邊 京，趙鳳靜，范怡平，盧春喜

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

流化催化裂化工藝在中國(guó)石油加工業(yè)中占據(jù)著重要的位置，提升管反應(yīng)器是其核心設(shè)備之一。在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的進(jìn)料混合段內(nèi)，進(jìn)料噴嘴斜向上30°～40°安裝，原料油由噴嘴噴入并在短時(shí)間內(nèi)與催化劑顆粒接觸、混合發(fā)生反應(yīng)，該進(jìn)料區(qū)內(nèi)油、劑之間的接觸及混合狀況將直接影響整個(gè)催化裂化反應(yīng)的進(jìn)程。針對(duì)混合進(jìn)料段內(nèi)油、劑兩相理想流動(dòng)狀況與實(shí)際流動(dòng)狀況存在的矛盾與差距[1-4]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們提出了不同的方案，旨在改進(jìn)傳統(tǒng)提升管進(jìn)料段內(nèi)的混合、流動(dòng)情況。鐘孝湘等[5]、劉清華等[6]和吳文龍等[7]都提出了提升管內(nèi)徑變化的方案，結(jié)果表明，變徑結(jié)構(gòu)可以改變提升管內(nèi)氣-固兩相流動(dòng)狀態(tài)，與傳統(tǒng)同徑提升管反應(yīng)器相比，油、劑兩相可實(shí)現(xiàn)更快速、均勻的混合。陳昇等[8-9]和閆子涵等[10-11]結(jié)合模擬和實(shí)驗(yàn)，考察了噴嘴斜向下進(jìn)料方式對(duì)油、劑兩相混合情況的影響。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的進(jìn)料方式相比，向下進(jìn)料的方式可以有效地改變氣-固混合行為，使混合更加均勻，且在噴嘴斜向下30°時(shí)，改善效果最明顯。

顯然，采用油、劑逆流接觸的方式和提升管進(jìn)料段結(jié)構(gòu)變徑的方式均可以改善催化裂化提升管進(jìn)料段內(nèi)理想與實(shí)際流動(dòng)混合狀態(tài)之間存在的矛盾，可使固體顆粒和射流氣體的濃度在徑向分布更加均勻。但現(xiàn)有研究中采用的油、劑逆流提升管進(jìn)料段結(jié)構(gòu)均為同徑結(jié)構(gòu)，沒(méi)有在結(jié)構(gòu)尺寸上進(jìn)行變徑。為此，有必要將進(jìn)料噴嘴斜向下與變徑結(jié)構(gòu)相耦合，且對(duì)耦合后的新型結(jié)構(gòu)內(nèi)的氣-固流動(dòng)狀況進(jìn)行研究。筆者針對(duì)此問(wèn)題開(kāi)展研究，通過(guò)引入適當(dāng)?shù)臄U(kuò)張角，對(duì)現(xiàn)有的同徑提升管進(jìn)料段結(jié)構(gòu)進(jìn)行變徑。采用一套大型冷模實(shí)驗(yàn)裝置，考察了逆流變徑耦合的催化裂化提升管進(jìn)料段內(nèi)固含率及顆粒速度的分布，并與已有同徑結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

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。由圖1(a)可知，提升管總高11 m，在預(yù)提升氣體分布板上4.5 m處安裝4個(gè)傾斜向下的進(jìn)料噴嘴，均勻地布置在提升管周向，由噴嘴射入的氣體與催化劑顆粒、預(yù)提升氣體混合后共同向上運(yùn)動(dòng)。由圖1(b)和圖1(c)的逆流變徑耦合進(jìn)料混合段結(jié)構(gòu)(圖1(a)中結(jié)構(gòu)6)主視、俯視示意圖可知，進(jìn)料噴嘴位置以上與閆子涵等[10-11]所用結(jié)構(gòu)相同，即噴嘴安裝角度為150°，均直段內(nèi)徑φ186 mm。噴嘴位置以下采用變徑結(jié)構(gòu)，最小內(nèi)徑處φ149 mm，由下至上看，進(jìn)料噴嘴處于結(jié)構(gòu)擴(kuò)徑段以上，擴(kuò)張角為6°。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus (a)Experimental apparatus;(b)Front view of 6 in Fig.1(a);(c)Top view of 6 in Fig.1(a)

