開孔形式對(duì)盤環(huán)形擋板汽提器特性影響的模擬分析

石孝剛，姜源，張夢軒，藍(lán)興英，高金森，張永民

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

催化裂化是重質(zhì)油輕質(zhì)化的重要工藝，而汽提器是催化裂化的核心裝備之一[1]。在汽提器內(nèi)，汽提蒸汽通過與催化劑顆粒接觸，將顆粒間夾帶以及顆粒內(nèi)吸附的油氣組分汽提出來，一方面可以提高輕質(zhì)油收率，另一方面還可以避免再生器的熱負(fù)荷過高[2]。因此，如何高效地將油氣組分汽提出來，是衡量催化裂化汽提器性能的重要指標(biāo)。

汽提過程是典型的氣固相互作用過程。汽提蒸汽在汽提器內(nèi)以氣泡形式存在，其與催化劑顆粒之間的接觸與氣泡的尺寸和數(shù)量密切相關(guān)，氣泡尺寸越小、數(shù)量越多，其所能提供的相界面積就越大，汽提蒸汽與催化劑顆粒之間接觸得越充分，越有利于汽提過程的高效完成。通過在汽提器內(nèi)設(shè)置內(nèi)構(gòu)件，可以強(qiáng)化氣泡的破碎，同時(shí)可以引導(dǎo)氣固兩相在汽提器內(nèi)進(jìn)行充分接觸，是將油氣高效汽提出來的方法之一[3-4]。目前，汽提器內(nèi)的內(nèi)構(gòu)件主要有盤環(huán)形擋板、環(huán)流形擋板與填料式擋板等幾類。

高金森等[5]對(duì)比了空筒型汽提器與安裝有盤環(huán)形擋板汽提器的氣固流動(dòng)特性，結(jié)果表明，相比于空筒型汽提器，盤環(huán)形擋板能夠起到破碎氣泡的作用，且能夠引導(dǎo)氣體與催化劑顆粒按照擋板形狀進(jìn)行重新分配，使得其在床層內(nèi)曲折流動(dòng)，增加了氣固之間的接觸機(jī)會(huì)，有利于汽提效率的提升。van Kleeck 等[6]考察了環(huán)流形擋板汽提器的流動(dòng)特性，結(jié)果表明，通過安裝環(huán)流形擋板，可以實(shí)現(xiàn)汽提蒸汽與催化劑顆粒的多級(jí)串聯(lián)接觸，提升汽提效率。盧春喜等[7]提出的環(huán)流形擋板汽提器可以將氣體和催化劑顆粒分配至不同的環(huán)形空間進(jìn)行流動(dòng)，使氣體與催化劑顆粒充分接觸。劉夢溪等[8]針對(duì)環(huán)流形擋板的研究發(fā)現(xiàn)，顆粒由外環(huán)區(qū)域向內(nèi)環(huán)流動(dòng)的過程中，其水平方向的速度不僅可以在徑向上強(qiáng)化氣體與顆粒的混合接觸，還可以對(duì)大尺寸氣泡產(chǎn)生破碎剪切作用，從而增加了氣固兩相之間的接觸，有利于汽提過程的進(jìn)行。朱丙田等[9]設(shè)計(jì)了一種帶有斜片的填料柵板式擋板，斜片可以改變氣體和催化劑的流動(dòng)方向，同時(shí)能夠起到減小氣泡尺寸的作用；此外，由于填料柵板將床層空間劃分成不同的空間，可以實(shí)現(xiàn)不同空間內(nèi)的多級(jí)多次汽提，增加氣固兩相的接觸面積，進(jìn)而強(qiáng)化汽提效果。

