催化裂化再生器樹枝狀氣體分布器的氣相流場CFD模擬

楊 連，嚴(yán)超宇，魏志剛，魏耀東

(中國石油大學(xué)(北京)重質(zhì)油國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249)

催化裂化再生器樹枝狀氣體分布器的氣相流場CFD模擬

楊 連，嚴(yán)超宇，魏志剛，魏耀東

(中國石油大學(xué)(北京)重質(zhì)油國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249)

催化裂化裝置再生器的氣體分布器通常采用樹枝狀氣體分布器，這種分布器存在著氣體分布不均勻和噴嘴的沖蝕磨損問題。為此，對樹枝狀氣體分布器區(qū)域進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)(CFD)模擬，重點(diǎn)考察分布器內(nèi)氣相流場的特征。計(jì)算結(jié)果表明：樹枝狀氣體分布器的各分支管內(nèi)氣體速度根據(jù)分支管的長度不同存在很大的變化，而且分支管沿程各噴嘴出口的氣體流量也不同，導(dǎo)致噴嘴出口氣流平均速度存在很大的不均勻性；此外，氣體在分支管入口處以及近分支管入口端的噴嘴處存在偏流現(xiàn)象，壓力分布不均勻，易產(chǎn)生催化劑倒吸現(xiàn)象，造成噴嘴的沖蝕磨損。

催化裂化 樹枝狀氣體分布器 數(shù)值模擬 氣相流場 布?xì)庑阅?/p>

目前我國催化裂化裝置再生器的主風(fēng)分布器主要采用樹枝狀氣體分布器[1]。從多年來的使用情況來看，這種氣體分布器在運(yùn)行過程中存在著較大的氣體分布不均勻問題，造成床層的溫差偏大，另外其分支管和噴嘴經(jīng)常發(fā)生磨損現(xiàn)象[2]。樹枝狀氣體分布器分支管內(nèi)的氣體流動不同于一般管流，是一個(gè)變質(zhì)量流，沿程流量和壓力存在較大的變化[3]。一些文獻(xiàn)分析了其磨損的原因，并提出了分布器設(shè)計(jì)上的改進(jìn)措施[4]。李曉曼等[5-6]通過對樹枝狀氣體分布器噴嘴的氣相流場模擬，認(rèn)為噴嘴磨損是催化劑顆粒造成的，屬于氣固兩相沖蝕磨損。徐俊等[7]對管式分布器分支管的布?xì)庑阅苓M(jìn)行了分析，分支管內(nèi)沿程壓力逐漸增大，進(jìn)氣端的壓力較低，導(dǎo)致噴嘴壓降較小。馬艷梅等[8]對環(huán)形氣體分布器的噴嘴入口進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，使氣體分布更均勻、不易偏流。但是前人并沒有對樹枝狀氣體分布器整體的流場特性進(jìn)行研究和討論。

樹枝狀氣體分布器的氣體分布不均勻和分支管與噴嘴磨損不僅造成床層溫差偏大、待生催化劑燒焦不完全的操作問題，而且縮短了分布器的使用周期。為了提高對樹枝狀氣體分布器布?xì)鉅顩r的認(rèn)識，本研究選擇某1.2 Mta重油催化裂化裝置再生器的樹枝狀氣體分布器為研究對象，對其進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)(CFD)模擬[9]，重點(diǎn)考察分布器內(nèi)部氣相流場的流動和噴嘴的布?xì)馓卣?，為?yōu)化氣體分布器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)、改善氣體分布器的布?xì)庑阅芴峁﹨⒖肌?/p>

1 分布器尺寸和計(jì)算模型

1.1 分布器尺寸

圖1是國內(nèi)某重油催化裂化再生器的樹枝狀氣體分布器，分布器由主管、支管、分支管以及噴嘴4部分組成。氣體進(jìn)入主管后分流到4根支管內(nèi)，再分流進(jìn)入各個(gè)分支管，最后由分支管上的噴嘴噴出。主管直徑Φ 1 000 mm，4根支管為變徑管，由Φ 500 mm變徑到Φ 355 mm。每根支管上兩側(cè)對稱分布9根同直徑的Φ 145 mm分支管(見圖2)，相鄰兩分支管中心線間距為359 mm。各個(gè)分支管上間隔90 mm均布噴嘴，噴嘴為斜向下45°交替分布，為雙徑插入式結(jié)構(gòu)(見圖3)，總數(shù)為846個(gè)，噴嘴布置密度為16個(gè)m2。

1.2 計(jì)算模型

計(jì)算流體力學(xué)軟件采用 FLUENT14.0，選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型。主管入口為速度入口邊界，為

圖1 分布器結(jié)構(gòu)

圖2 分支管示意

圖3 噴嘴結(jié)構(gòu)

