提升管CSVQS系統(tǒng)預(yù)汽提段顆粒速度和停留時間分布

趙愛紅，鄂承林，王芬芬，盧春喜

（中國石油大學(xué)（北京）重質(zhì)油國家重點實驗室，北京 102249）

提升管CSVQS系統(tǒng)預(yù)汽提段顆粒速度和停留時間分布

趙愛紅，鄂承林，王芬芬，盧春喜

（中國石油大學(xué)（北京）重質(zhì)油國家重點實驗室，北京 102249）

在一套φ600 mm CSVQS的環(huán)流預(yù)汽提段冷態(tài)實驗床裝置上，在導(dǎo)流筒區(qū)氣速為0.2 m·s-1和0.3 m·s-1，環(huán)隙區(qū)氣速為0.03 m·s-1和0.07 m·s-1，汽提段氣速為0和0.13 m·s-1時，考察了預(yù)汽提導(dǎo)流筒區(qū)和環(huán)隙區(qū)的顆粒速度分布，同時在上述條件下，根據(jù)提出的計算方法，考察了由提升管引入環(huán)流預(yù)汽提段顆粒的平均停留時間分布。結(jié)果表明，在上述幾種操作條件下，預(yù)汽提段均為中心氣升式環(huán)流，汽提段氣體大部分進入導(dǎo)流筒區(qū)。在導(dǎo)流筒區(qū)氣速相同時，在無汽提風(fēng)時，導(dǎo)流筒區(qū)顆粒速度隨環(huán)隙區(qū)氣速的增加沿徑向由陡峭分布轉(zhuǎn)變?yōu)槠骄彿植?；在有汽提風(fēng)時，導(dǎo)流筒區(qū)顆粒速度徑向分布隨環(huán)隙區(qū)氣速的變化很小。在環(huán)隙區(qū)氣速相同時，在有汽提風(fēng)時，導(dǎo)流筒區(qū)顆粒速度隨其氣速的增加由平緩分布轉(zhuǎn)變?yōu)槎盖头植?；在無汽提風(fēng)時，兩種導(dǎo)流筒區(qū)氣速下的顆粒速度徑向分布均比較陡峭。與導(dǎo)流筒區(qū)相比，環(huán)隙區(qū)顆粒速度徑向分布幾乎不隨操作條件的不同而變化。隨著導(dǎo)流筒氣速的增加或環(huán)隙氣速的降低，顆粒平均停留時間分布變窄，質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低；隨著顆粒循環(huán)強度的增加，顆粒平均停留時間分布變窄；質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化不一。

提升管；環(huán)流預(yù)汽提器；顆粒速度；停留時間分布；光纖探頭；顆粒

引　言

提升管出口旋流快分系統(tǒng)是實現(xiàn)油劑高效分離、油氣快速引出以及催化劑快速預(yù)汽提的重要設(shè)備［1］。針對現(xiàn)有旋流快分頭噴口處因存在部分上行短路流而使分離效率降低的問題，盧春喜等［2］開發(fā)了一種旋流頭帶隔流筒和隔流蓋板的提升管出口旋流快分系統(tǒng)（SVQS）。SVQS系統(tǒng)主要由上端的旋流快分頭、下端的預(yù)汽提段及其外部的封閉罩等組成，下端的預(yù)汽提段用于汽提回收由提升管出口旋流快分分離的催化劑所夾帶的油氣。現(xiàn)有SVQS系統(tǒng)的錐形擋板預(yù)汽提技術(shù)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造及檢修困難，并且存在部分流化死區(qū)，增加了可結(jié)焦的區(qū)域［3-4］。為此，中國石油大學(xué)（北京）最近提出了一種采用氣固密相環(huán)流預(yù)汽提代替錐形擋板預(yù)汽提的旋流快分系統(tǒng)（CSVQS）。

目前，對氣固密相環(huán)流［5］技術(shù)的研究有很多，許克家［6］對中心氣升式氣固環(huán)流反應(yīng)器的底部結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)選，研究發(fā)現(xiàn)，氣固環(huán)流的推動力與內(nèi)、外環(huán)間的床層固含率差和床層高度呈正比。劉夢溪等［7-9］對單段高料位密相環(huán)流汽提器的顆粒流動性能進行了研究，獲得了內(nèi)外環(huán)顆粒濃度和速度的分布規(guī)律。此外，在單段氣固環(huán)流的研究基礎(chǔ)上，劉夢溪等［10］又考察了兩段氣固環(huán)流反應(yīng)器的顆粒流動性能，兩段環(huán)流反應(yīng)器的流動與傳遞性能優(yōu)于單段環(huán)流反應(yīng)器。劉顯成等［11］對兩段氣固環(huán)流取熱器傳熱特性的研究表明，兩段環(huán)流取熱器的取熱效果明顯優(yōu)于單段環(huán)流取熱器。張永民等［12-13］的研究表明，環(huán)流汽提技術(shù)具有更高的汽提效率，與空筒結(jié)構(gòu)和錐形擋板結(jié)構(gòu)汽提技術(shù)相比，最多可分別減少82%和48%的可汽提焦炭量。

