本發(fā)明涉及多孔金屬纖維燒結(jié)板制備工藝，尤其涉及一種基于數(shù)值優(yōu)化的多孔金屬纖維燒結(jié)板制備方法。

背景技術(shù)：

多孔金屬纖維燒結(jié)板(pmfsf)由于具有比重小、比表面大，且有較高的強度、韌性和良好的導(dǎo)熱性能以及耐高溫、耐腐蝕，易加工成型等優(yōu)良特性，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料用作于催化劑載體，尤其是應(yīng)用于甲醇重整制氫反應(yīng)中的催化劑載體上。選擇pmfsf作為催化劑載體時，不僅可以加強載體對催化劑的黏結(jié)強度，而且也可使催化劑中的活性組分高度分散，從而增加反應(yīng)物與催化劑的有效接觸面積，延長反應(yīng)物在催化劑表面的停留時間，加快傳熱傳質(zhì)的速率，可以明顯地提高甲醇重整制氫反應(yīng)的效率。

工業(yè)上獲取pmfsf的流程，可以分為設(shè)計、制備、應(yīng)用三個步驟。其中，設(shè)計pmfsf的結(jié)構(gòu)是后續(xù)制備和應(yīng)用的基礎(chǔ)，也是整個流程的首要組成部分。但是，當(dāng)前科研工作者對于pmfsf的設(shè)計，大多只是在pmfsf上將孔隙率進行簡單的分配，不能充分滿足實際工業(yè)生產(chǎn)的需求。

例如，目前現(xiàn)有的具有梯度結(jié)構(gòu)的pmfsf設(shè)計方法，將梯度分布特性與pmfsf結(jié)合起來，在不同的區(qū)域定量放置不同質(zhì)量的金屬纖維，再加以模壓、燒結(jié)，從而設(shè)計并制備了具有梯度結(jié)構(gòu)的pmfsf。這種方法設(shè)計出具有梯度邊界的pmfsf，在一定程度上優(yōu)化了pmfsf的工業(yè)性能，但該方法仍是一種被動式設(shè)計，不能依據(jù)特定需求來優(yōu)化pmfsf的結(jié)構(gòu)，也不能預(yù)測所設(shè)計出的pmfsf的實際性能，阻礙了其性能進一步的提升。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點和不足，提供一種基于數(shù)值優(yōu)化的多孔金屬纖維燒結(jié)板制備方法。以解決現(xiàn)有pmfsf設(shè)計方法無法預(yù)測其實際性能、設(shè)計效率低下的缺點。

本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種基于數(shù)值優(yōu)化的多孔金屬纖維燒結(jié)板制備方法，包括如下步驟：

步驟一：針對制氫微反應(yīng)器進行幾何建模，利用幾何建模軟件，依據(jù)制氫微反應(yīng)器的實際幾何特征及尺寸，獲取其幾何模型；

步驟二：對該幾何模型進行數(shù)值計算，具體過程包括：

對該幾何模型進行網(wǎng)格劃分，獲取網(wǎng)格文件；

將該網(wǎng)格文件導(dǎo)入到計算流體動力學(xué)軟件中；

設(shè)置邊界條件、求解方法，進行數(shù)值計算；

獲取數(shù)值計算結(jié)果，得到氫氣濃度分布云圖；

步驟三：根據(jù)獲得的氫氣濃度分布云圖，提取若干條濃度分布分界線，依據(jù)邊界線將多孔金屬纖維燒結(jié)板劃分為多個區(qū)域；

將多個區(qū)域分別給定不同的孔隙率，從而形成多孔金屬纖維燒結(jié)板結(jié)構(gòu)；重復(fù)步驟二所述的數(shù)值計算過程，直至獲得所需孔隙率的多孔金屬纖維燒結(jié)板結(jié)構(gòu)；

步驟四：若數(shù)值計算結(jié)果表明，該多孔金屬纖維燒結(jié)板結(jié)構(gòu)相比于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，在制氫效果上有提升，則證明步驟二至步驟四獲得的多孔金屬纖維燒結(jié)板具有實際應(yīng)用價值；

若數(shù)值計算結(jié)果表明，該多孔金屬纖維燒結(jié)板結(jié)構(gòu)相比于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，在制氫效果上無提升，則重復(fù)步驟二，進行多次迭代設(shè)計，直至數(shù)值計算結(jié)果優(yōu)于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)為止。

