不同進(jìn)料形式鼓泡床反應(yīng)器流動(dòng)特性的模擬研究

薄守石，王 劍，白 飛，孫蘭義

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)化學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266580；2.中國(guó)石化洛陽(yáng)工程有限公司；3.中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司)

不同進(jìn)料形式鼓泡床反應(yīng)器流動(dòng)特性的模擬研究

薄守石1，王 劍2，白 飛3，孫蘭義1

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)化學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266580；2.中國(guó)石化洛陽(yáng)工程有限公司；3.中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司)

選用歐拉-歐拉多相流模型和RNGk-ε湍流模型對(duì)不同進(jìn)料形式鼓泡床反應(yīng)器進(jìn)行了三維全尺寸模擬，分析并比較了采用不同形式進(jìn)料的反應(yīng)器內(nèi)氣含率和軸向液速的異同。結(jié)果表明：不同進(jìn)料形式的鼓泡床反應(yīng)器內(nèi)均形成了循環(huán)流動(dòng)；文丘里噴嘴和多噴嘴的性能優(yōu)于單噴嘴；環(huán)管分布器和排管分布器能提供均勻的氣含率分布和大尺度的液相循環(huán)流動(dòng)，性能優(yōu)于3種噴嘴進(jìn)料形式。

鼓泡床反應(yīng)器 噴嘴 分布器 數(shù)值模擬

懸浮床加氫技術(shù)由于具有原料適應(yīng)性強(qiáng)，輕質(zhì)油品收率高、質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)被視為劣質(zhì)重油輕質(zhì)化的理想工藝。目前該工藝在工業(yè)化進(jìn)程中遇到的主要難題有催化劑分散工藝復(fù)雜且耗能高、尾油產(chǎn)率高和反應(yīng)器放大后流動(dòng)特性變差等[1-2]。懸浮床加氫技術(shù)常用鼓泡床反應(yīng)器，該反應(yīng)器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳熱、傳質(zhì)性能良好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于化工、生物及冶金等領(lǐng)域，除用于懸浮床加氫過程外，還用于煤直接液化、費(fèi)-托合成和生物發(fā)酵等過程[3]。

近年來，大量學(xué)者采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法研究了鼓泡床反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)特性，其中大部分模擬均簡(jiǎn)化了進(jìn)料形式，采用反應(yīng)器底部均勻進(jìn)料，與實(shí)際工況有較大差別。也有部分學(xué)者考慮了進(jìn)料分布器的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，如王娟等[4-6]采用CFD方法研究了環(huán)管分布器結(jié)構(gòu)、開孔大小、分布器位置等對(duì)環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)特性的影響；Aguilera-Alvarado等[7]模擬了攪拌槽中非對(duì)稱管式分布器進(jìn)料的情況?？紤]具體的分布器結(jié)構(gòu)能夠還原真實(shí)的流動(dòng)情況，使模擬結(jié)果更準(zhǔn)確可靠。另外，文獻(xiàn)中尚沒有系統(tǒng)比較不同進(jìn)料形式(包括噴嘴和分布器)對(duì)反應(yīng)器流動(dòng)特性的影響。本課題采用Fluent軟件，參考工業(yè)試驗(yàn)裝置建立反應(yīng)器模型，并分別加入單噴嘴、文丘里噴嘴、多噴嘴、環(huán)管分布器和排管分布器，選用重油-氫氣的實(shí)際體系，對(duì)鼓泡床反應(yīng)器進(jìn)行三維全尺寸模擬，討論反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)特性規(guī)律并比較不同噴嘴或分布器的性能差異，為懸浮床加氫技術(shù)工程放大和工業(yè)化提供參考和借鑒。

1 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)文獻(xiàn)中對(duì)鼓泡床反應(yīng)器多相流CFD模擬所做的模型驗(yàn)證[8-9]，分別選用歐拉-歐拉多相流模型和RNGk-ε模型來模擬氣-液兩相流動(dòng)和湍流，具體控制方程如下：

質(zhì)量守恒方程：

(1)

式中：αq表示第q相(氣相或液相)的體積分率，其中氣相體積分率簡(jiǎn)稱氣含率；ρq為第q相的密度，kgm3；t為時(shí)間，s；為速度矢量，ms。

動(dòng)量守恒方程：

-αqgradp+αqρ4〗q+divq+pq

(2)

(3)

式中：CD為曳力系數(shù)；Re為雷諾數(shù)。

RNGk-ε模型的k方程和ε方程分別為：

div(αkμeffgradk)+Gk+Gb-ρε

(4)

