斜管內(nèi)FCC催化劑流態(tài)與閥門開度關(guān)系的實(shí)驗(yàn)研究

王創(chuàng)博， 石睿捷， 馬 玲， 王乃嘉， 嚴(yán)超宇， 魏耀東

(中國石油大學(xué)(北京) 機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院， 北京 102249)

斜管是循環(huán)流化床顆粒循環(huán)回路中的一個(gè)組成部分，主要用于將從氣-固分離系統(tǒng)收集的顆粒輸送到流化床或在2個(gè)流化床之間的顆粒輸送，保證整個(gè)工藝過程的穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)維持整個(gè)顆粒循環(huán)系統(tǒng)的壓力平衡[1-4]。斜管氣-固輸送與立管、水平管的氣-固輸送相比，雖然同樣是顆粒順重力從高處的低壓端向低處的高壓端流動，但斜管內(nèi)顆粒的流動方向與重力方向不一致，這種流動方式導(dǎo)致了顆粒輸送過程的波動性和流態(tài)的多樣性。Zhu等[5]在斜管的氣力輸送過程中觀察到了分散流、塞狀流等不同流態(tài)。Rao等[6]、Hong等[7]用聚丙烯顆粒進(jìn)行斜管氣力輸送的研究，在實(shí)驗(yàn)中觀察到了不同流態(tài)，提出了一個(gè)模型來判別不同流態(tài)之間的轉(zhuǎn)變。Albion等[8]通過對非接觸式聲音探針信號進(jìn)行在線分析，開發(fā)出了一種可行的流態(tài)檢測方法，用于任何角度、任意距離的氣-固輸送管道中。盧春喜[9]將斜管內(nèi)的氣-固兩相流態(tài)劃分為黏滑流動、過渡流和充氣流動，這種流態(tài)隨著斜管上的閥門開度逐漸增大依次變化。此外，還有研究者通過對斜管進(jìn)行不同傾斜角度的氣-固流動實(shí)驗(yàn)，在考察斜管內(nèi)流態(tài)變化的同時(shí)還建立了斜管壓降的計(jì)算模型[10-13]。

斜管的下端通常安裝有不同形式的閥門(插板閥、蝶閥等)，用于調(diào)節(jié)循環(huán)流化床的顆粒質(zhì)量流率，如流化催化裂化裝置中的再生滑閥和待生滑閥。現(xiàn)場應(yīng)用表明，氣-固兩相閥門的開度變化與對應(yīng)的顆粒質(zhì)量流率之間并不是一種線性的關(guān)系。但到目前為止，研究者主要針對垂直立管上的閥門開展了研究。羅寶林等[14]實(shí)驗(yàn)分析了立管下端下料閥對顆粒質(zhì)量流率的調(diào)節(jié)作用。隨著下料閥開度的增大，顆粒循環(huán)速率增大。在下料閥開度較小時(shí)，顆粒循環(huán)速率變化幅度較大；當(dāng)下料閥開度較大時(shí)，顆粒循環(huán)速率變化幅度較小。陳勇等[15]指出，立管上顆粒通過閥門的流動與孔口排料相類似，可以通過對插板閥上的流態(tài)和壓力脈動的分析監(jiān)視插板閥的調(diào)控效果。有文獻(xiàn)研究指出，影響移動床流態(tài)孔口排料的因素有孔口面積與負(fù)壓差的大小[16-17]。Marin等[18]建立了斜管內(nèi)顆粒循環(huán)流率與壓力脈動的標(biāo)準(zhǔn)偏差的關(guān)系式，可以通過壓力脈動的標(biāo)準(zhǔn)偏差對顆粒循環(huán)流率進(jìn)行實(shí)時(shí)在線測量。然而，有關(guān)斜管下部閥門對顆粒質(zhì)量流率的調(diào)節(jié)機(jī)制的研究文獻(xiàn)還比較缺乏。

筆者在斜管上通過改變蝶閥的開度，對閥前的顆粒流態(tài)變化進(jìn)行視頻觀測，并對斜管顆粒質(zhì)量流率進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，分析蝶閥開度對斜管顆粒流動的調(diào)節(jié)機(jī)制，以期能提高對閥門調(diào)控過程的認(rèn)識，為工業(yè)斜管閥門的設(shè)計(jì)和使用提供一定的參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

