一种太阳能驱动的多孔介质甲烷干重整反应器的设计方法

技术领域

本发明属于甲烷干重整反应器技术领域，具体涉及一种太阳能驱动的多孔介质甲烷干重整反应器的设计方法。

背景技术

利用太阳能驱动的甲烷重整反应可以减少两种温室气体(CH4，CO2)的排放同时将不稳定的太阳能转变为化学能储存起来，在过去的几十年里，甲烷干重整制备合成气(H2，CO)引起了极大的关注。许多研究关注于甲烷重整催化剂的合成设计，提高光热反应速率以及抗积碳等性能。然而对反应器设计并未有过多的关注，目前甲烷重整反应器大致可以分为两类：固定床和多孔骨架。后者由于其表面积高、导热性好、辐射传递距离长等优势成为未来规模化甲烷重整制备合成气的首选。以太阳能驱动的多孔骨架甲烷重整反应器包含辐射传递-传热传质-化学反应等多物理场的耦合作用，而多孔骨架的结构参数(孔径、孔隙率)对多物理场耦合有着显著的影响，进而影响太阳能-化学能的转换效率。因此如何设计多孔骨架的结构参数成为提高体吸收甲烷重整能量效率的关键因素。

穷举法对多孔结构的研究并不能很好的指导反应器设计，且效率较低，因此亟需普适性的准则式指导开发高效的太阳能体吸收反应器。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。

作为本发明其中一个方面，本发明提供一种太阳能驱动的多孔介质甲烷干重整反应器的设计方法，其为：同时满足式(1)～(3)所示的条件，得到最优的多孔介质甲烷干重整反应器的孔径、孔隙率、尺寸；

其中，E

作为本发明所述的太阳能驱动的多孔介质甲烷干重整反应器的设计方法的一种优选方案：所述多孔介质甲烷干重整反应器的材料为多孔的泡沫状材料，其组分包括碳化硅、氧化锆、氧化铈、泡沫镍。

作为本发明所述的太阳能驱动的多孔介质甲烷干重整反应器的设计方法的一种优选方案：固体边界包括热流密度边界条件为：q＝400KW/m

作为本发明所述的太阳能驱动的多孔介质甲烷干重整反应器的设计方法的一种优选方案：所述甲烷干重整反应的反应物为甲烷和二氧化碳，甲烷和二氧化碳摩尔比为1∶1。

作为本发明所述的太阳能驱动的多孔介质甲烷干重整反应器的设计方法的一种优选方案：太阳能驱动的多孔介质甲烷干重整反应器的多孔介质孔隙率为0.7～0.95(单位为1)。

作为本发明所述的太阳能驱动的多孔介质甲烷干重整反应器的设计方法的一种优选方案：太阳能驱动的多孔介质甲烷干重整反应器的孔径为0.5mm～5mm。

作为本发明所述的太阳能驱动的多孔介质甲烷干重整反应器的设计方法的一种优选方案：流体边界入口流速为v

作为本发明所述的太阳能驱动的多孔介质甲烷干重整反应器的设计方法的一种优选方案：所述多孔介质甲烷干重整反应器形状为圆柱状，其最优长度为：使得多孔介质甲烷干重整反应器的出口处气体和流体温差为0时多孔介质甲烷干重整反应器的长度

本发明的有益效果：本发明构建了多孔介质的多物理场耦合模型，基于不同孔径孔隙率模型的结果推导出了甲烷重整反应器的设计准则式，发现了多孔介质结构对太阳能转换效率的影响规律，根据此准则式可以筛选出实现高效的多孔骨架参数范围，进而指导反应器的建造。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为不同孔径-孔隙率组合下太阳能转化效率。

图2为相同光学厚度下中心轴线上流体和固体温度分布曲线。

图3为光学厚度不同、孔径/孔隙率相同时的流固温度分布。

图4为负载催化剂的骨架单元模型示意图。

图5为不同孔隙率孔径下传质准则式的结果。

图6为不同孔隙率孔径下传热准则式的结果。

图7为太阳能驱动的多孔介质甲烷重整反应模型示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本发明构建了多孔介质的多物理场耦合模型，基于不同孔径孔隙率模型的结果推导出了甲烷重整反应器的设计准则式，发现了多孔介质结构对太阳能转换效率的影响规律，根据此准则式可以筛选出实现高效的多孔骨架参数范围，进而指导反应器的建造。

利用fluent软件UDF代码构建了太阳能驱动的多孔介质甲烷重整反应模型，包括辐多孔介质内的辐射传递、传热传质、化学反应、气体流动。其物理模型示意图如图7所示：其长度为50mm，半径为40mm的轴对称模型。