(5)

式中：k為湍流動(dòng)能，m2s2；ε為湍流分散率，m2s3；μeff為有效黏度，kg(m·s)；Gk和Gb分別表示由速度梯度和浮力而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，Wm3；αk和αε是k方程和ε方程的有效湍流Prandtl數(shù)；C1ε，C2ε，C3ε均為模型參數(shù)；Rε為模型修正項(xiàng)。

RNGk-ε模型與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型之間的主要區(qū)別在于ε方程中引入了Rε項(xiàng)進(jìn)行修正：

(6)

式中：η和η0為有效因子；Cμ、β為模型參數(shù)。方程(4)～(6)中常量的取值分別為αk=αε=1.393，C1ε=1.42，C2ε=1.68，C3ε=1.3，Cμ=0.084 5，η0=4.38，β=0.012。

2 物理模型及計(jì)算條件

2.1 物理模型

圖1 不同進(jìn)料形式示意

圖2 含環(huán)管分布器的整體反應(yīng)器模型

網(wǎng)格劃分直接關(guān)系到計(jì)算速率和計(jì)算精度，為了提高計(jì)算的準(zhǔn)確性和精確度，一般來說選擇的網(wǎng)格尺寸越小、網(wǎng)格數(shù)越多越好；而當(dāng)網(wǎng)格數(shù)太多時(shí)需要的計(jì)算機(jī)內(nèi)存和計(jì)算時(shí)間也相應(yīng)增加。在實(shí)際網(wǎng)格劃分過程中需要對(duì)兩者進(jìn)行權(quán)衡。本課題充分考慮了這兩個(gè)方面的因素，選擇混合型網(wǎng)格來離散計(jì)算區(qū)域，其優(yōu)點(diǎn)有兩條：一是對(duì)分布器附近的不規(guī)則區(qū)域，選擇非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，其對(duì)幾何結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性強(qiáng)，而且可以對(duì)開孔等小尺寸區(qū)域進(jìn)行加密處理，以獲得更高的計(jì)算精確性；二是在反應(yīng)器上部和底部的規(guī)則區(qū)域，選擇結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，網(wǎng)格規(guī)則且網(wǎng)格數(shù)較少，能最大程度節(jié)省計(jì)算資源和時(shí)間。圖3為內(nèi)含環(huán)管分布器的反應(yīng)器網(wǎng)格劃分情況，網(wǎng)格總數(shù)為579 935，內(nèi)含其它類型分布器的反應(yīng)器網(wǎng)格劃分情況類似。

圖3 整體反應(yīng)器網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

2.2 計(jì)算條件

在設(shè)置邊界條件時(shí)，各種噴嘴和分布器的開口即為整個(gè)計(jì)算模型的入口，采用velocity-inlet入口邊界條件；反應(yīng)器上部為計(jì)算模型的出口，采用pressure-outlet出口邊界條件；對(duì)用于混合結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分的交界面選擇interior邊界條件；對(duì)于模型中涉及到的其它所有器壁均選擇無滑移壁面(No Slip Wall)邊界條件。

在模擬過程中，通過關(guān)聯(lián)式[11-13]計(jì)算高溫高壓下重油-氫氣實(shí)際體系的物性數(shù)據(jù)，結(jié)果如表1所示，且假定為常數(shù)。同時(shí)假定反應(yīng)器內(nèi)沒有液相進(jìn)料和排料，文獻(xiàn)研究結(jié)果表明，是否有液相進(jìn)料對(duì)反應(yīng)器的流動(dòng)特性影響不大[14]。通過全局初始化和局部初始化后，反應(yīng)器內(nèi)初始靜止液面高度為7.2 m，在靜液面以下氣含率均為0，在此以上氣含率為1。氣體從各種噴嘴或分布器進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)，表觀氣速為0.08 ms，選用單氣泡尺寸模型，假設(shè)氣泡平均直徑為5 mm。

表1 操作條件下物系的物理性質(zhì)

3 結(jié)果與討論

本課題將分析并比較不同進(jìn)料形式對(duì)鼓泡床反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)產(chǎn)生的影響。為方便討論，分別對(duì)含有不同噴嘴或分布器的反應(yīng)器進(jìn)行命名，如表2所示。在多相流體系中，氣含率和軸向液速是反映流動(dòng)特性最重要的兩個(gè)物理量，其大小對(duì)體系的傳遞和反應(yīng)過程影響很大。在討論不同進(jìn)料形式對(duì)反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)影響時(shí)均從這兩個(gè)物理量展開。

