通过微型计算机断层扫描和碰撞引导填充技术研究填充床的结构

《Particuology》：Structure of packed bed probed by Micro-Computed tomography and Collision Guided Packing

　　

• •
  利用微计算机断层扫描和碰撞引导填充模型对三叶形床层结构进行了研究。
• •
  振动填充的床层密度高于传统中心管填充方式。
• •
  三叶形颗粒能在两倍直径范围内减弱壁面效应。
• •
  与球形颗粒相比，三叶形颗粒能形成更均匀的床层结构。
• •
  定向分析表明颗粒更倾向于处于水平状态。

引言

填充床反应器在化工和石油精炼行业中被广泛用于气液固接触反应。填充床的内部结构主要由颗粒间空隙的空间分布决定，这一分布直接影响局部流体流动、热量传递和质量传递（Li等人，2000；Agrawal等人，2007；Dixon，2014）。不均匀的空隙分布会导致流体流动不均，进而降低反应转化率、选择性以及催化剂使用寿命。在深度加氢处理应用中，这种情况尤为关键，比如生产超低硫柴油时，要求转化率超过99%，哪怕是床层结构的微小局部差异也会显著影响反应器性能。

填充床的结构受多种因素影响：颗粒形状、尺寸、尺寸分布、表面粗糙度、柱体直径、填充速率以及填充方法（Van Antwerpen等人，2010；Yu等人，2003）。其中，颗粒形状和填充方法是目前了解最少的两个因素，但它们对最终形成的床层结构有着重要影响。本研究重点探讨这两种因素在三叶形催化剂颗粒上的相互作用，这类颗粒在工业加氢处理中应用广泛，但在相关文献中对其研究相对较少。

历史上，大多数关于填充床的研究都是以球形颗粒为对象，这主要是因为球形颗粒的几何结构较为简单，且人们已经很清楚柱体直径与颗粒直径之比与填充方式之间的关系，包括靠近壁面时形成的典型分层结构（Nolan和Kavanagh，1995；Stachurski，2003；An等人，2009；Wu等人，2014）。虽然这些研究成果提供了有用的参考依据，但实际上工业反应器中很少使用球形颗粒作为催化剂。

对于非球形颗粒，相关研究则远不够完善。实验和计算研究都表明，颗粒的形状赋予了它球形颗粒所没有的定向自由度，这种自由度使得填充结构对填充方式更为敏感，也更难以仅通过基本原理进行预测。基于离散元方法的对棒状颗粒、二元圆柱混合物以及立方体颗粒的研究逐步表明，摩擦系数、颗粒长宽比以及振动条件等参数共同决定了颗粒的总体孔隙率和局部微观结构，而这些现象在球形颗粒中并不存在简单的对应关系（Nan等人，2015；An和Chai，2016；Wu等人，2017）。对圆柱形颗粒的X射线断层扫描研究进一步显示，更高的填充密度会使颗粒呈现正交排列，从而直接影响床层的效能（Zhang等人，2006）。尽管取得了这些进展，大多数计算研究仅通过总体孔隙率测量来验证结果，而非通过对三维结构的全面分析，因此对于非球形颗粒，其内部空隙在轴向、径向以及颗粒定向方面的空间分布仍然缺乏清晰的认识。

数值方法也被用来更广泛地研究非球形颗粒的填充问题。Jia和Williams（2001）以及Gan等人（2004）使用碰撞引导填充模拟技术，对椭圆形、五边形、纤维状以及哑铃形等多种二维形状的颗粒进行了研究，结果表明碰撞引导填充能够可靠地反映振动和旋转对填充密度的影响，是一种比传统模拟工具更可靠的替代方案。虽然这些研究都是二维的，但它们为将碰撞引导填充作为填充模拟工具奠定了基础，而本研究则将其应用到三维三叶形颗粒的填充模拟中。

三叶形颗粒是工业滴流床加氢反应器中最常用的催化剂颗粒之一。与球形和圆柱形颗粒相比，它们具有更好的压降特性、更高的单位体积表面积以及更好的液体分布性能，因此成为实际应用中的首选形状。尽管如此，针对三叶形填充床的科学研究仍然有限且不完整。早期通过二维图像分析对各向异性颗粒床层进行表征的研究，虽然能够得到总体孔隙率和比表面积等有用的第一阶结构参数，但无法准确描述床层内空隙的三维空间分布（Montillet和Le Coq，2001）。此后一些采用更先进方法研究三叶形颗粒的研究，要么因为其非凸形状的复杂性而无法准确测定其空隙率（Boccardo等人，2015），要么只能得到平均空隙分数而无法体现空间细节（Rolland等人，2019），又或者只在有限的配置下研究颗粒的定向和空隙分布，没有系统地改变填充方式（Farsi等人，2021）。这些研究普遍缺乏的是对三叶形床层结构如何随填充方式变化的、经过实验验证的空间分辨率表征，而这正是理解和控制工业反应器中流体流动行为所需的信息。