綜上可見，不同類型的擋板均起到了破碎氣泡、提高汽提蒸汽與催化劑顆粒接觸的效果。然而，在強(qiáng)化汽提過程的同時(shí)，由于擋板對(duì)氣固流動(dòng)形成了阻擋，特別是對(duì)于工業(yè)上常用的盤環(huán)形擋板，氣固難以穿越擋板，也帶來了一系列問題。Yang等[10]研究了擋板流化床中的氣固流動(dòng)，觀測到了擋板下方催化劑顆粒濃度低的現(xiàn)象，主要是由于擋板對(duì)流動(dòng)產(chǎn)生了阻礙作用。梁詠詩[11]針對(duì)擋板流化床的研究結(jié)果表明，擋板對(duì)氣固流動(dòng)的阻礙導(dǎo)致?lián)醢逑路匠霈F(xiàn)氣相聚集停滯的“氣墊”區(qū)，而油氣長時(shí)間聚集容易在擋板下方縮合生焦。高金森等[12]的研究結(jié)果表明，擋板上方由于氣相無法順利穿過而易出現(xiàn)催化劑的失流化，導(dǎo)致汽提蒸汽難以與催化劑顆粒充分接觸。面對(duì)日益重質(zhì)化、劣質(zhì)化的原料油，催化裂化汽提器內(nèi)的催化劑顆粒間更易夾帶及顆粒內(nèi)更易吸附重質(zhì)油氣組分，如何進(jìn)一步優(yōu)化擋板的性能，進(jìn)而強(qiáng)化油氣的汽提過程，提高汽提效率，是一個(gè)亟待解決的問題。有學(xué)者報(bào)道了在擋板上設(shè)置下料管、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)流葉片以及三角形旋轉(zhuǎn)葉片等實(shí)現(xiàn)催化劑導(dǎo)流，起到了改善催化劑顆粒流動(dòng)、提高汽提效率的效果。然而，這些方式僅能對(duì)緊鄰擋板的局部區(qū)域的顆粒流動(dòng)進(jìn)行改善，難以從根本上消除擋板對(duì)氣固流動(dòng)阻擋所產(chǎn)生的擋板下方的“氣墊”現(xiàn)象以及擋板上方顆粒失流化的現(xiàn)象。

在擋板上進(jìn)行開孔，合理降低氣固流動(dòng)阻力，對(duì)顆粒分布進(jìn)行調(diào)整，是實(shí)現(xiàn)擋板性能提升的可靠途徑。本文將采用計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）方法[10,13-17]，結(jié)合歐拉雙流體模型，以盤環(huán)擋板汽提器為例，對(duì)不同開孔形式的盤環(huán)擋板汽提器的顆粒流動(dòng)與返混以及氣泡特性進(jìn)行數(shù)值模擬研究，以探尋可以提高擋板性能的優(yōu)化的開孔形式。

1 數(shù)學(xué)模型

采用歐拉-歐拉雙流體方法對(duì)盤環(huán)形擋板汽提器內(nèi)氣固流動(dòng)進(jìn)行模擬計(jì)算[15]。該模型將氣固兩相視作連續(xù)介質(zhì)，顆粒相性質(zhì)（壓力、黏度、剪應(yīng)力、剪切黏度等）由顆粒動(dòng)理學(xué)理論來表征，氣相與固相之間的作用力由曳力模型來描述。歐拉-歐拉雙流體具體如下。

