預(yù)提升氣對循環(huán)流態(tài)化氣力輸送的影響

蘇魯書，劉丙超，朱晴晴，劉 璐，李春義

（中國石油大學(xué)（華東） 重質(zhì)油國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266580）

預(yù)提升氣對循環(huán)流態(tài)化氣力輸送的影響

蘇魯書，劉丙超，朱晴晴，劉 璐，李春義

（中國石油大學(xué)（華東） 重質(zhì)油國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266580）

在循環(huán)流化床冷態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)裝置上，對預(yù)提升氣在氣力輸送過程中的作用進(jìn)行了研究，詳細(xì)分析了氣力輸送中的壓力平衡，考察了底部氣體返混及操作流型對顆粒循環(huán)速率的影響，同時(shí)描繪了提升管預(yù)提升段內(nèi)微觀氣固流動(dòng)結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提升管底部通入預(yù)提升氣可避免顆粒在床層底部的積累，增大顆粒向前輸送的推動(dòng)力，從而提高系統(tǒng)循環(huán)量。其中，噴嘴進(jìn)料氣體積流量的增加將加劇氣體返混，底部氣體內(nèi)循環(huán)和局部渦流導(dǎo)致氣流夾帶增多，顆粒循環(huán)速率逐漸提高，一定程度上可削弱預(yù)提升氣對循環(huán)量的影響；隨預(yù)提升氣體積流量的增加，底部氣固流動(dòng)結(jié)構(gòu)由密相流態(tài)化為主向氣力輸送為主轉(zhuǎn)變，瞬時(shí)顆粒濃度信號波動(dòng)減弱，顆粒濃度顯著降低。概率密度分析結(jié)果表明，預(yù)提升氣體積流量的增大致使預(yù)提升段內(nèi)氣固兩相分布相對更均勻，有利于氣固相的混合及接觸。

預(yù)提升氣；氣力輸送；返混；操作流型；顆粒循環(huán)速率

近年來，石化行業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的核心任務(wù)是由生產(chǎn)初級汽柴油向發(fā)展高附加值高端化工產(chǎn)品方向轉(zhuǎn)變，催化裂化與化工生產(chǎn)聯(lián)系日益密切［1-2］。利用重油催化裂化/裂解增產(chǎn)低碳烯技術(shù)越來越受到人們重視，國內(nèi)外相繼開發(fā)出系列新型工藝，如常壓渣油多產(chǎn)液化氣和汽油工藝（ARGG）［3］、多產(chǎn)異構(gòu)烷烴和烯烴的清潔汽油工藝（MIP-CGP）［4］、兩段提升管催化裂解多產(chǎn)丙烯（TMP）工藝［5］等，預(yù)示著催化裂化在生產(chǎn)高附加值烯烴方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

由于具有處理能力強(qiáng)、熱質(zhì)傳遞效率高、操作靈活等優(yōu)點(diǎn)［6］，循環(huán)流化床反應(yīng)器廣泛應(yīng)用于石油化工及其相關(guān)領(lǐng)域。但當(dāng)前大量文獻(xiàn)集中于對提升管進(jìn)料段內(nèi)氣固流動(dòng)行為［7-8］的研究，而對產(chǎn)品分布及品質(zhì)有重要影響的氣力輸送則鮮有報(bào)道。固體經(jīng)斜管進(jìn)入提升管底部與預(yù)提升氣混合上行，底部氣固接觸混合程度、傳質(zhì)傳熱性能以及系統(tǒng)顆粒循環(huán)速率大小取決于預(yù)提升氣對顆粒的提升效果，進(jìn)而影響整個(gè)氣力輸送進(jìn)程。另外，對于TMP等新型工藝而言，為滿足反應(yīng)產(chǎn)率及熱平衡的要求，提升管內(nèi)不僅需要良好的流動(dòng)結(jié)構(gòu)分布，而且對底部提升效果提出了更高的要求［9］。

本工作在循環(huán)流化床冷態(tài)模擬裝置上詳細(xì)研究了預(yù)提升氣對提升管中氣力輸送的影響，從而為反應(yīng)器模擬和設(shè)計(jì)、催化反應(yīng)控制及操作條件優(yōu)化提供基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及操作流程