在實際工業(yè)應(yīng)用中，提升管出口CSVQS系統(tǒng)的下部，即環(huán)流預(yù)汽提段的下部設(shè)有一汽提段，用于對預(yù)汽提段未汽提出的油氣繼續(xù)進行汽提，為了防止沉降器內(nèi)產(chǎn)生結(jié)焦，汽提段中的大部分汽提蒸汽及汽提油氣需由環(huán)流預(yù)汽提段通過，掌握這部分氣體對環(huán)流預(yù)汽提段顆粒流動性能的影響規(guī)律及CSVQS系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用具有重要意義。然而目前雖然對氣固密相環(huán)流技術(shù)的研究有很多，但對汽提段氣體對環(huán)流預(yù)汽提段影響規(guī)律的研究未見報道，為此本文在一套冷模實驗裝置上，考察了汽提段氣體對環(huán)流預(yù)汽提段顆粒速度分布的影響規(guī)律。

1　實驗裝置和測量方法

1.1實驗裝置

研究中采用的實驗裝置及環(huán)流預(yù)汽提段與汽提段的結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。環(huán)流預(yù)汽提段主要由錐形下料孔板、封閉罩、導(dǎo)流筒和中心下料管等組成。環(huán)流預(yù)汽提段的封閉罩直徑為φ600 mm，封閉罩內(nèi)的導(dǎo)流筒直徑為φ436 mm、高500 mm，中心下料管直徑為φ160 mm。在導(dǎo)流筒區(qū)底部設(shè)有一錐形氣體分布板，在封閉罩與導(dǎo)流筒間的環(huán)隙區(qū)底部設(shè)有一個環(huán)形氣體分布管。環(huán)流預(yù)汽提段的下部為汽提段，汽提段的直徑為φ600 mm、高度約為1000 mm。在汽提段底部也設(shè)有一環(huán)形氣體分布管。為了便于觀察，環(huán)流預(yù)汽提段及汽提段部分均采用有機玻璃制造。

圖1　實驗裝置Fig.1　Schematic diagram of experimental apparatus

圖2　預(yù)汽提段與汽提段結(jié)構(gòu)Fig.2　Structure diagram of pre-stripper and stripper

實驗裝置模擬了典型的工業(yè)裝置中的提升管-沉降器-再生器系統(tǒng)。羅茨鼓風(fēng)機提供的壓縮空氣經(jīng)過緩沖罐分配為5路后，經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計進入實驗裝置。第1路作為提升管的提升風(fēng)進入提升管底部，第2路為汽提段的汽提氣體，F(xiàn)CC顆粒在此經(jīng)過汽提后進入再生器；第3路作為導(dǎo)流筒區(qū)的流化風(fēng)經(jīng)錐形氣體分布板進入導(dǎo)流筒區(qū)底部，第4路作為環(huán)隙區(qū)的流化風(fēng)經(jīng)環(huán)形氣體分布管進入環(huán)隙區(qū)底部；第5路作為再生器的流化風(fēng)進入再生器底部。

實驗中，在再生器中加入一定量的催化劑顆粒，在流化風(fēng)的作用下流化，開啟預(yù)提升段中的提升風(fēng)和流化風(fēng)并打開蝶閥，再生器中的催化劑顆粒經(jīng)再生斜管進入預(yù)提升段，在提升風(fēng)的作用下，催化劑顆粒被提升至提升管末端，經(jīng)快分頭進行氣固分離，分離下來的催化劑顆粒由沉降段經(jīng)錐形下料板后進入環(huán)流預(yù)汽提段的導(dǎo)流筒內(nèi)進行環(huán)流預(yù)汽提，環(huán)流預(yù)汽提后的催化劑顆粒再進入汽提段進行汽提，汽提后的催化劑顆粒經(jīng)待生斜管返回再生器。未分離下來的少量催化劑顆粒和輸送氣體由沉降段上部進入沉降器頂旋再次進行氣固分離，分離下來的催化劑顆粒經(jīng)料腿進入汽提段，由此實現(xiàn)催化劑顆粒在整個系統(tǒng)中的循環(huán)流動。

本實驗采用的流化介質(zhì)為常溫壓縮空氣，固體介質(zhì)為FCC催化劑顆粒，氣體流量采用轉(zhuǎn)子流量計測量。表1為實驗采用的FCC顆粒的物性參數(shù)及平均粒徑。

實驗中，環(huán)隙區(qū)的表觀氣速（以環(huán)隙區(qū)橫截面積為基準(zhǔn)）取 0～0.07 m·s-1，導(dǎo)流筒區(qū)的表觀氣速（以導(dǎo)流筒區(qū)橫截面積為基準(zhǔn)）取0.2～0.3 m·s-1，汽提段的汽提氣速（以汽提段筒體橫截面為基準(zhǔn)）取 0～0.13 m·s-1。在導(dǎo)流筒區(qū)和環(huán)隙區(qū)沿軸向各布置一個測量截面，其距導(dǎo)流筒下端的軸向高度均為250 mm，在每個軸向測量截面各布置5個徑向測點，導(dǎo)流筒區(qū)和環(huán)隙區(qū)徑向測點的 r/R分別為0.29、0.39、0.51、0.62、0.72和0.77、0.82、0.88、0.93、0.99，開孔位置如圖2所示。

表1　FCC顆粒的物性參數(shù)及平均粒徑Table 1　Physical properties and particle size of FCC

1.2測量方法

實驗采用中國科學(xué)院過程工程研究所研制的PV-6D型光纖測量儀測量環(huán)流預(yù)汽提段不同區(qū)域和不同位置的顆粒速度［14］。PV-6D光纖測量系統(tǒng)主要由光纖探頭、光源、光電檢測器、A/D轉(zhuǎn)換卡、計算機及數(shù)據(jù)處理軟件等組成。其中光纖探頭由直徑約為1 mm，間距約為2.07 mm的兩束光纖組成，每束光纖均由一些直徑為20 μm的光導(dǎo)纖維組成，其中一半為發(fā)射光光纖，另一半為接收光光纖，測量原理如圖3所示。

