基于cfd-dem的異形催化劑顆粒徑向床反應(yīng)器數(shù)值模擬

徑向流檢測器由于其良好的特性，如壓降、空速大、小粒徑催化劑等，廣泛用于甲醇、胺硫等化工生產(chǎn)過程。上述研究大多是將徑向流反應(yīng)器催化劑床層模型進(jìn)行簡化，以多孔介質(zhì)模型代替，而實際催化劑床層是由許多催化劑顆粒隨機堆積而成，因此多孔介質(zhì)模型與實際情況存在差異。本工作以異形催化劑隨機堆積徑向床為研究對象，采用CFD-DEM方法對徑向流反應(yīng)器內(nèi)部的流動情況進(jìn)行模擬，研究催化劑顆粒形狀對床層流場均勻度的影響，獲得的結(jié)果更加接近實際，可為實際生產(chǎn)提供理論參考。1cfd-dem模擬用于在催化劑層內(nèi)向內(nèi)分布水流分布1.1物理模型1.1.1離心反應(yīng)器實體模型建立由于計算資源限制，參照實驗室現(xiàn)有的徑向流反應(yīng)器裝置，等比例縮小，確定Π型離心反應(yīng)器結(jié)構(gòu)尺寸如圖1(a）所示，建立的實體模型如圖1(b）所示。反應(yīng)器由中心管，開孔的內(nèi)、外分布筒和外側(cè)筒體組成，中心管為分流流道，環(huán)形通道為集流流道，內(nèi)、外分布板之間填裝催化劑顆粒。1.1.2充填幾何模型以實際催化劑顆粒為例，圓柱形顆粒直徑和高度都為6mm。由于EDEM(engineeringdiscreteelementmethod）軟件中的基礎(chǔ)顆粒只有球形顆粒，因此采用復(fù)合球元法建立柱形顆粒模型。首先在Workbench中建立柱形顆粒幾何模型，如圖2(a）所示。將其劃分網(wǎng)格后導(dǎo)入Fluent中，利用UDF(userdefinedfunction）讀取網(wǎng)格點坐標(biāo)信息并輸出，最后利用EDEM顆粒工廠API(applicationprogramminginterface），根據(jù)網(wǎng)格坐標(biāo)信息生成柱形顆粒模型，如圖2(b）所示。考慮填充球粒徑會對模擬結(jié)果產(chǎn)生影響，因此分別建立4種由不同尺寸、不同數(shù)量球顆粒復(fù)合而成的柱形顆粒。球尺寸、填充數(shù)量如表1所示。當(dāng)入口氣速為15m/s時，Z（反應(yīng)器高度）為70mm時，反應(yīng)器內(nèi)的徑向壓力分布如圖3所示。模擬結(jié)果顯示，在不同的填充球直徑和數(shù)量下，其徑向壓力的分布基本一致，球粒徑大小對模擬的結(jié)果影響不大。填充球顆粒數(shù)量會影響計算速度，本工作采用的柱形催化劑顆粒模型是由280個0.90mm球復(fù)合而成的模型。1.1.3幾何模型導(dǎo)入edem使用離散元軟件EDEM2.7隨機堆積催化劑床層。將反應(yīng)器幾何模型導(dǎo)入EDEM中，在反應(yīng)器頂部設(shè)置顆粒工廠，采用動態(tài)方式隨機生成顆粒，柱形顆粒在重力作用下自由下落，直至充滿催化劑床層區(qū)域。顆粒堆積過程如圖4所示。1.2模擬模擬工況本工作使用Fluent16.0與EDEM2.7軟件耦合方法對異形催化劑隨機堆積徑向床中的氣體流動情況進(jìn)行模擬。Fluent先進(jìn)行一個時間步的計算，將流場迭代到收斂，將流場信息傳遞給EDEM,EDEM開始當(dāng)前時間步的計算，根據(jù)流場信息計算每個顆粒所受的外力，并由此更新顆粒的位置、速度等信息，最后將這些顆粒信息返回Fluent中，F(xiàn)luent由此開始下一個時間步的計算，EDEM與Fluent實現(xiàn)雙向耦合。