斜管輸送實(shí)驗(yàn)裝置主要由料斗、垂直立管、彎頭、斜管、蝶閥所構(gòu)成，如圖1所示。圖2是蝶閥的安裝方式示意圖。蝶閥閥桿在斜管的側(cè)面(正對于紙面)，在實(shí)驗(yàn)過程中，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)閥桿，依次從開度0增加到開度8。其中垂直立管的直徑為φ150 mm，長度1800 mm；斜管的直徑為φ150 mm，長度3400 mm，蝶閥位于斜管出口1000 mm處，斜管傾角為45°，斜管出口通大氣。實(shí)驗(yàn)物料為FCC平衡催化劑，物性數(shù)據(jù)如表1所示。立管和斜管均采用有機(jī)玻璃制造。

圖1 斜管實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the inclined pipe device1—Hopper； 2—Standpipe； 3—Elbow；4—Inclined pipe； 5—Butterfly valve

圖2 蝶閥的安裝方式Fig.2 Installation of butterfly valve

1.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)與實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)過程中，首先將斜管出口處的蝶閥關(guān)閉，然后向斜管、立管以及料斗中加入FCC催化劑，一直填滿料斗。打開蝶閥后固定在某一開度，催化劑順著立管和斜管向下流動，料斗料位逐漸降低，直至催化劑全部流完。在此過程中，觀察斜管內(nèi)顆粒的流態(tài)形式，同時(shí)進(jìn)行顆粒質(zhì)量流率的測量。斜管上沒有設(shè)置松動點(diǎn)，不存在通入松動風(fēng)的情況。

表1 FCC平衡催化劑的物性Table 1 Physical properties of FCC equilibrium catalyst

將蝶閥關(guān)閉記為0開度，蝶閥全開記為8開度，即蝶閥共有9個(gè)開度(開度0～開度8)。在實(shí)驗(yàn)前期準(zhǔn)備過程中，對不同開度下顆粒裝滿量桶的時(shí)間進(jìn)行粗測。表2為蝶閥不同開度下催化劑裝滿量桶所需的時(shí)長。

表2 蝶閥不同開度裝滿量桶時(shí)長Table 2 Time needed to fill container-full underdifferent opening degrees

由表2可知，蝶閥不同開度下催化劑裝滿量桶所需的時(shí)長差別較大，表明不同蝶閥開度下的斜管的顆粒質(zhì)量流率差別較大。為此在實(shí)驗(yàn)操作過程中，根據(jù)不同的蝶閥開度，采用不同的計(jì)量時(shí)間Δt，這是因?yàn)椋瑸榱吮ＷC各個(gè)開度下催化劑的總量一樣，在測量過程中就要保證催化劑不能溢出量桶，所以實(shí)際測量時(shí)選擇的計(jì)量時(shí)間Δt要比表2中相對應(yīng)的粗測時(shí)間短，見表3，每1個(gè)計(jì)量時(shí)間Δt即為1個(gè)測量階段，不間斷連續(xù)測量下料量，直到料斗催化劑流完。實(shí)驗(yàn)過程中催化劑總量為191 kg，不同開度下顆粒質(zhì)量流率的測量采用顆粒堆積計(jì)量法，計(jì)算公式如下：

(1)

式中，q為顆粒平均質(zhì)量流率，kg/s；M為顆粒質(zhì)量，kg；Δt為測量時(shí)間，s。

表3 蝶閥不同開度所取計(jì)量時(shí)間Table 3 Selected time interval under different opening degrees

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

圖3為斜管內(nèi)顆粒不同流態(tài)。實(shí)驗(yàn)過程中，碟閥開度由小到大逐漸增大可以觀察到催化劑在斜管內(nèi)有4種不同的流態(tài)，即蠕動流、波動流、分層流和流化流。當(dāng)?shù)y處于1～3開度時(shí)，顆粒質(zhì)量流率比較小，顆粒在斜管內(nèi)呈現(xiàn)一動一停的脈沖式運(yùn)動，并伴隨有規(guī)律性的“嚓嚓”摩擦聲，同時(shí)偶爾有尺寸較小的氣泡緩慢地從蝶閥進(jìn)入斜管上部。催化劑顆粒下行是一種蠕動流的流態(tài)(見圖3(a))。此時(shí)斜管輕微振動，但幅度不明顯。