圖3　PV-6D光纖測量顆粒原理Fig.3　Principle of measuring particle w ith PV-6D optical fiber

PV-6D光纖測量儀對顆粒速度的測量是基于互相關(guān)原理而設(shè)計的［15］，當(dāng)顆粒經(jīng)過兩束排列方向與其運動方向相同的光纖探頭時，將產(chǎn)生形狀相似，而在時間上有一定延遲的兩路瞬時顆粒濃度電壓信號。這兩路顆粒濃度電壓信號具有互相關(guān)性，其相應(yīng)的互相關(guān)函數(shù)如式（1）和式（2）所示。

對兩路顆粒濃度信號進行互相關(guān)運算，可得到互相關(guān)函數(shù)達到最大值時的時間τ0，τ0即為兩路信號間的延遲時間，也就是顆粒在兩束光纖間的渡越時間，由兩束光纖間的距離L除以延遲時間τ0便可得到顆粒瞬時運動速度，同時，也可由兩路顆粒濃度信號的電壓值得到顆粒的瞬時濃度。

為確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，在根據(jù)上述運算結(jié)果計算顆粒局部時均速度前，需要對光纖系統(tǒng)測量的顆粒濃度電壓值進行校正，即根據(jù)一定的函數(shù)關(guān)系將光纖輸出的顆粒濃度電壓值轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒濃度。在顆粒濃度校正中，本文采用目前普遍使用的根據(jù)光纖在床內(nèi)不同徑向位置處測定的局部顆粒濃度電壓值計算截面平均電壓值，再根據(jù)壓降法在相同軸向位置處測量的截面平均顆粒濃度來確定光纖輸出顆粒濃度電壓值與顆粒濃度間的校正關(guān)系式［9，16］。

校正時，選擇床層較穩(wěn)定的一個截面，該截面的平均固含率ε由上下等距離兩個測壓點的壓差值計算得到。沿截面徑向取10個測量點，每個點采樣5次求其平均值。假設(shè)床內(nèi)固含率與探頭輸出電壓信號間的非線性關(guān)系可用式（3）表示

則截面平均固含率為

通過改變內(nèi)外環(huán)表觀氣速的方法來改變床層截面平均固含率及局部固含率，進而改變各測點的測量值，并進行回歸得到固含率ε與光纖輸出的電壓信號值V之間的關(guān)系為

顆粒濃度的標(biāo)定曲線如圖4所示，由圖可知，顆粒濃度測量值與標(biāo)定值間的最大相對誤差不超過1.7%，說明所測的顆粒濃度數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠。

圖4　床層固含率標(biāo)定曲線Fig.4　Solid holdup calibration curve

根據(jù)以上測量結(jié)果，采用式（6）計算采樣時間內(nèi)床內(nèi)顆粒的局部時均速度Um［17］。

2　實驗結(jié)果與分析

根據(jù)測量的環(huán)流預(yù)汽提段實驗數(shù)據(jù)，分析了汽提風(fēng)速、環(huán)隙表觀氣速以及導(dǎo)流筒表觀氣速的改變對環(huán)流預(yù)汽提段內(nèi)顆粒速度徑向分布的影響規(guī)律。為了便于將導(dǎo)流筒區(qū)及環(huán)隙區(qū)的顆粒速度繪制在同一坐標(biāo)軸上并相互區(qū)別，用負(fù)值表示向下運動的顆粒速度，其值越小表示顆粒向下運動的速度越大。

2.1無汽提風(fēng)時環(huán)流預(yù)汽提段的顆粒速度分布

圖5　無汽提風(fēng)時不同環(huán)隙氣速下的顆粒速度分布Fig.5　Velocity distribution of different annular gas velocity w ithout stripper（ugs=0）

2.1.1環(huán)隙氣速的影響圖5為在汽提段氣速為0、導(dǎo)流筒區(qū)氣速分別為0.2 m·s-1和0.3 m·s-1時，環(huán)隙區(qū)氣速的變化對導(dǎo)流筒區(qū)和環(huán)隙區(qū)顆粒速度分布的影響。