已知填充床的填充方法会影响其最终结构，进而影响流体流动行为和反应器性能。实验研究表明，从单点中心源填充到多点进料以及振动填充等多种不同的填充方式，都会产生明显的径向和轴向空隙分数分布差异，而且振动填充的床层密度始终高于重力填充的床层（Mathias和Muldowney，2000；Pottb?cker和Hinrichsen，2017；Srivastava等人，2019）。对于包括圆柱形在内的非球形颗粒，振动填充也能产生比重力填充更致密的填充结构，其致密化程度取决于振动频率、振幅以及颗粒的几何形状（Qian等人，2016；An和Chai，2016）。计算研究也证实了这一点，研究表明填充源会对床层的各向同性特征留下可检测的痕迹（Agrawal等人，2019），而且填充速率、摩擦系数以及颗粒表面性质共同决定了最终的填充密度，这些因素是无法仅通过总体测量来确定的（Tangri等人，2017；Zhang等人，2019）。然而，目前的这些认识几乎都是基于球形颗粒和简单的圆柱形颗粒建立的。对于具有非凸横截面且定向自由度更高的三叶形颗粒，即便在将其放入反应器的方式上存在细微差别，也很可能导致截然不同的定向分布和空隙分数分布（Montillet和Le Coq，2001；Farsi等人，2021）。Bazmi等人（2013）是为数不多直接比较三叶形颗粒在滴流床中不同填充方式的研究之一，他们发现袜式进料方式的床层孔隙率比密集式进料方式的更均匀，但这一结论是基于宏观测量得出的，未能揭示床层的三维内部结构。因此，关于填充方式如何通过空间空隙分布和颗粒定向来影响三叶形床层结构的问题至今尚未得到系统研究，不过已有研究报道了这一因素对液体流动分布的影响（Suneja & Roy，2023）。

本研究探讨了颗粒形状、柱体直径与颗粒直径之比以及填充方法对三叶形催化剂颗粒填充床结构的影响。研究中考虑了两种填充方法：中心单点源填充和振动床填充。通过微计算机断层扫描技术无损检测床层结构，并运用碰撞引导填充算法对床层结构进行建模。研究结果从整体空隙率、轴向和径向空隙分数分布以及颗粒定向分布等方面进行分析，并将微计算机断层扫描的测量结果与碰撞引导填充模型的预测结果进行对比。通过这种高分辨率的实验表征与针对特定工业颗粒形态的精细模拟相结合的方法，旨在更清晰地了解填充方法如何决定三叶形床层结构，从而为深度加氢处理反应器中的性能优化提供依据。

章节摘要

颗粒及床层制备

本研究中使用的三叶形氧化铝载体颗粒直径为1.3毫米，该数值是通过扫描电子显微镜测定的，结果如图1(a)所示，图像处理则是使用开源软件ImageJ完成的。随机选取200颗颗粒，用游标卡尺测量其长度，结果显示长度在1.8毫米到8.8毫米之间，平均长度为4.5毫米。颗粒尺寸分布如图1(b)所示，大致呈正态分布，这一分布特征被用于

结果与讨论

通过微计算机断层扫描技术对填充床结构进行了实验表征，同时运用碰撞引导填充算法，针对中心管填充和振动床填充两种填充方式，在柱体直径与颗粒直径之比为12.5和20的情况下对床层结构进行了计算预测。结构分析涵盖了整体空隙率、轴向空隙分数分布、径向空隙分数分布以及颗粒定向分布等内容。为便于表述，所研究的八种情况在文中统一称为微计算机断层扫描中心管填充情况和微计算机断层扫描振动床填充情况

结论

本研究通过微计算机断层扫描技术进行实验测量，同时运用碰撞引导填充算法进行计算预测，分析了工业上常用的直径为1.3毫米的三叶形氧化铝催化剂颗粒所形成的填充床结构。研究了柱体直径与颗粒直径之比（分别为12.5和20）以及填充方法（中心管填充和振动床填充）对床层结构的影响，分析了整体空隙率、轴向

CRediT作者贡献说明

Shantanu Roy：撰写——审稿与编辑、指导监督、项目管理、概念构思。Aashna Suneja：撰写——初稿撰写、方法设计、实验研究

未引用参考文献

Caulkin等人，2009；Dixon，1988；Montillet和Coq，2001；Von Seckendorff等人，2021。

利益冲突声明

? 作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

Aashna Suneja|Shantanu Roy