周發(fā)戚,陳勇,魏志剛,2,嚴(yán)超宇,孫國(guó)剛,魏耀東
(1 中國(guó)石油大學(xué) (北京) 重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102249;2 中國(guó)石油撫順石化公司,遼寧 撫順 113008)
提升管反應(yīng)器是循環(huán)流化床內(nèi)進(jìn)行氣固兩相反應(yīng)、傳質(zhì)、傳熱等過(guò)程的一個(gè)重要組成部分。提升管反應(yīng)器內(nèi)的氣固兩相流動(dòng)不僅受顆粒質(zhì)量流率、操作氣速等工況參數(shù)的影響,而且還與提升管出口結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[1-3]。在實(shí)際的工業(yè)裝置上常采用T 形彎頭作為連接提升管出口與旋風(fēng)分離器的部件,之所以選擇T 形彎頭,是由于T 形彎頭的盲管部分在氣固兩相流動(dòng)的轉(zhuǎn)向過(guò)程中起到氣墊作用,改變了運(yùn)動(dòng)顆粒對(duì)器壁的沖擊角,可以有效地防止顆粒對(duì)管壁的沖蝕磨損,同時(shí)T 形彎頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于制造和維護(hù)。T 形彎頭內(nèi)氣固兩相流的流動(dòng)過(guò)程受到流道結(jié)構(gòu)的影響,存在折流和轉(zhuǎn)彎,由此產(chǎn)生了多種尺度的旋渦,造成T 形彎頭內(nèi)氣固兩相流的流動(dòng)形式非常復(fù)雜。目前對(duì)T 形彎頭的研究主要是通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量[4-5]和數(shù)值模擬[6-7]考察流動(dòng)參數(shù)的分布。T 形彎頭的出口結(jié)構(gòu)導(dǎo)致提升管內(nèi)顆粒濃度及壓力沿軸向呈現(xiàn)“C”形分布[8-9]。Cheng 等[10]根據(jù)提升管上部顆粒濃度分布的形式,把T 形彎頭劃分為一種強(qiáng)約束的彎頭,汪貴磊等[11]實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明T 形彎頭的壓降與顆粒濃度呈線性關(guān)系,與提升管入口速度呈二次方關(guān)系。de Wilde 等[12]數(shù)值模擬表明T 形彎頭盲管區(qū)域存在很大的顆粒返混,出口管面積越小返混越大。van Engelandt 等[13]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬考察了顆粒質(zhì)量流率較小條件下T 形彎頭內(nèi)顆粒濃度和速度的分布;而Yan 等[14]實(shí)驗(yàn)研究了顆粒質(zhì)量流率比較大的情況下T 形彎頭內(nèi)顆粒濃度和速度的分布,兩種研究的結(jié)果存在著很大的不同。Ulrike 等[15]及Wen 等[6]的實(shí)驗(yàn)表明T 形彎頭內(nèi)存在多個(gè)氣流旋渦,造成了顆粒的堆積,導(dǎo)致了顆粒的返混,同時(shí)也對(duì)上游提升管氣固兩相流的軸向壓力、濃度分布產(chǎn)生很大的影響。Kim 等[16]認(rèn)為T 形彎頭內(nèi)氣固兩相流動(dòng)具有很強(qiáng)的非線性特征,顆粒之間的時(shí)聚時(shí)散表現(xiàn)為流動(dòng)參數(shù)的脈動(dòng)變化。小波分析是一種常用的動(dòng)態(tài)信號(hào)分析方法之一,在時(shí)域和頻域上具有很好的局部化性質(zhì)和多分辨率的特點(diǎn),尤其是在信號(hào)分析處理及其特征信息提取等方面,近年來(lái)已被應(yīng)用在流化床內(nèi)動(dòng)態(tài)信號(hào)的分析中[17-18]。