1.2 實(shí)驗(yàn)材料及分析儀器

固體顆粒為工業(yè)中典型的FCC分子篩催化劑，其顆粒堆積密度為929 kg/m3，顆粒平均粒徑為79 μm； 噴嘴射流氣體和預(yù)提升氣體均為常溫、常壓空氣。使用中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所開(kāi)發(fā)的PV-6D型顆粒速度密度兩用儀[12-13]測(cè)定固含率和顆粒速度。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 操作參數(shù)及測(cè)點(diǎn)布置

實(shí)驗(yàn)中預(yù)提升氣速Ur為2.4～4.1 m/s，噴嘴射流速度Uj為41.8～78.5 m/s，顆粒循環(huán)強(qiáng)度Gs取65～85 kg/(m2·s)。設(shè)進(jìn)料噴嘴所在的位置為零截面，即沿提升管軸向高度H=0，取噴嘴以上高度為正，以下高度為負(fù)，軸向設(shè)置5個(gè)高度(H=-0.370、-0.185、-0.100、0.185、0.370 m)。每一高度的截面內(nèi)均取6個(gè)徑向測(cè)點(diǎn)(r/R為0、0.25、0.5、0.7、0.8、0.95)，如圖2所示，r/R為無(wú)因次半徑，其中，r(單位，m)為每一徑向測(cè)點(diǎn)距所在截面中心的長(zhǎng)度，R(單位，m)為測(cè)點(diǎn)所在高度的截面半徑。

圖2 徑向測(cè)點(diǎn)示意圖Fig.2 Schematic diagram of radial measure points

1.3.2 計(jì)算方法

提升管內(nèi)的顆粒循環(huán)強(qiáng)度采用容積法測(cè)量，關(guān)閉圖1中蝶閥12，記錄一段時(shí)間t(單位，s)，計(jì)量罐11中堆積的顆粒高度，計(jì)算相應(yīng)體積V(單位，m3)和質(zhì)量m(單位，kg)，計(jì)算提升管截面積Sr(單位，m2)代入式(1)得到顆粒循環(huán)強(qiáng)度Gs(單位，kg/(m2·s))：

(1)

PV-6D在不同采樣點(diǎn)可測(cè)得相應(yīng)電壓值，將其代入標(biāo)定好的公式中可得相應(yīng)測(cè)點(diǎn)密度[10]，即可測(cè)得固含率ε。由PV-6D軟件內(nèi)自帶的處理方法即可測(cè)得每組數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)的顆粒向上速度vu(單位，m/s)和向上組數(shù)nu與向下速度vd(單位，m/s)和向下組數(shù)nd，可計(jì)算出顆粒平均速度vp(單位，m/s)：

(2)

2 結(jié)果與討論

2.1 不同軸向位置固含率及顆粒速度的徑向分布

圖3、圖4分別為逆流變徑耦合結(jié)構(gòu)提升管進(jìn)料段內(nèi)有噴嘴射流和無(wú)噴嘴射流情況下固含率和顆粒速度在不同軸向高度的徑向分布。

圖3 變徑結(jié)構(gòu)不同軸向位置固含率和顆粒速度的徑向分布Fig.3 Radial profiles of solids hold-up and particle velocity at different axial heights in diameter changing structureUr=3.5 m/s; Uj=78.5 m/s; Gs=70 kg/(m2·s)(a)Solids hold-up;(b)Particle velocity

由圖3、圖4可知，對(duì)于H=0.370 m截面和H=-0.370 m截面，在有噴嘴射流和無(wú)噴嘴射流條件下，隨著無(wú)因次半徑r/R的增大，固含率及顆粒速度的變化趨勢(shì)基本一致。這表明，在這兩個(gè)高度，固體顆粒在油、劑逆流接觸進(jìn)料段內(nèi)的分布已不受噴嘴射流影響。由此可以認(rèn)為，噴嘴射流的影響范圍H為-0.370～0.370 m。此外，閆子涵等[10]在相似實(shí)驗(yàn)操作條件下，研究了φ186 mm同徑提升管進(jìn)料段內(nèi)顆粒流動(dòng)情況。結(jié)果表明，噴嘴射流的影響范圍H為-0.675～0.675 m。因此，通過(guò)對(duì)比變徑結(jié)構(gòu)與同徑結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)變徑結(jié)構(gòu)的噴嘴射流影響范圍縮短約45.2%。

