短接觸旋流反應(yīng)器混合腔內(nèi)離散顆粒分布特性的模擬*

王振波 張玉春 徐春明

(中國石油大學(xué)重質(zhì)油國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

借鑒催化蒸餾工藝，設(shè)想在催化裂化工藝中將反應(yīng)過程與分離過程相結(jié)合，在反應(yīng)器中同時(shí)進(jìn)行超短接觸反應(yīng)和反應(yīng)產(chǎn)物的實(shí)時(shí)快速分離[1]，以期解決現(xiàn)有提升管反應(yīng)器氣固分布不均勻、較嚴(yán)重的返混及催化劑結(jié)焦失活等問題[2～4]。在這一思想的推動(dòng)下，在旋風(fēng)分離器基礎(chǔ)上研究開發(fā)的新型短接觸旋流反應(yīng)器應(yīng)運(yùn)而生。

為深入了解和掌握新型短接觸旋流反應(yīng)器內(nèi)氣、固兩相湍流流動(dòng)的機(jī)理性行為，為旋流反應(yīng)器的改進(jìn)和優(yōu)化提供理論依據(jù)，筆者采用離散顆粒方法(Discrete Particle Model，DPM)，利用計(jì)算流體力學(xué)軟件(CFD)對(duì)短接觸旋流反應(yīng)器內(nèi)湍流氣固兩相流動(dòng)狀況進(jìn)行數(shù)值模擬，分析不同粒徑顆粒在反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)特點(diǎn)。

1 數(shù)值模擬

1.1湍流模型

筆者采用的是RNGk-ε湍流模型[5～7]。該模型中k和ε的輸運(yùn)方程分別為：

(1)

(2)

1.2顆粒相模型

筆者采用隨機(jī)軌道模型模擬反應(yīng)器內(nèi)的兩相流動(dòng)[9]，其顆粒運(yùn)動(dòng)方程為：

(3)

(4)

(5)

1.3模擬對(duì)象和計(jì)算參數(shù)設(shè)定

圖1為反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖，在混合腔內(nèi)與再生催化劑混合、流動(dòng)、傳熱和反應(yīng)，經(jīng)過導(dǎo)向葉片加速作用后，油氣和催化劑在離心力作用下最終分離。圖2為網(wǎng)格劃分結(jié)果，網(wǎng)格劃分遵循結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格優(yōu)于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的原則[10～12]，只在切向進(jìn)氣管與混合腔采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，最終劃分26萬網(wǎng)格，且經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。建立坐標(biāo)系如圖1所示，圓點(diǎn)取在混合腔頂部中心位置。

圖1 短接觸旋流反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 短接觸旋流反應(yīng)器網(wǎng)格

介質(zhì)物性：氣相采用常溫下的空氣，固相催化劑密度為2 000kg/m3，中位粒徑為60μm。入口邊界條件：在進(jìn)口處，將顆粒群按初始尺寸分組，使不同的顆粒從入口截面上均勻分布射入反應(yīng)器，顆粒的初始速度為2.5m/s，氣體的入口速度為5.0m/s。

根據(jù)反應(yīng)器壁面軸向位置的不同，分別設(shè)定不同的碰撞系數(shù)，在混合腔取碰撞系數(shù)為1.00，環(huán)形空間為0.95，分離空間為0.85，錐體段為0.60，灰斗壁面為0.30；當(dāng)顆粒運(yùn)動(dòng)到排氣口邊界時(shí)，從出口逃逸，此時(shí)停止對(duì)顆粒的跟蹤，設(shè)置為escape；當(dāng)顆粒運(yùn)動(dòng)到料腿捕集口時(shí)，被壁面捕集，此時(shí)也停止對(duì)顆粒的跟蹤，設(shè)置為trap。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1模擬結(jié)果準(zhǔn)確性驗(yàn)證

筆者對(duì)比分離腔z=400mm截面的切向速度vt、軸向速度va的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值(圖3)，驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)采用智能型七孔球探針測(cè)試儀測(cè)量旋流反應(yīng)器內(nèi)各點(diǎn)速度，在每個(gè)測(cè)點(diǎn)位置測(cè)量10次后取平均值。由圖3可以看出實(shí)驗(yàn)值與模擬值吻合較好，說明模擬結(jié)果能夠有效預(yù)測(cè)反應(yīng)器內(nèi)的氣、固流動(dòng)情況。