（1）控制方程

氣相連續(xù)性方程如式(1)。

顆粒相連續(xù)性方程如式(2)。

氣相動(dòng)量方程如式(3)。

顆粒相動(dòng)量方程如式(4)。

顆粒擬溫度守恒方程如式(5)。

（2）本構(gòu)方程

氣相剪應(yīng)力計(jì)算如式(6)。

顆粒相剪應(yīng)力計(jì)算如式(7)。

徑向分布函數(shù)如式(8)。

顆粒相壓力計(jì)算如式(9)、式(10)。

顆粒體相黏度計(jì)算如式(11)。

顆粒相剪切黏度計(jì)算如式(12)。

顆粒碰撞導(dǎo)致的顆粒擬溫度耗散如式(13)。

顆粒擬溫度的輸運(yùn)系數(shù)如式(14)。

催化裂化裝置所使用的顆粒屬于Geldart A 類顆粒，汽提器通常采用的操作氣速為0.1～0.3m/s，因此汽提器內(nèi)的流動(dòng)屬于細(xì)顆粒的稠密鼓泡流動(dòng)。在這類流動(dòng)過程中，由于顆粒間存在較強(qiáng)的黏附力，顆粒容易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，使得氣固兩相間作用力降低，為此，研究者們采用了各種方法對(duì)曳力模型進(jìn)行修正[5,12,15]。本文作者課題組[5,12,15]采用顆粒團(tuán)聚物直徑來修正曳力模型，通過實(shí)驗(yàn)測得的顆粒終端速度計(jì)算顆粒團(tuán)聚直徑，在顆粒和顆粒聚團(tuán)兩個(gè)尺度對(duì)曳力進(jìn)行模型化，成功模擬了Geldart A類顆粒鼓泡床內(nèi)氣固流動(dòng)。因此，本文將采用該曳力模型對(duì)盤環(huán)形擋板汽提器內(nèi)氣固流動(dòng)進(jìn)行模擬計(jì)算。以下為團(tuán)聚修正曳力模型［式(15)～式(17)］。

2 模擬對(duì)象

本文模擬對(duì)象為文獻(xiàn)[11]中的冷模實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置中的汽提器內(nèi)徑為0.376m，高為2.1m，在距床層底部0.1m 處安裝有環(huán)形氣體分布器，在氣體分布器上部安裝4對(duì)交錯(cuò)的盤形和環(huán)形擋板，盤環(huán)形擋板汽提器的結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。氣體由底部向上流動(dòng)，催化劑顆粒由頂部進(jìn)入汽提器，從底部流出，氣固兩相逆流接觸。本文主要研究開孔形式對(duì)盤環(huán)形擋板汽提器內(nèi)氣固流動(dòng)狀況的影響，盤形和環(huán)形擋板的結(jié)構(gòu)和尺寸如圖1(b)所示，其中盤形擋板上有四圈開孔，環(huán)形擋板上有兩圈開孔。本文將對(duì)5 種開孔形式（工況a、b、c、d、e）的盤環(huán)形擋板汽提器進(jìn)行模擬研究，如圖2 所示，其中，工況a、b、c 為均勻開孔，所有開孔的尺寸相等；工況d、e為非均勻開孔。具體結(jié)構(gòu)尺寸見表1。

圖1 盤環(huán)形擋板汽提器結(jié)構(gòu)和尺寸

圖2 盤形和環(huán)形擋板開孔分布

表1 盤環(huán)形擋板結(jié)構(gòu)尺寸

實(shí)驗(yàn)所用FCC催化劑的顆粒密度為1500kg/m3，堆積密度為894kg/m3，顆粒平均粒徑為68.9μm；實(shí)驗(yàn)所用氣體為空氣，其密度為1.225kg/m3，黏度為1.7×10-5kg/(m·s)。汽提器內(nèi)初始床層高度為2.4m，顆粒藏量為248kg，操作氣速為0.05～0.3m/s，顆粒循環(huán)量為30～80kg/(m3·s)。

在汽提器的模擬計(jì)算中，計(jì)算時(shí)間步長為0.001s，氣體流經(jīng)整個(gè)汽提器床層所需要的時(shí)間約為20s，為了得到更穩(wěn)定的床層，共模擬流動(dòng)時(shí)間為60s，在后續(xù)分析汽提器流動(dòng)及氣泡特性時(shí)，選取40～60s之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3 結(jié)果與討論

為了應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)未開孔的盤環(huán)形擋板對(duì)氣固流動(dòng)的阻擋，本文提出了對(duì)擋板進(jìn)行開孔，為氣固兩相穿過擋板提供流動(dòng)通道，進(jìn)而改善擋板對(duì)氣固兩相的阻擋作用。以下將通過對(duì)比盤環(huán)形擋板上有無進(jìn)行開孔的顆粒流動(dòng)特性，來說明開孔擋板在改善顆粒流動(dòng)方面的優(yōu)勢；其次，通過對(duì)比不同的開孔形式，包括均勻開孔時(shí)的不同開孔尺寸以及非均勻開孔，來說明不同的開孔形式對(duì)顆粒流動(dòng)特性和氣泡特性的影響規(guī)律，進(jìn)而為優(yōu)選合適的開孔形式提供一定的理論指導(dǎo)。

