三维数字化在化工和加工工业中的应用

发布时间：2021-04-22

固定床反应器（FBR）是化工和加工工业（CPI）中最常用的反应器类型。固定床反应器主要用陶瓷填充材料填充，这些材料通常被称为颗粒，用作重要的固定床催化剂。

固定床反应器（FBR）是化工和加工工业（CPI）中最常用的反应器类型。固定床反应器主要用陶瓷填充材料填充，这些材料通常被称为颗粒，用作重要的固定床催化剂。理想的颗粒具有较大的比表面，并在床层中产生较小的压力损失。此外，颗粒的形状会显著影响径向热传导和局部速度。因此，FBR 颗粒的形状有多种，如球形、圆柱形、带腹板的空心圆柱形等。

FBR 的设计与其性能之间有非常复杂的关系，因此它需要大量的开发费用。特别是，在开发不同颗粒形式的催化剂时，需要生产这些催化剂并对它们进行复杂的实验研究，而这些过程不仅成本高昂，而且还非常耗时。由于未来市场很可能对催化剂颗粒有更高的要求，例如由于 FBR 的动态操作，因此人们迫切需要大幅缩短开发时间。最详细的 FBR 模型可描绘反应器中每个颗粒的几何形态。利用有限体积法，可对整个反应器中间隙空间的流动、气相和固体颗粒中的能量和质量传输以及表面或气相反应求解。这些计算流体动力学（CFD）模拟提供了对 FBR 的深入认识，而这些认识如果通过实验研究只有花费大量精力才能获得，或者根本不可能获得。

三维数字化、CAD 比较和模拟

克劳斯塔尔工业大学化学和电化学过程工程研究所（ICVT）成立于 1991 年，隶属于数学/计算机科学和机械工程学院。它参与了克劳斯塔尔工业大学的储能技术研究中心（EST）的各种项目。

作为上述项目的一部分，ICVT 正在进行探索性研究，将 CFD 模拟和增材制造（3D 打印）结合起来，致力于推动并最终加速 FBR 颗粒形状的开发。这项研究将粒子级 CFD 模拟、3D 打印塑料颗粒和后续的快速成型实验相结合。在光学三维数字化的帮助下，以合成方式生产的固定床还可以与实际生产和三维数字化的固定床进行比较。他们除了能够改进用于生产合成固定床的模拟方法外，还可以测定径向孔隙率。

图：颗粒填充固定床的三维数字化

在这个项目中，研究所使用了一台 Creaform HandySCAN 3D 扫描仪，它可以在实验室中使用，也可以直接在机器上使用。为了详细分析特别小的固定床（内径：1 英寸，颗粒尺寸：6 x 6 x 6 mm），HandySCAN BLACK 扫描仪被用于扫描模型。这比其他三维数字化方法，如计算机断层扫描（CT）或磁共振断层扫描（MRT）具有更多优势：

在实验室中动态收集三维数据
体积精度为 0.020 mm + 0.040 mm/m
高清细节和高分辨率

结论

在三维数字化的帮助下，克劳斯塔尔工业大学的化学和电化学过程工程研究所（ICVT）可以将真实的床层结构与合成的固定床进行比较，从而改进模拟方法。使用可移动的光学测量方法（如 HandySCAN 3D）进行三维数字化，可以为固定床的数字化提供一种用于替代计算机断层扫描（CT）或磁共振成像（MRI）的快速、经济高效的方案。

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