熔融锡中甲烷热解气泡动力学与化学反应耦合的二维CFD模拟研究

《International Journal of Hydrogen Energy》：Bubble dynamics modeling with a chemical reaction for methane pyrolysis in molten tin via computational fluid dynamics

针对甲烷热解过程中气泡行为与反应动力学耦合机制不明确的问题，研究人员通过二维多相计算流体动力学(CFD)模型，首次在熔融锡体系中整合化学反应与流体动力学，揭示了甲烷热解导致气泡体积增大30%、非线性的停留时间-转化率关系等关键规律，为优化反应器设计提供了理论依据。

　　

随着全球对碳中和目标的追求，氢能(H₂)作为零碳能源载体备受关注。目前96%的氢气生产依赖化石燃料，其中蒸汽甲烷重整(SMR)工艺每吨氢气伴随10.5吨CO₂排放。甲烷非氧化热解(CH₄→2H₂+C)因不直接产生CO₂被视为理想替代方案，但传统固体催化剂易因积碳失活。熔融金属(如锡、镓)作为反应介质可规避该缺陷，但气泡在高温熔体中的动力学行为与反应耦合机制尚不明确。先前研究多采用简化的一维模型或忽略反应动力学的多维模拟，难以准确预测气泡形态演变与甲烷转化率。

首尔科技大学的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表研究，首次建立二维多相计算流体动力学(CFD)模型，耦合Arrhenius反应动力学与流体力学方程，模拟熔融锡中甲烷气泡的热解过程。通过验证实验数据(甲烷转化率误差1.2%、气泡上升速度误差<4%)，系统分析了反应-流动耦合效应，发现热解反应使气泡体积膨胀30%，揭示了气泡尺寸对停留时间与转化率的非线性影响规律。

关键技术包括：1) 基于VOF(Volume of Fluid)方法的多相流建模；2) 整合Arrhenius方程的有限速率化学反应模型；3) 采用Zaghloul等实验数据验证动力学参数；4) 通过Andreini经验公式校核气泡运动特性；5) 对比分析反应/非反应条件下气泡形态与运动轨迹差异。

【数值模拟验证】
模型通过三种工况验证：与Zaghloul等实验对比显示，1125°C时5mm气泡的甲烷转化率模拟值(78.5%)与实测值(79.7%)仅差1.2%；上升速度模拟结果与Andreini经验公式的误差<4%，证实模型可靠性。

【反应-流动耦合效应】
对比反应性(CH₄热解)与非反应性气泡发现：热解产生H₂使气泡体积增大30%，形状因子(纵横比)降低15%，上升速度因浮力增强而提高约20%。证明传统忽略反应的模拟会显著低估气泡动力学参数。

【尺寸效应分析】
3-7mm气泡的模拟表明：最大体积膨胀发生在5mm气泡(34%)；7mm气泡因上升过快导致转化率(65%)反低于5mm气泡(78.5%)，揭示停留时间与转化率呈非线性关系，这对反应器高度设计具有重要指导意义。

该研究首次在二维CFD框架中实现甲烷热解反应与多相流的全耦合模拟，突破了过去一维模型或纯流体模拟的局限。发现的气泡膨胀效应和尺寸-转化率非线性关系，为熔融金属反应器的优化设计提供了量化依据：反应器高度需根据气泡初始尺寸精准设计，而非简单线性放大。未来研究可拓展至三维模拟与多气泡相互作用分析，进一步推动高温热解制氢技术的工业化应用。