表2 不同反應(yīng)器簡(jiǎn)稱

3.1 內(nèi)含單噴嘴的反應(yīng)器模擬分析

單噴嘴在實(shí)驗(yàn)室小試中廣泛應(yīng)用，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用。圖4為反應(yīng)器SBCR內(nèi)縱截面和高2 m和6 m處橫截面的氣含率云圖。從圖4可以看出，反應(yīng)器中心的氣含率極高，接近于1，但是分布較窄，在反應(yīng)器四周氣含率極低，接近于0。圖5為反應(yīng)器不同軸向高度氣含率的徑向分布。從圖5觀察到，在軸向高度為1，3，5 m時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)的氣含率分布與圖4中定性結(jié)果一致，而在軸向高度為7 m時(shí)，反應(yīng)器四周的氣含率陡增，這是由于7 m高的橫截面處于氣液分離區(qū)，氣泡隨著液體的循環(huán)流動(dòng)有向下流動(dòng)的趨勢(shì)。

圖4 反應(yīng)器SBCR內(nèi)截面氣含率云圖

圖5 反應(yīng)器SBCR內(nèi)不同高度處氣含率徑向分布徑向高度： ■—1 m； ●—3 m； ▲—5 m； ◆—7 m。 圖6，8，9，11，12，14，15，17，18同

由于反應(yīng)器內(nèi)氣含率差的存在，使得鼓泡床反應(yīng)器在流動(dòng)中通常形成循環(huán)流動(dòng)，即反應(yīng)器中心的物料向上流動(dòng)，器壁附近向下流動(dòng)，這種循環(huán)流動(dòng)有助于反應(yīng)器內(nèi)物料混合，從而保持反應(yīng)器內(nèi)溫度均勻，避免局部溫度過高導(dǎo)致結(jié)焦。圖6為反應(yīng)器SBCR內(nèi)不同高度的軸向液速沿徑向分布的情況，發(fā)現(xiàn)在反應(yīng)器中心位置，液體隨著高速進(jìn)氣一起達(dá)到了很高的上升速度，而在反應(yīng)器四周，液體以很小的速度向下流動(dòng)，說明反應(yīng)器內(nèi)確實(shí)形成了循環(huán)流動(dòng)，但循環(huán)尺度較小。

圖6 反應(yīng)器SBCR內(nèi)不同高度處液速?gòu)较蚍植?/p>

整個(gè)反應(yīng)器內(nèi)的氣含率和軸向液速沿反應(yīng)器中心呈軸對(duì)稱分布，這是因?yàn)槿肟诰€速度大，氣體沒有在徑向進(jìn)行充分?jǐn)U散而是徑直向上流動(dòng)，對(duì)反應(yīng)器內(nèi)的擾動(dòng)小。

3.2 內(nèi)含文丘里噴嘴的反應(yīng)器模擬分析

考慮到單噴嘴的孔徑較小，出口線速較大，氣體在徑向的擴(kuò)散少，采用文丘里噴嘴代替單噴嘴進(jìn)氣，文丘里噴嘴的主要特點(diǎn)在于其喉部的變徑結(jié)構(gòu)。圖7為反應(yīng)器VBCR內(nèi)縱截面和高2 m和6 m處橫截面的氣含率云圖，圖8為反應(yīng)器內(nèi)不同高度處氣含率徑向分布。從圖7和圖8可見，采用文丘里噴嘴時(shí)氣含率的分布比采用單噴嘴時(shí)明顯變寬，而且隨著高度的增加，氣含率分布逐漸變寬，這是由于文丘里噴嘴的擴(kuò)徑使得離開噴嘴的氣速減小，有利于氣體在徑向的擴(kuò)散。

受到氣含率分布的影響，反應(yīng)器內(nèi)軸向液速隨著高度的增加分布逐漸變寬，分布也更加均勻，如圖9所示。反應(yīng)器四周液速下降明顯，說明反應(yīng)器內(nèi)同樣形成了循環(huán)流動(dòng)。

