新型MTO反應(yīng)器環(huán)隙下料管內(nèi)的壓力特性

王芬芬， 嚴(yán) 梟， 鄂承林， 盧春喜

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

甲醇制烯烴(Methanol to olefins，簡稱MTO)是一種生產(chǎn)烯烴的非石油加工路線，首先由煤或天然氣制取甲醇，然后將高溫氣化后的甲醇通入適宜的反應(yīng)器，與特定分子篩催化劑(如SAPO-34)進(jìn)行氣-固相催化反應(yīng)，生成烯烴類產(chǎn)物，從而實(shí)現(xiàn)了由煤炭或天然氣生成基礎(chǔ)有機(jī)化工原料的過程。相比傳統(tǒng)石油加工生產(chǎn)烯烴路線，大力發(fā)展MTO 技術(shù)，符合我國缺油、少氣、煤炭資源相對(duì)豐富的能源結(jié)構(gòu)。如果能用“煤”代替“石油”生產(chǎn)烯烴，將大大緩解我國石油短缺的危機(jī)，且有助于推動(dòng)我國中、西部地區(qū)煤炭和天然氣工業(yè)發(fā)展，對(duì)我國能源戰(zhàn)略部署有重要意義[1-4]。

二十世紀(jì)九十年代初，國外的UOP、Lurgi等及國內(nèi)的中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所、中國石化上海石油化工研究院等公司均對(duì)MTO技術(shù)進(jìn)行了大量研究[5-7]。甲醇制烯烴反應(yīng)的強(qiáng)放熱以及SAPO-34催化劑的易失活是決定反應(yīng)器選擇的重要因素[8]，而流化床導(dǎo)熱快、催化劑易卸出的特點(diǎn)非常適合MTO[9-11]。中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所開發(fā)的DMTO反應(yīng)器，下部采用密相湍流床[12-13]，但當(dāng)操作氣速超過1.0 m/s時(shí)，存在稀相空間產(chǎn)物停留時(shí)間過長、降低了反應(yīng)的選擇性和裝置易結(jié)焦等不足。為縮短反應(yīng)產(chǎn)物在稀相空間的停留時(shí)間，一些工業(yè)MTO反應(yīng)器采用了流化床反應(yīng)器床層以上縮徑，并加設(shè)稀相輸送管的結(jié)構(gòu)[14]，但上部的稀相結(jié)構(gòu)復(fù)雜，也曾出現(xiàn)過料腿拉斷脫落的事故[15]。

筆者采用了一種新型MTO耦合反應(yīng)器，流化床下部安裝導(dǎo)流筒，構(gòu)建環(huán)流流化床，其上部采用變徑結(jié)構(gòu)與提升管耦合，提升管頂部連接旋流快分頭(簡稱SVQS)，可實(shí)現(xiàn)氣-固相的快速分離和反應(yīng)氣的快速引出，大幅度縮短反應(yīng)產(chǎn)物在稀相空間的停留時(shí)間。王子健[16]采用了MTO自由流化床，即流化床下部無導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)，當(dāng)流化床內(nèi)操作氣速Ug為0.46～0.70 m/s時(shí)，頂旋的料腿下料順暢，環(huán)隙下料管內(nèi)的顆粒可以順暢下料并返回流化床中，催化劑跑損較少；當(dāng)流化床內(nèi)操作氣速Ug為0.75～1.00 m/s時(shí)，環(huán)隙下料管內(nèi)出現(xiàn)積料，封閉罩變徑處出現(xiàn)一段顆粒脫空現(xiàn)象，此處顆粒流動(dòng)不連續(xù)；當(dāng)流化床內(nèi)操作氣速Ug超過1.00 m/s時(shí)，可觀察到旋風(fēng)料腿震動(dòng)強(qiáng)烈，旋風(fēng)分離器頂部出現(xiàn)嚴(yán)重跑料。嚴(yán)梟[15]針對(duì)上述結(jié)果，在環(huán)隙下料管出料口下方80 mm處添加環(huán)形內(nèi)構(gòu)件，研究表明，此內(nèi)構(gòu)件可改善由流化床向環(huán)隙下料管竄氣的不良現(xiàn)象。筆者是在二者研究的基礎(chǔ)上，在流化床下部安裝導(dǎo)流筒，構(gòu)建環(huán)流流化床，研究了環(huán)隙下料管4個(gè)截面及出料口下1個(gè)截面上的壓力特性和平均固含率。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1為實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。裝置總高12.7 m，為便于觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，除旋流快分頭、旋風(fēng)分離器、導(dǎo)流筒、錐體分布器和管式分布器采用鋼構(gòu)件外，其他主體均由有機(jī)玻璃構(gòu)成。流化床尺寸為φ400×10 mm，高3 m，導(dǎo)流筒尺寸為φ306×3 mm，高0.8 m，提升管尺寸為φ130×5 mm，高5m，封閉罩尺寸為φ300×10 mm，高3 m，環(huán)隙下料管外管尺寸為φ200×6 mm，高2.6 m。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Experimental apparatus1—Air blower; 2—Surge tank; 3—Gas distributer; 4—Air rotameter; 5—Base cone distributor; 6—Tubular distributor; 7—Draft tube; 8— Fluidized bed; 9—Internals; 10—Annual downward pipe; 11—Riser; 12—Closed hood; 13—Solids flux flowmeter1; 14—Super vortex quick separator(SVQS); 15—Solids flux flowmeter 2;16—Cyclone separator; 17—Dipleg; 18—Measuring tank; 19—Butterfly valve