3.1 盤環(huán)形擋板開孔與未開孔的對(duì)比

圖3 對(duì)比了均勻開孔（12mm）與未開孔的盤環(huán)形擋板區(qū)域顆粒的速度矢量，其中藍(lán)色表示低顆粒濃度，紅色表示高顆粒濃度。由圖3(a)可以看出，大量催化劑顆粒會(huì)沿著未開孔的盤形擋板與環(huán)形擋板的上側(cè)往下運(yùn)動(dòng)，這是由于氣相無法穿過擋板，難以與擋板上側(cè)的顆粒進(jìn)行充分接觸，導(dǎo)致?lián)醢迳戏降念w粒無法被流化，即固相處于失流化狀態(tài)。而擋板上側(cè)的顆粒與汽提蒸汽的接觸不充分，對(duì)催化劑顆粒間夾帶可顆粒內(nèi)吸附的油氣的汽提過程不利。此外，在未開孔的盤形擋板頂部以下以及環(huán)形擋板與汽提器邊壁形成的空間內(nèi)，僅有少量向下流動(dòng)的顆粒，這是由于氣相難以穿過擋板，無法攜帶顆粒進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，在這兩處空間內(nèi)形成“氣墊”。一方面此“氣墊”區(qū)域內(nèi)主要是氣相，基本沒有固相，也即此區(qū)域內(nèi)基本不存在汽提過程，難以實(shí)現(xiàn)汽提器空間的有效利用；另一方面，在此“氣墊”區(qū)域，氣相長時(shí)間停留，極易引起油氣縮合生焦，降低催化裂化的輕質(zhì)油品收率。

圖3 顆粒速度矢量

由此可見，氣固兩相在盤環(huán)形擋板上下區(qū)域的上述流動(dòng)狀態(tài)使得氣固兩相在擋板附近的分布不均勻，限制了蒸汽與催化劑之間的相互作用，使得催化劑顆粒間夾帶以及顆粒內(nèi)部吸附的油氣分子難以被汽提；同時(shí)在擋板下方“氣墊”區(qū)域所產(chǎn)生的大量死區(qū)，既無法充分利用汽提器孔徑，又使得油氣長時(shí)間聚集在擋板下部，導(dǎo)致嚴(yán)重的油氣分子縮合生焦。

由圖3(b)可以看出，與未開孔的盤環(huán)形擋板相比，在擋板上開孔后，在盤形擋板上側(cè)可以看到大量向上運(yùn)動(dòng)的顆粒，說明這些顆粒會(huì)被穿孔而過的氣體攜帶，進(jìn)而與氣體產(chǎn)生充分的接觸，有利于汽提過程；在盤形擋板以下、環(huán)形擋板以上的區(qū)域內(nèi)，顆粒形成渦旋運(yùn)動(dòng)，這是因?yàn)轭w粒在被氣體攜帶往上運(yùn)動(dòng)時(shí)撞擊到盤形擋板的未開孔位置而被彈回。在環(huán)形擋板與汽提器邊壁形成的空間內(nèi)，一部分顆粒被氣體攜帶穿孔而上行，也有一小部分向下運(yùn)動(dòng)的顆粒，這是由于這部分在撞擊到傾斜的環(huán)形擋板的未開孔位置后而被彈回。對(duì)比來看，開孔擋板可以引導(dǎo)催化劑顆粒與汽提蒸汽在汽提器內(nèi)的曲折流動(dòng)，進(jìn)而提高氣固之間的充分接觸且充分利用汽提器空間；此外，開孔的存在能確保氣固可以順利穿過擋板，減少了“氣墊”區(qū)域，進(jìn)而可以在一定程度上避免了油氣在擋板下方的長時(shí)間聚集生焦，同時(shí)可改善擋板上側(cè)的顆粒失流化程度，促進(jìn)汽提蒸汽與催化劑的充分接觸。因此開孔后的盤環(huán)形擋板更有利于汽提過程，且可充分利用汽提器空間。

