催化裂化再生器樹枝狀氣體分布器射流作用區(qū)的床層壓力脈動特性

石睿捷，馬 玲，王創(chuàng)博，嚴超宇

(中國石油大學(北京)重質油國家重點實驗室，北京 102249)

催化裂化裝置再生器的主風分布器多數(shù)采用樹枝狀結構的管式氣體分布器[1]。該類型分布器主要由主管、支管、分支管以及噴嘴4部分組成，如圖1所示。氣體進入主管后分流到4根支管內，再分流進入各分支管，最后由分支管上的噴嘴噴出。氣體分布器在再生器內起到均勻布氣、使床層催化劑顆粒保持良好的流化狀態(tài)，與空氣均勻接觸燒焦再生的作用。因此，氣體分布器的布氣性能對保證再生器內催化劑顆粒的活性恢復具有重要的意義。

圖1 樹枝狀氣體分布器結構示意

隨著對流化床結構及局部性能研究的深入，流化床已不再被看作渾然一體了。分布器射流作用區(qū)與床層主體有許多不同，如果床層中發(fā)生快速化學反應，則大部分反應在射流作用區(qū)完成，射流區(qū)域中的流動、傳熱、傳質及化學反應過程對整個床層至關重要。分布器是影響流化床氣固分布均勻性和運行穩(wěn)定性的重要構件，又是氣泡的發(fā)源地，所以對分布器射流作用區(qū)的流場研究越來越受到重視。噴嘴的射流不僅對氣體分布的均勻程度產生影響[2]，且其流場也是誘發(fā)分支管和噴嘴產生磨損的內在因素。計算分析[3-5]和實驗[6-14]結果表明影響分布器射流作用區(qū)流動特性的主要因素有：分布器結構、物料性質、噴嘴的出口氣速、直徑、傾角和位置等。已有大量文獻[15-25]對分布器射流作用區(qū)的流場特性進行了研究，但對分布器射流作用區(qū)的氣固兩相流的壓力脈動特性研究較少。壓力脈動特性是氣固兩相流動特性的重要參數(shù)，是物料流化特性的綜合反映和理解流體力學行為和氣泡動力學行為的重要參數(shù)[26]，也是反應器工藝設計中的重要環(huán)節(jié)。壓力信號包含著豐富的系統(tǒng)信息[27-28]，而且是流態(tài)化工業(yè)生產中最容易獲得也是最為準確的信號[29]。為此，本研究進行樹枝狀管式氣體分布器射流作用區(qū)壓力分布及壓力脈動特性的系統(tǒng)分析，以便為氣體分布器的改進和流化床穩(wěn)定操作提供參考。

1 實驗裝置及測量方法

1.1 實驗裝置

圖2 實驗裝置流程示意1—矩形床； 2—左側分支管； 3—左側噴嘴； 4—右側噴嘴； 5—右側分支管； 6—進氣管； 7—玻璃轉子流量計； 8—調節(jié)閥； 9—緩沖罐； 10—壓力表； 11—旁路閥； 12—風機

圖3 分支管和噴嘴在二維床內的安裝位置和測點位置

實驗裝置是由有機玻璃制成的透明矩形床(尺寸為960 mm×160 mm×1 010 mm，見圖2)。在矩形床下部安裝工業(yè)氣體分布器的分支管和噴嘴典型部分，由兩根分支管和兩個半圓柱型噴嘴構成，尺寸以某工業(yè)FCC裝置上分布器的分支管和噴嘴尺寸確定，見圖3和圖4，圖3中θ為噴射角度(射流噴出方向與豎直方向的夾角)。噴嘴相對錯列分別安裝在兩根分支管上，兩個噴嘴前后相錯距離為100 mm，左側噴嘴緊貼在矩形床的內壁，噴嘴的出口向下。分支管一端與床壁面采用法蘭連接，通過旋轉法蘭角度可以改變分支管上噴嘴的噴射角度。矩形床內裝有一定高度(600 mm)的催化劑顆粒(顆粒密度為1 561 kgm3，充氣密度為831 kgm3，堆密度為941.5 kgm3，平均粒徑為75 μm)，整個氣體分布器浸沒在催化劑床層內。

