油砂干馏系统的DEM-CFD 耦合模拟

研小慧

引 言

油砂是一种含有原油的砂状矿藏，是含有沥青或其他重质石油的沉积岩 ，其成分包括砂、沥青、矿物质、土和水。据统计，世界油砂储量估计为 15500 亿吨，其中 19%属于可采储量，远大于常规石油的探明储量。随着近年来国际油价的持续攀升以及能源紧张局面的加剧，如何对油砂资源进行有效利用越来越多地为人们所关注。当前应用最为广泛的油砂提取方法是水洗法，该方法采油效率相对较高，适合提取浅层的水润性油砂。对于油润性油砂，如果使用有机溶剂油提法成本高，且容易引起严重的环境污染。干馏法在一些地区也有所应用，可应用于油润性油砂 ，并且干馏过程中能产生脱碳及改善油的碳氢比的作用，优化产油质量，但热分解也伴随能耗和严重的污染问题。 油砂干馏工艺主要有：抚顺式炉干馏技术，巴西PETROSIX干馏技术，美国ToscoⅡ干馏技术，德国LR干馏技术，澳大利亚Alberta Taciuk干馏技术等。其中我国抚顺式炉干馏技术收油率较国外低；LR技术处理量小，但油收率高，投资较少，适于小规模炼油厂；ToscoⅡ干馏技术处理量较大，适于中等规模炼油厂；PETROSIX干馏技术和Alberta Taciuk干馏技术处理量大，投资高，适用于大规模炼油厂。

为提高油砂干馏效率以及降低污染，尚需大量研究，而目前大部分工作都是以实验形式开展。随着计算机技术的快速发展，数值模拟以其快速，低成本，操作性好等优点，已经在各个领域逐步广泛应用。在油砂及油页岩研究领域，针对干馏系统的数值模拟研究较少。目前文献中的处理方法主要是基于计算流体力学(CFD),利用CFD初步模拟炉内的传热传质过程。如Amir等人利用欧拉模型模拟了直径 1mm的油页岩颗粒与直径 0.5mm的高温颗粒在转炉中的混合，对比了快速干燥处理前后的煤和油页岩在提升管内的输运情况，大致预计了炉内油页岩的体积分布以及提升管内的速度，温度梯度。

模拟方案

当前针对油砂干馏系统的CFD模拟 ，虽然得到了模拟区域内的速度温度场的分布，但由于CFD方法本身的局限性，其对于处于离散状态的固体颗粒与颗粒（物料）间，以及颗粒与炉壁间力的作用无法精确计算，因而无法准确模拟颗粒运动以及炉内气固两相的复杂情况，无法准确得到模拟中不同时刻物料所处位置及运动状态，从而大大降低对物料的传热传质模拟的精度。 相较之下离散元方法(DEM)则可以精确分析颗粒受力以及颗粒的运动轨迹。本研究在CFD 计算的基础上引入离散元方法(DEM)，综合利用 CFD 的传热计算优势和 DEM 的颗粒计算优势。通过 DEM 计算得到物料在炉内的实时堆积动态，将信息反馈给 CFD 进行相应传热传质计算，从而准确的模拟回转炉内物料运动铺展的运动及传热过程，使结果更为合理。

模拟过程以及结果

利用 DEM 对物料在水平回转炉内的运动铺展情况的模拟 本研究以离散元分析软件EDEM为平台对物料在水平回转炉内的运动情况进行模拟。作为初步研究，其中对颗粒-壁面，颗粒-颗粒受力计算采用Hertz模型。该模型利用两物体间相对位置与它们各自受力处曲率半径进行对比，计算法向和切向受力，能够较好反映硬质刚性物体间的力学行为特点。

回转炉的几何和网格建立

初步构建带肋片的水平回转炉内基本单元如图 1 所示。内部肋片与母线方向夹角 62°。颗粒剪切模量设为 7×10^10Pa，泊松比为 0.3，密度 7800 kg/m 3 ，恢复系数 0.5，滑动摩擦系数0.5，滚动摩擦系数 0.01。




