Page 90 - 《真空与低温》2026年第2期

薛 璞等：正仲氢转化器双重介质渗流模型的 IMPTECR 算法 209

系列催化剂。并认为其粒度均匀，形成的多孔介质
开始
区域为均匀介质。相关参数如表 1 所列。

设置初始压力场、 表 1 数值模拟的相关参数
温度场和饱和度场
Tab. 1 Relevant parameters of numerical simulation

参数 数值
隐式求解堆床空隙、颗粒孔
隙质量、能量守恒方程得到 颗粒孔隙度 ϕ (m) 0.05
P （B） 、T （B） 、P （m） 、T （m）
2
氢气扩散系数 D/（m /s） 4.6×10 7
以新压力场、温度 氢气黏度 µ/（Pa·s） −6
场替代旧值 3×10
No
残差满足条件? 堆床空隙度 ϕ (B) 0.377
堆床渗透率 K /m 2 10 −10
(B)
Yes
显式求解堆床空隙、颗粒孔 催化剂颗粒粒径 d p /mm 0.3
隙正氢质量守恒方程得到
γ （B） 、γ （m）
2.1 算例 1
算例 1 模拟的是正仲氢转化器在绝热运行工
进入下一时层求解
况下，一股温度为 80 K 正仲氢比例为 3∶1 的来流
氢经催化剂催化转化后生成仲氢的过程。
图 1 IMPTECR 算法求解流程图
算例 1 的初始条件和边界条件如图 3 所示。初
Fig. 1 Flow chart of the IMPTECR algorithm for solution
始时刻颗粒孔隙内存在着正氢含量为 51.7% 的平
2 结果与讨论 衡氢比例场，颗粒孔隙内的压力为 2.095 MPa；堆床
空隙内正氢含量为 56%，堆床空隙内的压力呈线性
为了验证 IMPTECR 算法的可靠性，将模拟正
分布。左侧进口段和右侧出口段设置为定压边界
仲氢催化转化的具体案例，以该算法求解正仲氢
条件，上下两侧为绝热边界条件。
转化内的传热传质过程。参考 Pedrow 等 、王国平
[20]
[21]
等 、刁希文等 [22] 设计的正仲氢转化反应器，其主
要结构为一个圆筒形转化区域，两端为半球形封头
0
并设有氢气进出口，内部填充足量的正仲氢转化催 γ （B） =0.75 （ γ （m） ） =0.517
o-H 2
（γ
（B）
0
o-H 2
p （B） =2.1 MPa o-H 2 ） =0.56 p （B） =2.095 MPa
化剂，如图 2 所示。 （p （B） ） =2.095 MPa
0
T （B） =80 K （m）
0
（T ） =80 K

图 3 算例 1 的初始和边界条件
Fig. 3 Initial and boundary conditions of example 1

图 4 为采用 IMPTECR 算法与分离式求解方
法求解算例一数学模型对数值模拟结果的影响。
图 2 正仲氢转化反应器示意图
该方法的模拟过程耗时约 60 s，计算结果稳定且
Fig. 2 Schematic diagram of the ortho-parahydrogen
收敛性良好；而采用分离式求解方法的模拟中，
conversion reactor
由于方程中组分比例时间导数项的存在，数值
本文所用氢的相关物性来源为 REFPROP 数 稳定性显著下降，不仅出现明显的数值振荡现
据库，其中氢的焓值可以利用正仲氢转化反应热数 象，且误差随计算逐步累积，导致模拟结果产生显
据，定义共同的参考点对正仲氢焓值进行修正，使 著偏差。
正仲氢反应焓与相同温度、压力下的正氢和仲氢 2.2 算例 2
[18]
的焓差对应 。正仲氢催化剂相关参数参考来源 算例 2 模拟的是正仲氢转化器在等温运行工
于 市 面 最 常 用的 Molecular Products 公 司 的 Ionex 况下，一股温度为 80 K 正仲氢比例为 3∶1 的来流