流化催化裂化進(jìn)料噴嘴噴頭出口類型分析

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(1.洛陽明遠(yuǎn)石化技術(shù)有限公司， 河南 洛陽 471000；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

流化催化裂化(FCC)是非常重要的石油煉制工藝，其反應(yīng)過程主要在提升管反應(yīng)器內(nèi)完成[1]。提升管反應(yīng)器內(nèi)部分為4個反應(yīng)功能區(qū)，分別為預(yù)提升區(qū)、進(jìn)料混合區(qū)、充分混合區(qū)和充分發(fā)展區(qū)。其中，進(jìn)料混合區(qū)是最重要的區(qū)域，進(jìn)入此區(qū)域的原料油與催化劑要在很短時間內(nèi)完成混合、氣化以及60%～70%的裂化反應(yīng)，油劑接觸和混合狀況將直接影響產(chǎn)品分布及反應(yīng)收率[2]。

提升管進(jìn)料區(qū)的油劑接觸和混合狀況復(fù)雜，同時受工藝操作條件和設(shè)備進(jìn)料結(jié)構(gòu)形式的影響[3]。作為輸送進(jìn)料的專用結(jié)構(gòu)，進(jìn)料噴嘴的作用是決定性的，對不同形式進(jìn)料噴頭的混合性能展開研究具有實際意義[4]。受提升管進(jìn)料區(qū)內(nèi)多股側(cè)向射流的影響，現(xiàn)有的實驗測量技術(shù)很難實現(xiàn)提升管進(jìn)料混合區(qū)所有流動與混合的直接定量。文中采用計算流體力學(xué)(CFD)方法對進(jìn)料噴嘴噴頭的類型進(jìn)行了分析和研究[5]。

1 進(jìn)料噴嘴常用噴頭出口類型

1.1 噴頭單一扁平出口型

目前，國內(nèi)使用的主流FCC進(jìn)料噴嘴的噴頭大部分是扁平結(jié)構(gòu)，包括BWJ型、LPC型、CS型和UPC型等[6-7]，典型的噴頭單一扁平出口型進(jìn)料噴嘴見圖1。

圖1 單一扁平出口型進(jìn)料噴嘴

扁平出口類型的進(jìn)料噴嘴也有其他多種改進(jìn)形式，例如，在噴頭處增加二次霧化蒸汽、改變噴頭出口內(nèi)部過渡段等。這類進(jìn)料噴嘴的特點是，可將原料油氣呈薄扇形噴出，噴嘴對稱布置產(chǎn)生的噴霧射流可以覆蓋到整個提升管截面，霧化油滴速率適中，既能穿透上升的催化劑流股，又可減少提升管充分混合區(qū)返混，不使催化劑產(chǎn)生較大的破碎損耗，有利于延長催化劑的工作周期。單一扁平出口噴頭類型的進(jìn)料噴嘴工況適應(yīng)性好，方便操作。因此單一扁平出口噴頭類型的進(jìn)料噴嘴在國內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。

1.2 噴頭多孔出口型

多孔類型噴嘴是近年出現(xiàn)的進(jìn)料噴嘴出口類型，在國內(nèi)外均有應(yīng)用，包括UOP的 Optimix型、DM型等。典型的多孔類型噴頭見圖2。

在頭部設(shè)置孔洞，孔洞成橢圓形布置是這類噴嘴的基本結(jié)構(gòu)形式。在設(shè)計實踐中，多孔噴頭又逐漸演變出一些變化形式，例如在噴孔內(nèi)加耐磨件、孔洞成異形分布等。此類進(jìn)料噴嘴應(yīng)用的共同特點是，原料具有良好的統(tǒng)計分布與空間分布特性，平均液滴粒徑較小、粒徑分布較窄、極少出現(xiàn)大液滴，而且原料油氣空間分布可以達(dá)到無死區(qū)效果。

圖2 多孔出口型進(jìn)料噴嘴

此類型進(jìn)料噴嘴結(jié)構(gòu)更有利于原料油均勻、迅速、充分地與催化劑接觸。但同時，由于增強穿透力需要原料油氣有較高的初速度，因此會導(dǎo)致進(jìn)料局部流速較高，不利于催化劑長周期工作。

2 進(jìn)料噴嘴數(shù)值模型及求解

2.1 幾何模型與邊界條件

某180萬t/a FCC裝置提升管高35 m，底部直徑0.8 m，上部直徑1.2 m，采用8支進(jìn)料噴嘴，進(jìn)料噴嘴與提升管中線的夾角為45°。對此提升管建模，見圖3。圖3的幾何模型中，原料油進(jìn)口邊界條件為，原料油質(zhì)量流量225 t/h，蒸汽質(zhì)量流量6.75 t/h，溫度523.15 K；提升管進(jìn)口的邊界條件為，催化劑循環(huán)質(zhì)量流量1 384.8 t/h，蒸汽質(zhì)量流量6.92 t/h，溫度923.15 K；提升管出口邊界條件為，壓力166.713 kPa，溫度763.15 K。