圖4 分支管和噴嘴的尺寸

床層和噴嘴壓力由動態(tài)壓力傳感器測量，壓力傳感器的量程為0～20 kPa，靈敏度為20 PamV，測得的壓力由壓力變送器轉換為1～5 V的標準電信號，用多功能數(shù)據(jù)采集板采樣，采樣頻率為1 000 Hz，采樣時間為60 s，床層壓力測點為箱體中部從下到上測點1，2，3，4，噴嘴射流壓力測點A在左側噴嘴出口位置，如圖3所示。

1.2 實驗參數(shù)與實驗方法

氣體由風機提供，經緩沖罐、分別沿兩管路流經調節(jié)閥和氣體轉子流量計計量后，進入氣體分布器的兩分支管，從兩分支管上的噴嘴噴出進入矩形床內，再從上方排氣口排出。

實驗中考察噴嘴噴射角度、噴嘴出口氣速變化和初始靜床高度對床層和噴嘴射流壓力脈動特性的影響。通過壓力傳感器測量測點1，2，3，4及測點A的壓力，即為不同床層高度的壓力值及噴嘴出口位置的壓力值，如圖3所示，1～4測點高度分別為330，390，445，515 mm。實驗采用的噴嘴噴射角度分別為：垂直向下噴(0°)，傾斜向下噴(22.5°，45.0°，67.5°)，實驗采用的噴嘴出口氣速范圍為30～70 ms，初始靜床高度分別為550，600，650 mm。

2 結果與討論

2.1 床層平均壓力分布規(guī)律

圖5 不同噴射角度下軸向壓力分布噴射角度：■—0°； ●—22.5°； ▲—45.0°；

圖6 不同噴嘴出口氣速下軸向壓力分布噴嘴出口氣速，ms：●—57.8； ▲—54.2； ◆—39.7；

圖7 不同初始靜床高度下軸向壓力分布初始凈床高度，mm：●—650； ■—600； ▲—550

2.2 床層壓力脈動標準偏差分析

式中：N為采樣數(shù)據(jù)個數(shù)；Sd表征壓力脈動強度[30]。

圖8為在初始靜床高度為600 mm、噴嘴氣速為39.7 ms時，不同噴射角度下床層壓力標準偏差沿床層軸向高度的變化曲線。圖9為在初始靜床高度為600 mm、噴射角度為45.0°時，不同噴嘴出口氣速下床層壓力標準偏差沿床層軸向高度的變化曲線。圖10為在噴射角度為45.0°、噴嘴出口氣速為46.9 ms時，不同初始靜床高度下床層壓力標準偏差沿床層軸向高度的變化曲線。

圖8 不同噴射角度下床層壓力脈動標準偏差沿軸向高度的變化噴射角度：■—0°； ●—22.5°； ▲—45.0°；

由圖8可以看出：當噴射角度為0°和22.5°時，壓力脈動先增大后減小，此時測點均處于床層密相區(qū)，流化床中密相區(qū)引起壓力脈動的主要原因是氣泡的生成、聚并以及最后的破碎[31]。隨床層軸向高度的上升，氣泡在上升過程中不斷聚并成大氣泡，壓力脈動逐漸增大，當氣泡接近床層上表面時開始破裂，又分解成小氣泡，壓力脈動逐漸減弱。本實驗床層高度較低，氣泡在上升聚并成大氣泡的過程中很快因為接近床層上表面而破裂，所以壓力脈動先增大后又略微減小。當噴射角度為45.0°和67.5°時，測點處于射流形成的稀相區(qū)，即分布器影響區(qū)，由于射流速度很大，分布器影響區(qū)中影響壓力脈動大小的主要因素是氣體射流所引起的氣體湍流強度[32]，而自由射流的湍流度非常大，可達到40%[33]，所以引起的壓力脈動高于床層密相區(qū)[32]。沿床層軸向高度向上，壓力脈動先增大又迅速減小，因為氣流通過兩個分支管間時，截面積先減小，過縫氣速增大，氣流湍流度增強，壓力脈動增大。氣流通過兩個分支管后截面積增大，所以氣流速度減小，湍流度減小，此處稀相區(qū)空間很大，且固體顆粒濃度較小，氣體為連續(xù)相，局部壓力的變化在較大的連續(xù)空間內得到緩沖，所以壓力脈動又迅速減小。