由圖5可見，在0.2 m·s-1和0.3 m·s-1兩種導(dǎo)流筒區(qū)氣速時，導(dǎo)流筒區(qū)顆粒速度在兩種不同環(huán)隙氣速下沿徑向均呈中心下料管和導(dǎo)流筒邊壁附近較低、中心區(qū)較高的不均勻分布。并且隨著環(huán)隙區(qū)氣速的增加，導(dǎo)流筒區(qū)顆粒速度的徑向梯度明顯降低、分布更加平緩，同時在導(dǎo)流筒區(qū)氣速相同時，隨著環(huán)隙區(qū)氣速的增加，導(dǎo)流筒區(qū)的顆粒速度明顯減小，說明此時環(huán)隙氣速的增加反而對顆粒環(huán)流的阻礙作用增大。這主要是由于在環(huán)流預(yù)汽提段底部的氣體分布器區(qū)域存在導(dǎo)流筒區(qū)與環(huán)隙區(qū)之間的竄氣行為［18］。在一定的導(dǎo)流筒區(qū)氣速時，在環(huán)隙區(qū)氣速較?。?.03 m·s-1）時，環(huán)隙區(qū)的顆粒濃度較大、導(dǎo)流筒區(qū)的顆粒濃度較小，氣體流過環(huán)隙區(qū)的阻力相對較大、流過導(dǎo)流筒區(qū)的阻力相對較小，較大部分的環(huán)隙區(qū)氣體由導(dǎo)流筒區(qū)流過，隨著環(huán)隙區(qū)氣速的增加，環(huán)隙區(qū)的顆粒濃度逐漸降低，氣體流過環(huán)隙區(qū)的阻力也逐漸減小，大部分環(huán)隙區(qū)氣體將由環(huán)隙區(qū)流過，而由環(huán)隙區(qū)竄氣至導(dǎo)流筒區(qū)的氣體則明顯減少，從而導(dǎo)致導(dǎo)流筒區(qū)顆粒速度隨環(huán)隙區(qū)氣速的增加而明顯降低。此外，環(huán)隙區(qū)顆粒濃度的降低將使環(huán)隙區(qū)與導(dǎo)流筒區(qū)間的環(huán)流推動力降低，從而使環(huán)隙區(qū)與導(dǎo)流筒區(qū)間的顆粒環(huán)流速度也有所降低。在不同環(huán)隙區(qū)氣速時，環(huán)隙區(qū)顆粒速度沿徑向均近似呈直線分布，并且其隨環(huán)隙區(qū)氣速和導(dǎo)流筒區(qū)氣速的變化也很小，上述結(jié)果表明，在無汽提風(fēng)存在的情況下，導(dǎo)流筒氣速一定時，隨著環(huán)隙氣速的增加，導(dǎo)流筒區(qū)顆粒速度降低，環(huán)隙區(qū)顆粒速度變化很小。此外，在上述幾種操作條件下，導(dǎo)流筒區(qū)徑向各點的顆粒速度均為正值，其速度在0～1.2 m·s-1間變化；環(huán)隙區(qū)大部分徑向位置的顆粒速度為負(fù)值，其速度在0～0.2 m·s-1間變化。說明在上述4種無汽提風(fēng)的操作條件下，預(yù)汽提段的顆粒環(huán)流方式為：導(dǎo)流筒區(qū)顆粒向上、環(huán)隙區(qū)顆粒向下的中心氣升式環(huán)流。

2.1.2導(dǎo)流筒氣速的影響圖6為在汽提段氣速為0、環(huán)隙區(qū)氣速分別為0.03 m·s-1和0.07 m·s-1時，導(dǎo)流筒區(qū)氣速的變化對導(dǎo)流筒區(qū)和環(huán)隙區(qū)顆粒速度分布的影響。

由圖6可見，在環(huán)隙區(qū)氣速為0.07 m·s-1時，導(dǎo)流筒區(qū)徑向各點的向上運動顆粒速度和環(huán)隙區(qū)徑向各點的向下運動顆粒速度均隨導(dǎo)流筒區(qū)氣速的增加而增加，與導(dǎo)流筒區(qū)相比，環(huán)隙區(qū)顆粒速度的變化較小。在環(huán)隙區(qū)氣速為0.03 m·s-1時，環(huán)隙區(qū)顆粒速度幾乎不隨導(dǎo)流筒區(qū)氣速的不同而變化，環(huán)隙區(qū)顆?；疽运蓜哟驳臓顟B(tài)向下移動。在導(dǎo)流筒區(qū)，除下料管邊壁附近徑向兩點的顆粒速度隨導(dǎo)流筒區(qū)氣速的增加而略有減小外，導(dǎo)流筒區(qū)其他徑向位置的顆粒速度均隨導(dǎo)流筒區(qū)氣速的增加而增加。所處下料管邊壁兩點，由于顆粒的摩擦及返混，測量相對誤差較大。

圖6　無汽提風(fēng)時不同導(dǎo)流筒氣速下的顆粒速度分布Fig.6　Velocity distribution of different draft tube gas velocity w ithout stripper（ugs=0）

上述結(jié)果表明，在環(huán)隙區(qū)氣速為 0.03 m·s-1時，因環(huán)隙區(qū)向?qū)Я魍矃^(qū)的竄氣量較大，導(dǎo)致環(huán)隙區(qū)顆粒處于松動床狀態(tài)，環(huán)隙區(qū)顆粒幾乎以移動床狀態(tài)向下流動，環(huán)隙區(qū)與導(dǎo)流筒區(qū)間的顆粒環(huán)流量和環(huán)流速度幾乎不受二者間的壓差控制，即環(huán)隙區(qū)與導(dǎo)流筒區(qū)間的顆粒環(huán)流量和環(huán)流速度幾乎不隨著導(dǎo)流筒區(qū)氣速的增加而變化。在該操作條件下，僅有導(dǎo)流筒區(qū)對床內(nèi)環(huán)流顆粒具有一定的汽提作用，而環(huán)隙區(qū)則幾乎對床內(nèi)環(huán)流顆粒沒有汽提作用。在環(huán)隙區(qū)氣速為0.07 m·s-1時，環(huán)隙區(qū)向?qū)Я魍矃^(qū)的竄氣量較小，環(huán)隙區(qū)顆粒處于流化床狀態(tài)，環(huán)隙區(qū)與導(dǎo)流筒區(qū)間的壓差是顆粒環(huán)流的主要推動力，二者間的壓差越大，顆粒的環(huán)流量和環(huán)流速度越大；二者間的壓差越小，則顆粒的環(huán)流量和環(huán)流速度越小。因此在環(huán)隙區(qū)氣速為0.07 m·s-1時，隨著導(dǎo)流筒區(qū)氣速的增加，環(huán)隙區(qū)與導(dǎo)流筒區(qū)間的壓差增加，顆粒環(huán)流的推動力增大，顆粒環(huán)流量和環(huán)流速度增加。并且在此操作條件下，導(dǎo)流筒區(qū)和環(huán)隙區(qū)均對床內(nèi)環(huán)流顆粒具有一定的汽提作用。