上述這些對(duì)T 形彎頭的研究主要是圍繞著靜態(tài)流動(dòng)參數(shù)進(jìn)行的,對(duì)于提升管而言,氣固兩相之間的相互作用表現(xiàn)出壓力、濃度、溫度等不同形式的脈動(dòng),具有很強(qiáng)的流動(dòng)瞬變性。這種氣固兩相流的瞬態(tài)特性可以通過(guò)對(duì)不同類型脈動(dòng)信號(hào)分析進(jìn)行描述,但對(duì)于T 形彎頭還缺乏這方面的分析。為此,本文在循環(huán)流化床實(shí)驗(yàn)裝置上,使用FCC 催化劑顆粒,對(duì)提升管出口T 形彎頭內(nèi)的動(dòng)態(tài)壓力進(jìn)行測(cè)量,考察T 形彎頭內(nèi)部氣固兩相流的壓力脈動(dòng)特性及其傳遞特性,提高T 形彎頭內(nèi)部氣固兩相流動(dòng)態(tài)特性的認(rèn)識(shí),為T 形彎頭的工程設(shè)計(jì)和放大提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。實(shí)驗(yàn)氣體由羅茨鼓風(fēng)機(jī)1 提供,采用轉(zhuǎn)子流量計(jì)3 計(jì)量流量。顆粒由下料斜管13 進(jìn)入提升管5,流經(jīng)T 形彎頭6 進(jìn)入旋風(fēng)分離器7,氣固分離后顆粒通過(guò)立管9 和10 返回流化床11,完成一個(gè)顆粒循環(huán)過(guò)程。流化床直徑600 mm、高度8000 mm,提升管直徑200 mm、高度12500 mm。T 形彎頭尺寸見圖2,旋風(fēng)分離器料腿直徑150 mm、高度9000 mm。實(shí)驗(yàn)采用FCC 平衡催化劑顆粒,平均粒徑約為67 μm,堆積密度約為940 kg·m-3,顆粒密度為1520 kg·m-3。
圖1 循環(huán)流化床裝置和T 形彎頭Fig.1 CFB set-up and T-abrupt exit
在T 形彎頭上設(shè)置了4 個(gè)測(cè)壓點(diǎn),如圖2所示,同時(shí)在距提升管T 形彎頭頂蓋4 m 處設(shè)置了第5 個(gè)測(cè)壓點(diǎn),作為對(duì)比分析。壓力傳感器的量程為0~0.03 MPa,靈敏度25 Pa·mV-1,實(shí)驗(yàn)中采樣頻率為200 Hz,采樣時(shí)間60 s。提升管的顆粒質(zhì)量流率范圍0~300 kg·m-2·s-1,提升管表觀氣速的范圍0~10.2 m·s-1。
圖2 T 形彎頭尺寸和測(cè)壓點(diǎn)Fig.2 Dimension of T-abrupt exit and position of pressure measure points
催化劑顆粒質(zhì)量流率由返料斜管上的蝶閥14 控制,測(cè)量方法是通過(guò)關(guān)閉閥8 計(jì)量立管內(nèi)顆粒堆積一定高度所用時(shí)間進(jìn)行測(cè)定。
當(dāng)氣固兩相流進(jìn)入T 形彎頭后(圖3),由于轉(zhuǎn)向氣體和顆粒兩者慣性不同而產(chǎn)生氣固兩相之間的分離,一部分顆粒隨氣流流出T 形彎頭;另一部分顆粒上行進(jìn)入T 形彎頭的盲管部分撞擊到T 形彎頭的盲管頂蓋,并折流下行形成返混。由于顆粒撞擊盲管頂蓋速度急劇減小,動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能形成很大的沖擊,這種影響擴(kuò)展到整個(gè)盲管區(qū)域。撞擊后折返的顆粒下行進(jìn)入T 形彎頭的出口管道,壓力脈動(dòng)幅值開始減小。實(shí)驗(yàn)中可以觀察到T 形彎頭內(nèi)左右兩邊顆粒濃度是不均勻的,發(fā)生濃稀波動(dòng)變化,周期約為2~3 s。
圖3 T 形彎頭的流態(tài)Fig.3 Fluidized pattern in T-abrupt exit