均勻進(jìn)氣方式。計(jì)算參數(shù)取自2014年6月某日的現(xiàn)場記錄數(shù)據(jù)，再生器壓力為280 kPa，分布器的平均壓降為4.75 kPa?？諝馊肟谒俾蕿? 606 m3min(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))，溫度為125 ℃，壓力為330 kPa，該操作狀態(tài)下的主管入口速度為15 ms，則理論上噴嘴出口平均噴出速度為22.7 ms。上截面為氣相出口邊界，為自由出流。壁面采用無滑移條件及標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)進(jìn)行處理。壓力-速度耦合式采用SIMPLE格式離散。收斂條件為各變量殘差為10-7時(shí)收斂。為了加快計(jì)算速率，先在一階精度格式下計(jì)算，然后再轉(zhuǎn)到二階精度格式下計(jì)算。模擬計(jì)算的時(shí)長為17.3 s。模擬計(jì)算結(jié)果顯示分布器進(jìn)出口質(zhì)量流量守恒，分布器壓降為4.64 kPa，與現(xiàn)場操作數(shù)據(jù)較相符。

圖4 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

2 結(jié)果與討論

2.1 分布器的流場分析

圖5為分布器流場的速度云圖。來自主管的氣體進(jìn)入支管后沿支管流動，同時(shí)向各個(gè)分支管分流。圖6為分支管內(nèi)氣流的軸向平均速度Vn分布。由圖6可見，對每一分支管而言，軸向各沿程截面上的平均速度存在很大的變化，氣體進(jìn)入分支管的入口端并沿軸向流向封閉段，截面平均速度逐漸減小，說明分支管內(nèi)的氣體介質(zhì)的流動為變質(zhì)量流動。由圖6還可看出，分支管越長，噴嘴數(shù)量越多，進(jìn)入該分支管的氣體流量越大，分支管入口的軸向速度也越大。說明分配到各分支管中的氣體流量不同。

圖5 分布器內(nèi)速度云圖

圖6 分支管內(nèi)氣流軸向平均速度

圖7 各分支管上噴嘴出口氣流平均速度分支管編號： ■—9； ●—8； ▲—7； —6； ◆—5；—4； —3； ※—2； ★—1。 圖8同

圖7為各分支管上噴嘴出口氣流平均速度分布，圖8為各分支管上噴嘴出口氣流質(zhì)量流量。由圖7和圖8可知：分支管上各噴嘴的出口速度分布有較大的不均勻性；沿著分支管內(nèi)氣體流動方向，噴嘴出口氣流平均速度有增大的趨勢，計(jì)算結(jié)果表明，長分支管和短分支管上，噴嘴出口氣流平均速度最大差值達(dá)到8 ms；短分支管上噴嘴出口氣流平均速度較大，而長管上的噴嘴出口氣流平均速度小于理論上噴嘴出口氣流平均速度(22.7 ms)。由于噴嘴出口氣流平均速度不同，導(dǎo)致分布器的布?xì)獠痪鶆?。同時(shí)，各噴嘴的壓降也有很大的變化，尤其是壓降低的噴嘴操作彈性差，當(dāng)操作發(fā)生波動時(shí)，這些噴嘴外部的壓力可能大于內(nèi)部的壓力，導(dǎo)致催化劑倒流進(jìn)入噴嘴。

圖8 各分支管上噴嘴出口氣流質(zhì)量流量

2.2 噴嘴出口氣流速度分布不均勻度

為描述分支管上各噴嘴出口平均速度分布不均勻的特性，采用氣體分布不均勻度M來表征，定義式為：

(1)

式中：F為噴嘴出流面積，m2；F0為所有噴嘴出流面積之和，m2；ui為i噴嘴的出口氣流速度，ms；為設(shè)計(jì)噴嘴的平均出口氣流速度，ms，ui，n為噴嘴個(gè)數(shù)。

M越小，氣體速度分布越均勻。對有限個(gè)噴嘴的氣體分布不均勻度M，式(11)可修改為：

(2)

圖9為各分支管上噴嘴出口氣流速度不均勻度。由圖9可知，沿著分支管編號增大的方向，噴嘴出口氣流速度的不均勻度有增加的趨勢，但長分支管上的不均勻度有所減小。

圖9 各分支管上噴嘴出口氣流速度不均勻度

噴嘴出口氣流速度的不均勻度一方面取決于噴嘴的壓力降，另一方面取決于管孔截面積比(分支管橫截面積與噴嘴出口總截面積之比)[10]。由分布器的結(jié)構(gòu)參數(shù)可得到各分支管的管孔截面積比，如表1所示。由表1可知，長分支管的管孔截面積比過小，導(dǎo)致分支管上噴嘴出口氣流平均速度偏小，甚至小于設(shè)計(jì)速度，而短分支管上的噴嘴出口氣流平均速度偏大，高于設(shè)計(jì)速度(見圖7)，影響布?xì)獾木鶆蛐浴?/p>

表1 各分支管參數(shù)