连续性方程：

动量守恒方程：

其中，φ为孔隙率，d

流体能量守恒方程：

其中c

其中S

S

h

其中体积对流换热系数根据Wu模型确定：

对于固体项能量方程：

λ

λ

λ

多孔介质的辐射传递方程：

多孔介质内的辐射热传递需要求解以下方程：

其中吸收系数、散射系数、消光系数表示为：

ε为固体发射率

为了更准确地描述多孔介质内部的辐射，将多孔介质在漫反射条件下的散射相位函数定义为：

辐射源项表示为：

反应模型：

考虑甲烷重整反应和逆水煤气副反应，系统中发生的反应如下：

使用朗缪尔吸附反应模型：

P

化学反应源项为：

S

边界条件：对固体边界使用定热流密度边界条件q＝400KW/m

效率结果：孔隙率步长为0.05，孔径步长为0.5，计算了不同组合下太阳能-化学能的转换效率，根据STF效率转换公式：

其中m

从穷举法的计算结果来看能量效率随着孔隙率的增加而增加，在相同的孔径下在0.95的孔隙率下达到了最大值。在相同的孔隙率下，孔径的最优值在1-2范围内取得。我们试图寻找孔隙率-孔径组合设计的方法，推导出选用孔隙率孔径的一般性准则式。多孔介质结构参数直接影响辐射渗透深度和对流换热系数，从而影响流固温度分布，进而影响反应速率和能量效率，因此对不同参数下的温度分布规律影响是必要的。

图2为相同光学厚度下中心轴线上流体和固体温度分布曲线，(a)光学厚度值为7.5(b)光学厚度值为15(c)光学厚度值为30。从图2中可以看到，光学厚度相同的情况下，流体最高温度越高，效率越高，从三个光学厚度的温度分布看，各图中红色的温度分布效率最高，流体最高温度最高。其共性特征都是孔径不能低于1mm，低于1mm孔径的工况由于其对流换热系数的增加，热非平衡区明显变小，导致前端流固温度曲线过早交汇，造成热平衡区温度过低反应速率下降。对于大于1mm的孔径(如光学厚度为7.5，光学厚度15的0.9-1、0.8-2)尽管蓝色温度在热平衡区略高，但在热非平衡区红色流体温度高，而热非平衡区的反应速率大于热平衡，因此后者效率高于前者。

图3为光学厚度不同、孔径/孔隙率相同时的流固温度分布。(a)孔径为5mm(b)孔隙率为0.95(c)孔径为2mm。对于光学厚度不同孔径或孔隙率相同的情况，过小的孔隙率或者孔径会阻碍辐射渗透的深度，使得热非平衡区域过小，后续的反应速率降低。过大的孔径会使得换热不充分，在出口之前还未完成换热，效率也会降低。因此最优的反应温度分布是在出口处刚好完成换热。

通过温度的比较，我们已经得到了效率最高时的最优的温度分布曲线。然而多孔介质的外部传热传质和反应动力学的特性需要有定量的表达式描述多孔介质结构对效率的影响，以筛选出满足准则式的组合，从而确定出现效率最高的孔径孔隙率。因此我们从基本的反应动力学宏观方程和能量平衡方程出发，推导出了负载催化剂的多孔介质甲烷重整反应器的准则式。

1.外部传热准则式的推导：

以单个骨架单元为分析对象，对甲烷的宏观反应速率方程可以写为以下形式：

上式中，k

函数f(X)在T

f(x)＝f(x

忽略无穷小项并将反应速率方程整理：

其中，

T0：气流主体的温度

k0：指前因子。

骨架单元内的能量平衡，甲烷干重整吸收的热量等于对流换热量：

将反应速率方程的T-T0代入：

为了使实际反应速率不偏离T0下的反应速率，认为不超过5％是可以接受的。

上述公式中：

V

S

r

h

整理得到外部骨架外部传热的准则式：

2.外部传质的准则式推导：

外扩散有效因子定义为：

单位骨架单元上，气流主体向外表面的外扩散量等于表面反应量：

k为甲烷反应速率常数，C

同时除以

定义Damkohler准则数：

对于单个的骨架单元：

为了使效率因子大于95％，认为外扩散不受限制。由于两者存在以下关系：

因此，当η

特征尺寸的计算(m)：

外部传质系数(m/s)：

其中D

Sh

雷诺数、施密特数、几何因子用以下公式计算：

多孔泡沫的体积用以下公式计算：

多孔骨架的面直径等于孔径和支柱厚度之和：

d

泡沫相对密度：

孔隙率：φ＝1-ρ

上述公式中，d

外部传热和传质的评估：基于推导得到的准则式，计算不同组合下的传质和传热准则式以验证准则式的适用性。

传质准则式的计算：图5为不同孔隙率孔径下传质准则式的结果，图6为不同孔隙率孔径下传热准则式的结果。由在轴线方向上传质准则式结果可以看出，所有组合均符合传质准则，没有超过上限0.15。从传热结果来看，在各个孔隙率下，大于2mm的孔径不满足传热准则式，这意味着反应吸热与对流传热不匹配，即传热过程不能满足化学反应吸热的反应要求，因此效率会降低。表1按光学厚度大小排列，给出了不同组合下的光学厚度和效率关系，可以看到不满足传热准则的组合效率很低。

表1

从光学厚度排列的组合来看，不符合传热条件的效率非常低，对于符合传热条件的组合，光学厚度很大的情况下，效率也很低。这是因为光学厚度太厚的情况下，温度在多孔介质前端就达到热平衡，后续温度降低反应速率很慢造成效率降低。结合传热传质和温度分布情况，我们提出了多孔介质甲烷重整的准则式：

上述公式中，E

同时满足上述准则式的孔径孔隙率组合，才会出现效率最高的情况。基于此准则式，可以为高效驱动体吸收甲烷重整反应器的泡沫设计提供指导，以获得最高的太阳能-化学能的转换效率。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。