循環(huán)流化床冷態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)裝置見圖1。該裝置主要由提升管、伴床、測量筒、氣固分離設(shè)備、顆粒濃度信號采集及分析系統(tǒng)、空壓機(jī)、三通切換閥、氣體流量計(jì)以及相應(yīng)的連接管路等部分構(gòu)成。其中提升管總高10.61 m，是由內(nèi)徑100 mm、厚度10 mm的有機(jī)玻璃管組合而成。采用多層進(jìn)氣的方式（底部盤管型氣體分布器、預(yù)提升段底部的立管以及輸送段底部4個(gè)對稱布置的噴嘴）將氣體注入提升管內(nèi)。

圖1 循環(huán)流化床冷態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the circulating fluidized bed system.

1.2 實(shí)驗(yàn)介質(zhì)

采用常溫空氣作為流化介質(zhì)，催化裂化平衡劑為固體顆粒。壓縮空氣經(jīng)穩(wěn)壓閥控制在0.19 MPa，通過3處進(jìn)氣口分別引入提升管。固體顆粒密度1 500 kg/m3，堆積密度937 kg/m3，平均粒徑76.36 μm。

1.3 測量設(shè)備及方法

實(shí)驗(yàn)過程中通過轉(zhuǎn)子流量計(jì)測量注入提升管內(nèi)的氣體體積流量。考慮到壓縮機(jī)提供的氣體偏離標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，實(shí)際流量應(yīng)采用式（1）校正。

本工作中的表觀氣速均由預(yù)流化氣、預(yù)提升氣和噴嘴進(jìn)料氣3部分氣速組成，計(jì)算式見式（2）。

顆粒循環(huán)速率采用切換法測量，即通過切換伴床頂部的三通換向閥至測量筒，記錄一定時(shí)間（10 s）內(nèi)催化劑在測量筒內(nèi)積累的體積，按照式（3）進(jìn)行計(jì)算。

局部顆粒濃度（εs）的測定采用中國科學(xué)院過程工程研究所研制的PC6D型顆粒濃度測量儀，具體測量原理及方法見文獻(xiàn)［10-11］。截面平均顆粒濃度指除中心點(diǎn)以外10個(gè)徑向位置εs的平均值，按式（4）進(jìn)行計(jì)算。

2 結(jié)果與討論

2.1 氣力輸送的壓降分析

實(shí)際應(yīng)用中，提升管主要用作催化裂化反應(yīng)器，而伴床作為催化劑再生器。為了實(shí)現(xiàn)催化劑在兩器之間的大量循環(huán)，工業(yè)裝置中通常采用密相輸送的方法。此時(shí)氣固混合物在斜管內(nèi)可以像流體一樣自由流動(dòng)，如圖2所示。

圖2 氣固混合物流動(dòng)壓力平衡Fig.2 Pressure balance of gas-solid mixture flow.

由于松動(dòng)氣含量較少且氣體速度和動(dòng)能變化不大，在上述前提下，流動(dòng)壓降可以用靜壓頭、固體顆粒的動(dòng)能和混合物與管壁及蝶閥間的摩擦阻力之和來表示，在斜管之間基于能量平衡得出式（5）。