回转炉内的物料铺展和运动情况的模拟

模拟转炉（一个模拟单元）在转动速度 1.2 rad/s 下转动时，220 个颗粒在炉内的运动及铺展情况。颗粒直径 2 mm。模拟结果如图 2 所示，物料铺展在转炉底层，并且在旋转肋片的作用下翻滚混合。这种颗粒间的运动促进了物料的分散混合，加速了物料-物料，物料-炉壁间的热量交换，提高了传热效率。该过程中炉壁与物料，物料与物料间受力情况复杂，决定物料的实际运动情况。






模拟带肋片的回转炉的物料向前输送情况

模拟转炉（一个模拟单元）在角速度 1.2rad/s 下转动时，220 个颗粒在炉内的运动及铺展情况。颗粒材料与炉壁相同，直径 2mm。从图 3 所示模拟结果，可以看出物料受到转炉不断旋转对其产生的推力作用，向前输运。其输运的速度主要取决于肋片转动的速度和夹角.






从以上结果来看，物料在转炉内运动情况复杂，物料-物料，物料-炉壁间作用力占主导地位，决定了物料在炉内的铺展运动情况。传统的 CFD 摸拟受其方法所限，无法准确摸拟这种复杂受力情况下物料的运动情况，从而难以准确模拟炉内的传热过程。在 DEM-CFD 耦合模拟中，基于离散元的数值模拟可以准确分析炉内物料的力学行为，为 CFD 模拟提供炉内固相物料的实际位置和运动情况，得到更加准确丰富的模拟结果。此外，通过对不同转动速度，肋片交角等条件进行离散元分析，对物料的翻滚，输运等过程进行模拟，可以与实验结果相互验证补充，优化反应条件。DEM 与CFD 耦合模拟 以上结果展示了由于颗粒间受力以及颗粒与壁面间受力造成的物料铺展以及输运结果，主要是存在于水平旋转炉内的过程。当采用立式炉体的时候，尤其采用流化床形式的时候，气流对颗粒的携带作用占主导地位。我们利用 DEM-CFD 耦合，模拟了如图 4 所示的矩形管内液固两相的流动过程。高粘性流体自管的一端流入并带动悬浮其中的小颗粒前进。采用Freestream 模型计算其中流体与小颗粒间力的作用。该模型对小颗粒作球体处理，认为外流体以相同速度掠过小球，从而得到小球受力为

该模型对于颗粒较少且管内速度梯度不大时效果较好。






从模拟结果可以看到，在流体的携带下，贴近壁面的小颗粒前进缓慢，而位于管中间位置的颗粒速度较快，更快的通过了矩形管（图 5）。这是由于壁面附近流体处于速度较慢的边界层，而中心流体速度最快。模拟说明 DEM 与 CFD 模拟具有良好的兼容性。在合理的模拟方案下，二者耦合可以得到准确反映实际情况的模拟结果。






总 结

当前针对油砂干馏的数值模拟主要基于计算流体力学(CFD)的方法，而且处于初步阶段。CFD 软件可以其中的传热现象进行分析，受其自身方法所限，无法准确模拟物料-物料间，物料-炉壁间受力情况复杂的系统的力学行为，因此其无法对炉内物料位置及动态进行精确模拟，相应的传热传质现象的模拟精度受到较大局限。 我们通过引入离散元分析(DEM)，能够准确模拟炉内物料的受力运动情况。从当前模拟来看，DEM 与 CFD 具有良好的兼容性，两者耦合模拟能够取得物料动态，以及流体对物料携带等结果。离散元对转炉以及立式炉中物料复杂运动情况的模拟，不仅可以为 CFD 模拟提供模拟参数，而且可以与转炉力学实验对照，研究炉内物料的力学行为和运动特点。通过模拟不同的肋片偏角及转速下炉内翻转输运情况，可以优化转炉外形及反应条件。随着模拟水平的提高，引入离散元力学分析的 DEM-CDF 耦合模拟对于油砂干馏这类同时具有复杂力学行为和传热过程的工业系统将具有重要的实用价值。

转自海基科技



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