146江苏天鹏催化剂密相装填过程的离散元法模拟及实验研究859864.docVIP

催化剂密相装填过程的离散元法模拟及实验研究 姚晟 冯永康 （江苏天鹏石化特种工程有限公司 江苏南京 210001） 刘雪东 潘兵 刘文明 卢洲 （常州大学机械工程学院 江苏常州 213016） 摘要：采用颗粒离散元法DEM方法，对一种三叶草状催化剂颗粒在反应器密相装填过程进行数值仿真模拟，获得催化剂颗粒在密相装填装置椭圆形布料盘内部及在反应器内密相装填分布过程催化剂运动行为的相关信息，并与实验结果进行对比，发现模拟和实验中都出现了催化剂床层中心催化剂分布较少，周围催化剂分布较多的情况。结果表明，用离散元方法可以模拟催化剂颗粒的装填过程，对优化装填装置及提高催化剂装填质量具有指导意义。 关键词：催化剂 密相装填 离散元法 数值模拟 1 引 言 在催化反应过程中，催化剂的性能起着至关重要的作用。研究发现，催化剂的装填对催化剂的催化性能和使用寿命极为重要。因为催化剂床层是否架桥，床层高度是否一致将会影响床层的堆密度和压力降的均一性，从而影响催化剂的效率和装置的安全性[1]。密相装填是一种催化剂定向装填技术，它利用专门的密相装填设备，通过布料盘将催化剂颗粒沿反应器径向抛撒，使催化剂在反应器内沿半径方向呈放射状规整排列，降低了床层孔隙率，提高了催化剂的装填密度，改善了床层温度分布并且减少了沟流现象的发生[2]。但是对于不同的密相装填设备，催化剂装填的纵向和径向的均匀性也不一样，它直接关系到催化剂的效率和使用寿命[3]。因此，近些年来关于密相装填的研究越来越受到石油化工企业和研究单位的重视。离散元法(Discrete element methods，简称DEM)是20世纪70年代由Cundall P.A.教授提出的一种颗粒离散体物料分析方法[4]。自问世以来，离散元法在粉体工程应用领域中发挥了其它数值算法不可替代的作用，被广泛地应用于粉体在复杂物理场作用下的复杂动力学行为的研究和多相混合材料介质或具有复杂结构的材料其力学特性的研究中。它涉及到粉末加工、研磨技术、混合搅拌等工业加工和粮食等颗粒离散体的仓储和运输等生产实践领域中[5～11]。但是迄今为止，对催化剂密相装填过程进行离散元模拟研究还没有涉及，本文采用离散元法，通过离散元软件对催化剂密相装填过程进行模拟仿真，并通过实验来验证模拟结果。 2 离散单元法原理 2.1 离散元法的基本思想 离散元法的基本思想是，将散体看成具有一定形状和质量的颗粒集合，赋予接触颗粒间及颗粒与接触边界间某种接触力学模型和模型中的参数，以考虑颗粒之间及颗粒与边界的接触作用和散粒体与边界的不同物理机械性质。离散元法采用动态松弛法、牛顿第二定律和时步迭代求解每个颗粒的运动速度和位移，确定在每一个时间步长所有颗粒的受力及位移，并更新所有颗粒的位置。通过对每个颗粒的微观运动进行跟踪计算，得到整个研究对象的宏观运动规律。 离散元法的基本思想主要有两个方面的意义：一个是接触模型，即力-位移关系；另一个是牛顿第二定律。接触模型用于单元接触力的计算，牛顿第二运动定律则用于求解单元的位移、速度及加速度。由于离散元法是建立在牛顿运动定律和不同的接触模型的基础之上，因此改变颗粒和边界的离散元法分析模型、接触力学模型及参数，可以分析不同散粒物料与不同边界的接触作用及其对散粒物料运动的影响。 2.2 离散元法的颗粒接触模型 离散单元法的颗粒模型是将颗粒与颗粒、颗粒与边界的接触采用振动运动方程进行模拟。将颗粒接触过程的振动运动进行法向和切向分解，颗粒接触过程的法向振动运动方程为： （1） 颗粒接触过程的切向振动运动表现为切向滑动与颗粒的滚动： （2） （3） 式中，为颗粒的等效质量；为颗粒的等效转动惯量；s为旋转半径；分别为颗粒的法向和切向相对位移；为颗粒自身的旋转角度；分别为颗粒所受外力的法向分量和切向分量；M为颗粒所受外力矩；为接触模型中的切向弹性系数；为接触模型中的法向及切向阻尼系数。 颗粒切向滑动与颗粒的滚动同时受颗粒之间的摩擦力的影响，由滑动模型可以建立颗粒的切向滑动与滚动的极限判断条件： （4） 式中，为颗粒的摩擦系数；为符号函数，且。 2.3 颗粒运动方程模型 根据力-位移关系，可以由位移得到颗粒受到的作用力。在整个过程中要用到的位移则可根据牛顿第二定律计算得出。 由牛顿第二定律，得出颗粒的运动方程如下： （5） 其中，分别为颗粒的加速度和角加速度；分别为颗粒的质量和转动惯量；分别为颗粒在质心处受到的合外力和合外力矩