圖7 反應(yīng)器VBCR內(nèi)截面氣含率云圖

圖8 反應(yīng)器VBCR內(nèi)不同高度處氣含率徑向分布

圖9 反應(yīng)器VBCR內(nèi)不同高度處液速?gòu)较蚍植?/p>

3.3 內(nèi)含多噴嘴的反應(yīng)器模擬分析

圖10 反應(yīng)器MBCR內(nèi)截面氣含率云圖

中試試驗(yàn)中常采用多噴嘴來代替單噴嘴，最常用的多噴嘴是五噴嘴，其結(jié)構(gòu)是中心對(duì)稱型。圖10為反應(yīng)器MBCR內(nèi)縱截面和高2 m和6 m處橫截面的氣含率云圖。從圖10可以看出，氣含率分布由寬變窄再變寬，分布情況明顯優(yōu)于單噴嘴。多噴嘴的4個(gè)大噴嘴與豎直面有一定的角度，氣體進(jìn)入反應(yīng)器后開始向四周擴(kuò)散，所以底部氣含率分布較寬；由于反應(yīng)器底部壓力較大，氣體迅速向反應(yīng)器中間位置聚集，分布逐漸變窄；隨著軸向高度繼續(xù)增大，壓力減小，流動(dòng)逐漸發(fā)展，氣泡又開始沿徑向位置擴(kuò)散，直至流動(dòng)達(dá)到充分發(fā)展。因此氣含率在整個(gè)反應(yīng)器中的分布呈現(xiàn)“瓶頸”狀，圖11為反應(yīng)器中不同高度處氣含率徑向分布，定量顯示出氣含率隨軸向高度的變化趨勢(shì)。

圖11 反應(yīng)器MBCR內(nèi)不同高度處氣含率徑向分布

圖12為反應(yīng)器MBCR內(nèi)不同高度的軸向液速沿徑向分布情況。觀察圖12中數(shù)據(jù)的變化可以發(fā)現(xiàn)，隨著軸向高度的增加，反應(yīng)器中心液速逐漸減小，這是由于越靠近入口處，液相被進(jìn)料氣相帶動(dòng)，液速較大，在逐漸上升的過程中，由于靜壓力減小，壓差即循環(huán)流動(dòng)的推動(dòng)力隨之減小，使得上升液相的速度逐漸減小，分布更加均勻。與前兩種反應(yīng)器一樣，MBCR內(nèi)也產(chǎn)生了循環(huán)流動(dòng)。

圖12 反應(yīng)器MBCR內(nèi)不同高度處液速?gòu)较蚍植?/p>

3.4 內(nèi)含環(huán)管分布器的反應(yīng)器模擬分析

環(huán)管分布器的直徑較大，分布器上的開孔均勻分布在反應(yīng)器橫截面上，而且環(huán)管分布器具有很好的工程放大性。圖13(a)為反應(yīng)器RBCR內(nèi)3個(gè)縱截面上氣含率云圖分布，可以明顯看出，氣泡幾乎分布在整個(gè)反應(yīng)器內(nèi)，且反應(yīng)器中心位置的氣泡較多，氣含率較大。為了更清晰地觀察氣含率的變化規(guī)律，圖13(b)展示了RBCR內(nèi)不同高度橫截面上的氣含率云圖，可以看出，在離分布器較近的高度，氣含率的分布受分布器影響較大，隨著軸向高度的增加，氣含率的變化趨勢(shì)與多噴嘴類似，呈現(xiàn)不規(guī)則的“瓶頸”狀。圖14是反應(yīng)器在不同高度處氣含率的大小，從定量結(jié)果看出：氣含率在反應(yīng)器內(nèi)的分布相對(duì)比較紊亂，但依然能夠看出氣含率在反應(yīng)器中心位置相對(duì)較大，靠近反應(yīng)器器壁的區(qū)域相對(duì)較小；而且截面上分布比較均勻，中心位置和四周區(qū)域的氣含率梯度很小，各截面間的氣含率差距也較小。

圖13 反應(yīng)器RBCR內(nèi)截面氣含率云圖

圖14 反應(yīng)器RBCR內(nèi)不同高度處氣含率徑向分布

圖15為反應(yīng)器RBCR中不同高度處軸向液速的徑向分布情況。從圖15可以看出，反應(yīng)器內(nèi)的液速分布并不像內(nèi)含噴嘴型分布器的反應(yīng)器那樣對(duì)稱和規(guī)則，究其原因是氣泡均勻分布在反應(yīng)器的橫截面上，氣泡上升速度相對(duì)較小，有利于徑向擴(kuò)散，造成壓力分布不對(duì)稱，從而導(dǎo)致了軸向液速的分布不規(guī)則。需要指出的是，在鼓泡床反應(yīng)器中，尤其是在工業(yè)應(yīng)用中反應(yīng)器直徑比較大時(shí)，流動(dòng)經(jīng)常處于不穩(wěn)定狀態(tài)，并無明顯的對(duì)稱性，所以規(guī)則、對(duì)稱的流動(dòng)并不是評(píng)價(jià)流動(dòng)性能的指標(biāo)，也不是工業(yè)上追求的流動(dòng)形態(tài)。相反，只要反應(yīng)器內(nèi)形成了充分的循環(huán)流動(dòng)，使反應(yīng)器內(nèi)的氣液物料充分混合，盡量向全混反應(yīng)器接近才是工業(yè)生產(chǎn)所追求的。圖15所示的液體向下流動(dòng)速度較大，而且向下流動(dòng)截面積較大，有利于物料混合。