1.2.1瞬態(tài)的計算模型Fluent用于計算流體相。選用壓力基求解器，采用標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon模型進(jìn)行瞬態(tài)計算。選擇空氣作為流動介質(zhì)，密度為1.205kg/m1.2.2eder配置EDEM用于計算顆粒相。顆粒材料參數(shù)如下：泊松比0.25，剪切模量2.2×101.2.3催化劑的耦合模型CFD-DEM耦合模型選擇Eulerian模型，耦合區(qū)域為含有柱形顆粒的催化劑床層區(qū)域，阻力模型選擇ErgunandWenandYu阻力模型。1.3流場分布隨高度的變化使用CFD-post后處理軟件提取反應(yīng)器不同高度橫截面的速度和壓力分布云圖如圖5所示。氣體以15m/s的初速度由進(jìn)氣管進(jìn)入反應(yīng)器，在徑向壓差的驅(qū)動力下，沿中心管內(nèi)分布板進(jìn)入催化劑床層區(qū)，徑向流過催化劑床層后通過外分布板到達(dá)環(huán)形通道流出。由圖可知，中心管內(nèi)的氣體不斷分流進(jìn)入催化劑床層，速度隨反應(yīng)器高度的減小而逐漸減小，由于動量交換作用對靜壓分布起主導(dǎo)作用，因此壓力隨高度的減小而逐漸增大；集流道內(nèi)的氣體不斷合流，速度沿反應(yīng)器高度的增大而增大，在摩擦阻力和動量交換的共同作用下，使得壓力隨高度的增大而減小。為觀察徑向方向的流場變化，在反應(yīng)器高度為30,70和110mm處插入與反應(yīng)器等徑的線段，提取徑向速度和壓力分布如圖6所示。由圖6(a）可知，氣體由中心管流向集流道的過程中，由于環(huán)向流通面積的擴大，速度沿半徑方向是不斷減小的，Z為110mm時，集流道內(nèi)的速度明顯升高，這是因為在反應(yīng)器上端，集流道內(nèi)的流量不斷增多，因此速度較高。由圖6(b）可看出，由于氣體在穿過催化劑床層時受到床層阻力，因此壓力沿中心管向集流道逐漸減小。2顆粒模型的建立以流場分布均勻度最高為目標(biāo)，對催化劑顆粒進(jìn)行開孔，探究顆粒開孔對流場的影響。保持催化劑直徑和高度都為6mm的情況下，對柱形顆粒開不同尺寸和數(shù)量的孔，建立了小孔環(huán)柱形、大孔環(huán)柱形、3孔柱形和5孔柱形催化劑模型和對應(yīng)的床層模型，顆粒尺寸參數(shù)如表2所示，顆粒模型如圖7所示。采用與柱形顆粒床層相同的邊界條件對不同形狀的顆粒床層進(jìn)行模擬，獲取流場分布特征，比較各顆粒床層的流場均勻度，獲取流體分布最均勻的催化劑顆粒。2.1流場均勻度的計算徑向流反應(yīng)器的設(shè)計關(guān)鍵是流體沿軸向均勻分布。圖8為流體沿軸向高度均勻分布示意圖，要使流體沿床層軸向高度均勻分布，必須保證不同高度的催化劑床層內(nèi)、外側(cè)之間的靜壓差相等，即滿足I-I截面上的靜壓P為考察不同形狀顆粒床層的氣體均布效果，采用床層徑向壓差來計算流場的均勻度，床層流場的均勻度（η）可以表示如下：式中：△P2.2床層流場均勻度分析2.2.1徑向、軸向孔隙率顆粒開孔引起的催化劑顆粒體積變化導(dǎo)致各床層孔隙率不同，提取床層平均徑向孔隙率、軸向孔隙率如圖9所示。由圖可知，大孔環(huán)柱形顆粒開孔體積最大，故大孔環(huán)柱形顆粒床層徑向、軸向孔隙率最高，其值在0.77左右波動，曲線變化比較平緩，而柱形催化劑顆粒床層徑向、軸向孔隙率最低，其值在0.62左右波動。