圖4是提升管入口表觀氣速ug為9.2 m·s-1時(shí),改變顆粒質(zhì)量流率Gs,T 形彎頭4 個(gè)測(cè)壓點(diǎn)的動(dòng)態(tài)壓力曲線。圖4(a)是純氣流工況時(shí)的動(dòng)態(tài)壓力曲線,圖4(b)、(c)是提升管顆粒質(zhì)量流率分別為97.9 kg·m-2·s-1和134.3 kg·m-2·s-1時(shí)的動(dòng)態(tài)壓力曲線。
圖4 T 形彎頭動(dòng)態(tài)壓力曲線Fig.4 Curves of dynamic pressures in T-abrupt exit
在純氣流工況時(shí),動(dòng)態(tài)壓力曲線波動(dòng)的幅值很小,約為0.6 kPa,壓力脈動(dòng)的頻率較高,曲線呈鋸齒形,各個(gè)測(cè)壓點(diǎn)的壓力曲線存在相似性。測(cè)量點(diǎn) 1 到測(cè)量點(diǎn)2 壓力增大,測(cè)量點(diǎn)2 到測(cè)量點(diǎn)3 壓力略有上升,測(cè)量點(diǎn)3 到測(cè)量點(diǎn)4 壓力明顯下降。測(cè)壓點(diǎn)1 與測(cè)壓點(diǎn)4 的壓差約0.35 kPa,這是T 形彎頭的壓降。加入顆粒以后,曲線的波動(dòng)幅度增大,曲線出現(xiàn)了低頻高幅值的波動(dòng)。隨著顆粒質(zhì)量流率的增大,振幅增大,波動(dòng)劇烈,如圖4(b)、(c)所示。特別是加入顆粒之后,測(cè)壓點(diǎn)2 和測(cè)壓點(diǎn)3 的脈動(dòng)比測(cè)壓點(diǎn)1 和測(cè)壓點(diǎn)4 的脈動(dòng)更加劇烈。
標(biāo)準(zhǔn)偏差分析是流化床壓力脈動(dòng)特性分析的常用方法[19-20]。將任意時(shí)刻的瞬態(tài)壓力Pi分解為平均壓力P與波動(dòng)值P′之和,即
則任意一個(gè)測(cè)量點(diǎn)的壓力標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd為
式中,N為采樣數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd可以用于表征壓力脈動(dòng)強(qiáng)度。
圖5是入口氣速ug為9.2 m·s-1時(shí),T 形彎頭各測(cè)壓點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd隨顆粒質(zhì)量流率Gs的變化。從圖5中可以看出,在純氣流時(shí),4 個(gè)測(cè)壓點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差值基本相同,約為0.06 kPa,壓力脈動(dòng)的幅值很小;隨著顆粒質(zhì)量流率Gs的增加,各測(cè)壓點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差值增大,但增大的幅度不同。對(duì)比4 個(gè)測(cè)壓點(diǎn)的壓力脈動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)偏差值,可以看到測(cè)壓點(diǎn)2 和測(cè)壓點(diǎn)3 的標(biāo)準(zhǔn)偏差明顯大于測(cè)壓點(diǎn)1 和測(cè)壓點(diǎn)4的標(biāo)準(zhǔn)偏差,尤其是T 形彎頭的盲管頂蓋測(cè)壓點(diǎn)3的標(biāo)準(zhǔn)偏差最大,說(shuō)明盲管頂蓋的動(dòng)態(tài)壓力值偏離平均壓力值的程度比較大。測(cè)壓點(diǎn)1 和測(cè)壓點(diǎn)4 的 標(biāo)準(zhǔn)偏差基本相近,表明T 形彎頭的進(jìn)出口壓力脈動(dòng)強(qiáng)度相近。
圖5 不同測(cè)壓點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd 隨Gs 的變化Fig.5 Standard deviation Sd varying with Gs in measure points