氣固混合物的平均密度見式（6）。

當(dāng)Gs/Gg＞＞1，且εs≈1時(shí)，則有ρ≌ρs。

固體顆粒的動(dòng)能見式（9）。

流經(jīng)管路的摩擦阻力降由氣體和固體兩項(xiàng)組成，見式（10）。

其中，流體摩擦系數(shù)是管的Ret的函數(shù)，由式（11）或（12）進(jìn)行計(jì)算。

固體摩擦系數(shù)由式（14）求得［12］。

將式（11）和式（14）代入式（10），可得關(guān)聯(lián)式（15）。

由于常溫下μ= 17.9×10-6Pa·s，ρg= 1.29 kg/ m3，且通入的松動(dòng)氣量較小，則式（15）可化簡為式（16）。

流體流經(jīng)蝶閥產(chǎn)生的壓降采用局部損失系數(shù)和氣固混合物的平均密度來計(jì)算，見式（17）。

式中，ξ值取決于蝶閥本身的結(jié)構(gòu)及形狀特點(diǎn)。

合并式（5），（9），（16），（17），可以得到催化劑流動(dòng)推動(dòng)力和顆粒速度的關(guān)聯(lián)式，見式（18）。

由式（18）可看出，流動(dòng)推動(dòng)力是顆粒速度的單調(diào)函數(shù)，且與顆粒速度呈正相關(guān)。

2.2 預(yù)提升氣對氣力輸送的影響

提升管內(nèi)固體顆?？朔亓澳Σ亮ο蛏线\(yùn)動(dòng)的能量均來源于氣體［13］，而系統(tǒng)顆粒貯量主要提供顆粒流動(dòng)的初始壓降，可通過伴床靜床高度來衡量。為了研究預(yù)提升氣在氣力輸送中的作用，實(shí)驗(yàn)考察了表觀氣速為11.51 m/s（預(yù)提升氣體積流量（Vp）為0，10，20，30，35 m3/h，對應(yīng)噴嘴進(jìn)料氣體積流量（Vn）為175，165，155，145，140 m3/h）時(shí)，不同伴床靜床高度下顆粒循環(huán)速率隨Vp的變化，結(jié)果見圖3。

圖3 Vp對顆粒循環(huán)速率的影響Fig.3 Effect of pre-lifting gas volume flow rate on the solids circulation rate.

由圖3可見，在表觀氣速一定的條件下，顆粒循環(huán)速率并未因Vn的減少而降低，而底部通入預(yù)提升氣可以顯著提高顆粒循環(huán)速率。隨伴床靜床高度的增加，顆粒循環(huán)速率逐漸增大。根據(jù)2.1節(jié)對管路中氣固流動(dòng)的壓降分析，氣力輸送過程中推動(dòng)力消耗與顆粒速度呈正相關(guān)，底部通入預(yù)提升氣可以避免顆粒在床層底部的積累，流動(dòng)推動(dòng)力增大，從而使得系統(tǒng)循環(huán)量明顯提高。由圖3還可見，在較低的Vp下顆粒循環(huán)速率變化趨勢較為平緩，隨著Vp的增大顆粒循環(huán)速率增幅明顯。該現(xiàn)象一方面可歸因于氣體返混；另一方面，可能是由于預(yù)提升段內(nèi)Vp較高，底部由氣固濃相懸浮流態(tài)化向氣力輸送轉(zhuǎn)變，預(yù)提升氣可以將充足的催化劑提升至噴嘴處，噴嘴不再暴露在自由空域中而是完全浸沒于密相之中。

2.3 氣體返混對顆粒循環(huán)速率的影響

2.3.1 Vn對顆粒循環(huán)速率的影響

為進(jìn)一步分析氣體返混對循環(huán)量的影響，在提升管底部僅通入少量預(yù)流化氣維持噴嘴位置以下處于鼓泡床流化狀態(tài)，考察了多個(gè)伴床靜床高度上Vn對顆粒循環(huán)速率的影響，結(jié)果見圖4。由圖4可見，增加Vn在一定程度上有助于提高顆粒循環(huán)速率。由于高速氣體射流經(jīng)4個(gè)對稱布置的噴嘴注入提升管，劇烈的沖擊作用會(huì)迫使部分氣體向下流動(dòng)，由于流體與顆粒及邊壁間的相互作用，氣體到達(dá)床層底部時(shí)會(huì)迅速翻轉(zhuǎn)向上，從而形成循環(huán)流動(dòng)。氣體循環(huán)會(huì)導(dǎo)致顆粒夾帶增加，底部顆粒不斷被帶出。同時(shí)，局部形成的渦流可以強(qiáng)化氣固接觸及混合，提高兩相湍動(dòng)程度。另外，當(dāng)伴床靜床高度為460 cm時(shí)，氣體返混對顆粒循環(huán)速率的影響較大，一定程度上可削弱預(yù)提升氣減少對顆粒循環(huán)速率的影響，這與圖3反映的變化趨勢一致，驗(yàn)證了氣體返混現(xiàn)象。

圖4 Vn對顆粒循環(huán)速率的影響Fig.4 Effect ofVnon the solids circulation rate.