2.2汽提風(fēng)對環(huán)流預(yù)汽提段顆粒速度分布的影響

前文研究表明，在沒有汽提風(fēng)的4種操作條件下，預(yù)汽提段的顆粒環(huán)流方式在環(huán)隙區(qū)氣速較低時為環(huán)隙區(qū)移動床控制的中心氣升式環(huán)流，在環(huán)隙區(qū)氣速較高時為環(huán)隙區(qū)與導(dǎo)流筒區(qū)壓差控制的中心氣升式環(huán)流。本節(jié)將重點考察下部汽提風(fēng)的引入對預(yù)汽提段顆粒環(huán)流方式和環(huán)流速度的影響規(guī)律。

2.2.1環(huán)隙區(qū)氣速的影響圖7為在汽提段氣速為0.13 m·s-1、導(dǎo)流筒區(qū)氣速分別為0.2 m·s-1和0.3 m·s-1時，環(huán)隙區(qū)氣速對導(dǎo)流筒區(qū)和環(huán)隙區(qū)顆粒速度分布的影響。

由圖7可以看出，在有汽提風(fēng)時，導(dǎo)流筒區(qū)顆粒速度在兩種導(dǎo)流筒區(qū)氣速下均隨著環(huán)隙區(qū)氣速的增加而明顯減少，這與無汽提風(fēng)時環(huán)隙區(qū)氣速對導(dǎo)流筒區(qū)顆粒速度的影響基本相同。但環(huán)隙區(qū)氣速對二者在速度徑向分布方面的影響存在一些差別，在兩種導(dǎo)流筒區(qū)氣速下，在無汽提風(fēng)時，隨著環(huán)隙區(qū)氣速的增加，導(dǎo)流筒區(qū)顆粒速度逐漸由邊壁低、中心高的陡峭分布轉(zhuǎn)變?yōu)橹行呐c邊壁相差較小的平緩分布，導(dǎo)流筒區(qū)顆粒速度的徑向梯度明顯降低；在有汽提風(fēng)時，導(dǎo)流筒區(qū)顆粒速度的徑向梯度隨環(huán)隙區(qū)氣速的變化很小，在兩種環(huán)隙區(qū)氣速下，導(dǎo)流筒區(qū)顆粒速度沿徑向均呈導(dǎo)流筒邊壁附近較低、下料管邊壁和中心區(qū)較高的不均勻分布。上述結(jié)果表明，在無汽提風(fēng)時，由環(huán)隙區(qū)竄氣至導(dǎo)流筒區(qū)的氣體主要由導(dǎo)流筒與下料管邊壁間的中心區(qū)（r/R=0.5附近）通過；在有汽提風(fēng)時，汽提風(fēng)及由環(huán)隙區(qū)竄氣至導(dǎo)流筒區(qū)的氣體則主要由中心區(qū)和下料管邊壁區(qū)（r/R=0.29～0.62）通過，導(dǎo)流筒區(qū)的氣體分布更加均勻，這有利于提高導(dǎo)流筒區(qū)顆粒的汽提效率。

此外，在有汽提風(fēng)時，隨著環(huán)隙區(qū)的增加，在導(dǎo)流筒區(qū)氣速較高時，導(dǎo)流筒區(qū)顆粒速度的降低幅度相對較??；在導(dǎo)流筒區(qū)氣速較低時，導(dǎo)流筒區(qū)顆粒速度的下降幅度相對較大，這與無汽提風(fēng)時的變化相同。

2.2.2導(dǎo)流筒區(qū)氣速的影響圖8為在汽提段氣速為0.13 m·s-1、環(huán)隙區(qū)氣速分別為0.03 m·s-1和0.07 m·s-1時，導(dǎo)流筒區(qū)氣速對導(dǎo)流筒區(qū)和環(huán)隙區(qū)顆粒速度分布的影響。

圖7　有汽提風(fēng)時不同環(huán)隙表觀氣速下顆粒的速度分布Fig.7　Velocity distribution of different annular gas velocity w ith stripper（ugs=0.13m·s-1）

由圖8可見，在有汽提風(fēng)時，導(dǎo)流筒區(qū)顆粒速度在兩種環(huán)隙區(qū)氣速下均隨著導(dǎo)流筒區(qū)氣速的增加而明顯增加，其中在r/R=0.29～0.62的徑向區(qū)域，導(dǎo)流筒區(qū)顆粒速度增加幅度較大，而在靠近導(dǎo)流筒邊壁的r/R=0.62～0.72的徑向區(qū)域，導(dǎo)流筒區(qū)顆粒速度幾乎沒有發(fā)生變化，這與沒有引入汽提風(fēng)時的導(dǎo)流筒區(qū)氣速對其顆粒速度的影響存在很大差別。同時因顆粒速度在導(dǎo)流筒不同徑向區(qū)域增加的幅度不同，導(dǎo)致在有汽提風(fēng)時，導(dǎo)流筒區(qū)氣速為0.2 m·s-1時的顆粒速度徑向梯度較小、分布比較平緩，導(dǎo)流筒區(qū)氣速為0.3 m·s-1時的顆粒速度徑向梯度較大、分布比較陡峭；在無汽提風(fēng)時，兩種導(dǎo)流筒區(qū)氣速下的顆粒速度分布均比較陡峭、速度徑向梯度均較大。這說明在引入汽提風(fēng)后，進入導(dǎo)流筒區(qū)的汽提風(fēng)和預(yù)汽提風(fēng)主要由 r/R=0.29～0.62的徑向區(qū)域通過，而由 r/R=0.62～0.72徑向區(qū)域通過的很少。同時與無汽提風(fēng)時相比，在汽提風(fēng)引入后，導(dǎo)流筒區(qū)氣速對環(huán)隙區(qū)顆粒速度的影響也發(fā)生了一些變化。隨著導(dǎo)流筒區(qū)氣速的增加，環(huán)隙區(qū)徑向各點的顆粒向下運動速度均有所增加，說明汽提風(fēng)的引入導(dǎo)致進入環(huán)隙區(qū)的氣體量增加，進而改善了環(huán)隙區(qū)顆粒的流化性能，增加了環(huán)隙區(qū)顆粒的向下運動速度。