從圖5中可以看出,各個(gè)測(cè)壓點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd與顆粒質(zhì)量流率Gs基本呈線性關(guān)系
式中,Ki和Ci為常數(shù),與測(cè)壓點(diǎn) i 的位置有關(guān)。式(3)表明在結(jié)構(gòu)和入口速度一定的條件下,標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd是顆粒質(zhì)量流率Gs的單值函數(shù)。
對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸,見圖5,測(cè)壓點(diǎn)1、2、3、4 的相關(guān)系數(shù)分別為0.9895、0.9863、0.9942、0.9296,說(shuō)明回歸直線對(duì)測(cè)量值的擬合程度較高,各測(cè)壓點(diǎn)的壓力脈動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)偏差與顆粒質(zhì)量流率的線性關(guān)系較好。因此,基于壓力脈動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差,測(cè)壓點(diǎn)1、2、3、4 可以較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)提升管內(nèi)顆粒質(zhì)量流率。
小波分析方法中的Daubechies 小波具正交性、緊支集性[21],已被應(yīng)用于流化床內(nèi)壓力波動(dòng)信號(hào)的分析[22-23]。通過(guò)對(duì)壓力信號(hào)的Daubechies 小波分解誤差比較,選用誤差較小的db5 小波對(duì)圖4中T 形彎頭動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)進(jìn)行16 層多尺度分解,小波變換的尺度對(duì)應(yīng)著信號(hào)的變化頻率,小尺度對(duì)應(yīng)著高頻信息,大尺度對(duì)應(yīng)著低頻信息。表1是計(jì)算的各細(xì)節(jié)信號(hào)的尺度與頻率的關(guān)系。
表1 各細(xì)節(jié)信號(hào)的尺度與頻率的關(guān)系Table 1 Relationship between scale and frequency of each detail signal
對(duì)于正交小波,可用小波分解系數(shù)來(lái)表示信號(hào)的能量。用小波分解后的信號(hào)x j(i)計(jì)算各尺度的能量占總能量的分率RDj,可以直觀揭示T 形彎頭不同測(cè)量位置和不同操作條件下顆粒波動(dòng)能量分布的規(guī)律。這里采用細(xì)節(jié)能量分率來(lái)表征顆粒的流動(dòng)狀況,各尺度的細(xì)節(jié)能量分率定義如下[24]式中,為第j尺度的細(xì)節(jié)系數(shù);為第j尺度細(xì)節(jié)能量占總細(xì)節(jié)能量的分率;為第j尺度分解的細(xì)節(jié)信號(hào)能量;為細(xì)節(jié)信號(hào)的總能量;J表示1~J尺度的總和。
圖6是提升管表觀氣速ug為9.2 m·s-1時(shí),不同顆粒質(zhì)量流率下5 個(gè)測(cè)壓點(diǎn)的能量分率。其中,圖6(a)為測(cè)壓點(diǎn)1 和5 不同顆粒質(zhì)量流率下的能量分率,圖6(b)~(d)分別為測(cè)壓點(diǎn)2、3、4 不同顆粒質(zhì)量流率下的能量分率。由圖6(a)可以看到,測(cè)壓點(diǎn)5 的主頻為d11~d14(0.01220703125~0.1953125 Hz),此即為提升管內(nèi)氣固兩相流的主頻,測(cè)壓點(diǎn)1 有d8~d10(0.1953125~1.5625 Hz)的主頻和d12~d14(0.01220703125~0.09765625 Hz)次頻。由圖6(b)、(c)可以看出,測(cè)壓點(diǎn)2、3 不僅存在d8~d10 的主頻和d12~d14 的次頻,還存在d7(1.5625~3.125 Hz)這一次頻。由圖6(d)可以發(fā)現(xiàn),測(cè)壓點(diǎn)4 有d8~d10 的主頻和d12~d14 次頻,與測(cè)壓點(diǎn)1相似。