2.3.2 提升管底部氣固流動(dòng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)提升管氣固流動(dòng)特性和多層進(jìn)氣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，不同Vn下預(yù)提升段內(nèi)微觀氣固流動(dòng)結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 提升段內(nèi)微觀氣固流動(dòng)結(jié)構(gòu)Fig.5 Schematic diagram of gas-solid micro-flow structure in the pre-lifting section of the riser.

由圖5a可見，當(dāng)Vn為0時(shí)，采用預(yù)提升和預(yù)流化雙層進(jìn)氣形式，氣固流動(dòng)明顯不均勻，氣體由兩側(cè)流向中心區(qū)域，而大部分固體顆粒聚集于邊壁區(qū)，呈現(xiàn)典型的環(huán)-核［14］流動(dòng)結(jié)構(gòu)。由圖5b可見，當(dāng)進(jìn)料氣由噴嘴注入提升管時(shí)，劇烈的沖擊作用會(huì)致使部分氣體顯現(xiàn)出較強(qiáng)的向下流動(dòng)傾向，當(dāng)達(dá)到床層底部時(shí)，這股氣流則翻轉(zhuǎn)向上運(yùn)動(dòng)，從而形成漩渦流，將下部顆粒不斷帶到床層上部。由圖5c可見，采取高Vn時(shí)，氣體向下躥動(dòng)增多，在原有氣體內(nèi)循環(huán)的基礎(chǔ)上形成局部渦流，固體顆粒循環(huán)的更加強(qiáng)勁猛烈，顆粒不斷被卷入氣流中，同時(shí)有利于緩解氣固分離。由此可見，Vn的上升增加了氣體返混的傾向，質(zhì)動(dòng)傳遞速度加快，氣流夾帶增多，從而導(dǎo)致循環(huán)倍率增加。

2.4 預(yù)提升段流型對顆粒循環(huán)速率的影響

2.4.1 顆粒濃度軸徑向分布

顆粒濃度是研究循環(huán)流化床提升管內(nèi)氣固流動(dòng)行為的重要方面［15］。因此，考察了雙層進(jìn)氣（預(yù)提升+預(yù)流化）結(jié)構(gòu)下操作條件對預(yù)提升段內(nèi)截面平均顆粒濃度軸向分布的影響，結(jié)果見圖6。由圖6可見，不同操作條件下沿軸向均呈逐漸減小的趨勢；Vp較低時(shí)，預(yù)提升段內(nèi)總體上處于比較高的狀態(tài)，不同伴床靜床高度上εs分別為0.23～0.39和0.33～0.41；Vp增至35 m3/h時(shí)，明顯降低，不同伴床靜床高度上分別為0.19～0.28和0.31～0.36；在低料位（伴床靜床高度為230 cm）下受Vp改變的影響更為明顯，底部最大值從0.39降為0.28。這是由于在較高Vp下，預(yù)提升段內(nèi)氣速增加的速度大于伴床向提升管的供料速率，致使流型由密相流態(tài)化向氣力輸送方向轉(zhuǎn)變，固體顆粒更新速度加快，顆粒濃度隨之降低。

圖6 底部εs軸向分布Fig.6 Axial distribution of solids concentration in the bottom section of the riser.

提升管雙層進(jìn)氣結(jié)構(gòu)下底部不同軸向位置（z= 0.60，1.25，1.75 m）局部顆粒濃度徑向分布情況見圖7。由圖7可見，伴床靜床高度一定時(shí)，隨Vp的增加，預(yù)提升段不同高度截面各徑向位置均顯著降低，且在預(yù)提升段中下部Vp的大小對εs的影響更為明顯，進(jìn)一步預(yù)示著底部顆粒速度的增加以及流動(dòng)形態(tài)的轉(zhuǎn)變；在Vp一定時(shí)，隨伴床靜床高度的增加，各徑向位置εs均增大，且邊壁區(qū)εs增加的速率要高于中心區(qū)，εs沿軸向分布相對更均勻。

圖7 不同軸向高度εs的徑向分布Fig.7 Radial distributions of solids concentration at different axial positions in the bottom section of the riser.