圖5為閆子涵等[10]選用的內(nèi)徑φ186 mm同徑結(jié)構(gòu)內(nèi)固含率和顆粒速度的分布。由圖5可知，在均一直徑結(jié)構(gòu)內(nèi)，隨著無(wú)因次半徑r/R的增大，固含率的徑向分布呈明顯的“環(huán)-核”結(jié)構(gòu)，即邊壁濃度很高，中心低，且徑向變化梯度很大。此外在H=±0.185 m截面內(nèi)，固含率的最大值出現(xiàn)在無(wú)因次半徑r/R=±0.8位置處，出現(xiàn)了“峰值”?？梢?jiàn)，顆粒濃度的徑向分布在此同徑結(jié)構(gòu)內(nèi)很不均勻，這不利于油、劑兩相的高效混合、反應(yīng)。對(duì)比圖3可知，在本研究所用的逆流變徑耦合進(jìn)料段內(nèi)，固含率的徑向分布明顯更加均勻，徑向變化梯度有所減小，且沒(méi)有出現(xiàn)如圖5中的“峰值”點(diǎn)。

圖4 無(wú)噴嘴射流變徑結(jié)構(gòu)不同軸向位置固含率和顆粒速度的徑向分布Fig.4 Radial profiles of solids hold-up and particle velocity at different axial heights in diameter changing structure without nozzle jetUr=3.5 m/s; Uj=0 m/s; Gs=70 kg/(m2·s)(a)Solids hold-up;(b)Particle velocity

圖5 同徑結(jié)構(gòu)不同軸向位置固含率和顆粒速度的徑向分布[10]Fig.5 Radial profiles of solids hold-up and particle velocity at different axial heights[10]Ur=3.5 m/s; Uj=78.5 m/s; Gs=76.2 kg/(m2·s)(a) Solids hold-up; (b) Particle velocity

對(duì)比圖3(a)和圖5(a)，在變徑結(jié)構(gòu)H=-0.370 m截面內(nèi)，隨著無(wú)因次半徑r/R的增大，固含率的徑向變化仍呈現(xiàn)“環(huán)-核”趨勢(shì)，這與同徑結(jié)構(gòu)H=-0.375 m截面內(nèi)分布情況相似。但相對(duì)同徑結(jié)構(gòu)，變徑結(jié)構(gòu)內(nèi)固含率的徑向變化梯度明顯減小，中心平穩(wěn)段為r/R為-0.7～0.7(同徑結(jié)構(gòu)內(nèi)為r/R為-0.5～0.5)。這是因?yàn)樵诒狙芯克玫慕Y(jié)構(gòu)中，H=-0.370 m截面處于內(nèi)徑變化段(φ149 mm)，由下至上已有一部分縮徑結(jié)構(gòu)，顆粒在上升過(guò)程中，直徑不斷減小，流通面積逐漸減小，使得顆粒漸漸向中間聚集，中心區(qū)顆粒濃度增大，因而對(duì)“環(huán)-核”結(jié)構(gòu)起到了緩解作用。由圖3可知，H=-0.185 m截面內(nèi)固含率徑向分布比較均勻，尤其在r/R為-0.8～0.8范圍內(nèi)，邊壁處濃度有所增加，但整體徑向變化梯度較小。H=-0.100 m截面，固含率的徑向分布已趨于均勻，很大程度上消除了濃稀相的存在。一方面，這兩個(gè)位置受傾斜向下的高速噴嘴射流影響，催化劑顆粒向中心偏轉(zhuǎn)聚集；另一方面，由下至上看，這兩個(gè)截面處于擴(kuò)徑段，隨著內(nèi)徑的增大催化劑逐漸擴(kuò)散到邊壁。二者相互作用，使催化劑在整個(gè)截面內(nèi)分布更均勻，且越靠近進(jìn)料噴嘴位置，分布越均勻。在H=0.370 m和H=0.185 m這兩個(gè)截面，變徑結(jié)構(gòu)內(nèi)固含率的徑向分布與同徑結(jié)構(gòu)相似，即隨著無(wú)因次半徑r/R的增大，仍趨于“環(huán)-核”結(jié)構(gòu)。但變徑結(jié)構(gòu)內(nèi)固含率的徑向變化梯度有所減小，尤其在r/R為-0.8～0.8內(nèi)，分布較平穩(wěn)，邊壁區(qū)濃度漸漸增大。