3.2 盤環(huán)形擋板不同的開孔形式

汽提器中發(fā)生的汽提過程取決于催化劑和汽提蒸汽的接觸情況，而催化劑顆粒在汽提器中的分布特點(diǎn)可以反映催化劑和汽提蒸汽的接觸情況，而這與擋板及其開孔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)密切相關(guān)。此外，在汽提過程中，夾帶在催化劑顆粒之間以及吸附在顆?？椎纼?nèi)的油氣分子被蒸汽所置換，而在汽提器內(nèi)，蒸汽是以氣泡形式與催化劑顆粒進(jìn)行接觸，氣泡所能提供的用于蒸汽與催化劑顆粒相接觸的相界面積與氣泡的尺寸和數(shù)量密切相關(guān)。擋板及其開孔的存在會(huì)影響氣泡的破碎效果，進(jìn)而會(huì)對(duì)汽提過程產(chǎn)生影響。為此，以下將對(duì)不同開孔形式下的催化劑顆粒分布特性與氣泡特性進(jìn)行研究，為優(yōu)選適宜的擋板開孔形式提供理論指導(dǎo)。

圖4 展示了催化劑顆粒的體積分?jǐn)?shù)分布。由圖4(a)的顆粒體積分?jǐn)?shù)瞬時(shí)分布可以看出，在每一種開孔形式下，汽提器內(nèi)均能預(yù)測到顆粒在汽提器內(nèi)的非均勻分布特點(diǎn)，而這也是影響催化劑與汽提蒸汽進(jìn)行接觸的主要因素。當(dāng)盤形擋板和環(huán)形擋板都進(jìn)行均勻開孔時(shí)（6mm、9mm、12mm），較小的開孔尺寸下，汽提器內(nèi)出現(xiàn)了大量低顆粒濃度區(qū)，說明顆粒分布不均勻；當(dāng)開孔尺寸增加時(shí)，低顆粒濃度區(qū)減少，使得顆粒分布更加均勻。相比而言，在非均勻開孔的條件下，只增加盤形擋板頂部的開孔尺寸（6～12mmvs.6mm，9～12mmvs.9mm），也會(huì)在一定程度上改善顆粒分布的均勻性，且9～12mm 的非均勻開孔形式能達(dá)到或接近12mm 的均勻開孔時(shí)的顆粒分布均勻性。

圖4 顆粒體積分?jǐn)?shù)分布云圖

由圖4(b)顆粒體積分?jǐn)?shù)的時(shí)均分布可以看出，盤形擋板和環(huán)形擋板下方均有一定的區(qū)域顆粒相體積分?jǐn)?shù)較低、氣相體積分?jǐn)?shù)較高，產(chǎn)生“氣墊”；與之相對(duì)，盤形擋板和環(huán)形擋板上方均有一定的區(qū)域顆粒相體積分?jǐn)?shù)較高、氣相體積分?jǐn)?shù)較低，氣相穿過擋板的流動(dòng)動(dòng)能不足以使得擋板上方的顆粒進(jìn)行充分流化，導(dǎo)致顆粒產(chǎn)生一定的失流化現(xiàn)象。當(dāng)盤形擋板和環(huán)形擋板都進(jìn)行均勻開孔時(shí)（6mm、9mm、12mm），開孔尺寸增加可以使得擋板下方“氣墊”區(qū)域減小且擋板上方顆粒流動(dòng)特性得到改善，顆粒在擋板上方的沉積現(xiàn)象減弱，顆粒分布更加均勻。這是因?yàn)樵黾娱_孔尺寸時(shí)，可以使氣體更加均勻地穿過擋板，而不至于在擋板下方聚集產(chǎn)生“氣墊”；同時(shí)，穿過擋板氣體能夠攜帶擋板上方的顆粒進(jìn)行流動(dòng)，減少顆粒在擋板上方的沉積，進(jìn)而改善擋板上方的顆粒流動(dòng)特性，使顆粒分布更加均勻，有利于氣固兩相接觸，進(jìn)而有利于提高汽提效率。相比而言，在非均勻開孔的條件下，單純增加盤形擋板頂部的開孔尺寸時(shí)（6～12mmvs.6mm，9～12mmvs.9mm），擋板下方“氣墊”區(qū)域的顆粒體積分?jǐn)?shù)會(huì)有所增加；同時(shí)，擋板上方靠近盤形擋板頂部附件的顆粒流化特性有所改善。但與6mm 的均勻開孔形式相比，6～12mm 的非均勻開孔形式中，“氣墊”區(qū)域的面積并不會(huì)減少，且擋板上方頂部以外其他區(qū)域的顆粒流化特性基本沒有改善。從增加“氣墊”區(qū)域的顆粒體積分?jǐn)?shù)與改善擋板上方靠近盤形擋板頂部附件的顆粒流化特性來看，9～12mm 的非均勻開孔能達(dá)到或接近12mm 的均勻開孔時(shí)的效果。