從床層徑向孔隙率分布圖中可以看出，除大孔環(huán)柱形顆粒床層外，各床層中間孔隙率高，兩端孔隙率低，隨著顆粒開孔數(shù)量的增多，床層徑向孔隙率逐漸變大，且變化趨勢越不平穩(wěn)。從床層軸向孔隙率分布圖中可以看出，沿床層高度105～120mm，床層孔隙率逐漸增大到0.82左右，端效應(yīng)顯著，除大孔環(huán)柱形顆粒床層外，隨著顆粒開孔數(shù)量的增多，床層軸向孔隙率逐漸變大。2.2.2速度正常進(jìn)入集流道圖10為不同形狀顆粒催化劑床層內(nèi)，不同軸向高度下床層徑向速度沿徑向的變化圖。從徑向分布看，當(dāng)氣體從中心管進(jìn)入催化劑床層后，由于存在床層阻力，在15～25mm內(nèi)速度下降得很快，而后速度開始緩慢上升，這是因為氣體快要通過分布孔進(jìn)入集流道，從而使得速度有所增大。由于催化劑床層厚度較薄，氣體在催化劑床層中的速度快速下降后沒有平穩(wěn)流動就開始緩慢上升，因此出現(xiàn)速度拐點?？梢钥闯?孔柱形顆粒床層的速度沿徑向變化波動最大，分布最不均勻，其次是3孔柱形顆粒床層、小孔環(huán)柱形顆粒床層、大孔環(huán)柱形顆粒床層和柱形顆粒床層；從軸向分布看，柱形顆粒床層內(nèi)的徑向速度沿軸向分布是最均勻的，隨著軸向高度的減小，徑向速度在逐漸增大，有利于流體流動，而在其它幾種顆粒床層中，徑向速度沿軸向高度的變化很不均勻，存在較大的波動，這是由于顆粒開孔后，流體與顆粒表面的接觸面積增大，床層中的流道更加曲折復(fù)雜，因此開孔顆粒床層中的流動很不均勻。2.2.3孔隙率、流場均勻度圖11為不同形狀顆粒床層分、集流道徑向壓差沿軸向高度的變化圖，反應(yīng)器分、集流道之間的徑向壓差是流體徑向通過催化劑床層的驅(qū)動力。由圖9和11可知，雖然大孔環(huán)柱形顆粒床層孔隙率最高，然而其主流道徑向壓差卻不是最低的，柱形顆粒床層孔隙率最低，其主流道徑向壓差也是最高的，床層孔隙率增大會使主流道徑向壓差降低，除大孔環(huán)柱形顆粒床層外，5孔柱形顆粒床層孔隙率最高，其床層的徑向壓差也最低，說明主流道徑向壓差的降低與顆粒開孔數(shù)量也有關(guān)系，隨著顆粒開孔數(shù)量的增多，徑向壓差逐漸減小。圖12為不同形狀顆粒催化劑床層內(nèi)、外側(cè)徑向壓差沿軸向高度變化圖。如前所述，若催化劑床層不同軸向高度處的徑向壓差相等，則說明流體沿軸向分布是均勻分布。然而由于隨機堆積顆粒床層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，不同軸向高度處的徑向壓差并不相等。從圖中可以明顯地觀察到小孔環(huán)柱形顆粒床層和5孔柱形顆粒床層中的徑向壓差沿軸向高度的變化波動很大，流體分布極其不均勻；大孔環(huán)柱形顆粒床層中的徑向壓差在床層上部和下部的波動較大；3孔柱形顆粒床層中的徑向壓差在床層高度70～85mm之間的波動很大；而柱形顆粒床層中的徑向壓差沿軸向高度分布較為均勻，徑向壓差變化范圍不大。根據(jù)式（2）計算不同形狀顆粒催化劑床層的流場均勻度如表3所示。比較表3各顆粒床層的流場均勻度，可以發(fā)現(xiàn)柱形顆粒床層的均勻度最高，說明柱形顆粒床層中的流場分布最均勻。對催化劑顆粒進(jìn)行開孔，雖然可以降低反應(yīng)器的徑向壓降，但會增加流體分布的不均勻性。3顆粒床層孔隙率分析采用CFD-DEM方法對柱形催化劑顆粒床層進(jìn)行模擬，通過對模擬結(jié)果進(jìn)行分析，獲得了徑向流反應(yīng)器的速度、壓力分布規(guī)律。通過對不同形狀