压降造成明显的变化。局部接触修正主要是桥接法(bridges)和展平法(caps)，桥接法在接触区域用一个短的圆柱代替接触区域，将两个颗粒进行桥接合并；展平法通过布尔运算将接触区域的粒子进行局部削除展平以达到消除接触区域的目的。局部接触修正仅改变颗粒接触的一小部分区域，对床层结构的影响没有全局接触修正明显，但对几何模型的处理要求较高，特别对于复杂颗粒堆积，可能还需要使用桥接和展平两种方法的综合处理^[23]。

图4 接触点方法示意图Fig.4 Schematic diagrams of contact method

在此提出一种新的接触点处理方法，其原理为：在blender中进行堆叠前，增大颗粒的碰撞范围，给定一个微小的足以产生间隙的值。随后，颗粒下落堆叠时，按照给定的略大于颗粒尺寸的范围碰撞堆叠，在颗粒与颗粒间，颗粒与床层间均产生细小的间隙，如图4(b)所示。为验证该方法对于床层结构的影响，选取管径比为6.25的柱状和球状颗粒进行相同数量不同碰撞范围的床层堆叠，对比床层高度，结果如表2所示。证明该方法在碰撞范围小于一定值时，与真实碰撞范围床层堆叠基本无异。新的接触点处理方法将修正过程融入床层碰撞堆叠之中，无需堆叠后再对床层几何模型进行处理，不改变颗粒的尺寸大小和局部特征，减小了床层几何模型的处理难度和时间，且适用各种复杂颗粒。

表2 不同碰撞范围的床层高度Table 2 Bed heights for different collision ranges

3.3　径向空隙率算法

为了得到所建立的固定床模型空隙率的径向分布情况，本工作使用了计算机图形学领域的射线追踪算法在blender中编写Python脚本进行检测和计算，如图5所示。其原理是：从固定床壁面开始，向内依次建立不同直径且与床层等高的100个圆柱面，并将每个圆柱面分割成细小的矩形块。射线从固定床中心平行射出，到达每个矩形块，检测并记录途中所穿过的物体表面层数。通过判断穿透物体表面层数的奇偶来判断是否为空隙块。最后依次计算各个圆柱面空隙块与总块的数量比例得到该床层模型空隙率的径向分布。

图5 径向空隙率算法示意图Fig.5 Schematic diagram of the radial void fraction algorithm

3.4　数学模型

以空气作为介质，假设管中空气为理想不可压缩气体，在床层中稳态流动，主要受连续性方程和动量方程控制。

连续性方程：

(3)

式中，为速度矢量。

动量方程：

(4)

式中，, , 和分别为时间(s)、动力黏度(N⋅s/m²)、压力(Pa)和密度(kg/m³)。

介质与床层进行对流传热时，主要受能量方程控制：

(5)

式中，和分别为温度(K)和热扩散率(m²/s)。

3.5　网格划分

使用Star-CCM+进行网格划分和后续的流动和传热仿真。Blender建立的床层模型以stl格式导入Star-CCM+中处理，针对固定床内部颗粒和空隙的复杂情况，选用多面体网格能更好地适应多变的空隙结构，边界层为棱柱层，层数为2。具体的网格划分参数见表3，使用颗粒的当量直径作为基本尺寸控制其他相对尺寸。

表3 网格划分参数设置Table 3 Mesh parameter settings

需要注意的是，在网格划分时，若选择了模型自动修复，则自动修复最小接近值需小于颗粒间的缝隙值，即为处理接触区域在blender中设置的碰撞范围，否则无法成功进行体网格的划分。网格划分完成的床层截面如图6所示。

图6 床层网格截面图Fig.6 Cross-section of bed mesh

3.6　网格无关性验证

为验证网格无关性，选取D/d_p=6.5的柱状颗粒模型，在不改变其他相对尺寸比例大小的情况下，进行了不同基本尺寸的网格划分。不考虑传热，仅划分流体域，入口速度为1 m/s，对比压降变化，结果如表4所示。在基本尺寸为1倍和0.8倍当量直径时，压降基本没有变化，综合计算资源考虑，采用1倍当量直径作为基本尺寸。

表4 不同尺寸的网格数量和压降Table 4 Number of grids of different sizes and pressure drop

3.7　流体仿真设置

流体介质为理想空气，选择分离流、分离流体温度，计算模型选择湍流的k-ε模型进行稳态计算。颗粒的模型参数采用固体物理模型、恒定密度、分离固体温度。入口和出口条件分别设置为速度入口和压力出口，详细参数见表5。