圖8　有汽提風(fēng)時不同導(dǎo)流筒氣速下顆粒的速度分布Fig.8　Velocity distribution of different draft tube gas velocity w ith stripper（ugs=0.13 m·s-1）

本文是在冷模裝置中進行實驗研究，但在實際工業(yè)應(yīng)用中，預(yù)汽提段溫度約在 500℃，溫度對顆粒速度的分布必然有一定的影響。但由于實驗條件的限制，目前對高溫時顆粒局部速度進行研究非常困難，已有的研究主要集中在根據(jù)床層壓降和壓力脈動來考察顆粒的臨界流化速度和流化質(zhì)量的變化規(guī)律。已有研究表明，在以空氣為流化介質(zhì)時，隨著床層溫度的升高，其密度將降低，而其黏度將增加［19］，導(dǎo)致本文采用的Geldart A類顆粒的臨界流化速度降低，氣泡分率增加，氣泡直徑變化很小。對于A類粒，Davidson等［20］得出氣泡上升速度的計算關(guān)系式為

式（7）說明，氣泡速度隨臨界流化速度的降低而增加。在氣固流化床中，床內(nèi)顆粒的運動主要由氣泡引起，氣泡速度越快、氣泡分率越大，則顆粒速度也相應(yīng)越大，同時由于床內(nèi)氣泡主要由床層中心區(qū)通過，而由邊壁附近流過的很少，因此，在其他條件相同時，隨著床層溫度的升高，預(yù)計r/R=0.39～0.62區(qū)域的顆粒速度有所增加，而其他區(qū)域顆粒速度的變化很小。

2.3環(huán)流預(yù)汽提段的顆粒停留時間分布

在提升管出口CSVQS系統(tǒng)中，環(huán)流預(yù)汽提段主要用于對提升管出口快分分離下來的催化劑顆粒進行高效、快速預(yù)汽提，減少夾帶進入汽提段的油氣，防止沉降器內(nèi)的結(jié)焦。提升管出口分離下來的催化劑顆粒在環(huán)流預(yù)汽提段的停留時間分布是影響其汽提性能的一個重要參數(shù)。目前，對氣固稀相流動系統(tǒng)顆粒停留時間分布的實驗研究主要采用顆粒示蹤方法［21］，而對于氣固密相流動系統(tǒng)，目前還沒有一種比較適合的方法對其顆粒停留時間分布進行實驗研究［22］。為此本文根據(jù)CSVQS系統(tǒng)預(yù)汽提段顆粒的環(huán)流特點，提出一種根據(jù)提升管顆粒循環(huán)量，環(huán)流預(yù)汽提段的顆粒濃度、速度及結(jié)構(gòu)尺寸等計算由提升管出口引入環(huán)流預(yù)汽提段的催化劑顆粒的平均停留時間分布的方法。

圖9為CSVQS系統(tǒng)的催化劑顆粒在環(huán)流預(yù)汽提段的流動結(jié)構(gòu)。提升管出口快分分離的催化劑顆粒由下料管引入導(dǎo)流筒中部區(qū)域后，向上流動進入環(huán)隙區(qū)頂部并向下流動進入環(huán)隙區(qū)底部，在環(huán)隙區(qū)底部，一部分催化劑顆粒流出預(yù)汽提段進入其下部的汽提段，另一部分催化劑顆粒則環(huán)流回導(dǎo)流筒底部，在導(dǎo)流筒底部向上流動并與由導(dǎo)流筒區(qū)中部引入的催化劑顆粒匯合后，再繼續(xù)向上流動進入環(huán)隙區(qū)頂部。由此實現(xiàn)催化劑顆粒在預(yù)汽提段的連續(xù)環(huán)流流動，完成對由提升管出口引入導(dǎo)流筒區(qū)中部的催化劑顆粒的預(yù)汽提。

圖9　CSVQS環(huán)流預(yù)汽提段結(jié)構(gòu)Fig.9　Structure of pre-stripping section on CSVQS

圖中Gs為由提升管出口引入導(dǎo)流筒區(qū)中部的催化劑顆粒量，即提升管中的顆粒循環(huán)量，Gs1為環(huán)隙區(qū)向下流動的顆粒量，Gs2為導(dǎo)流筒下部向上流動的顆粒量，Gs3為導(dǎo)流筒上部向上流動的顆粒量。在穩(wěn)定環(huán)流時，單位時間引入導(dǎo)流筒區(qū)中部的催化劑顆粒量與由環(huán)隙區(qū)底部流出的催化劑顆粒量相等。因此，由環(huán)隙區(qū)底部輸出的催化劑顆粒量Gs在預(yù)汽提段催化劑顆?？偔h(huán)流量Gs1中所占的比例為Gs/Gs1=λ。則由下料管引入導(dǎo)流筒區(qū)中部的催化劑顆粒Gs在第1次環(huán)流時便由環(huán)隙區(qū)底部流出環(huán)流床的催化劑顆粒量為λGs，其平均停留時間t1為