流化床下部安裝導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)，構(gòu)建環(huán)流床并將其分為4個(gè)流動(dòng)區(qū)域，即底部區(qū)、導(dǎo)流筒區(qū)、環(huán)隙區(qū)和氣-固分離區(qū)。圖2為環(huán)流床反應(yīng)器分區(qū)示意圖。通過調(diào)節(jié)錐體分布器和管式分布器連接的轉(zhuǎn)子流量計(jì)，可改變環(huán)流反應(yīng)器導(dǎo)流筒區(qū)和環(huán)隙區(qū)的氣速大小。

實(shí)驗(yàn)中的流化風(fēng)為常溫空氣，空氣由風(fēng)機(jī)經(jīng)緩沖罐、流量計(jì)，分3路進(jìn)入裝置，一路從內(nèi)環(huán)底部的錐體分布器通入導(dǎo)流筒，為流化主風(fēng)；另一路從外環(huán)底部的管式分布器通入環(huán)隙區(qū)，為流化松動(dòng)風(fēng)；第三路向封閉罩下方變徑處通入適量松動(dòng)風(fēng)，可改善此處的顆粒流動(dòng)狀態(tài)。通過調(diào)節(jié)內(nèi)、外環(huán)之間風(fēng)量，使兩者保持合適的流量差，一部分顆粒在環(huán)流段進(jìn)行環(huán)流，其余顆粒在流化風(fēng)的作用下進(jìn)入上部的提升管中；經(jīng)旋流快分頭分離下來的顆粒一部分不斷向下沉降，進(jìn)入提升管與封閉罩下方縮徑的外管所形成的一段環(huán)隙下料管，最后由底部出料口返回流化床中，另一部分被空氣攜帶向上運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入頂旋中，分離后的顆粒經(jīng)料腿返回流化床內(nèi)，氣體則經(jīng)布袋除塵器凈化后放空。圖3為環(huán)隙下料管及其下方出料口示意圖，環(huán)隙下料管流通面積為0.0145 m2，其下方出料口流通面積為0.0163 m2。

圖2 環(huán)流床反應(yīng)器分區(qū)示意圖Fig.2 Flow regions in loop fluidized bed reactorⅠ—Draft tube region；Ⅱ—Annulus region；Ⅲ—Bottom region； Ⅳ—Gas-solid separation region

圖3 環(huán)隙下料管及下方出料口示意圖Fig.3 Schematic graph of ring gap downward pipe and its vent for particles

1.2 實(shí)驗(yàn)介質(zhì)