圖3 流化催化裂化裝置提升管及4種噴嘴幾何模型

圖3的幾何模型包括提升管模型和編號為Ⅰ～Ⅳ的4種類型提升管進(jìn)料噴嘴模型。Ⅰ號模型表示進(jìn)料噴嘴出口設(shè)置于提升管與進(jìn)料噴嘴相貫線處，不設(shè)置噴頭，直接噴入提升管內(nèi)。Ⅱ號模型表示噴頭多孔出口型進(jìn)料噴嘴。Ⅲ號模型表示進(jìn)料噴嘴深入提升管一段距離，同樣不設(shè)置噴頭。Ⅳ號模型表示進(jìn)料噴嘴噴頭為扁平出口型。

2.2 計算模型

2.2.1曳力模型

在FCC流體流動的數(shù)值計算過程中，相比于顆粒應(yīng)力，曳力的作用更為關(guān)鍵[8]，曳力系數(shù)對流動影響顯著，進(jìn)而影響數(shù)值計算結(jié)果。而FCC提升管內(nèi)流動的非均勻結(jié)構(gòu)對曳力有重要影響，需要在曳力模型中考慮非均勻結(jié)構(gòu)的影響，在數(shù)學(xué)物理模型選擇中采用基于EMMS的曳力模型[9-10]。

此模型通過建立穩(wěn)定性條件將宏觀整體行為和單顆粒作用行為進(jìn)行耦合，模型數(shù)學(xué)表達(dá)式如下。

其中

曳力模型通常表示為βuslip，β為相間動量傳遞交換系數(shù)，uslip為滑移速度，m/s。上述各數(shù)學(xué)表達(dá)式中，CD為單顆粒標(biāo)準(zhǔn)曳力系數(shù)；Re為提升管內(nèi)的流動雷諾數(shù)；dp為顆粒直徑，m；εp為固相的體積分?jǐn)?shù)；εg為氣相的體積分?jǐn)?shù)；ρg為提升管內(nèi)氣相密度，kg/m3；vp和vg分別為提升管內(nèi)催化劑速度和油氣速度，m/s。

2.2.2傳熱模型

FCC提升管內(nèi)的傳熱模型非常復(fù)雜。原料油氣化過程中的熱量變化采用two-resistance模型。原料油和催化劑之間傳熱采用lavieville-et-al模型，此模型可用于模擬氣體界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，在這個模型中假設(shè)氣相的蒸發(fā)和冷凝是快速發(fā)生的，這個特征符合原料油噴入提升管后快速氣化的現(xiàn)象[11]。催化裂化油氣和催化劑之間采用nusselt-number模型，這個模型是傳熱的通用模型，適用于一般形式的熱量交換。

two-resistance模型描述熱量變化的數(shù)學(xué)公式如下。

在氣相(原料油汽化后為氣相)介質(zhì)中：

在液相(原料油噴入時為液滴)介質(zhì)中：

2.2.3化學(xué)反應(yīng)模型

集總方法是研究FCC提升管內(nèi)反應(yīng)最為普遍的一種方法[12-13]。它是將提升管內(nèi)復(fù)雜的反應(yīng)按其反應(yīng)動力學(xué)性質(zhì)的相似性劃分為若干虛擬組分，用1個虛擬組分代表反應(yīng)動力學(xué)相似的反應(yīng)集總，通過構(gòu)建虛擬組分之間的反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)來表達(dá)提升管內(nèi)的整個反應(yīng)[14]。集總組分劃分見表2，詳細(xì)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)、反應(yīng)速率常數(shù)和活化能可參看文獻(xiàn)[15]。

表1 十二集總反應(yīng)動力學(xué)模型各集總劃分

3 計算結(jié)果與分析

3.1 油氣跡線及速度

采用Ⅰ～Ⅳ號噴嘴進(jìn)料模擬催化劑在提升管進(jìn)料混合區(qū)的油氣跡線氣相速度，見圖4。圖4顯示，Ⅰ號和Ⅲ號噴嘴的油氣流動方向和流動速度分布相似，這是因為Ⅰ號和Ⅲ號噴嘴結(jié)構(gòu)相似。在相同的流速下，Ⅲ號噴嘴中的油氣比Ⅰ號噴嘴的更接近提升管中心區(qū)域，這是因為Ⅲ號噴嘴比Ⅰ號噴嘴向提升管內(nèi)部多了一段延伸。