未排出環(huán)流床而由環(huán)隙區(qū)底部環(huán)流回導(dǎo)流筒區(qū)繼續(xù)進行第2次環(huán)流的剩余催化劑顆粒量為Gs（1-λ），第2次環(huán)流后由環(huán)隙區(qū)底部排出環(huán)流床的催化劑顆粒量為Gs（1-λ）λ，這部分催化劑顆粒在環(huán)流床的平均停留時間t2為

同理未排出環(huán)流床而由環(huán)隙區(qū)底部環(huán)流回導(dǎo)流筒區(qū)繼續(xù)進行第3次環(huán)流的剩余催化劑顆粒量為Gs（1-λ） -Gs（1-λ）λ=Gs（1-λ）2，第3次環(huán)流后由環(huán)隙區(qū)底部排出環(huán)流床的催化劑顆粒量為Gs（1-λ）2λ，其平均停留時間t3為

以此類推，則由環(huán)隙區(qū)底部環(huán)流回導(dǎo)流筒區(qū)繼續(xù)進行第n次環(huán)流的剩余催化劑顆粒量為Gs（1-λ）n-1，第n次環(huán)流后由環(huán)隙區(qū)底部排出環(huán)流床的催化劑顆粒量為Gs（1-λ）n-1λ，其平均停留時間tn為

重復(fù)上述計算過程，直至第n+1次由環(huán)隙區(qū)底部環(huán)流回導(dǎo)流筒區(qū)的剩余催化劑顆粒量Gs（1-λ）n接近于0或由環(huán)隙區(qū)底部累計流出的催化劑顆粒量接近Gs時為止。

定義ψ為在某一平均停留時間下，所對應(yīng)的催化劑顆粒量與在提升管顆粒循環(huán)量 Gs中所占的百分比。計算時，環(huán)隙區(qū)顆粒速度向下為正，導(dǎo)流筒區(qū)顆粒速度向上為正。通過上述計算，可獲得由下料管引入導(dǎo)流筒區(qū)進行環(huán)流流動的催化劑顆粒的平均停留時間分布。

圖10　環(huán)隙氣速對顆粒平均停留時間分布的影響Fig.10　Influence of gas velocity in annulus on distribution of average residence time （Gs=150 kg·m-2·s-1， ugs=0.13 m·s-1，ugd=0. 3 m·s-1）

圖10為在汽提段氣速為0.13 m·s-1，導(dǎo)流筒氣速為 0.3 m·s-1，提升管顆粒循環(huán)強度為 150 kg·m-2·s-1時，環(huán)隙表觀氣速對催化劑顆粒在環(huán)流預(yù)汽提段的平均停留時間分布影響。圖中，橫坐標(biāo)為顆粒平均停留時間，縱坐標(biāo)為該平均停留時間下的催化劑顆粒量在提升管顆粒循環(huán)量 Gs中所占的百分比ψ。由圖10可見，在其他操作條件相同時，隨著環(huán)隙氣速的增加，環(huán)流預(yù)汽提段的顆粒平均停留時間分布范圍逐漸擴大，其中在環(huán)隙氣速為0.03 m·s-1時，顆粒平均停留時間分布較窄，對應(yīng)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低；環(huán)隙氣速為0.07m·s-1時，顆粒平均停留時間分布逐漸加寬，對應(yīng)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高。

圖11為在汽提段氣速為0.13 m·s-1，環(huán)隙氣速為 0.07 m·s-1，提升管顆粒循環(huán)強度為 150 kg·m-2·s-1時，導(dǎo)流筒氣速對催化劑顆粒在環(huán)流預(yù)汽提段的平均停留時間分布影響。由圖11可見，在其他操作條件相同時，隨著導(dǎo)流筒氣速的增加，環(huán)流預(yù)汽提段的顆粒平均停留時間分布范圍變窄，其中在導(dǎo)流筒氣速為0.2 m·s-1時，顆粒平均停留時間分布較寬，對應(yīng)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高；其中在導(dǎo)流筒氣速為0.3 m·s-1時，顆粒平均停留時間分布較窄，對應(yīng)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低。

圖11　導(dǎo)流筒氣速對顆粒平均停留時間分布的影響Fig.11　Influence of gas velocity in draft tube on distribution of average residence time （Gs=150 kg·m-2·s-1， ugs=0.13 m·s-1，ugr=0. 07 m·s-1）

圖12為汽提氣速為0.13 m·s-1，導(dǎo)流筒氣速為0.3 m·s-1，環(huán)隙氣速為0.07 m·s-1時，提升管顆粒循環(huán)強度對催化劑顆粒在環(huán)流預(yù)汽提段平均停留時間分布的影響。由圖12可見，隨著顆粒循環(huán)強度的增加，顆粒平均停留時間分布變窄；當(dāng)顆粒平均停留時間小于60 s時，隨著顆粒循環(huán)強度的增加，對應(yīng)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也在增加；當(dāng)顆粒平均停留時間大于60 s后，隨著顆粒循環(huán)強度的增加，對應(yīng)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減小。

圖12　顆粒循環(huán)強度對顆粒平均停留時間分布的影響Fig.12　Influence of cyclic strength on distribution of average residence time （ugs=0.13 m·s-1， ugd=0. 3 m·s-1，ugr=0. 07 m·s-1）