2.4.2 瞬時(shí)εs信號分析

為進(jìn)一步研究預(yù)提升氣對氣固微觀流動(dòng)行為的影響，分析了在伴床靜床高度為230 cm以及軸向高度z= 1.00 m處瞬時(shí)εs信號波動(dòng)情況，結(jié)果見圖8。由圖8可見，Vp=20 m3/h時(shí)預(yù)提升段內(nèi)瞬時(shí)εs信號整體水平高于Vp=35 m3/h時(shí)的，這與εs徑向分布情況一致，并且在過渡區(qū)（r/R= 0.59）瞬時(shí)εs信號波動(dòng)幅度更大，頻率也更高，呈現(xiàn)出類似湍動(dòng)流化特征。

2.4.3 瞬時(shí)εs概率密度分析

為了更為直接地反映預(yù)提升段內(nèi)氣固相結(jié)構(gòu)及接觸情況，對圖8中瞬時(shí)εs信號進(jìn)行概率密度分析，得到瞬時(shí)εs信號概率密度分布曲線，結(jié)果見圖9。

圖8 軸向高度z= 1.00 m處瞬時(shí)εs信號波動(dòng)Fig.8 Transient fluctuation of solids concentration signals at the bottom positionz=1.00 m of the riser.

圖9 軸向高度z=1.00 m處瞬時(shí)εs信號概率密度分布Fig.9 Probability density distribution of transient solids concentration signals at the bottom positionz=1.00 m of the riser.

由圖9可見，兩種情況下的概率密度分布曲線在中心區(qū)（r/R=0）均呈現(xiàn)高強(qiáng)度的稀相峰和低強(qiáng)度的濃相峰，但更多的預(yù)提升氣會(huì)導(dǎo)致濃相峰更低，分布更寬，相應(yīng)地降低稀相峰的峰值，說明有更多的顆粒進(jìn)入氣體；雖然過渡區(qū)（r/R=0.59）稀濃雙峰的區(qū)別減弱，但Vp較高時(shí)的稀相峰更為明顯，曲線較為平坦，氣固相分布相對更加均勻；由于顆粒壁面效應(yīng)的存在，兩種情況下的概率密度分布曲線在邊壁區(qū)（r/R=0.87）發(fā)展為單一濃相峰，但高Vp時(shí)的濃相峰出現(xiàn)較早，濃度明顯降低，說明有更多的氣體進(jìn)入邊壁區(qū)，氣固相分離現(xiàn)象得以有效抑制。

3 結(jié)論

1）預(yù)提升氣作為系統(tǒng)內(nèi)催化劑向前輸送的中間推動(dòng)力，可加快兩相流發(fā)展過程，有助于提高系統(tǒng)內(nèi)顆粒循環(huán)速率，在整個(gè)氣力輸送過程中發(fā)揮重要作用。預(yù)提升段內(nèi)氣體返混程度以及氣固流動(dòng)形態(tài)是影響系統(tǒng)循環(huán)量的重要因素。

2）氣體經(jīng)4個(gè)對稱布置的噴嘴注入提升管，強(qiáng)烈的射流效應(yīng)引起氣體分流，氣體下行流動(dòng)傾向增加，內(nèi)循環(huán)和局部渦流使得顆粒不斷被卷入氣流向上運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致循環(huán)量的提高。另外，隨著系統(tǒng)顆粒貯量的增加，底部氣體返混對循環(huán)量的影響愈加明顯。

3）采用雙層進(jìn)氣結(jié)構(gòu)，在顆粒貯量相同的情況下，隨Vp的增大，預(yù)提升段內(nèi)εs逐漸降低，瞬時(shí)信號波動(dòng)減弱，表現(xiàn)出明顯的氣力輸送特征；概率密度分析結(jié)果表明，增大Vp可以強(qiáng)化兩相間相互作用，氣固混合更充分，接觸更好。