步驟二所述邊界條件是指，制氫微反應(yīng)器正常工作時的壁面溫度、入口流速、進出口壓強、雷諾數(shù)、入口物料比例等條件。

步驟三所述濃度分布邊界線是指，在制氫反應(yīng)達到平衡之后，制氫微反應(yīng)器內(nèi)部的氫氣摩爾濃度呈層狀梯度分布，層級之間具有明顯的分界線。

步驟三所述孔隙率是指，燒結(jié)板中孔隙的體積與燒結(jié)板總體積的比值，而燒結(jié)板的總體積則為孔隙的體積與金屬纖維的體積之和。

步驟三中多個區(qū)域的孔隙率為隨機給定。

步驟四所述制氫效果是指，制氫反應(yīng)中的甲醇轉(zhuǎn)化率及氫氣流率兩參數(shù)；

其中，甲醇轉(zhuǎn)化率是指，反應(yīng)所消耗的甲醇與入口甲醇總量的比值；氫氣流率是指，微反應(yīng)器出口混合氣體中氫氣的體積流率。

步驟四中數(shù)值計算及迭代設(shè)計將進行多次，對比不同區(qū)域劃分方式及孔隙率分布情況下，制氫效果的差異，從而得到最優(yōu)的多孔金屬纖維燒結(jié)板結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下的優(yōu)點及效果：

根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果來設(shè)計pmfsf的結(jié)構(gòu)，對pmfsf進行了合理的劃分，使得設(shè)計出的pmfsf結(jié)構(gòu)更適應(yīng)于其內(nèi)部流場分布，并能預(yù)測所制備的燒結(jié)板的使用性能，從而使其在諸多領(lǐng)域，尤其是甲醇重整制氫領(lǐng)域能有更優(yōu)的應(yīng)用性能。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于數(shù)值優(yōu)化的多孔金屬纖維燒結(jié)板制備工藝流程圖。

圖2是本發(fā)明制氫微反應(yīng)器的實體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明制氫微反應(yīng)器的幾何模型示意圖。

圖4是本發(fā)明氫氣濃度分布云圖；圖中a表示提取曲線。

圖5是本發(fā)明多孔金屬纖維燒結(jié)板優(yōu)化結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步具體詳細描述。

如圖1所示。本發(fā)明基于數(shù)值優(yōu)化的多孔金屬纖維燒結(jié)板制備工藝流程，可通過如下幾個步驟實現(xiàn)：

步驟一：針對制氫微反應(yīng)器進行幾何建模，利用幾何建模軟件，依據(jù)制氫微反應(yīng)器的實際幾何特征及尺寸，獲取其幾何模型；

步驟二：對該幾何模型進行數(shù)值計算，具體過程包括：

對該幾何模型進行網(wǎng)格劃分，獲取網(wǎng)格文件；

將該網(wǎng)格文件導(dǎo)入到計算流體動力學(xué)軟件中；

設(shè)置邊界條件、求解方法，進行數(shù)值計算；

獲取數(shù)值計算結(jié)果，得到氫氣濃度分布云圖；

步驟三：根據(jù)獲得的氫氣濃度分布云圖，提取若干條濃度分布分界線，依據(jù)邊界線將多孔金屬纖維燒結(jié)板劃分為多個區(qū)域；

將多個區(qū)域分別給定不同的孔隙率，從而形成多孔金屬纖維燒結(jié)板結(jié)構(gòu)；重復(fù)步驟二所述的數(shù)值計算過程，直至獲得所需孔隙率的多孔金屬纖維燒結(jié)板結(jié)構(gòu)；

步驟四：若數(shù)值計算結(jié)果表明，該多孔金屬纖維燒結(jié)板結(jié)構(gòu)相比于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，在制氫效果上有提升，則證明步驟二至步驟四獲得的多孔金屬纖維燒結(jié)板具有實際應(yīng)用價值；

若數(shù)值計算結(jié)果表明，該多孔金屬纖維燒結(jié)板結(jié)構(gòu)相比于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，在制氫效果上無提升，則重復(fù)步驟二，進行多次迭代設(shè)計，直至數(shù)值計算結(jié)果優(yōu)于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)為止。