表5 流体仿真参数设置Table 5 Fluid simulation parameter settings

此外，与径向空隙率算法相似，在每个床层内部建立与床层高度一致的100个径向圆柱面，读取每个圆柱面上的平均轴向速度，如图7所示。依次汇总得到各个床层的轴向平均速度的径向分布曲线，并与径向空隙率进行对比。

图7 径向床层截面示意图Fig.7 Schematic diagram of radial bed cross-section

4 结果与讨论

4.1　床层空隙率

表6为四种模拟床层与真实床层的空隙率对比。柱状颗粒床层的空隙率均随着管径比D/d_p增大而减小。除管径比D/d_p=5.05的床层外，其余床层真实空隙率均略大于模拟空隙率，可能是因为在blender模拟过程中，颗粒的摩擦系数设置小于实际颗粒摩擦系数，从而导致模拟床层装填得更加紧密。管径比D/d_p=5.05的床层颗粒长度已经接近管直径，模拟过程中给定的随机角度可能会使得其在下落的过程中更容易相互搭桥，从而使空隙率偏大。此外，对比颗粒种类和数量可以发现，在相同管径比下，球状颗粒的空隙率比柱状颗粒更小；随着颗粒数量增加，模拟床层的误差逐渐增大，但总体满足工程应用的误差要求。

表6 床层空隙率对比Table 6 Bed porosity comparison

4.2　颗粒位置分布

在blender中装填完毕后，利用Python脚本对所有颗粒的质心坐标进行输出。在图8中，颗粒的质心坐标全部投影显示在XY平面上。由图可知，随着管径比D/d_p增大，颗粒倾向于成圈排列。D/d_p=6.25时，球状颗粒成圈排列倾向更加显著，形成较规则的2~3个圈层，而柱状颗粒相对分布更加随机。这可能会导致相同管径比下，圆柱状粒子填充的固定床内部会有更加不均匀的空隙，从而形成更加复杂的流速变化。当D/d_p=5.05时，壁面边缘的颗粒很少，且整体更倾向于随机分布，无圈层效应。这可能导致边缘区域具有较大的空隙率和轴向速度，床层产生不同的径向空隙率分布。壁面附近的空隙分布规律对流动和传热过程有重要影响。

图8 颗粒质心位置分布Fig.8 Position distributions of particle mass center

4.3　空隙率与轴向平均速度的径向分布

图9为不同管径比下固定床空隙率的径向分布，与de Klerk^[24]的经验公式进行对比。该经验公式如下：

(6)

式中，为归一化的壁面距离，定义为，为管半径(m)，为当前径向圆柱面的半径(m)。是无限直径固定床内的平均空隙率，这里选择各个床层模型的空隙率为。

图9 径向空隙率分布曲线Fig.9 Radial void ratio distribution curves

由图9可知，曲线的趋势大致相同，从管壁到中心，径向空隙率从1左右开始迅速下降，并呈现出一定的阻尼振荡，具有峰形和平滑的谷形。在近壁区，除D/d_p=5.05的床层外，其余床层峰谷位置几乎相同，这与粒子质心位置一致(图8)，振荡周期小于当量直径，即两个峰之间的z值相差小于1。随着管径比增大，径向空隙分布逐渐与经验公式接近。相同管径比下，球状颗粒的径向空隙率分布比柱状颗粒更接近经验公式，分布更加均匀，且空隙率更低。D/d_p=5.05, z=0~1.0时，径向空隙分布下降和峰谷趋势与经验公式不太相符，但与其颗粒质心位置投影图可相互印证，共同证明了在外围圈层有较高的空隙率，这可能会导致该床层具有不同的轴向速度和流场分布。

图10为各个床层平均轴向速度的径向分布曲线，纵坐标将平均轴向速度进行无量纲化处理，定义为各圆柱面上轴向平均速度v_z与床层入口速度v_in的比值。由图可知，平均轴向速度的径向分布曲线与空隙率的分布曲线相当一致，尤其在球状颗粒床层中，图9(d)与图10(d)的波动范围几乎相同。所有床层在z=0~0.5均有较大的轴向平均速度，且空隙率越小，其速度越大，可能会造成不同的壁面效应。在D/d_p=5.05的柱状颗粒床层中，特殊的颗粒位置和空隙率分布导致轴向平均速度整体波动不大，呈现两端高中间低的特点。

