DEMms | 气固流化床反应器-再生器全回路数值仿真

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气固流化床反应器-再生器全回路装置，核心应用于需要催化剂循环再生的化工与能源加工场景，其中石油炼制是最典型领域，还可应用于煤化工、环保等行业。对气固流化床反应器-再生器全回路装置进行数值仿真，可以帮助解决工业装置设计、运行和优化中的实际难题，同时也存在诸多挑战：

· 仿真精度受限：气固流化床中存在颗粒碰撞、团聚、破碎以及气体湍流扩散等多种复杂物理现象，此外，对于宽粒径分布体系，不同粒径颗粒的运动和相互作用差异较大，难以准确模拟其在流化床中的行为。

· 计算资源及时间成本高昂：气固流化床内的流动过程极为复杂，涉及大量颗粒和气体的相互作用，仿真模拟需要消耗大量的计算资源。

DEMms离散元模拟软件从架构层面重构了离散元模拟的技术范式，其核心突破在于异构并行计算引擎与自适应颗粒管理机制的深度融合。针对气固流化床反应器-再生器全回路装置的数值仿真需求及挑战，DEMms 具备以下功能优势：

支持万核级CPU+GPU异构集群部署

硬件层面，DEMms支持万核级 CPU+GPU 异构集群部署，使用动态区域分解在进程之间重新分配计算负载即模拟对象，从而避免负载不平衡，使CFD-DEM计算效率提升3-5倍。

配置多精度混合求解器

针对颗粒尺度差异问题，DEMms开发了多精度混合求解器：对关键区域的颗粒采用精细模型（如考虑表面黏聚力、非球形形态），对远场区域则自动启用粗化模型，在保证核心区域精度的同时，将整体计算量降低 40%-60%。

破 “内存爆炸” 难题

工程实用性上，DEMms的动态内存优化技术解决了超大规模计算的 "内存爆炸" 难题。通过实时释放无效颗粒数据、压缩存储非活跃区域信息，使其能在常规服务器集群上稳定运行万亿级物理颗粒的模拟任务。

本文基于DEMms离散元模拟软件模拟了350万吨/年 MIP反应器-再生器全回路的冷态操作。MIP 反应器是炼化领域提升汽油质量的关键设备，是催化裂化多产异构烷烃（Maximizing Isoparaffins）反应器的简称。本文通过数值仿真研究了催化剂藏量、分布板孔大小对MIP反应器-再生器全回路操作的影响。

01 模拟构体与边界条件

图1和图2分别展示了模拟颗粒和流体的设备构体。从图中可以看出，颗粒和流体的计算区域并不重合。图中①所表示的反应器外壳和②所表示的再生器旋风分离器，以及再生器底部气体分布器处均没有流体网格。

图1 MIP 全回路颗粒构体示意图

图2 MIP 全回路流体网格示意图

表1 全回路模拟部分边界条件设置

02 操作条件

冷态模拟采用的操作条件总结为表2、表3，需要说明以下内容：冷态模拟采用的流体均为空气。如果反应器部分冷态模拟使用与实际系统相同的流体质量流率，则可能会出现如下问题：由于空气密度远远低于油气的密度，则冷态算例流体的气速是实际系统的若干倍。又由于曳力受气速的影响要大于受密度的影响，则可能会导致冷态算例颗粒受的曳力显著大于实际系统，导致流动模拟的不准确。因此本算例综合考虑流体和颗粒流动与实际系统的相似性，对反应器选取较低的流体质量流率以保证反应器内颗粒曳力与实际系统中一致。对再生器也采用类似的方法处理进气质量流率。

表2 350 万吨/年 MIP 反应器模拟操作参数

表3 再生器冷态模拟操作条件设置

03 冷态模拟结果

冷态模拟的算例设置如下：

基于DEMms离散元模拟软件，首先研究了模拟系统的演化。图3展示了 Case 1 算例全回路系统的流化状态截图，图中颜色表示颗粒速度。

图3 全回路模拟颗粒状态

从图中可以看出，反应器顶部的颗粒基本均在一级旋风分离器内被分离出去，从二级旋风分离器离开甚至达到反应器顶部集气室的颗粒很少。再生器顶部的情况类似，几乎没有颗粒到达再生器顶部。再生器内流化颗粒的膨胀高度大致位于再生器旋风分离器料腿附近，与工厂实际相符。此外，反应器外层沉降区的挡板（Stripper）在模拟中起到了给颗粒减速的作用，使颗粒在下落过程中不至于速度过高，从而使反应器底部落料区颗粒状态较为稳定，不至于产生强烈的反弹和不稳定。

从模拟结果上还可以看出，Plane3 处的流体出口还起到了对颗粒的 “引流” 作用。两循环管内的颗粒在下落时并不均匀，在下落过程中容易发生团聚。

本算例继续分析了设备内的流体力学特性，图4展示了 Case 1 算例再生器内气体和颗粒在中截面上的速度分布。

图4 再生器轴截面时均气体和颗粒速度

从整体上看，一密相（也叫烧焦罐）内部流体和颗粒的时均流场较为稳定，流体和颗粒的速度波动不大，并且越靠近再生器上部流场越稳定，流体和颗粒整体速度大小波动在 3m/s 左右。由于本算例在再生器颗粒循环管入口（Plane2）处给定了一定的进口气速以避免颗粒在该循环管入口处堆积，但给定的流速偏高，因此进入再生器底部的流体和颗粒在局部（图中左侧）都产生了高流速区域。并且颗粒在再生器左侧底部和再生器右侧边壁附近产生了局部涡流。这种现象产生的原因可能是本算例所绘制的再生器结构比较简单，烧焦罐底部没有待生催化剂分配格栅等结构，导致颗粒和流体分布不均匀。再生器二密相处颗粒和流体在两侧均形成了涡流，此处涡流的原因可能也是本论文在模拟中所做的简化，没有绘制局部导流筒，从而导致此处的流体和颗粒自由流动而产生了涡流。

为进一步研究反应器分布板局部的流动情况，输出了反应器轴截面固含率分布，并放大了分布板局部的模拟结果，展示在图5右侧。

图5 反应器轴截面时均固含率分布

从 Case 1 和 Case 2 分布板局部时均固含率的结果可以看出，分布板下部堆积颗粒的问题得到缓解，但仍然存在一定程度的堆积。另外，Case 2 算例放大 DEM 分布板孔径之后，分布板下部堆积和上部浓度都有一定程度的降低，从图中扩径段边壁和分布板局部固含率可以看出，局部固含率相比 Case 1 大约下降 15% 左右。

小结

本算例基于DEMms离散元模拟软件实现了目前报道的最为复杂的离散全回路模拟，得到了合理的两相流场分布，并模拟改善了分布板压降模拟结果和颗粒堆积结果。

来源：多相流在线

碰撞湍流油气离散元爆炸工厂

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首次发布时间：2025-10-26

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