蒸汽重组过程涉及到多种相互作用的物理现象，要准确分析蒸汽重整器的性能，需要耦合分析质量、能量和流动方程。借助 COMSOL Multiphysics® 软件，您可以创建能够准确表征蒸汽重整器真实工作状态和运行条件的数值模型。
通过蒸汽重整器制取氢气
美国约95%的氢气是通过天然气重整生产的。这一部分要归功于蒸汽重整过程，这是一个吸热过程，通过将重整器放置在高温下，使蒸汽与甲烷或丙烷等燃料发生反应来产生氢气。
蒸汽重整的应用广泛。例如，通常用于燃料电池发电机中，为由许多单一电池组成的燃料电池堆提供氢气。
一个氢燃料电池发电机的示例。图片由 Lars Plougmann 提供。通过Flickr Creative Commons共享，获(CC BY-SA 2.0)许可。
接下来，我们通过仿真来分析一个用于固定式燃料电池单元制氢的蒸汽重整器设计。
使用化学反应工程模块模拟蒸汽重整器
蒸汽重整器模型的几何结构由绝缘夹套、多孔催化床和加热管组成。在这些组件中，加热管提供系统吸热反应所需的能量，催化床用于发生重整化学反应。
在模拟开始时，将丙烷和蒸汽按化学计量混合后通过入口进入系统。与此同时，燃烧器产生的热蒸汽通过反应器床层中的加热管从相反的方向进入。当水和丙烷在重整器中相互反应时，会形成二氧化碳和所需的氢气。
有关本教程案例中如何求解流体流动、能量传递和质量传输的详细信息，请点击此处查看模型文档。
蒸汽重整器的完整几何模型(左)和通过对称性减少模拟域的几何模型(右)。
使用化学反应工程模块中的预定义接口，以及自 COMSOL Multiphysics® 软件 5.3a 版本开始就引入的热力学属性数据库, 可以轻松描述这个分析中的质量、能量和动量方程。
分析蒸汽重整过程
首先，检查反应床中不同物质的质量分数。左下图显示丙烷的质量分数在入口处为 0.28，在出口处几乎降为 0。通过检查穿过重整器中心的横截面(下图中间图)，还可以直观地观察到整个反应床中的丙烷浓度分布。由于温度是局部反应的主要决定因素，因此得出以下结论：在这个示例中，管道提供的热量有效地利用了整个催化床。
通过查看催化床中每种反应物质的质量分数(下右图)，可以确认催化床的整个长度方向上都积极地参与了转化丙烷的反应。
丙烷在重整床(左)和穿过重整床中心的横截面(中)中的质量分数分布。所有反应物质的质量分数与反应器的位置成函数关系，并可以沿反应器中心线(右)进行评估。
接下来，观察重整器中的温度。从整个系统来看，我们看到气体在 900 K 时进入加热管，并在 674 K 左右离开加热管。同时，重整床内的气体温度从 700 K 开始降至最低温度，然后再次上升并以 795 K 的平均温度离开反应床。
下图右显示了在反应刚开始时，吸热重整反应如何导致温度下降。然后，较低的温度和丙烷导致反应速率降低，加热管提供的能量决定了温度的变化。最终，温度再次升高。
床、加热管和绝缘壁之间的温度分布和能量交换(左)。右图显示了重整床的温度与位置的函数关系，以及沿中心线进行的评估。
接下来讨论速度，让我们对传热和反应气体进行分析。对于传热气体，流动是层流，我们可以清楚地观察到速度分布为抛物线状。另一方面，多孔床中的反应气体的速度明显升高，在出口处的速度大约是入口处的两倍。速度增加是由化学反应产生的气体膨胀和温度升高引起的。
描述了管中的传热气体和床中的反应气体的速度场分布图。
反应床内与温度和气体组成有关的密度变化表明，通过重整器后的气体密度会降低。
重整床中的气体密度。
本文的教程是为了演示在 COMSOL Multiphysics® 中表征相互作用的质量、能量和流动方程，可以成功地模拟蒸汽重整器。如果您想亲自动手模拟这个示例，请单击下面的按钮，获取模型文件。
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编者注：这篇博客于 2024 年 5 月 20 日更新，增加了使用 COMSOL Multiphysics® 6.2 版本创建的新信息和图片。
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