催化裂化中可壓縮湍流氣固兩相數(shù)值模擬

周迪鋒，劉冬玉

(1.上海儀器儀表自控系統(tǒng)檢驗測試所有限公司，上海 200233；2.浙江工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

引言

催化裂化是將重油深度加工生產(chǎn)高辛烷值汽油、柴油、液化石油氣等高附加值產(chǎn)品的石油煉制過程，催化裂化裝置的長周期安全穩(wěn)定運行一直是煉油工業(yè)所追求的目標(biāo)[1]。

催化裂化裝置的活力是靠流化態(tài)的催化劑顆粒循環(huán)。催化劑是粒徑20～100 μm的固體球形顆粒，主要成分是氧化鋁。催化劑在整個裝置中都處于流化狀態(tài)，通過氣流的輸送實現(xiàn)循環(huán)流動。由于大量催化劑在催化裂化裝置中高速流動和多次循環(huán)，使得裝置中的許多構(gòu)件工作在高溫、大量固體顆粒不斷沖刷、撞擊的環(huán)境下，會引發(fā)2方面的問題：一方面高速運動的催化劑顆粒在循環(huán)過程中，經(jīng)過一些部位時線速度過高，對管壁的撞擊引起催化劑顆粒的破碎,使價格昂貴的催化劑大量跑損，同時催化劑顆粒減少會使裝置的流化質(zhì)量惡化，對催化裂化反應(yīng)有很大影響[2-3]；另一方面由于催化劑顆粒的撞擊與沖刷，造成催化裂化裝置中的諸多構(gòu)件沖蝕磨損,對裝置的長期運行產(chǎn)生直接威脅，這是造成設(shè)備停工停產(chǎn)的最主要原因之一[4]。

為了使催化裂化高效進行，裝置內(nèi)氣流的設(shè)置顯得十分重要。在裝置中，氣流處于湍流狀態(tài)，氣固兩相可壓縮氣體的湍流問題是流固耦合領(lǐng)域中公認的難題之一，而湍流流動又是自然界和工程中廣泛存在的現(xiàn)象，因此很多研究人員在這個領(lǐng)域做了大量的工作。尤其是在20世紀90年代，大渦模擬亞格子模型蓬勃發(fā)展，可壓縮湍流的研究取得了巨大的進步。LARCHEVEQUE等[5]推導(dǎo)了可壓縮LES的控制方程；GERMANO等[6]提出的動力渦粘模型開創(chuàng)了LES應(yīng)用于實際工程問題計算的先例；ELGHOBASHI[7]研究了應(yīng)用LES解決多種幾何形狀的氣固兩相流動。

催化裂化過程的核心步驟是原油在催化劑的作用下反應(yīng)，這個步驟在沉降塔內(nèi)完成。沉降塔是由圓柱直筒構(gòu)成的，簡化沉降塔，用一個圓柱形流道代替。分析流道中的氣場和催化劑的運動特征，采用PFC-CCFD耦合的仿真方式，取代Fluent仿真方法，來觀察流道中的每個催化劑的運動狀態(tài)，并且通過PIV觀測裝置驗證顆粒撞擊壁面。

1 兩相流控制方程

可壓縮湍流的LES控制方程通過可壓縮N-S方程Favre過濾得到：

(1)

(2)

(3)

式中，“-”——物理空間過濾

“～”——密度加權(quán)過濾

ρ——密度

ui，uj——速度分量

xi，xj——坐標(biāo)

p——壓力

σij——黏性應(yīng)力項

E——總能量

qj——熱通量

其中：

(4)

(5)

(6)

(7)

式中,Cs——Smagorinsky常數(shù)

λ——比熱

T——溫度

μ——動力黏度

2 顆粒流數(shù)值模擬

在催化裂化裝置的管道中，流場是由氣化狀態(tài)的原油構(gòu)成的，固體是催化劑顆粒，參數(shù)如表1所示，流場的管道用圓柱筒代替，尺寸如圖1和表2所示。氣固耦合數(shù)值仿真采用結(jié)合離散單元法[9-10]和計算流體動力學(xué)的方法[11-12]，用PFC3D和CCFD分別來仿真催化劑顆粒和氣場，流道網(wǎng)格如圖2所示。

表1 物理特性參數(shù)

表2 流道尺寸參數(shù) mm

圖1 流道尺寸

圖2 流道網(wǎng)格

雷諾數(shù)方程為：

Re=vD/υ

(8)

式中,Re——雷諾數(shù)

v——速度

υ——運動黏度

得到Re=6956，按照雷諾數(shù)與流體運動狀態(tài)的關(guān)系可知，此參數(shù)條件下氣場處于湍流狀態(tài)。

在PFC-CCFD的數(shù)值模擬中，在氣場中加入了1000顆催化劑顆粒，氣場和顆粒的初始速度是 20 m/s。

3 計算結(jié)果分析

3.1 曳力的分布

曳力是表示氣固兩相的相互作用和動量傳遞的重要參數(shù)，曳力大小決定了氣流對于催化劑顆粒的運動影響[13]。

曳力的分布采用Wen&Yu模型：

Fdrag=Fden+Fint

(9)

式中，F(xiàn)drag——曳力

Fden——顆粒密相的曳力

Fint——顆粒相互作用相的曳力

其中：

Fint=βintuf

(10)