實(shí)驗(yàn)所使用的氣體介質(zhì)為常溫下的空氣。固體顆粒為FCC平衡劑，物性參數(shù)如表1所示。

1.3 實(shí)驗(yàn)條件

流化床初始靜床高度為800 mm，封閉罩錐體處通入一定量的松動(dòng)風(fēng)，導(dǎo)流筒區(qū)操作氣速Ugd為0.8～1.4 m/s，環(huán)隙區(qū)操作氣速Uga為0.3～0.6 m/s，調(diào)節(jié)Uga和Ugd大小，測(cè)量環(huán)隙下料管內(nèi)4個(gè)截面及出料口下1個(gè)截面上的壓力特性和平均固含率分布。

表1 FCC平衡催化劑物性參數(shù)Table 1 Properties of FCC equilibrium catalysts

1) Average diameter; 2) Bulk density; 3)Particle density; 4)Angel of repose

1.4 實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

圖4為壓力脈動(dòng)及光纖采樣測(cè)點(diǎn)軸向分布。由圖4可見，環(huán)隙下料管4個(gè)截面及出料口下1個(gè)截面布置了5個(gè)壓力脈動(dòng)及光纖采樣測(cè)點(diǎn)，截面1～截面5距內(nèi)環(huán)錐體分布板截面的高度依次為3260、3906、4806、6010和6210 mm，壓力脈動(dòng)徑向測(cè)點(diǎn)為r/R=0.894，光纖測(cè)量徑向測(cè)點(diǎn)如表2所示。截面1～截面5位置依次向上，截面1位于環(huán)隙下料管出料口下方20 mm處，截面2和截面3位于環(huán)隙下料管內(nèi)，截面4處于封閉罩變徑錐體下方，截面5處于封閉罩變徑錐體上方。

圖4 壓力脈動(dòng)及光纖采樣測(cè)點(diǎn)軸向分布Fig.4 Axial measuring points of pressure fluctuations and optical fiber sampling

Sectionr11)/R2)r21)/Rr31)/Rr41)/Rr51)/RSection 10.9470.7340.5210.2580Section 20.9470.8940.840.7870.734Section 30.9470.8940.840.7870.734Section 40.9470.8940.840.7870.734Section 50.9640.8930.8220.750.679

1)Radial values of different measuring points; 2)Radius of each section

1.5 實(shí)驗(yàn)儀器及方法

1.5.1 壓力脈動(dòng)的測(cè)量

采用北京傳感星空自控技術(shù)有限公司的壓力采集箱及差壓傳感器同時(shí)對(duì)5個(gè)截面上的壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，差壓傳感器量程為0～15 kPa，設(shè)置單次采集時(shí)間為30 s，采集頻率為1000 Hz。各截面壓力平均值計(jì)算如式(1)所示。

(1)

(2)

各個(gè)截面處壓力脈動(dòng)的大小可采用標(biāo)準(zhǔn)偏差來衡量，如式(3)所示：

(3)

1.5.2 固含率的測(cè)量

采用中國科學(xué)院過程控制研究所研制的PV-6D光纖測(cè)量儀[17]，測(cè)量上述5個(gè)截面不同徑向位置上的局部固含率，然后采用面積平均法計(jì)算截面平均固含率，如圖5和式4所示。

圖5 面積平均法示意圖Fig.5 Scheme of area average methodA1—AM: Annular area

(4)

2 結(jié)果與討論

2.1 各截面壓力脈動(dòng)曲線

圖6為在不同操作條件下，截面1～截面5處的壓力脈動(dòng)隨時(shí)間的變化曲線。由旋流快分系統(tǒng)分離下來的顆粒不斷向下沉降，在環(huán)隙下料管內(nèi)向下流動(dòng)的過程中，會(huì)夾帶部分氣體，同時(shí)氣體會(huì)不斷被壓縮并向上脫除，最終導(dǎo)致壓力脈動(dòng)的形成。