圖15 反應(yīng)器RBCR內(nèi)不同高度處液速?gòu)较蚍植?/p>

3.5 內(nèi)含排管分布器的反應(yīng)器模擬分析

排管分布器廣泛應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)中，與環(huán)管分布器一樣，有很好的工程放大性能，而且在實(shí)際應(yīng)用中安裝方便。圖16為反應(yīng)器SPBCR中不同縱截面和橫截面上氣含率分布云圖，該結(jié)果與RBCR中氣含率的整體分布相似，氣泡充滿整個(gè)反應(yīng)器，不同之處在于局部的氣含率大小。圖17是反應(yīng)器SPBCR在不同高度處氣含率的徑向分布，可以看出隨著軸向高度的增大，氣含率分布越來越趨向均勻。

圖18為反應(yīng)器SPBCR中不同高度處軸向液速的徑向分布，可以明顯看出，反應(yīng)器器壁附近液相向下流動(dòng)，形成了循環(huán)流動(dòng)，流動(dòng)速度與RBCR中的大小相當(dāng)。

進(jìn)料形式對(duì)反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)特性有較大影響，通過前文的比較可以看出，前3種噴嘴型進(jìn)料難以提供均勻分布的氣含率，循環(huán)液速也較??；而環(huán)管和排管分布器的進(jìn)料形式提供的氣含率分布均勻，充滿整個(gè)反應(yīng)器內(nèi)。圖19為不同進(jìn)料形式的反應(yīng)器內(nèi)整體氣含率比較，結(jié)果與前述討論類似，管式分布器的整體氣含率明顯大于噴嘴的整體氣含率，而兩種管式分布器相比，環(huán)管分布器的整體氣含率略大。

圖16 反應(yīng)器SPBCR內(nèi)截面氣含率云圖

圖17 反應(yīng)器SPBCR內(nèi)不同高度處氣含率徑向分布

圖18 反應(yīng)器SPBCR內(nèi)不同高度處液速?gòu)较蚍植?/p>

圖19 不同反應(yīng)器內(nèi)整體氣含率

4 結(jié) 論

不同進(jìn)料形式的鼓泡床反應(yīng)器內(nèi)均形成了循環(huán)流動(dòng)，有利于物料的混合；文丘里噴嘴和多噴嘴是在單噴嘴基礎(chǔ)上的改進(jìn)產(chǎn)品，其性能均優(yōu)于單噴嘴；環(huán)管分布器和排管分布器能提供均勻的氣含率分布和大尺度的液相循環(huán)流動(dòng)，工程放大特性好，優(yōu)于3種噴嘴進(jìn)料形式。

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NUMERICAL SIMULATION OF BUBBLE COLUMN REACTORS WITH DIFFERENT NOZZLES OR DISTRIBUTORS

Bo Shoushi1， Wang Jian2， Bai Fei3， Sun Lanyi1

(1.CollegeofChemicalEngineering，ChinaUniversityofPetroleum(EastChina)，Qingdao，Shandong266580；2.SINOPECLuoyangPetrochemicalEngineeringCo.Ltd.； 3.SINOPECEngineeringIncorporation)

Three-dimensional numerical simulations of bubble column reactors with different nozzles or distributors were conducted using Euler-Euler multiphase model and RNGk-εturbulence model. The gas holdup and axial liquid velocity in reactors were analyzed and compared. The results indicate that the liquid circulation flow is formed in all reactors. Venturi nozzle and multi-nozzle are proved to be more effective than single-nozzle. A uniform gas holdup distribution and a large-scale liquid circulation can be provided by ring or calandria liquid distributors， indicating the better performance than that of three nozzles tested.

bubble column reactor； nozzle； distributor； numerical simulation

2015-06-26； 修改稿收到日期： 2015-08-30。

薄守石，博士研究生，講師，主要研究方向?yàn)榧託浞磻?yīng)器及內(nèi)構(gòu)件設(shè)計(jì)、模擬與優(yōu)化等。

孫蘭義，E-mail：sunlanyi@163.com。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(21276279)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(27R1204008A)；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金新教師類資助課題(20120133120004)。