三政鴻、闕銘宏、陳賢謙／工研院材化所
非連續相粒子運動廣泛應用於岩石土壤及工業製程，單純仰賴FEM模擬方法，無法確實完整描述與建立粒子堆疊的真實樣貌。例如陶瓷粉體用於模壓成型製造，可透過DEM依據粒子尺寸、形貌與分布資訊，建立初始粒子堆疊模型，再以FEM模擬計算其粒子受模壓等製程參數影響之壓合密度與應變結果。另一方面，粒子態模型也常見於觸媒化式粉床(PBR)應用，與觸媒粒子堆疊方式，影響流場、質傳、反應等作用，透過模擬技術可視化內部質傳分布，與反應作用產生之生成物與反應生成熱關係，進而透過多物理結合DEM模擬分析方法，提供產品優化與新產品設計開發之構想與方向。
【內文精選】
前 言
觸媒化式粉床(PBR)，主要用於基本化學工業與石油化學工業。反應器內部裝填固體催化劑或反應物，用於多相反應系統。固體物通常是小顆粒狀材料(如細砂、活性碳、焦碳)排列，粒徑2~15 mm左右，堆積到足夠高度的床層後，床層靜止不動，讓流體通過床層進行反應，如圖一(a)所示。此方法優點在於催化劑機械磨損小，流體沿同一方向以相同速度向前流動，可用少量的催化劑和較小的反應器容積來獲得較大的產能。流體停留時間和溫度分布皆可控制，因此可以在高溫高壓下操作，達到高的選擇性和轉化率。
模壓成型(SMC)製程技術主要是先將粉狀、粒狀或纖維狀的塑膠放入成型溫度下之金屬模具中，閉模加壓而使其成型並固化，可兼用於熱固性塑膠、熱塑性塑膠和橡膠材料，如圖一(b)所示。此工藝法的生產效率較高，易於實現專業化和自動化生產，產品尺寸精度和再現性高，且表面光潔無需二次修飾，尤其對於結構複雜的製品大部分皆可一次成型，不會損壞材料成本及本身的性能。
圖一、(a)觸媒化式粉床(PBR)；(b)模壓成型(SMC)製程示意圖
DEM結合FEM模擬應用於模壓製程技術
模壓製程技術廣泛應用於工業生產流程，像是陶瓷材料透過模壓製程，經粉末堆疊壓製成形，生產民生用途之各類型磁磚。另一方面，針對高分子混合固含成分與黏著介質間之機械與熱性質，受粉體堆疊與異質界面作用影響，如何達到最佳的異質材料匹配設計，將透過DEM結合FEM模擬技術做進一步介紹。
首先，如圖四，在建立模壓製造模擬方法前，需先蒐集初始製造原料之粒徑尺寸及粒徑分布資訊，DEM主要用於建立重現粉體在壓合設備內之粉體堆疊狀況，透過材料之特性、體積、表面形貌與碰撞係數等條件，進行粉體堆疊過程之預測。有關詳細的DEM模型建立，首先需定義粉體模型的鋪粉空間，依據初始輸入粉體粒徑比例與範圍，按照粉體間之碰撞與質心座標，受重力與滾動滑移平衡，得到整體能量最小化之穩態DEM多體粉末堆疊模型；再者，透過邊界重現將實體粉末堆疊結果實體化，輸出成實體之有限元素分析模型格式。
圖四、離散元素分析法(DEM)模型建立資訊及參數設定流程
DEM結合FEM應用於PBR製程技術
觸媒化式粉床(PBR)是在玻璃管或反應槽中填入觸媒，通過的流體由反應物混合而成，經過觸媒表面催化加速反應。因此在觸媒化式粉床的模擬中，需考慮的現象包括：流體力學、化學反應、質量傳輸、熱傳導。而這些現象又會相互影響。丙酮氫化(Acetone Hydrogenation)反應可被用來作為化學熱泵(Chemical Heat Pump)，可儲存能量，熱力學效率高於機械式。反應物為丙酮與氫氣，在溫度約200˚C經過觸媒的催化，產生生成物異丙醇(Isopropanol)，放出熱量。
填充床中丙酮氫化反應的模擬結果探討如下。如圖八(a)的流場分布，流體軌跡繞過觸媒棒，表示有阻力作用。如圖八(b)的壓力分布，顯示壓力梯度集中在觸媒棒的堆積，也就是反應容器上端需要較大的壓力推動流體。圖九為反應物與生成物濃度分布的模擬結果。如圖九(a, b)中，丙酮與氫氣的混合氣體在遇到觸媒後開始消耗，濃度逐漸變小。但直到通過觸媒，皆未完全反應完畢，表示需要更多的觸媒，或是降低流速，增加反應時間。若改用體積較小的觸媒棒，增加反應表面積，也可增加反應的量。因氫氣的濃度過多，通過觸媒後僅稍微地減少，反應物流至觸媒後，異丙醇逐漸地生成。如圖九(c)，可以看到在…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》415期，更多資料請見下方附檔。