由圖6可知，當(dāng)環(huán)隙區(qū)操作氣速Uga一定時(shí)，各截面壓力脈動(dòng)曲線均隨著導(dǎo)流筒區(qū)操作氣速Ugd的增加逐漸變得劇烈，但各個(gè)截面上的變化程度不同。為了便于分析，按照導(dǎo)流筒區(qū)操作氣速大小Ugd，將操作條件分為低氣速條件(Uga為0.3～0.6 m/s，Ugd為0.8～1.0 m/s)和高氣速條件(Uga為0.3～0.6 m/s，Ugd為1.2～1.4 m/s)。

截面1位于環(huán)隙下料管出料口下方，在低氣速條件下，壓力脈動(dòng)較為平緩，幅度較??；在高氣速時(shí)，壓力脈動(dòng)較為劇烈，幅度較大，這是因?yàn)榻孛?會(huì)受到由流化床內(nèi)氣體向環(huán)隙下料管內(nèi)竄氣的影響，導(dǎo)致此截面上顆粒流動(dòng)具有較強(qiáng)的動(dòng)態(tài)非線性特征，且操作氣速越大竄氣程度越嚴(yán)重，壓力脈動(dòng)表現(xiàn)越劇烈。

截面2處于環(huán)隙下料管的下部，在低氣速與高氣速條件下，壓力脈動(dòng)均表現(xiàn)較小的波動(dòng)，此處顆粒流動(dòng)較平穩(wěn)。截面3處于環(huán)隙下料管的中部，在低氣速條件下，壓力脈動(dòng)較為平緩，幅度較小；在高氣速時(shí)，壓力脈動(dòng)稍顯劇烈。截面2和截面3處壓力脈動(dòng)曲線較截面1處平緩，說明這截面2和截面3二者軸向位置上所形成的料封比較穩(wěn)定。

截面4位于錐體變徑段的下方，在低氣速和高氣速條件下，壓力脈動(dòng)均表現(xiàn)出非常劇烈的波動(dòng)，這是由于在錐體變徑段添加了一處松動(dòng)風(fēng)，截面4會(huì)同時(shí)受到顆粒向下運(yùn)動(dòng)、脫氣和松動(dòng)風(fēng)的影響。截面4上方的顆粒受錐體變徑結(jié)構(gòu)的影響，會(huì)在錐段及上方封閉罩內(nèi)形成一定的堆積料位(如圖7所示)。隨著操作氣速的增加，料位堆積就會(huì)越高，在松動(dòng)風(fēng)的作用下產(chǎn)生氣泡，氣泡不斷的生成、聚并與破裂是導(dǎo)致截面4壓力波動(dòng)的主要原因。

圖6 不同操作條件下各截面處的壓力脈動(dòng)隨時(shí)間的變化曲線Fig.6 Pressure fluctuations of each axial sections under different operation conditionsSection 1:(a),(b),(c),(d); Section 2:(e),(f),(g),(h); Section 3:(i),(j),(k),(l); Section 4:(m),(n),(o),(p); Section 5:(q),(r),(s),(t);(a),(e),(i),(m),(q): Uga=0.3 m/s;(b),(f),(j),(n),(r): Uga=0.4 m/s; (c),(g),(k),(o),(s): Uga=0.5 m/s;(d),(h),(l),(p),(t): Uga=0.6 m/s;Ugd/(m·s-1): 0.8; 1.0; 1.2; 1.4

圖7 實(shí)驗(yàn)積料現(xiàn)象照片F(xiàn)ig.7 Photograph of experimental phenomenon of particle stacking

截面5位于錐體變徑段的上方，在低氣速時(shí)，壓力脈動(dòng)較為平緩，幅度較小；在高氣速時(shí)，壓力脈動(dòng)非常劇烈。這是由于在高氣速下環(huán)隙下料管內(nèi)的顆粒流量增加，與截面4相同，截面5也會(huì)受到下方錐體變徑處松動(dòng)風(fēng)及料位堆積的影響，出現(xiàn)壓力脈動(dòng)劇烈波動(dòng)的現(xiàn)象。

