洁净煤技术

作者：卜亿峰, 潘腾, 门卓武, 成有为

关键词：气体分布器,浆态床,湍流模型,STAR-CCM+,结构优化

气体分布器是费托合成浆态床反应器的主要内构件，影响反应器的流体力学状态和反应性能。根据已有的工程实际经验设计了多层结构的管式气体分布器，以充分利用底部封头的空间。在给定的5层气体分布器整体尺寸及基准设计条件下，采用计算流体力学方法 (CFD) 对其进行模拟计算和结构优化。首先气体按三维稳态不可压缩流体处理，由于分布器喷嘴出口处于湍流状态，因此选用SST-kω单相湍流模型以匹配分布器存在曲率流动的工况；随后在流体的连续性方程和动量方程等控制方程基础上建模，采用计算流体力学软件STAR-CCM+求解方程组，并对多层气体分布器的三维流场进行数值模拟，发现基准设计条件下的分布器存在偏流和流量分布不均的问题；最后，以各层喷嘴的数量、直径和长度为设计变量，以气体分布均匀性为目标函数，在分布器喷嘴出口气体速度不高于75 m/s的限制条件下，采用SHERPA算法，对15个设计参数进行了120次迭代计算和优化，优化过程覆盖了各参数的取值范围。优化结果为每层喷嘴数量在9～15个、喷嘴半径在9～14 mm、喷嘴长度接近150 mm的上限，调节流体通过的压降，克服分布器各层最大的静压差，使气体在各层环形分布管之间均匀分配；同时喷嘴半径应随层数的增加而增加，喷嘴数量也须与半径和长度相互协调，才能得到最优的气体均布性能。最终优化设计的分布器可以获得均匀合理的流量分配，不存在短路现象，且流线较为光滑，不存在局部漩涡等非理想流场。

来源：2022年第08期

《洁净煤技术》期刊编辑部

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