圖6 不同測(cè)壓點(diǎn)的能量分率Fig.6 Energy ratio of different pressure measure points
T 形彎頭4 個(gè)測(cè)壓點(diǎn)的壓力脈動(dòng)主頻均位于d8~d10 內(nèi),脈動(dòng)周期約為1.2~5.0 s,這與實(shí)驗(yàn)觀察的T 形彎頭內(nèi)顆粒濃稀變化周期約為2~3 s 基本相近。主頻d8~d10 主要是T 形彎頭結(jié)構(gòu)引起的壓力脈動(dòng)源的固有頻率,不隨顆粒質(zhì)量流率的變化而改變,但能量分率隨著顆粒質(zhì)量流率的增加而減小,且沿著提升管向下是逐漸衰減的。次頻d12~d14主要是來(lái)源于提升管內(nèi)氣固兩相流的壓力脈動(dòng)傳遞,因?yàn)閷⒋舜晤l與距提升管T 形彎頭頂蓋4 m 距離的測(cè)壓點(diǎn)5 的主頻對(duì)比,表明兩者的小波尺度能量分率是一致的;測(cè)壓點(diǎn)1、2、4 的此次頻能量分率隨著顆粒質(zhì)量流率的增加而增大。次頻d7 只存在于測(cè)壓點(diǎn)2、3,主要是由于顆粒在T 形彎頭內(nèi)顆粒的返混引起的。純氣流時(shí),無(wú)此次頻;隨著顆粒質(zhì)量流率的增加,能量分率增大,這是因?yàn)闅怏w和顆粒在測(cè)壓點(diǎn)2、3 處形成強(qiáng)烈的顆粒返混和動(dòng)量交換,尤其是在測(cè)壓點(diǎn)3 處,部分氣體和顆粒上行撞擊到T 形彎頭的盲管頂蓋,與一部分堆積的顆粒一起折流下行,并與上升顆粒及氣體發(fā)生碰撞,比測(cè)壓點(diǎn)2 處的顆粒返混和動(dòng)量交換更為劇烈。
(1)T 形彎頭內(nèi)存在著強(qiáng)烈的顆粒團(tuán)聚和返混,氣固兩相流的壓力脈動(dòng)與流動(dòng)顆粒濃度的不均勻性分布密切相關(guān),所以氣固兩相流在T 形彎頭內(nèi)形成了一個(gè)壓力脈動(dòng)源。
(2)由于T 形彎頭的強(qiáng)約束作用,彎頭內(nèi)氣固兩相流壓力脈動(dòng)主要來(lái)源為T 形彎頭內(nèi)壓力脈動(dòng)源,通過(guò)小波分析發(fā)現(xiàn)流場(chǎng)的周期變化為脈動(dòng)主要原因。
(3)T 形彎頭處動(dòng)態(tài)壓力的標(biāo)準(zhǔn)偏差與顆粒質(zhì)量流率線性關(guān)系較好,可以通過(guò)T 形彎頭的壓力信號(hào)來(lái)監(jiān)測(cè)循環(huán)流化床內(nèi)的顆粒質(zhì)量流率。
(4)T 形彎頭內(nèi)壓力脈動(dòng)分為3 個(gè)部分,分別是由于T 形彎頭結(jié)構(gòu)引起的流場(chǎng)固有頻率,來(lái)源于提升管內(nèi)氣固兩相流的脈動(dòng)傳遞以及顆粒在T 形彎頭內(nèi)強(qiáng)烈的返混引起的脈動(dòng)。
符 號(hào) 說(shuō) 明
dp——顆粒直徑,m
Gs——提升管顆粒質(zhì)量流率,kg·m-2·s-1
g——重力加速度,m·s-2
i——第i個(gè)信號(hào)
j——小波尺度
P——平均壓力,kPa
Pi——瞬態(tài)壓力,kPa
Sd——壓力波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差,kPa
ug——提升管表觀氣速,m·s-1
xj(ti)——小波分解后的信號(hào)
ρp——顆粒密度,kg·m-3
ρs——顆粒堆積密度,kg·m-3
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