對比圖4各型號噴嘴流速及跡線可知，Ⅱ號噴嘴、Ⅲ號噴嘴和Ⅳ號噴嘴在進(jìn)料混合段中噴出的原料油與催化劑的混合狀態(tài)不同，Ⅱ號噴嘴的流動跡線分布比其他型號噴嘴均勻，進(jìn)料噴嘴的噴頭出口類型影響提升管進(jìn)料混合段的流動。Ⅱ號和Ⅳ號噴頭結(jié)構(gòu)形式使得其比Ⅲ號噴嘴的原料油流通截面積小，原料油的出流速度高于Ⅲ號噴嘴。原料油速度提高之后具有更強的穿透力，可以使得原料油到達(dá)提升管的中心區(qū)域。Ⅱ號噴嘴的結(jié)構(gòu)形式增加了原料油軸向分布的擴張角，使得原料油在進(jìn)料混合段的空間分布特性優(yōu)于Ⅳ號噴嘴。

3.2 催化劑分布

采用Ⅰ～Ⅳ號噴嘴進(jìn)料模擬提升管進(jìn)料混合區(qū)橫斷面上的氣相體積分?jǐn)?shù)，見圖5。從圖5可見Ⅲ號噴嘴的氣相體積分?jǐn)?shù)分布比I號噴嘴均勻，所以Ⅲ號噴嘴的油氣與催化劑混合狀態(tài)優(yōu)于I號噴嘴。Ⅱ號噴嘴和Ⅳ噴嘴的氣相體積分?jǐn)?shù)在提升管進(jìn)料混合區(qū)有更好的空間分布特性，其油氣與催化劑混合優(yōu)于Ⅰ號噴嘴和Ⅲ號噴嘴。Ⅱ號噴嘴的油氣在進(jìn)料混合區(qū)的氣相空間分布特性優(yōu)于其他進(jìn)料噴嘴出口類型。

圖5 不同進(jìn)料噴嘴后0.15 m切面氣相體積分?jǐn)?shù)

采用Ⅰ～Ⅳ號噴嘴進(jìn)料模擬催化劑在提升管進(jìn)料混合區(qū)的軸向分布，得到的催化劑體積分?jǐn)?shù)見圖6。從圖6可知，隨著提升管向上延伸，Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ號噴嘴催化劑慢慢回流到邊壁，在此過程中有利于油氣與催化劑進(jìn)行充分混合。Ⅱ號噴嘴對應(yīng)的油氣呈多股細(xì)圓柱狀噴出，可以穿過提升管的催化劑到達(dá)提升管的中心區(qū)域，噴出的原料油可以具有不同的入射角，并且可以調(diào)整原料油的入射角，完全覆蓋提升管進(jìn)料混合段的截面。但原料油氣需要更高的速度才能到達(dá)提升管中心區(qū)域，不利于催化劑長周期工作，并且催化劑在提升管邊壁的密度大于提升管中心區(qū)域，不利于提升管充分混合區(qū)油氣與催化劑充分混合。

圖6 不同噴嘴提升管內(nèi)催化劑體積分?jǐn)?shù)

3.3 溫度分布

采用Ⅰ～Ⅳ號噴嘴進(jìn)料模擬提升管進(jìn)料混合區(qū)的軸向油氣溫度分布，見圖7。

對比圖7與圖6可知，提升管內(nèi)的反應(yīng)溫度分布與催化劑體積分?jǐn)?shù)分布相似，在催化劑體積分?jǐn)?shù)較高的區(qū)域，可以觀察到高溫。

圖7 不同噴嘴提升管內(nèi)溫度分布

從圖7可知，Ⅱ號噴嘴提升管進(jìn)料混合區(qū)具有較好的溫度分布，這有利于原料油在進(jìn)料混合區(qū)迅速氣化，沿進(jìn)料混合區(qū)向上可觀察到邊壁溫度高于中心溫度。Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ號噴嘴的出口類型使得在提升管進(jìn)料混合段的溫度分布不均勻，邊壁與中心溫差較大，不利于原料油迅速氣化，原料較重時較易結(jié)焦，但沿提升管向上，在提升管充分混合區(qū)溫度分布較為均勻。

4 結(jié)語

進(jìn)料噴嘴不同的出口類型對FCC裝置提升管內(nèi)的催化劑分布有不同的影響，尤其在提升管進(jìn)料混合段和提升管充分混合區(qū)的催化劑分布不同，進(jìn)料混合段是重要區(qū)域，但是對噴嘴性能的評價不能只看進(jìn)料混合段的催化劑分布，需要整體考慮。

多孔進(jìn)料噴頭在進(jìn)料混合段有較好的分布，但其在提升管充分混合區(qū)的分布不好，且入射初速度較高，容易造成催化劑磨損。而扁口噴嘴在油氣進(jìn)料混合段分布較多孔噴頭差，但油氣與催化劑在提升管充分混合區(qū)分布較好。兩種出口類型的噴頭有各自特點，出口扁平的噴頭操作彈性大，處理較輕組分原料油優(yōu)勢明顯，而多孔噴頭適合處理組分較重的原料油。