本文所提出的計算方法，是基于統(tǒng)計理論的基礎(chǔ)上，用于考察顆粒在預(yù)汽提段的平均停留時間分布。

3　結(jié)　論

（1）該實驗所有測量條件下，預(yù)汽提段的環(huán)流方式均為中心氣升式，由汽提段流出的氣體大部分進入導(dǎo)流筒區(qū)域，即汽提段的存在與增加導(dǎo)流筒表觀氣速對預(yù)汽提段顆粒速度的改變所產(chǎn)生的影響相似。

（2）導(dǎo)流筒表觀氣速一定時，在無汽提風(fēng)時，導(dǎo)流筒區(qū)顆粒速度隨環(huán)隙區(qū)氣速的增加沿徑向由陡峭分布轉(zhuǎn)變?yōu)槠骄彿植迹辉谟衅犸L(fēng)時，導(dǎo)流筒區(qū)顆粒速度徑向分布隨環(huán)隙區(qū)氣速的變化很小。

（3）環(huán)隙表觀氣速一定時，在有汽提風(fēng)時，導(dǎo)流筒區(qū)顆粒速度隨其氣速的增加由平緩分布轉(zhuǎn)變?yōu)槎盖头植迹辉跓o汽提風(fēng)時，兩種導(dǎo)流筒區(qū)氣速下的顆粒速度徑向分布均比較陡峭。

（4）與導(dǎo)流筒區(qū)相比，環(huán)隙區(qū)顆粒速度徑向分布幾乎不隨操作條件的不同而變化。

（5）隨著導(dǎo)流筒氣速的增加或環(huán)隙氣速的降低，顆粒平均停留時間分布變窄，質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低；隨著顆粒循環(huán)強度的增加，顆粒平均停留時間分布變窄；質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化與平均停留時間分布的大小有關(guān)。

符號說明

A——床層截面積，mm2

Ai——測點所在位置截面積，mm2

Cd，i， Cu，i——分別為向下、向上運動顆粒瞬時濃度，

kg·m-3

Cm——顆粒時均濃度，kg·m-3

Db——氣泡直徑，mm

Gs——循環(huán)強度，kg·（m2·s）-1

g——重力加速度，m·s-2

Hd——導(dǎo)流筒高度，m

Nu， Nd——分別為向上、向下運動顆粒微元體數(shù)量

R ——反應(yīng)器內(nèi)徑，mm

RXY——互相關(guān)函數(shù)

r——徑向測點位置直徑，mm

T ——接收信號的時間段，s

Ub——氣泡速度，m·s-1

Ud， Uu——分別為顆粒下行、上行運動速度，m·s-1

Ud i， Uu i——分別為向下、向上運動顆粒瞬時速度，

m·s-1

Ug——操作氣速，m·s-1

Um——顆粒時均速度，m·s-1

Um f——臨界流化速度，m·s-1

ugd——導(dǎo)流筒表觀氣速，m·s-1

ugr——環(huán)隙表觀氣速，m·s-1

ugs——汽提氣速，m·s-1

Vi——運動顆粒電壓，V

ε ——截面平均固含率

εi——測點固含率

τ ——延遲時間，s

ψ ——某平均停留時間下催化劑顆粒量在提升管顆粒循環(huán)量中所占百分比

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Particle velocity and residence time distributions in pre-stripper section of circulating stripping vortex quick separator system

ZHAO Aihong， E Chenglin， WANG Fen fen， LU Chunxi
（State Key Laboratory of Heavy Oil Processing， China University of Petroleum， Beijing 102249， China）

Particle velocity distributions were investigated in draft tube and annulus region of a φ600 mm CSVQS cold-state setup under conditions of gas velocities at 0.2 and 0.3 m·s-1in the draft tube， at 0.03 and 0.07 m·s-1in the annulus region and 0 and 0.13 m·s-1in the stripper. Mean residence time distribution of particles in the pre-tripper section was also calculated by the method proposed here. Experimental results demonstrated that gas flowed as center-airlifting circulation in the pre-stripper section and most of the gas went into the draft tube under the above-stated operating conditions. Under constant gas velocity in the draft tube and increased gas velocity in the annulus region， the radial velocity distribution of particles changed from steep to smooth w ithout stripper w ind whereas that distribution changed slightly w ith stripper w ind. Under the same gas velocity in the annulus region and increased velocity in the draft tube， the radial velocity distribution of particles changed from smooth to steep w ithout stripper w ind whereas distribution remained quite steep w ith stripper w ind under the two different velocities in the draft tube. Compared to that in the draft tube， the radial velocity distribution of particles in annulus region kept almost no change w ith varied operating conditions. When the gas velocity was increased in the draft tube or was decreased in the annulus section， the average residence time distribution of particles wasnarrowed and the mass fraction of particles was decreased. When the circulation strength of particles in the pre-stripper section was increased， the average residence time distribution of particles was narrowed but the mass fraction of particles was changed irregularly.

riser； air-lift loop pre-stripper； particle velocity； residence time distribution； optical fiber probe；particle

date: 2016-03-30.

E Chenglin，ecl510@126.com

supported by the National Basic Research Program of China （2012CB215000）.

TQ 051.1

A

0438—1157（2016）08—3276—11

10.11949/j.issn.0438-1157.20160374

2016-03-30收到初稿，2016-06-20收到修改稿。

聯(lián)系人：鄂承林。第一作者：趙愛紅（1991—），女，碩士研究生。

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目（2012CB215000）。