图10 轴向平均速度的径向分布曲线Fig.10 Radial distribution curves of axial mean velocity

4.4　压降

经典的Ergun公式只能预测球形颗粒的压降，对于其他形状颗粒床层压降的误差过大，因此采用Eisfeld等^[25]在拟合压降数据库后提出的修正式，关系式如下：

(7)

其中，L为床层高度(m)，为初始空气密度(kg/m³)，为入口速度(m/s)，为无量纲压降：

(8)

式中，壁面关联系数, 为：

(9)

(10)

式中，为平均空隙率，系数, 和的取值参照表7。对于固定床反应器，雷诺数的计算需要参照下式：

(11)

其中，为空气动力黏度(N⋅s/m²)，为实际空气密度(kg/m³)，对于高温常压条件下，实际空气密度=1.293×(273.15/实际绝对温度)。

表7 压降系数Table 7 Pressure drop coefficient

表8对比了四种床层在入口速度为0.1 m/s，温度为673 K时的单位压降，并与Eisfeld等^[25]的修正式进行了对比。

表8 床层压降对比Table 8 Comparison of bed pressure drop

由表可知，计算压降与仿真压降的误差均在工程应用误差要求内。随着床层空隙率减小，压降急剧增大，空隙率减小0.2，床层单位压降增大了10倍。相同管径比下，球状颗粒床层由于空隙率更小，压降比柱状颗粒床层大幅增加。对比D/d_p=7.22的柱状颗粒床层和D/d_p=6.25的球状颗粒床层，柱状颗粒床层在空隙率略大的情况下压降更大，可能是因为柱状颗粒形成的流道空隙更为复杂。此外，D/d_p=5.05的柱状颗粒床层，在压降最小的情况下，与Eisfeld等^[25]的修正式误差最大，应该与其特殊的床层结构有关。

选取D/d_p=6.25的柱状和球状颗粒床层分别进行0.1, 0.3和0.5 m/s (对应雷诺数为11.3, 34和56.6)流速下的高温压降测试，结果见图11。两种床层在不同雷诺数下，压降基本与Eisfeld的修正式基本吻合。随着流速增大，球状床层压降与修正式的差距逐渐增大，流速0.5 m/s，即雷诺数56.6时，误差达到了18%。

图11 D/d_p=6.25时不同雷诺数下柱状与球状颗粒床层的压降与修正式的对比Fig.11 Comparations of pressure drop with modified equation in cylinder and sphere particle beds with D/d_p=6.25 for different Reynolds numbers

4.5　流场分布

图12为四种床层在x=0截面的流场分布图，其入口速度均为0.1 m/s。由图可知，随着管径比增大，整体空隙的减小，红黄斑区域显著减少，这意味沟流现象明显减弱。在入口速度相同的情况下，管径比增大，空隙率减小，流场的最大速度也逐步增大。D/d_p=7.22的柱状床层中，最大速度已经达到了入口速度的25倍，这揭示了可能越小的局部空隙会产生越激烈的速度湍流，与轴向平均速度分布一节中的分析一致。此外，在该床层的右下部，因颗粒堆积偶然产生了一块大的空隙，导致了该区域存在极为明显的沟流现象，速度大幅超过了其他区域，这进一步表明沟流现象与空隙的大小密切相关。对比相同管径比的柱状和球状颗粒床层，球状颗粒床层空隙率更小，颗粒分布更均匀，其流场分布也更均匀，沟流现象明显减弱，但球状颗粒床层最大速度也相应增大，这可能对床层的对流传热产生影响。总体上，床层管径比越大，空隙率越小，其流场分布越均匀，沟流现象越不显著，且相同管径比下，球状颗粒床层具有更均匀的速度分布。

图12 四种床层流场分布Fig.12 Flow field distributions of four types of beds

图13为入口速度v_in=0.1, 0.3和0.5 m/s下D/d_p=6.25时柱状和球状颗粒床层的流场分布。不同入口速度下的整体流场分布差异较小，红黄斑区域的大小和位置几乎一致。在柱状床层的右侧壁面区域，红黄斑似乎有所加强，可能是因为随着入口速度增大，壁面效应有所增强。两种床层随着v_in增加，最大速度均增大，但增大的倍数却逐渐降低。柱状床层由最初12倍v_in (0.1 m/s)降到了不足10倍v_in (0.5 m/s)，而球状则由18倍v_in (0.1 m/s)降到了13倍v_in (0.5 m/s)，降幅更大。总体上球状颗粒床层的最大速度在不同入口速度下均大于柱状颗粒床层，这可能会对床层的传热造成较大的影响。