符 號 說 明

dt管路直徑，m

ΔE固體顆粒的動(dòng)能，kg/（m·s2）

fg流體的摩擦系數(shù)

fs固體顆粒的摩擦系數(shù)

Gg氣體的質(zhì)量流率，kg/（m2·s）

Gs顆粒循環(huán)速率，kg/（m2·s）

g重力加速度，m/s2

L伴床靜床高度，cm

l斜管長度，m

p操作壓力，Pa

p0標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的壓力，101.325 kPa

p1，p2斜管上1，2兩點(diǎn)間的壓力，Pa

Δpfg流體摩擦阻力降，Pa

Δpfs固體顆粒摩擦阻力降，Pa

ΔpfT流經(jīng)管路的摩擦阻力降，Pa

Δpfv流經(jīng)蝶閥的阻力損失，Pa

Q實(shí)際體積流量，m3/h

Q0轉(zhuǎn)子流量計(jì)示數(shù)，m3/h

R床層半徑，m

Ret基于管道直徑的雷諾數(shù)

r徑向坐標(biāo)，m

T操作溫度，K

T0標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的溫度，293.15 K

Δt時(shí)間范圍，10 s

Ug提升管內(nèi)表觀氣速，m/s

ug斜管內(nèi)氣體速度，m/s

us顆粒速度，m/s

u0斜管內(nèi)表觀氣速，m/s

Vb顆粒的堆積體積，m3

Vp預(yù)提升氣體積流量，m3/h

Vn噴嘴進(jìn)料氣體積流量，m3/h

z相對于提升管底座的高度，m

εs局部顆粒濃度

εs截面平均顆粒濃度

ξ局部損失系數(shù)

θ管道與水平線的夾角，°

μ常溫下流化氣體黏度，Pa·s

ρ氣固混合物的平均密度，kg/m3

ρb顆粒的堆積密度，kg/m3

ρg氣體的密度，kg/m3

ρs顆粒的密度，kg/m3

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（編輯 王 馨）

Influence of pre-lifting gas on circulating fluidized pneumatic transportation

Su Lushu，Liu Bingchao，Zhu Qingqing，Liu Lu，Li Chunyi
（State Key Laboratory of Heavy Oil，China University of Petroleum(East China)，Qingdao Shandong 266580，China）

The effect of pre-lifting gas in pneumatic transportation process was studied in a cold model experimental installation with circulating fluidized bed. Pressure balance in the pneumatic transportation was analyzed，the influences of gas back-mixing and gas-solid flow pattern at the bottom of the riser on solids circulation rate were investigated，and the f l ow structure inside the prelifting section was described. It was showed that，the injection of the pre-lifting gas into the riser was favorable to avoiding solids depositing on the bottom，pushing the solids upwards and increasing the solids circulation flux. Increasing the volume flow rate of nozzle-feeding gas at the inlet could intensify the gas back-mixing，the internal recycle and local vortex led to air entrainment increasing，so the solids circulation rate increased and the impacts of the pre-lifting gas on the solids f l ux reduced. With increasing the pre-lifting gas flow rate，the gas-solid flow regime in the bottom region was transformed from dense-phase fluidization to the pneumatic transportation，meanwhile，transient solids holdup f l uctuation weakened and solids concentration decreased significantly. The analysis of probability density distribution indicated that，increasing the pre-lifting gas flow-rate could lead to more uniform solids distribution，which was beneficial to gas-solid mixing.

pre-lifting gas；pneumatic transportation；back-mixing；f l ow regime；solids circulation rate

1000-8144（2017）05-0572-08

TQ 051

A

10.3969/j.issn.1000-8144.2017.05.009

2016-11-21；［修改稿日期］2017-02-27。

蘇魯書（1991—），男，山東省日照市人，碩士生，電話 18354219923，電郵 1551069382@qq.com。聯(lián)系人：李春義，電話13225324293，電郵 chyli@upc.edu.cn。