當(dāng)?shù)y處于4～5開度時(shí)，顆粒質(zhì)量流率隨之增加，氣泡從蝶閥處竄入斜管的速率明顯加快，氣泡之間混合形成尺寸比較大的氣泡，并以更快的速度向上運(yùn)動。從蝶閥下部觀察到顆粒質(zhì)量流率呈現(xiàn)出一種波動流的流態(tài)(見圖3(b))。此時(shí)氣-固兩相返混劇烈，導(dǎo)致整個(gè)斜管劇烈振動。

當(dāng)?shù)y處于6～7開度時(shí)，顆粒質(zhì)量流率進(jìn)一步加大，隨著竄入氣體量的進(jìn)一步加大，波動流時(shí)的大氣泡之間進(jìn)一步混合，在斜管橫截面的上部形成一個(gè)連續(xù)的氣體上行通道，此時(shí)顆粒順著斜管橫截面的下部流動，呈現(xiàn)出一種分層流的流態(tài)(見圖3(c))，斜管振動減弱。

當(dāng)?shù)y處于8開度時(shí)，此時(shí)觀察不到上行的氣體，滿管顆粒帶動氣體向下運(yùn)動，能夠聽到明顯的顆粒與管壁連續(xù)摩擦的聲音，呈現(xiàn)出一種滿管流化的流態(tài)(見圖3(d))。

圖3 斜管內(nèi)顆粒不同流態(tài)Fig.3 Different flow patterns in inclined pipe(a) Creeping flow； (b) Undulated flow； (c) Stratified flow； (d) Fluidized flow

2.2 蝶閥開度對顆粒質(zhì)量流率的影響

實(shí)驗(yàn)表明，蝶閥只能對顆粒質(zhì)量流率進(jìn)行調(diào)節(jié)，無法阻止竄氣和決定竄氣量的大小。圖4為斜管內(nèi)顆粒質(zhì)量流率與蝶閥開度的關(guān)系。由圖4可見，兩者之間不是線性關(guān)系，而是呈現(xiàn)出S型曲線分布，這與曹曉陽等[19]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一致的。在1～3開度和7～8開度這兩個(gè)范圍內(nèi)，蝶閥處于非可控制區(qū)，即蝶閥開度的改變使顆粒質(zhì)量流率變化不明顯，說明此情況下閥門的調(diào)控能力差。而在3～7開度范圍內(nèi)，蝶閥處于可控制區(qū)，此范圍內(nèi)開度大小能夠顯著地改變顆粒質(zhì)量流率，即閥門有很好的調(diào)控能力。

圖4 蝶閥開度與顆粒質(zhì)量流率的關(guān)系Fig.4 Relationship between butterfly valve openratio and particle mass flux

2.3 顆粒質(zhì)量流率的波動變化

在固定蝶閥開度和計(jì)量時(shí)間Δt的條件下，依次從開度1到開度8進(jìn)行8組工況下料過程中的顆粒質(zhì)量流率的連續(xù)測量，得到不同開度下顆粒質(zhì)量流率隨時(shí)間的變化，如圖5所示。

由圖5(a)～圖5(c)可知，顆粒質(zhì)量流率不同且相鄰開度之間相差較大，但蝶閥處于某一特定開度時(shí)卻有著相似的變化規(guī)律。流型為蠕動流時(shí)，都存在多個(gè)時(shí)間段，質(zhì)量流率保持穩(wěn)定，但是維持的時(shí)間較短。這是因?yàn)槿鋭恿鲿r(shí)，當(dāng)沒有小氣泡竄入時(shí)，顆粒的脈沖式下料過程相對穩(wěn)定；當(dāng)有小氣泡隨機(jī)地從蝶閥排料口進(jìn)入到斜管上部時(shí)，此時(shí)阻礙了顆粒的正常下行，進(jìn)而造成了顆粒質(zhì)量流率的變化。

由圖5(d)～圖5(e)可知，以波動流態(tài)進(jìn)行顆粒輸送時(shí)，顆粒質(zhì)量流率隨時(shí)間劇烈變化，顆粒質(zhì)量流率的變化幅度在斜管的4種輸送流態(tài)中最大。這是因?yàn)樾惫軆?nèi)部顆粒不僅受到器壁阻力，還會形成架橋，顆粒不能順暢且及時(shí)地下落，而已經(jīng)下落的顆粒會在蝶閥位置處短暫地形成一個(gè)空腔，使得閥下壓力大于閥口的壓力形成了負(fù)壓抽吸的作用，這樣抽吸而來的氣體形成上竄氣泡。與蠕動流態(tài)輸送相比，波動流時(shí)氣泡出現(xiàn)的頻率加快且氣泡尺寸加大，阻礙顆粒下落的能力也越來越強(qiáng)，使得顆粒質(zhì)量流率波動幅度最大。