图13 不同入口速度下D/d_p=6.25时柱状与球状颗粒床层流场分布Fig.13 Flow field distributions of cylinder and sphere particle beds with D/d_p=6.25 at different inlet velocities

4.6　温度场分布

图14为不同管径比床层在入口速度0.1 m/s、空气温度300 K、壁面和颗粒温度673 K时的温度场。由图可知，四个床层的空气基本在床层前半段完成了加热，但管径比越小，空隙率越大，床层受沟流影响越明显，床层开始段局部空隙处温度场和流场的分布几乎一致，这一现象在D/d_p=5.05的床层尤为突出。相同管径比下，球状颗粒床层空隙更均匀，温度场也更均匀。空隙率相当的柱状和球状床层[图14(c)和14(d)]，柱状颗粒床层中低温区(即空气与颗粒接触传热的蓝黄区域)明显少于球状颗粒床层，且温度场也十分均匀，沟流现象较弱，表明柱状床层的传热表现更好，这可能与柱状颗粒拥有更大的传热表面积以及床层内部流速有关。图14(c)和14(d)中床层的颗粒数量和床层高度相当，单个颗粒的表面积分别为0.613和0.377 cm³，柱状颗粒的表面积是球状颗粒的1.6倍。相同管径比下，图14(b)的单个柱状颗粒表面积为1.27 cm³，是球状颗粒的3.4倍。对比图12(c)和12(d)的床层流场分布，除去图12(c)床层右下角意外的空隙沟流，柱状颗粒床层的红黄斑区域明显少于球状颗粒床层。不同流速下的柱状和球状颗粒床层传热表现差异更为显著。

图14 四种床层的温度场Fig.14 Temperature fields in four types of beds

图15为D/d_p=6.25时柱状和球状颗粒床层在不同流速下的温度场。由图可知，随着入口速度增大，床层整体温度降低，在0.5 m/s的流速下，床层已经不满足高温加热的条件，除壁面附近外，中心床层已基本被低温空气冷却。与图14中的分析相同，相同管径比下，柱状颗粒床层有更大的传热表面积和更高的床层，在不同流速下均比球状颗粒床层的传热表现更好，特别在0.5 m/s的流速下尤为明显。由图10, 12和13可知，球状床层内部平均轴向速度和最大速度均大于柱状床层，在相同的入口速度下，空气在球状床层中停留时间更短，造成传热不充分，所以会出现图15(f)中冷空气完全穿透颗粒床层，几乎到达出口区域的现象。

图15 不同入口速度下D/d_p=6.25时柱状与球状颗粒床层温度场分布Fig.15 Temperature field distributions of cylinder and sphere particle beds with D/d_p=6.25 at different inlet velocities

综上可知，相同管径比下，柱状颗粒床层更高，空隙率更大，有更小的床层压降和内部流速，且柱状颗粒有数倍于球状颗粒的表面积，所以传热表现明显优于球状颗粒。但低管径比的柱状颗粒床层堆积空隙过大，受沟流现象影响严重，显著影响了传热和温度场的均匀性。管径比增大后，柱状颗粒床层总体空隙率减小，颗粒堆积更加紧密，沟流显著减弱[图14(c)]，有较好的传热表现和均匀的温度场。

5 结论

采用基于刚体动力学的blender对管径比分别为5.05, 6.25和7.22的圆柱状颗粒床层和管径比为6.25的球状颗粒床层进行建模，与真实床层对比了空隙率，探究颗粒位置和空隙率的分布规律。利用计算流体力学软件Star-CCM+对床层进行高温流动传热模拟，对比了床层压降，分析了床层结构和颗粒形状对轴向平均速度、流场和温度场的影响，得到了以下结论：

(1) 在blender进行床层建模过程中，提出了新的接触点处理方法，不改变颗粒和床层尺寸，能处理各种形状颗粒，减小了接触区域的处理难度和时间。

(2) 管径比越大，床层总体空隙率越小，颗粒堆积更倾向于成圈分布，相同管径比下，柱状颗粒床层空隙率大于球状颗粒床层，且颗粒位置分布更加随机。

(3) 床层空隙率和轴向平均速度的径向分布曲线高度一致，均呈现壁面高，中心低，其间震荡衰减的趋势，其中柱状颗粒床层径向空隙率更大，轴向平均速度更小。过低的管径比会造成特殊的床层结构和轴向平均速度分布。

