Stresses caused by granular material in vessels

Abstract

This Masters' thesis discusses the stresses caused by granular material in process vessels. The objective of the thesis is to study and model stresses which are caused by expanding or swelling granular material. Modelled case is a catalytic fixed-bed reactor which is packed with cationic ionexchange resin. Ion-exchange resin swells due to changes in the polarity of the reactor's liquid feed. Cationic ion-exchange resins are used for example in oil refining as etherification and dimerization catalysts.

Literature part reviews analytical and numerical methods which can be used to model stresses in granular material that is confined in a vessel. Literature part reviews also different methods for measuring physical properties of granular materials.

In the applied part stresses caused by swelling granular ion-exchange resin are modelled with analytical Janssen model and numerically with finite element method (FEM). In the FEM-model ion-exchange resin was modelled as elastic-plastic. Physical properties of one commercial ionexchange resin were measured and used in modelling. Experiments included direct shear test, oedometer test and triaxial test.

Based on the modelling results, swelling can cause significant stresses, which should be taken into account when designing fixed-bed reactors packed with ion exchange resin. Models indicated that the largest stresses are localized at the bottom of the fixed-bed and the magnitude is dictated by the yielding of granular packing. Different factors affecting the stress were also studied. Based on the models stresses at the bottom of the reactor are increased with increasing aspect ratio, internal angle of friction, wall friction, weight of the packing and the pressure drop caused by flow through the bed.

Tämä työ käsittelee rakeisen kiintoaineen aiheuttamia jännityksiä säiliöissä ja työn erityisenä tavoitteena on arvioida rakeisen kiintoaineen tilavuuden kasvaessa syntyviä jännityksiä. Mallinnettavana tapauksena on käytetty kationinvaihtohartsilla pakattua kiintokerrosreaktoria. Kationinvaihtohartsi turpoaa polaarisen liuottimen vaikutuksesta ja reaktorin kiintokerroksen tilavuus saattaa vaihdella merkittävästi riippuen prosessiolosuhteista. Kationinvaihtohartseja käytetään esimerkiksi öljynjalostuksessa eetteröinti- ja dimerointireaktioiden katalysoimiseen.

Työssä on selvitetty analyyttisia ja numeerisia malleja, joilla voidaan arvioida turpoamisesta seuraavan jännitystilan suuruutta. Lisäksi työssä on esitetty menetelmiä rakeisen aineen ominaisuuksien määrittämiseen. Työn soveltavassa osassa on arvioitu kationinvaihtohartsin turpoamisen aiheuttamia jännityksiä kiintokerrosreaktorissa. Ongelmaa on tarkasteltu analyyttisella Janssenin mallilla ja numeerisesti elementtimenetelmän avulla. Elementtimenetelmämallissa rakeinen aine on kuvattu elastis-plastisella materiaalimallilla. Mallien soveltamiseksi on mitattu erään kaupallisen kationinvaihtohartsin lujuusominaisuuksia. Kationinvaihtohartsin elastista ja plastista käyttäytymistä tutkittiin suoralla leikkauskokeella, ödometrikokeella ja kolmiaksiaalisella kokeella.

Työn tuloksien perusteella kationinvaihtohartsin turpoaminen voi aiheuttaa merkittäviä jännityksiä, jotka on huomioitava suunniteltaessa ioninvaihtohartsilla pakattuja reaktoreita. Mallien mukaan suurin jännitystila syntyy lähelle rakeisen aineen pakkauksen pohjaa, ja jännitystilan ylärajan määrittää rakeisen aineen pakkauksen murtuminen. Työssä tunnistettiin tärkeimmät murtumiseen vaikuttavat parametrit ja havaittiin, että murtotilan jännitysten suuruus kasvaa pakkauksen korkeushalkaisijasuhteen, sisäisen kitkakulman, seinämäkitkakertoimen, pakkauksen painon tai painehäviön kasvaessa.