截面1、截面4和截面5主要是由高頻低幅值和低頻高幅值兩部分組成，截面1處高頻低幅值主要是由于流化床內(nèi)的氣體反竄至環(huán)隙下料管，與出料口下方的顆粒不斷形成聚團(tuán)與解體；低頻高幅值主要是由顆粒在環(huán)隙下料管內(nèi)流動(dòng)的不均勻和不平穩(wěn)產(chǎn)生的。截面4和截面5高頻低幅值主要受到錐體變徑結(jié)構(gòu)所形成的料封及松動(dòng)風(fēng)的影響，氣泡不斷的生成、聚并與破碎；低頻高幅值主要受到顆粒流動(dòng)不連續(xù)性的影響。

2.2 各截面壓力脈動(dòng)強(qiáng)度分析

圖8為不同操作條件下，各截面處壓力脈動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)偏差的變化曲線。與壓力脈動(dòng)曲線分析相同，分別討論低氣速條件和高氣速條件下，各截面上壓力脈動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)偏差變化曲線。

在低氣速條件下，截面1至截面5在壓力脈動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)偏差呈現(xiàn)一種基本相似的曲線；在高氣速條件下，標(biāo)準(zhǔn)偏差呈現(xiàn)另一種相似的變化曲線。截面1在低氣速下，標(biāo)準(zhǔn)偏差較小，σ(p)為0.036～0.439 kPa；在高氣速下，標(biāo)準(zhǔn)偏差較大，σ(p)為0.115～0.524 kPa。截面2在低氣速和高氣速條件下，標(biāo)準(zhǔn)偏差都很小σ(p)為0.042～0.145 kPa。截面3在低氣速下，標(biāo)準(zhǔn)偏差較小，σ(p)為0.030～0.107 kPa；在高氣速下，標(biāo)準(zhǔn)偏差較大，σ(p)為0.044～0.933 kPa。截面4在低氣速和高氣速條件下，標(biāo)準(zhǔn)偏差都很大，σ(p)為0.172～0.855 kPa。截面5在低氣速下，標(biāo)準(zhǔn)偏差較小，σ(p)為0.017～0.462 kPa；在高氣速下，標(biāo)準(zhǔn)偏差較大，σ(p)為0.065～1.548 kPa。

總體而言，截面2和截面3上的壓力脈動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)偏差最大值不超過0.933 kPa，截面4和截面5上壓力脈動(dòng)最大偏差為0.855 kPa和1.548 kPa。由此可知截面2和截面3上的壓力脈動(dòng)最為平緩，而截面4和截面5上的壓力脈動(dòng)最為劇烈。這與壓力脈動(dòng)曲線部分分析相一致。

2.3 各截面平均壓力值的分析

圖9為當(dāng)環(huán)隙區(qū)操作氣速Uga一定的條件下，不同導(dǎo)流筒區(qū)操作氣速Ugd對(duì)5個(gè)不同截面上的平均壓力分布的影響。

由圖9可知，當(dāng)環(huán)隙區(qū)操作氣速Uga一定時(shí)，隨著導(dǎo)流筒區(qū)操作氣速Ugd的變化，各截面平均壓力值均表現(xiàn)出一致的變化規(guī)律，即隨著Ugd的增加，各截面平均壓力值逐漸增大。在每一組操作條件下，截面5處壓力小于截面4處壓力，這是由于截面4受到上方錐體變徑處松動(dòng)風(fēng)的影響，使得平均壓力值增大；由截面4至截面1平均壓力值均先減小后增大，由截面3至截面1，顆粒呈現(xiàn)順重力場(chǎng)負(fù)壓差流動(dòng)。

2.4 各截面平均固含率的軸向分布

圖10為一組環(huán)隙區(qū)操作氣速Uga=0.3 m/s，導(dǎo)流筒區(qū)操作氣速為0.8～1.4 m/s時(shí)，5個(gè)截面上的平均固含率分布情況。

由圖10可知，當(dāng)環(huán)隙區(qū)操作氣速Uga=0.3 m/s時(shí)，隨著導(dǎo)流筒區(qū)操作氣速Ugd增大，各截面平均固含率均不斷增大。在同一組操作條件下，5個(gè)截面上的固含率最大差值為0.10，最小差值為0.04，與王子健等[16]和嚴(yán)梟等[15]的研究相比，環(huán)隙下料管內(nèi)顆粒向下流動(dòng)更加平穩(wěn)。