(4) 高温下四种床层的压降均与Eisfeld等的修正式吻合，床层压降随着空隙率减小而增大，在空隙率相当的情况下，柱状床层压降更大。

(5) 流场分布与床层结构高度相关，空隙越小，流速分布越均匀，沟流现象越不显著，但床层最大速度越大。

(6) 床层传热受沟流现象影响显著，球状颗粒床层传热更均匀，柱状颗粒床层传热面积更大，轴向平均速度更低，传热表现更好。随着管径比增大，柱状颗粒床层的沟流现象显著减弱，温度场均匀性大幅提升。

未来将在流动传热模拟的基础上，在床层内部添加油脂进行高温催化裂化反应，探究床层结构、流场和温度场对于反应的影响，进一步优化固定床高温催化裂化工艺。

略

Bed characterization and flow heat transfer simulation of fixed bed reactor with low tube to particle diameter ratios

Weinan MO Youyong SU Dongdong ZHU

School of Modern Agricultural Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming, Yunnan 650500, China

Abstract: Tubular fixed beds are widely used in high-temperature catalytic cracking processes. Investigating the structural characteristics of fixed beds with low tube to particle diameter ratios and the flow heat transfer laws at high temperatures can provide valuable insights for optimizing the fixed bed high-temperature catalytic cracking process. To address the issues of inaccurate particle description in the discrete element method and difficulty in mesh delineation in the particle resolution method, a new contact point method is proposed. This method does not alter the particle and bed size and shape parameters, adapts to various particle shapes, and significantly reduces the difficulty of model contact processing. Three cylindrical particle beds with different ratios of the inner diameter of the reaction tube to the equivalent diameter of spheres of equal specific surface area of the cylindrical particles (tube-diameter ratio D/d_p) and one spherical particle bed are generated to investigate the effects of tube size ratio and particle shape on bed structure and flow heat transfer characteristics. The results show that the overall void ratio of the bed layer decreases with increasing tube to particle diameter ratio, the particle stacking is distributed in circles, and the radial distribution curves of radial void ratio and axial mean velocity are highly consistent. Additionally, the pressure drop is generally consistent with Eisfeld modified equation. Furthermore, the bed flow field distribution is highly correlated with the bed structure, and the size of the flow channel voids directly affects the generation of channel flow phenomena, which further impacts its temperature field distribution and heat transfer performance. The sphere particle bed exhibits a more uniform temperature field distribution, but its heat transfer performance is not as good as that of the cylind particle bed.

Keywords: fixed-bed reactor；contact point method；pressure drop；flow heat transfer；numerical simulation

引用本文：莫畏难, 苏有勇, 朱冬冬. 低管径比固定床反应器床层特性及流动传热模拟. 过程工程学报, 2024, 24(6): 692-704. (Mo W N, Su Y Y, Zhu D D. Bed characterization and flow heat transfer simulation of fixed bed reactor with low tube to particle diameter ratios (in Chinese). Chin. J. Process Eng., 2024, 24(6): 692-704, DOI: 10.12034/j.issn.1009‑606X.223294.)

作者简介：莫畏难，硕士研究生，研究方向为生物质能转化，E-mail: 1779057230@qq.com

作者简介：苏有勇，教授，研究方向为生物能源，E-mail: youyongsu@gmail.com

中图分类号： TQ051.14

文章编号：1009-606X(2024)06-0692-13

文献标识码： A

收稿日期：2023-10-30

修回日期：2023-12-26

出版日期：2024-06-28

网刊发布日期：2024-06-26

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI0MzM2MjgyOQ==&mid=2247531139&idx=1&sn=fa0a4e93bcf3a09b92ed64743906568a

过程工程学报

《过程工程学报》(月刊)创刊于1976年，由中国科学院过程工程研究所主办、科学出版社出版。《过程工程学报》以过程工程科学为学科基础，重点刊登材料、化工、生物、能源、冶金、石油、食品、医药、资源及环境保护等领域中涉及过程工程的原创论文。

莫畏难, 苏有勇, 朱冬冬丨低管径比固定床反应器床层特性及流动传热模拟

1 前 言

2 实 验

2.1 实验装置与方法

2.2 空隙率计算

3 数值模拟

3.1 床层模型

3.2 接触点处理方法

3.3 径向空隙率算法

3.4 数学模型

3.5 网格划分

3.6 网格无关性验证

3.7 流体仿真设置