各分支管上噴嘴出口氣流平均速度與管孔截面積比分布如圖10所示。由圖10可知，分支管上噴嘴出口氣流平均速度與管孔截面積比的變化趨勢較吻合。因此在設(shè)計(jì)時(shí)可適當(dāng)增加長管的直徑，減小短管的直徑，使管孔截面積比在2.2～2.7之間。

圖10 各分支管上噴嘴平均速度與管孔截面積比

2.3 支管和分支管入口的偏流現(xiàn)象

圖11為支管入口處的速度矢量圖。由圖11可知，氣體在支管入口處發(fā)生轉(zhuǎn)向，出現(xiàn)偏流現(xiàn)象。

圖11 支管入口處氣流速度矢量圖

圖12為第4～第7根分支管入口處的速度矢量圖。由圖12可知，氣流由支管流向分支管時(shí)，在各分支管入口處出現(xiàn)第二次轉(zhuǎn)向，并產(chǎn)生偏流現(xiàn)象。這種偏流在分支管入口段的作用具有一定的長度范圍，尤其對于長分支管，入口處的軸向速度較大，這種偏流現(xiàn)象較為明顯。分支管迎風(fēng)一側(cè)的出流速度較高，背風(fēng)一側(cè)的出流速度較低；迎風(fēng)側(cè)形成一個(gè)低壓區(qū)，而背風(fēng)側(cè)形成一個(gè)回流區(qū)。分支管的入口低壓區(qū)直接影響設(shè)置在此處的噴嘴壓降，如果噴嘴恰好設(shè)置在低壓區(qū)內(nèi)，那么會導(dǎo)致噴嘴實(shí)際壓降過低，催化劑顆粒被卷吸進(jìn)入分支管。

圖12 分支管入口處氣流速度矢量圖

2.4 噴嘴內(nèi)的流場

圖13為第6根分支管上1號、12號和23號噴嘴出口氣流速度矢量圖。由圖13可知，近分支管入口端的噴嘴內(nèi)部氣流出現(xiàn)明顯的偏流現(xiàn)象，偏流造成的速度不均會導(dǎo)致噴嘴內(nèi)壓力分布不均(見圖14)，如果分布器的操作不穩(wěn)定，再生器內(nèi)的顆粒就容易沿著該處的噴嘴倒吸進(jìn)入分布器，并隨著分支管內(nèi)的氣流從下游噴嘴噴出，產(chǎn)生噴嘴的內(nèi)磨損現(xiàn)象(見圖15)。

圖13 噴嘴出口氣流速度矢量圖

圖14 1號噴嘴內(nèi)氣體壓力分布云圖參考壓力為330 kPa

圖15 顆粒對噴嘴內(nèi)壁的沖蝕磨損示意

3 結(jié) 論

樹枝狀氣體分布器內(nèi)的流場計(jì)算結(jié)果表明，分支管沿程內(nèi)氣體的流動為變質(zhì)量流動，分支管內(nèi)氣體軸向速度沿程逐漸減小，但較長分支管的入口端的流速較大；分布器各分支管上噴嘴的出口速度存在較大的不均勻性，短分支管上噴嘴出口氣流速度較大，而長管上的噴嘴出口氣流速度小于其設(shè)計(jì)速度，噴嘴的壓降小，導(dǎo)致分布器布?xì)獠痪鶆?，增加長分支管直徑有助于改善布?xì)庑阅?；分支管入口處以及近分支管入口端的噴嘴?nèi)氣流存在偏流現(xiàn)象，壓力分布不均勻，易產(chǎn)生催化劑倒吸現(xiàn)象，造成噴嘴的沖蝕磨損。

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CFD SIMULATION OF GAS FLOW FIELD IN GAS PIPE DISTRIBUTOR IN REGENERATOR OF FCCU

Yang Lian， Yan Chaoyu， Wei Zhigang， Wei Yaodong

(StateKeyLaboratoryofHeavyOilProcessing，ChinaUniversityofPetroleum，Beijing102249)

A gas pipe distributor is widely used in regenerator of FCCU. However， there are problems of gas maldistribution and nozzle erosion in the pipe distributor. Therefore， the gas flow field in pipe distributor was simulated by using the CFD commercial software. The result shows that the gas velocity in each branch tube is different， depending on the length of the tube. The gas flow rate through each nozzle is also different which leads to a big inhomogeneity of gas distribution. In addition， there exists an obvious deflective flow at the inlet side of nozzle tube and a non-uniform of pressure distribution， which may cause low pressure drop of nozzle， leading to catalyst entrainment into banching pipe and erosion.

FCC； gas pipe distributor； numerical simulation； gas flow field； gas distribution performance

2016-04-25；修改稿收到日期：2016-07-25。

楊連，碩士研究生，主要從事氣固流態(tài)化研究工作。

嚴(yán)超宇，E-mail：yanchaoyu@sina.com。

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(21176250)；中國石油大學(xué)(北京)科研基金資助項(xiàng)目(2462015YQ0301)。