a. 切向速度

b. 軸向速度圖3 z=400mm截面速度模擬值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比

2.2混合腔氣相速度分布

圖4為混合腔不同截面氣相三維速度隨徑向位置的變化曲線。由圖4a可以看出，軸向速度基本呈雙W形分布，各截面趨勢(shì)基本相同，并且隨著混合腔軸向下移梯度逐漸減小，在徑向r=±120mm和r=±50mm處向下運(yùn)動(dòng)的速度出現(xiàn)兩個(gè)峰值，且靠近混合腔壁面位置處速度最大，約為1.5m/s，在r=±75mm處速度最小。由于混合腔頂部的兩股切向進(jìn)氣，由圖4b可以看到混合腔內(nèi)切向速度明顯高于軸、徑向速度，邊壁附近最高值達(dá)6.0m/s，切向進(jìn)氣呈現(xiàn)“駝峰”狀分布，且各截面的差別較小，即在混合腔內(nèi)形成了一定強(qiáng)度的旋轉(zhuǎn)氣流。徑向速度值最小且規(guī)律性最不明顯，局部渦和旋轉(zhuǎn)氣流作用使得徑向速度分布最復(fù)雜，各截面的速度方向不完全相同，但基本都存在一個(gè)速度為零的臨界位置點(diǎn)。

a. 軸向速度

b. 切向速度

c.徑向速度圖4 混合腔不同截面氣相三維速度的變化曲線

2.3較小粒徑催化劑顆粒濃度分布

由于30μm以下顆粒所占比例僅為10%左右，筆者將30μm以下顆粒當(dāng)做較小粒徑顆粒處理，顆粒的粒徑分布采用Rosin-Rammler分布模擬，最小粒徑為1μm，最大粒徑為30μm，中位粒徑為20μm，分布指數(shù)為3。圖5是具有代表性的混合腔內(nèi)不同時(shí)刻顆粒的分布情況。由圖5a可見混合腔內(nèi)的顆粒由于受到頂部切向進(jìn)氣的沖擊攜帶作用，有由豎直流動(dòng)變?yōu)轫樓邢驓饬鞣较蛐D(zhuǎn)流動(dòng)的趨勢(shì)。由圖5b可見顆粒在混合腔內(nèi)螺旋向下運(yùn)動(dòng)，顆粒向邊壁聚集，邊壁濃度高于中心濃度。大約在0.25s時(shí)顆粒已基本占據(jù)了整個(gè)混合腔空間，且部分顆粒開始進(jìn)入下部的分離空間，即完成了與油氣的超短接觸反應(yīng)過程。

圖5 混合腔內(nèi)不同時(shí)刻較小粒徑顆粒濃度分布

另外，由圖5還可以發(fā)現(xiàn)，軸向進(jìn)料管內(nèi)顆粒濃度較高，入射顆粒在此處聚集碰撞回轉(zhuǎn)往復(fù)，沒有立刻進(jìn)入混合腔而停留時(shí)間較長，出現(xiàn)這種情況可能是由于混合腔頂部的切向進(jìn)氣形成旋轉(zhuǎn)氣流層，使進(jìn)料管內(nèi)的顆粒受到氣流屏蔽而不能立即進(jìn)入混合腔內(nèi)。

2.4較大粒徑催化劑顆粒濃度分布

為考察大粒徑顆粒的流動(dòng)情況，根據(jù)實(shí)際催化劑物性，并考慮到計(jì)算精度與計(jì)算量，最終確定將顆粒劃分為50、70、100μm進(jìn)行計(jì)算(圖6)。由于此時(shí)顆粒與前面計(jì)算中相比粒徑較大，顆粒受到氣流攜帶的作用并不明顯，由圖6a可見進(jìn)入混合腔后由于空間的增大顆粒擴(kuò)散并逐漸下行，0.2s時(shí)在兩個(gè)進(jìn)料口底部出現(xiàn)了顆粒竄流返混現(xiàn)象，這是由進(jìn)料口末端存在壓力梯度引起的。流動(dòng)過程中在重力場(chǎng)和旋流場(chǎng)的作用下貼近壁面，出現(xiàn)了少量顆粒聚集的螺旋線，顆粒分布的不均勻程度隨著時(shí)間的增加而有所改善，顆粒在混合腔內(nèi)逐漸擴(kuò)散開來，約0.25s后開始進(jìn)入下部區(qū)域。

圖6 混合腔內(nèi)不同時(shí)刻較大粒徑顆粒濃度分布

3 結(jié)論

3.1混合腔內(nèi)軸向與徑向速度梯度較大，分布較為復(fù)雜，而由于切向高速射流的影響，切向速度呈“駝峰”狀分布，且各截面差別較小。

3.21～30μm顆粒易受氣流的攜帶作用，在混合腔內(nèi)順氣流方向旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散，充滿整個(gè)混合區(qū)域且逐漸螺旋下行，而50、70、100μm顆粒由于粒徑相對(duì)較大，不易被氣流夾帶，在混合腔內(nèi)的流動(dòng)更為復(fù)雜。

3.3不同粒徑的顆粒入射后經(jīng)過0.25s左右離開混合腔。

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