圖9 不同噴嘴出口氣速下床層壓力脈動標準偏差沿軸向高度的變化噴嘴出口氣速，ms：●—54.2； ▲—46.9； ◆—32.5

圖10 不同靜床高度下床層壓力脈動標準偏差沿軸向高度的變化初始凈床高度，mm：●—650； ■—600； ▲—550

由圖9可以看出，壓力脈動隨噴嘴出口氣速增大而增大。因為氣速越大，氣流湍流度越大，導致測點壓力脈動越大。由圖10可以看出，隨靜床高度增大，床層壓力脈動增大。因為靜床高度較大時，床層的靜壓較大，氣流受到床層的背壓較大，增大了氣流的湍流度，所以壓力脈動增大。

通過壓力脈動標準偏差變化趨勢的分析，可以判斷分支管間處于床層密相區(qū)還是射流形成的稀相空間。當處于密相區(qū)時，可以通過壓力脈動對氣泡行為進行識別；當射流形成稀相空間時，噴嘴射流可能出現(xiàn)直接沖擊到相鄰分支管及噴嘴的情況，而夾帶催化劑的高速射流是對分支管外壁造成沖蝕磨損的主要原因。工業(yè)上可以此為依據(jù)進行分布器的結構改進來減小磨損。

2.3 噴嘴射流壓力脈動標準偏差分析

圖11是在靜床高度為600 mm時，不同噴射角度下噴嘴射流壓力脈動標準偏差隨噴嘴出口氣速的變化曲線。由圖11可以看出：當噴嘴氣速小于50 ms時，壓力脈動從大到小的噴射角度依次是45.0°，67.5°，0°，22.5°，而當氣速增大至53 ms以上時，噴射角度為22.5°時的噴嘴射流脈動突然增至最大；噴射角度為0°，45.0°，67.5°時的噴嘴射流壓力脈動隨氣速增大變化較小。這是因為噴嘴射流壓力脈動大小主要取決于氣流的湍流度，氣流的湍流度受到右側噴嘴射流的沖擊和顆粒兩方面的影響。其中右側噴嘴射流的沖擊起主要作用，右側噴嘴射流對左側噴嘴出口位置的直接沖擊能夠使左側噴嘴射流的湍流度顯著增強，增大了壓力脈動；顆粒起次要作用，在噴嘴出口附近的區(qū)域內顆粒的存在會引起氣相速度的劇烈波動，速度梯度大幅增加，而速度梯度的增強則意味著氣體的剪切程度增強，導致氣相湍流度隨速度梯度增大而增強[34]。當氣速小于50 ms、噴射角度為45.0°和67.5°時，右側噴嘴射流可以沖擊到左側噴嘴射流，使射流壓力脈動顯著增強，而噴射角度為0°和22.5°時，右側噴嘴射流不能直接沖擊到左側噴嘴，所以噴射角度為45.0°和67.5°時的射流壓力脈動高于0°和22.5°時；而噴射角度越小，射流方向越接近于豎直向下，噴嘴射流受到顆粒的阻力越大，顆粒引起的氣相速度的波動越劇烈，更大地增強了射流的壓力脈動，所以噴射角度為45.0°時的壓力脈動高于67.5°時，同時噴射角度為0°時的壓力脈動高于22.5°時。相鄰噴嘴射流的沖擊起主要作用，顆粒起次要作用，所以壓力脈動從大到小的噴射角度為45.0°，67.5°，0°，22.5°。當噴嘴氣速增加至大于53 ms時，噴射角度為22.5°時的射流壓力脈動突然增至最大，這是因為在試驗氣速30～70 ms范圍內，噴射角度為0°時的右側噴嘴射流一直都不會直接沖擊到左側噴嘴出口位置，而噴射角度為45.0°和67.5°時的右側噴嘴射流一直可以對左側噴嘴出口位置產生沖擊，但噴射角度為22.5°時會產生一個臨界氣速，當氣速小于該臨界值時，右側噴嘴射流不能對左側噴嘴出口位置產生沖擊，當氣速大于該臨界值時，右側噴嘴射流就能夠對左側噴嘴出口位置產生沖擊，在受到右側噴嘴射流沖擊的情況下，噴射角度為22.5°時的噴嘴射流更接近豎直向下射流，受到顆粒的阻力大于45.0°和67.5°時，所以當氣速大于53 ms時，噴射角度為22.5°時的噴嘴射流壓力脈動最大，本實驗中測得的氣速臨界值即處于50～53 ms范圍內。