由圖5(f)～圖5(g)可知，流型為分層流時(shí)，在測量開始后的前10 s內(nèi)，顆粒質(zhì)量流率有一個(gè)明顯的變小過程。這是因?yàn)楫?dāng)?shù)y開啟后，閥門迅速達(dá)到大開度狀態(tài)，斜管內(nèi)部的催化劑顆粒由靜態(tài)瞬間變?yōu)閯討B(tài)，顆粒在最初的幾秒時(shí)間內(nèi)迅速下落。隨著顆粒下落，氣體從蝶閥進(jìn)入斜管并逐漸在斜管上方形成一個(gè)上行的氣體通道，氣-固兩相依然會發(fā)生返混，較波動流而言質(zhì)量流率波動程度減弱，但依然在波動。

由圖5(h)可知，在測量開始后的前10 s內(nèi)質(zhì)量流率變化與分層流動的情況相類似，不同之處在于經(jīng)過了這個(gè)短暫的不穩(wěn)定流動之后，當(dāng)流動時(shí)間超過10 s后，顆粒質(zhì)量流率基本不隨時(shí)間而變化，這是因?yàn)榇藭r(shí)下行顆粒夾帶氣體一起向下運(yùn)動，氣-固返混程度最小，該狀態(tài)下斜管輸送顆粒處于穩(wěn)定狀態(tài)，因此顆粒的質(zhì)量流率變化保持穩(wěn)定狀態(tài)。

通過分析不同開度下顆粒質(zhì)量流率曲線的變化，存在2種特殊情況：

(1)當(dāng)?shù)y開度較大時(shí)，如開度處于6～8時(shí)，此時(shí)在蝶閥開啟后的第一個(gè)測量階段內(nèi)，顆粒質(zhì)量流率要遠(yuǎn)大于流動穩(wěn)定時(shí)的測量值，在質(zhì)量流率變化曲線上表現(xiàn)為從第一個(gè)測量階段到第二個(gè)測量階段，顆粒質(zhì)量流率曲線驟減，如圖5(f)～圖5(h)所示。這是因?yàn)?，?dāng)對整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置完成裝料后，蝶閥分別開啟到這3種開度時(shí)，由于開度大，閥口處的顆粒在極短的時(shí)間內(nèi)由靜止轉(zhuǎn)變?yōu)檫\(yùn)動狀態(tài)，并帶動整個(gè)裝置中的顆粒由靜止?fàn)顟B(tài)迅速轉(zhuǎn)化為流動狀態(tài)，顆粒整體下落過程中的推動力在第一個(gè)測量階段內(nèi)達(dá)到最大，因而質(zhì)量流率此時(shí)達(dá)到最大。當(dāng)顆粒下落的過程中推動力穩(wěn)定之后，整體的質(zhì)量流率趨于穩(wěn)定。

(2)蝶閥無論處于哪一個(gè)開度，在最后的測量階段，顆粒質(zhì)量流率都有一個(gè)很明顯的降低過程，這是因?yàn)殡S著時(shí)間的推移，整個(gè)裝置中的顆粒逐漸減少，顆粒下落過程中的推動力越來越小，因而顆粒質(zhì)量流率也越來越小。

筆者通過不同開度下顆粒質(zhì)量流率變化規(guī)律的不同來達(dá)到識別流態(tài)的目的，變量是開度。因此，某一特定開度下，顆粒下落的過程中料位的變化對顆粒質(zhì)量的影響在此處沒有考慮。在下料的過程中，料斗中心處和邊緣處相比下落速度較快，整個(gè)物料表面呈現(xiàn)出一種錐形的結(jié)構(gòu)，因而不同位置處料位高度不同，此時(shí)如何準(zhǔn)確地描述料位高度，進(jìn)一步來研究特定開度下床層壓降(即料斗中的料位)變化對顆粒質(zhì)量流率的影響，還需要深入進(jìn)行系統(tǒng)的研究。