在每一組操作條件下，截面5固含率始終最大，截面4固含率始終最小。這是由于截面5處在變徑段上部，受下部變徑結(jié)構(gòu)的約束，顆粒在截面5上脫氣比較充分，產(chǎn)生了一定程度的積料，固含率較高；截面4上方錐體處的松動(dòng)風(fēng)，有效解決了截面4周圍的脫空問題，同時(shí)松動(dòng)風(fēng)的引入使截面4上的固含率大幅度降低。

3 結(jié) 論

在流化床下部安裝導(dǎo)流筒構(gòu)建環(huán)流流化床后，采用多種流體力學(xué)測(cè)量技術(shù)，在不同操作條件下，研究了環(huán)隙下料管4個(gè)截面及出料口下1個(gè)截面上的壓力特性和平均固含率，得到以下結(jié)論：

圖8 不同操作條件下各軸向截面處壓力脈動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)偏差的變化曲線Fig.8 Standard deviations of pressure fluctuations on each axial sections under different operation conditions(a),(b) Section 1; (c),(d) Section 2; (e),(f) Section 3; (g),(h) Section 4; (i),(j) Section 5

(1) 通過對(duì)5個(gè)截面上的壓力脈動(dòng)曲線進(jìn)行分析，截面1壓力脈動(dòng)在低氣速條件下較平穩(wěn)，在高氣速條件下較強(qiáng)烈，截面2和截面3壓力脈動(dòng)最平穩(wěn)，截面4和截面5處壓力脈動(dòng)最劇烈。截面4和截面5的高頻低幅值主要受到錐體變徑結(jié)構(gòu)所形成的料封及松動(dòng)風(fēng)的影響，導(dǎo)致氣泡不斷的生成、聚并與破碎，而低頻高幅值主要受到顆粒流動(dòng)不連續(xù)性的影響。

(2) 通過采用標(biāo)準(zhǔn)偏差對(duì)5個(gè)截面上的壓力脈動(dòng)進(jìn)行量化，發(fā)現(xiàn)截面2和截面3上的壓力脈動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)偏差最大值不超過0.933 kPa，截面4和截面5上壓力脈動(dòng)最大偏差為0.855 kPa和1.548 kPa。由此可知，截面2和截面3上的壓力脈動(dòng)最為平緩，而截面4和截面5上的壓力脈動(dòng)最為劇烈，這與結(jié)論(1)相符。

圖9 各截面處的壓力分布隨導(dǎo)流筒區(qū)操作氣速(Ugd)變化曲線Fig.9 Pressure distributions of each axial section in draft tube regionUga/(m·s-1): (a)0.3; (b)0.4; (c)0.5; (d)0.6;Ugd/(m·s-1):0.8;1.0;1.2;1.4

圖10 導(dǎo)流筒區(qū)操作氣速(Ugd)對(duì)各截面平均固含率的影響Fig.10 Influence of operating velocities (Ugd) in draft tube region on sectional average solid holdups Uga=0.3 m/s;Ugd/(m·s-1):0.8;1.0;1.2;1.4

(3) 當(dāng)環(huán)隙區(qū)操作氣速一定時(shí)，隨著導(dǎo)流筒區(qū)操作氣速的增加，各截面平均壓力值均不斷增大。在每一組操作條件下，由截面3至截面1，平均壓力逐漸增加，顆粒呈現(xiàn)順重力場(chǎng)負(fù)壓差流動(dòng)。

(4) 當(dāng)環(huán)隙處操作氣速為0.3 m/s，隨著導(dǎo)流筒區(qū)操作氣速增大，各截面平均固含率均不斷增大；在同一組操作條件下，5個(gè)截面上的固含率最大差值為0.10，最小差值為0.04，環(huán)隙下料管內(nèi)顆粒向下流動(dòng)更加平穩(wěn)。