圖11 不同噴射角度下噴嘴射流壓力脈動標準偏差隨噴嘴氣速的變化噴射角度：■—0°； ●—22.5°； ▲—45.0°；

為了驗證右側噴嘴射流的沖擊，在噴射角度為22.5°時，對雙噴嘴射流和關閉右側噴嘴、只有左側噴嘴射流兩種工況下的壓力脈動進行了對比試驗，圖12是在靜床高度為600 mm、噴射角度為22.5°時，雙噴嘴射流和關閉右側噴嘴、只有左側噴嘴射流兩種工況的噴嘴射流壓力脈動標準偏差隨噴嘴出口氣速的變化曲線。由圖12可以看出，雙噴嘴射流時，當噴嘴出口氣速增大至53 ms以上時，噴嘴射流壓力脈動突然增大，而關閉右側噴嘴時，氣速增大至大于53 ms后，沒有出現(xiàn)壓力脈動標準偏差突然變大的情況。所以噴射角度為22.5°時存在一個臨界氣速，當氣速大于該臨界值時，右側噴嘴的射流會對左側射流產生影響。

圖12 噴射角度為22.5°時雙噴嘴與單噴嘴射流壓力脈動標準偏差隨氣速的變化■—雙噴嘴； ●—單噴嘴

圖13是在噴射角度為45.0°時，不同靜床高度下噴嘴射流壓力脈動標準偏差隨噴嘴出口氣速的變化曲線。由圖13可以看出，噴嘴射流壓力脈動標準偏差隨靜床高度增大而增大，隨氣速增大變化較小。這是因為噴射角度為45.0°時，左側噴嘴會一直受到右側噴嘴射流的沖擊，此時顆粒因素決定壓力脈動大小，當靜床高度增加時，噴嘴出口位于床層中的位置更深，所以此處顆粒濃度更大，從而導致了噴嘴射流的壓力脈動幅值增大。

圖13 不同靜床高度下噴嘴射流壓力脈動標準偏差隨噴嘴氣速的變化初始凈床高度，mm：●—650； ■—600； ▲—550

通過對噴嘴射流壓力脈動標準偏差的分析，一方面可以對不同工況下噴嘴射流的穩(wěn)定性進行判斷，另一方面能夠對是否受到相鄰噴嘴射流的沖擊進行判斷，當噴嘴出口受到相鄰噴嘴射流的直接沖擊時，夾帶催化劑顆粒的高速射流不僅能夠對噴嘴及分支管外壁造成沖蝕磨損，而且可能出現(xiàn)使催化劑顆粒進入噴嘴的現(xiàn)象，造成分支管和噴嘴內部嚴重的沖蝕磨損。為工業(yè)上減小磨損的結構改進提供了理論依據(jù)。

3 結 論

(1)分支管間床層壓力沿床層軸向高度增加逐漸減小，隨噴射角度增大而減小，隨噴嘴出口氣速和靜床高度增大而增大，因為測點壓力取決于測點和床層上表面間的物料量，物料量越大，壓力越大。

(2)噴射角度為0°和22.5°時，分支管間測點處于密相區(qū)，壓力脈動先增后減，對應著氣泡的生成、聚并和破碎的規(guī)律；噴射角度為45.0°和67.5°時，分支管間形成射流引起的稀相區(qū)，壓力脈動由氣流湍流度決定，壓力脈動高于密相區(qū)，當氣速減小同時湍流度減小時，壓力脈動迅速減小，因為此處氣體為連續(xù)相，在較大空間內壓力脈動很快得到緩沖。分支管間壓力脈動隨噴嘴出口氣速增大而增大，隨靜床高度增大而增大，由氣流湍流度決定，湍流度越大，壓力脈動越大。

(3)影響噴嘴射流壓力脈動的主要因素為相鄰噴嘴射流的沖擊，次要因素為顆粒的作用。其中噴射角度為22.5°時的射流壓力脈動存在臨界氣速，取決于是否受到相鄰射流的沖擊。