Компьютерное моделирование диффузионного пламени в реформере природного газа

Введение

Одной из перспективных технологий получения синтез газа из природного газа является технология некаталитического реформинга. В ходе неполного окисления природного газа образуется газ с высоким содержанием водорода и монооксида углерода. Экспериментальное изучение данного процесса описано в [Richter, 2015]. Исследования проводились при давлениях 50 и 70 бар. Замерялся состав газа и температура на выходе из установки. Схема установки представлена на рис. 1.

Рисунок 1 – Технологическая схема установки по данным [Richter, 2015]

В реформер подавались потоки природного газа, первичного и вторичного пара и азота.

Постановка задачи

Геометрические характеристики реактора представлены на рис. 2.

Рисунок 2 – геометрические характеристики реформера природного газа [Richter, 2015]

Расходы природного газа, пара первой и второй ступени, кислорода и азота составляли (кг/ч): 195; 64; 23; 280 и 4.8. Температуры потоков составляли (С): 355; 277; 240; 239; 25. Природный газ состоял из метана, двуокиси углерода, этана, пропана, нормального и изобутана и азота (об. %): 96,2; 0.26; 2.09; 0.47; 0.05; 0.06; 0.87

Методы

Задача решалась в осесимметричной постановке. Решались уравнения сохранения массы, импульса, энергии, излучения (модель DO). Использовалась RANS модель турбулентности. Для описания процесса горения применялся химический механизм Grimech 3.0. Дополнительно учитывался механизм образования сажи из Model Fuel Library. Рассчитывались все 325 реакций механизма при помощи Finite-Rate модели. Для ускорения расчетов проводилась интерполяция результатов быстрых реакций и адаптация их под относительно крупный основной временной шаг (0,001 с) при помощи формирования ISAT таблицы. Изначально решение проводилось в режиме Relax to Equilibrium, а затем уточнялось с подключением решателя жестких матриц.

Рисунок 3 - Расчетная сетка

Плоская расчетная сетка состояла из 78862 расчетных элементов, минимальное ортогональное качество 0,76; коэффициент пропорциональности максимальный 4,5.

Результаты

Рисунок 4 – Поле температур диффузионного факела в реформере

Расчет позволил оценить поле температур в объеме реактора, температуру и состав синтез газа на выходе из установки.

Таблица 1 – Верификация

Заключение

При всей простоте постановки задачи удалось достаточно подробно рассмотреть механизм Gri3.0 и получить результаты схожих порядков, что и экспериментальные данные.

Список литературы

1. Richter, A. A large-scale benchmark for the CFD modeling of non-catalytic reforming of natural gas based on the Freiberg test plant HP POX. Fuel 152 (2015) 110–121