如圖2所示。圖2是制氫微反應(yīng)器的實體結(jié)構(gòu)。針對制氫微反應(yīng)器進行幾何建模，利用相關(guān)幾何建模軟件(例如：solidworks)，依據(jù)制氫微反應(yīng)器的實際幾何特征及尺寸，獲取其幾何模型，以一定文件格式導(dǎo)出(例如：.stp格式)。由于發(fā)生重整制氫反應(yīng)的區(qū)域僅為圖2中間凹陷的區(qū)域，因此僅以此區(qū)域為反應(yīng)域建立幾何模型。如圖3所示，得到制氫微反應(yīng)器的幾何模型。

圖3為幾何模型進行數(shù)值計算，具體過程包括：應(yīng)用網(wǎng)格劃分軟件icem對該幾何模型進行網(wǎng)格劃分，獲取網(wǎng)格質(zhì)量較好的網(wǎng)格文件，保存為.msh格式；將該網(wǎng)格文件導(dǎo)入到計算流體動力學(xué)軟件中，本例中采用國際流行的商用軟件fluent；設(shè)置邊界條件、求解方法，求解方法采用couple算法，然后進行數(shù)值計算；獲取數(shù)值計算結(jié)果，得到氫氣濃度分布云圖，如圖4所示。其中邊界條件是指，制氫微反應(yīng)器正常工作時的壁面溫度、入口流速、進出口壓強、雷諾數(shù)、入口物料比例等條件，本例選取壁面溫度為240℃-300℃，入口流速設(shè)置為0.02m/s-2m/s，出口壓強設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，雷諾數(shù)經(jīng)計算小于2000，入口物料為甲醇和水，其物質(zhì)的量的比為1:1.3。

根據(jù)獲得的氫氣濃度分布云圖，提取若干條濃度分布分界線，依據(jù)邊界線將多孔金屬纖維燒結(jié)板劃分為多個區(qū)域，本例中提取濃度為50％和70％的兩條分界線，從而劃分為3個子區(qū)域。其中濃度分布邊界線是指，在制氫反應(yīng)達到平衡之后，微反應(yīng)器內(nèi)部的氫氣摩爾濃度呈層狀梯度分布，層級之間具有明顯的分界線。

將上述多個區(qū)域分別給定不同的孔隙率，從而形成結(jié)新型多孔金屬纖維燒結(jié)板構(gòu)，如圖5所示，在3個子區(qū)域中分別填充孔隙率為0.7/0.8/0.9。并對該結(jié)構(gòu)重復(fù)以上步驟所述的數(shù)值計算過程。其中孔隙率是指，燒結(jié)板中孔隙的體積與燒結(jié)板總體積的比值，而燒結(jié)板的總體積則為孔隙的體積與金屬纖維的體積之和。而不同區(qū)域的孔隙率為隨機給定。

若數(shù)值計算結(jié)果表明，該新型多孔金屬纖維燒結(jié)板結(jié)構(gòu)相比于原來的結(jié)構(gòu)，在制氫效果上有較為明顯的提升，則證明此方法設(shè)計的新式多孔金屬纖維燒結(jié)板具有良好的實際應(yīng)用價值；若所得結(jié)果證明制氫效果與原有結(jié)果相比并無明顯提升，則重復(fù)以上數(shù)值計算方法，進行多次迭代設(shè)計，即依據(jù)分界線將原始的pmfsf劃分為數(shù)量不等、面積不等的多種子區(qū)域，并給定不同的孔隙率配比，形成新的pmfsf優(yōu)化結(jié)構(gòu)，直至數(shù)值計算結(jié)果優(yōu)于原有結(jié)果為止。其中，制氫效果是指，制氫反應(yīng)中的甲醇轉(zhuǎn)化率及氫氣流率兩參數(shù)；甲醇轉(zhuǎn)化率是指，反應(yīng)所消耗的甲醇與入口甲醇總量的比值；氫氣流率是指，微反應(yīng)器出口混合氣體中氫氣的體積流率。

數(shù)值計算及迭代設(shè)計將進行多次，對比不同區(qū)域劃分方式及孔隙率分布情況下，制氫效果的差異，從而得到最優(yōu)的多孔金屬纖維燒結(jié)板結(jié)構(gòu)。

如上所述，便可較好地實現(xiàn)本發(fā)明。

本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。