對(duì)比圖3(b)和圖5(b)2種進(jìn)料段結(jié)構(gòu)內(nèi)顆粒速度的徑向分布情況可知，在本研究所用的逆流變徑耦合進(jìn)料段結(jié)構(gòu)中，顆粒速度的徑向分布更加均勻。在H=0.370 m和H=0.185 m截面內(nèi)的改進(jìn)效果最為明顯，中心范圍內(nèi)的平穩(wěn)段在同徑結(jié)構(gòu)內(nèi)r/R為-0.5～0.5，而在變徑結(jié)構(gòu)中則擴(kuò)大到r/R為-0.8～0.8，即變徑結(jié)構(gòu)內(nèi)的顆粒速度徑向分布更均勻，徑向變化梯度更小。此外，對(duì)比顆粒速度數(shù)值大小還可知，變徑結(jié)構(gòu)有效地提高了進(jìn)料噴嘴以下截面內(nèi)顆粒速度的大小，這有利于顆粒間高速碰撞及向上擴(kuò)散。而對(duì)于進(jìn)料噴嘴以上的截面，顆粒速度又適當(dāng)減小，以避免速度過(guò)高造成反應(yīng)不均勻的現(xiàn)象?？偨Y(jié)可知，進(jìn)料段內(nèi)徑的改變能夠使催化劑顆粒速度在軸向不同高度內(nèi)的徑向分布更均勻，使氣-固兩相更快速的混合反應(yīng)，且適宜的速度大小也有利于實(shí)現(xiàn)“油、劑”間的“高溫短接觸”。

通過(guò)上述分析，根據(jù)固含率及顆粒速度的徑向分布，可對(duì)本研究所用的逆流變徑耦合混合進(jìn)料段進(jìn)行劃分，分別為射流上游過(guò)渡區(qū)(H為-0.370～-0.185 m)、射流影響控制區(qū)(H為-0.185～-0.100 m)和射流下游過(guò)渡區(qū)(H為-0.100～0.370 m)。

2.2 操作條件的影響

2.2.1 預(yù)提升氣速的影響

圖6 變徑結(jié)構(gòu)進(jìn)料段不同預(yù)提升氣速下軸向截面內(nèi)的固含率徑向分布Fig.6 Distributions of solids hold-up at each heights under different pre-lift gas velocitiesUj=41.8 m/s; Gs =70 kg/(m2·s)H/m: (a)0.370; (b)0.185; (c)-0.100; (d)-0.185; (e) -0.370

圖7 變徑結(jié)構(gòu)進(jìn)料段不同預(yù)提升氣速下軸向截面內(nèi)的顆粒速度徑向分布Fig.7 Distributions of particle velocity at each heights under different pre-lift gas velocitiesUj=41.8 m/s; Gs =70 kg/(m2·s)H/m: (a) 0.370; (b) 0.185; (c) -0.100; (d)-0.185; (e) -0.370

圖6和圖7為噴嘴射流氣體速度Uj=41.8 m/s，顆粒循環(huán)強(qiáng)度Gs=70 kg/(m2·s)，預(yù)提升氣體速度Ur分別為2.4、3.5和4.1 m/s時(shí)逆流變徑耦合結(jié)構(gòu)進(jìn)料段不同高度內(nèi)的固含率和顆粒速度的徑向分布。

由圖6可知，隨著預(yù)提升氣速增大，變徑結(jié)構(gòu)各截面內(nèi)固含率徑向分布的變化趨勢(shì)基本不變，但在數(shù)值上有變化。在H=0.370和H=0.185 m截面，隨著預(yù)提升氣速的增大，在無(wú)因次半徑r/R為0～0.8，固含率均有微弱的減小趨勢(shì)。但在較高預(yù)提升氣速下(Ur=4.1 m/s)，固含率在自r/R=0.8至邊壁明顯增大，且變化梯度較大。在噴嘴以下的截面內(nèi)(H為-0.100、-0.185、-0.370 m)，預(yù)提升氣速增大，隨無(wú)因次半徑r/R的增加，固含率隨逐漸減小但徑向變化梯度明顯減小，即顆粒分布更均勻，且逐漸減弱“環(huán)-核”趨勢(shì)。由圖7可知，在變徑結(jié)構(gòu)內(nèi)，隨著預(yù)提升氣速的增大，各截面內(nèi)局部顆粒速度均隨無(wú)因次半徑r/R的增加而增大，且徑向變化梯度有減小趨勢(shì)，即速度在徑向分布更均勻，“波動(dòng)”減小。這是由于當(dāng)其他操作條件一定時(shí)，提升管內(nèi)的表觀氣速隨著預(yù)提升氣速的增大而增大，隨之會(huì)夾帶更多催化劑粒子，顆粒速度增加，固含率就會(huì)降低。