圖5 不同流型下顆粒質(zhì)量流率曲線Fig.5 Particle mass flux profiles under different flow patterns(a) Opening degree 1： q=0.009 kg/s; (b) Opening degree 2： q=0.068 kg/s; (c) Opening degree 3： q=0.223 kg/s;(d) Opening degree 4： q=0.594 kg/s; (e) Opening degree 5：q=0.982 kg/s; (f) Opening degree 6： q=1.808 kg/s;(g) Opening degree 7： q=2.060 kg/s; (h) Opening degree 8： q=2.231 kg/s

2.4 顆粒質(zhì)量流率的不穩(wěn)定性分析

為了更好地比較不同開度下顆粒質(zhì)量流率的穩(wěn)定性，將顆粒質(zhì)量流率波動的平均幅度進(jìn)行無量綱化處理為

(2)

式中，R為不同開度下顆粒質(zhì)量流率的穩(wěn)定程度，無量綱參數(shù)；ΔM為顆粒質(zhì)量流率的波動值，kg/s；q為不同開度下對應(yīng)的平均質(zhì)量流率，kg/s。

現(xiàn)將不同開度下的質(zhì)量流率進(jìn)行無量綱化處理，如圖6所示。由圖6可以看出，隨著蝶閥開度的逐漸增大，顆粒質(zhì)量流率的R曲線表現(xiàn)為先增大再減小，最后趨于平穩(wěn)，這就表明斜管在下料的過程中顆粒流動的不穩(wěn)定性隨著蝶閥開度的增加先增強(qiáng)再減弱，最后趨于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)開度比較小時(shí)，此時(shí)顆粒質(zhì)量流率較小，催化劑顆粒下行是一種蠕動流的流態(tài)，此時(shí)斜管輕微振動，但幅度不明顯。當(dāng)?shù)y處于開度4時(shí)，R曲線出現(xiàn)峰值，這是因?yàn)闅馀葜g聚并形成尺寸比較大的氣泡，并以更快的速度向上運(yùn)動，顆粒質(zhì)量流率呈現(xiàn)出一種波動流的流態(tài)，此時(shí)整個(gè)下料過程中質(zhì)量流率波動最大。隨著開度的進(jìn)一步增大，R值急劇減小并趨于穩(wěn)定，這是因?yàn)轭w粒的流態(tài)從波動流過渡到了分層流和滿管流化流動，在這種情況下，氣-固兩相整體流動平穩(wěn)。因此，通過數(shù)據(jù)分析并結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，可以將R作為流動穩(wěn)定性的判據(jù)。因此，當(dāng)R<0.15時(shí)，斜管內(nèi)氣-固兩相流動處于穩(wěn)定流動狀態(tài)；當(dāng)R>0.15時(shí)，斜管內(nèi)氣-固兩相流動處于不穩(wěn)定流動狀態(tài)。

圖6 顆粒質(zhì)量流率的無量綱化分析Fig.6 Dimensionless analysis of particle mass flux

3 結(jié) 論

在傾角為45°、直徑為150 mm的斜管輸送實(shí)驗(yàn)裝置上，考察了不同蝶閥開度下斜管內(nèi)的顆粒輸送流態(tài)，分析了下料過程中的顆粒質(zhì)量流率隨時(shí)間的變化規(guī)律，得出以下結(jié)論：

(1)顆粒質(zhì)量流率隨著蝶閥開度的改變呈非線性變化。蝶閥對顆粒質(zhì)量流率的調(diào)節(jié)存在2個(gè)非可控制區(qū)和1個(gè)可控制區(qū)，在可控制區(qū)內(nèi)，蝶閥對顆粒質(zhì)量流率具有調(diào)節(jié)作用，而在非可控制區(qū)，蝶閥起不到調(diào)節(jié)作用。

(2)在不同蝶閥開度下，觀察了斜管內(nèi)顆粒輸送過程的4種流態(tài)現(xiàn)象，即蠕動流、波動流、分層流、流化流。在不同輸送流態(tài)下，顆粒質(zhì)量流率隨時(shí)間的變化曲線呈不同形態(tài)。在4種輸送流態(tài)中，波動流態(tài)下的顆粒質(zhì)量流率曲線的變化幅度最大。

(3)根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的顆粒質(zhì)量流率隨時(shí)間的變化曲線，可用于識別斜管內(nèi)的顆粒輸送流態(tài)類型。