Fden=εpβdenuc

(11)

式中，εp——顆粒的體積分數(shù)

uc——氣流穿過顆粒的速度

uf——氣流繞過顆粒的速度

βint，βden——曳力函數(shù)

其中，βint，βden的值可以由Wen&Yu[11]模型給出：

(12)

(13)

式中,μg——氣體的動力黏度

εmax——顆粒的最大體積分數(shù)

ρg——氣體的密度

d——顆粒的直徑

l——流道長度

Cl——尺度因子

曳力的分布如圖3所示。

圖3 曳力的分布

3.2 氣流速度分布

曳力是氣流作用在催化劑顆粒上的力，同時氣流受到一個同樣大小的反作用力，因此氣流速度的大小應(yīng)該與曳力大小的分布相反，即曳力越大，氣流速度越小，曳力越小，氣流速度越大。對比圖3、圖4印證了這一論點。

圖4 氣流速度分布

3.3 顆粒速度分布

催化劑的跑損主要是由于2方面引起的，一是催化劑顆粒與管壁的撞擊，二是催化劑顆粒與催化劑顆粒的撞擊。因此求得顆粒撞擊管壁的速度及顆粒與顆粒撞擊的速度是仿真的關(guān)鍵。

在PFC-CCFD仿真中，1000個催化劑顆粒共發(fā)生了2309次撞擊，其中顆粒和顆粒撞擊1653次，顆粒和管壁撞擊656次，平均每個顆粒發(fā)生2.3次撞擊。所有顆粒中撞擊次數(shù)最多的是8次，最少的則沒有撞擊。

催化劑顆粒撞擊速度vh分布比例如圖5所示，顆粒賦予水平方向的初速度20 m/s，撞擊速度大部分分布在18～20 m/s之間，由于顆粒之間的撞擊作用，顆粒獲得了其它方向的速度，所以顆粒的速度有可能大于初速度。大于20 m/s的撞擊速度對于催化劑的使用壽命有很大的影響。

圖5 催化劑顆粒撞擊的速度分布

催化劑顆粒的總動能如圖6所示，觀察到顆?？倓幽茏呦蜈厔荽笾驴梢苑譃?段：第1段是穩(wěn)中有升，此時撞擊發(fā)生次數(shù)較少，顆粒的速度基本不變，曳力也較小；第2段是快速下降段，此時是撞擊發(fā)生的高峰期，有碰撞就會有動能的損失，此時的曳力也最大；第3段是趨于上升段，顆粒在出流道口趨于穩(wěn)定，撞擊次數(shù)減少，曳力使得動能變大。

圖6 顆?？倓幽茈S時間步的分布

顆粒在管道中軌跡如圖7所示，從圖中可以看到顆粒在管道中的運動軌跡，顆粒就發(fā)生一次碰撞，軌跡線就發(fā)生一次轉(zhuǎn)折。

圖7 顆粒軌跡圖

3.4 撞擊速度對顆粒磨損的影響

催化劑顆粒的撞擊速度是影響催化劑使用壽命的最重要原因，撞擊速度大引起顆粒較大的磨損，使得使用壽命下降。當(dāng)催化劑分別以10，15，20，25 m/s的速度和壁面發(fā)生撞擊時，圖8為顆粒的質(zhì)量損失Δm與撞擊vh速度的關(guān)系。當(dāng)撞擊速度小于10 m/s時，基本沒有質(zhì)量損失；當(dāng)速度為15～20 m/s時，質(zhì)量損失較??；當(dāng)速度大于20 m/s，隨著速度的增加質(zhì)量損失迅速變大。表3為壁面材料屬性和催化劑材料屬性。

圖8 撞擊速度與顆粒質(zhì)量損失關(guān)系

表3 材料屬性

3.5 PIV觀測實驗

設(shè)計了催化劑撞擊壁面的觀測實驗，選用陽離子交換樹脂作為示蹤粒子，顆粒直徑在0.6～0.8 mm，用泵將顆粒流以20 m/s的速度輸入流道中，采用PIV觀測系統(tǒng)，觀察顆粒的運動和湍流運動，顆粒撞擊壁面過程如圖9所示。

圖9 顆粒撞擊壁面過程

雖然經(jīng)典流體力學(xué)中流體在壁面的速度為0，但是顆粒由于受到湍流、曳力、顆粒間撞擊的作用，使得顆粒也會撞擊壁面。

圖10是管道中湍流渦量圖。

圖10 湍流渦量

4 結(jié)論

本研究基于LES湍流模型，分析了圓柱流道內(nèi)氣固兩相流動力學(xué)特性。通過理論分析、數(shù)值模擬和實驗研究，可以得到以下結(jié)論：

(1) 曳力的分布與氣流速度分布正好相反，曳力越大，氣流速度越?。?/p>

(2) 曳力大小與催化劑總動能相反，曳力越大，催化劑總動能越?。?/p>

(3) 催化劑顆粒的速度對催化劑的質(zhì)量損失有很大影響，超過20 m/s的撞擊速度會引起較大的質(zhì)量損失；

(4) PIV試驗得到催化劑顆粒在多個作用力下，顆粒會與壁面發(fā)生碰撞。