對(duì)于本研究所用的逆流變徑耦合結(jié)構(gòu)的噴嘴射流影響區(qū)，在適當(dāng)操作范圍內(nèi)提高預(yù)提升氣速，可使固含率和顆粒速度在徑向的分布更加均勻，且在邊壁區(qū)梯度減小有利于噴嘴高速射流與預(yù)提升相的逆流接觸，這是由于預(yù)提升氣速增加，預(yù)提升相的動(dòng)量較大，二者混合后催化劑顆粒的橫向移動(dòng)較明顯，所以徑向固含率相差較小。

2.2.2 噴嘴氣速的影響

圖8和圖9為預(yù)提升氣體速度Ur=2.4 m/s，固體循環(huán)強(qiáng)度Gs=70 kg/(m2·s)，噴嘴射流氣體速度Uj分別為41.8、64.2和78.5 m/s時(shí)變徑結(jié)構(gòu)進(jìn)料段不同高度內(nèi)固含率和顆粒速度的徑向分布。

圖8 變徑結(jié)構(gòu)進(jìn)料段不同噴嘴氣速下軸向截面內(nèi)的固含率徑向分布Fig.8 Distributions of solids hold-up at each heights under different jet gas velocitiesUr=2.4 m/s; Gs =70 kg/(m2·s)H/m: (a) 0.370; (b) 0.185; (c) -0.100; (d)-0.185; (e) -0.370

圖9 變徑結(jié)構(gòu)進(jìn)料段不同噴嘴氣速下軸向截面內(nèi)的顆粒速度徑向分布Fig.9 Distributions of particle velocity at each heights under different jet gas velocitiesUr=2.4 m/s; Gs =70 kg/(m2·s)H/m: (a) 0.370; (b) 0.185; (c) -0.100; (d)-0.185; (e) -0.370

由圖8和圖9可知，隨著噴嘴氣速增大，軸向各個(gè)位置內(nèi)固含率和顆粒速度徑向分布的整體變化趨勢(shì)基本不變，固含率數(shù)值有所減小，而顆粒速度數(shù)值增大。在噴嘴的上游區(qū)域的邊壁區(qū)，固含率徑向變化梯度較大，噴嘴下游區(qū)域固含率徑向變化梯度較小，隨著噴嘴氣速逐漸提高，各截面邊壁處的固含率徑向變化梯度均有所減小，這是由于當(dāng)噴嘴氣速較高時(shí)，射流相的“剛度”較大，其耗散速率較慢，使中心區(qū)到邊壁區(qū)的固含率徑向變化梯度變小，更為均勻。但氣速過(guò)大會(huì)使中心區(qū)顆粒濃度進(jìn)一步降低，使噴嘴下游區(qū)域固含率減少較多，所以不宜采用過(guò)大的噴嘴氣速，因此可適當(dāng)增加噴嘴氣速。這與閆子涵等[10]所用φ186 mm同徑結(jié)構(gòu)相比，變徑結(jié)構(gòu)內(nèi)的顆粒速度整體“波動(dòng)”減小，顆粒分布更加均勻，有利于油、劑間更加充分地接觸。

3 結(jié) 論

通過(guò)冷模實(shí)驗(yàn)，對(duì)逆流變徑耦合提升管進(jìn)料段內(nèi)的氣-固流動(dòng)情況進(jìn)行研究，考察了局部固含率和顆粒速度的分布，并與相對(duì)應(yīng)的同徑結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，得出下列結(jié)論：

(1) 根據(jù)固含率及速度沿徑向分布情況，變徑結(jié)構(gòu)進(jìn)料混合段沿軸向自下而上分為射流上游過(guò)渡區(qū)(H為-0.370～-0.185 m)、射流影響控制區(qū)(H為-0.185～-0.100 m)和射流下游過(guò)渡區(qū)(H為-0.100～0.370 m)。

(2) 與對(duì)應(yīng)油劑逆流接觸同徑進(jìn)料段相比，變徑結(jié)構(gòu)進(jìn)料段可明顯縮短射流控制區(qū)域范圍，約縮短45.2%。

(3) 變徑結(jié)構(gòu)進(jìn)料段內(nèi)的局部固含率徑向分布比同徑結(jié)構(gòu)內(nèi)的更加均勻，顆粒速度“波動(dòng)”更小，有利于油、劑兩相均勻混合。

(4) 在操作范圍內(nèi)，提高預(yù)提升氣速和噴嘴氣速可以使催化劑顆粒在徑向分布更加均勻，但噴嘴氣速應(yīng)適當(dāng)提高，不宜過(guò)大。