圖5展示了不同開孔形式下床層密度沿汽提器高度的分布情況。由圖中可以看出，在盤形擋板存在的區(qū)域內(nèi)，在每一種開孔形式下，床層密度沿汽提器高度均呈現(xiàn)出波動(dòng)的特點(diǎn)，這是因?yàn)閾醢蹇梢愿淖冾w粒的流動(dòng)形態(tài)。當(dāng)盤形擋板和環(huán)形擋板都進(jìn)行均勻開孔時(shí)（6mm、9mm、12mm），開孔尺寸增加會(huì)抑制擋板區(qū)域床層密度的波動(dòng)程度，表明開孔尺寸越大，顆粒沿汽提器高度分布越均勻。在非均勻開孔形式下，床層密度的波動(dòng)程度與擋板頂部和擋板其他位置處孔徑的相對(duì)大小密切相關(guān)。在6～12mm的非均勻開孔形式中，擋板頂部和擋板其他位置處孔徑相差6mm，而在9～12mm的非均勻開孔形式中，擋板頂部和擋板其他位置處孔徑相差3mm，說明6～12mm的開孔形式更容易引起流動(dòng)阻力的劇烈波動(dòng)。也正因如此，該種開孔形式下的床層密度波動(dòng)程度更高。由圖5可以看出，在改善床層密度沿汽提器高度的均勻分布方面，9～12mm的非均勻開孔能接近12mm的均勻開孔時(shí)的效果。

此外，由圖5還可以看出，擋板開孔尺寸增加時(shí)，床層的密度也呈現(xiàn)出增加的趨勢。當(dāng)開孔尺寸減少或未開孔時(shí)，擋板的存在使得氣相的流動(dòng)橫截面積較小，氣相在流經(jīng)擋板時(shí)的速度會(huì)突然增加，迅速夾帶顆粒離開床層，因此床層密度較低。9～12mm 的非均勻開孔與12mm 的均勻開孔的床層密度分布比較接近。

圖6展示了汽提器內(nèi)不同開孔形式的盤環(huán)形擋板區(qū)域固含率的徑向分布。本文選取了距離氣體分布器4 個(gè)不同高度位置處的橫截面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分別是H=190mm、525mm、787mm、961mm。其中，H=190mm 和H=961mm 兩個(gè)高度的位置特點(diǎn)是，它們的橫截面位于盤形擋板下方和環(huán)形擋板上方；H=525mm 和H=787mm 兩個(gè)高度的位置特點(diǎn)是，它們的橫截面穿過盤形擋板。由圖6可知，在每一種開孔形式下，靠近汽提器中心位置處的固含率較低，而靠近汽提器邊壁處的固含率較高，這一現(xiàn)象也可從圖4(b)中看出，這一現(xiàn)象也與未安裝任何內(nèi)構(gòu)件的氣固流化床中的顆粒分布特性類似[12]。這是由于汽提器中心位置處的阻力較小，氣相更易在中心位置處流經(jīng)反應(yīng)器，說明盤環(huán)擋板難以徹底消除由于汽提器邊壁的約束效應(yīng)所引起的邊壁處氣固兩相接觸不充分的本征特性。當(dāng)盤形擋板和環(huán)形擋板都進(jìn)行均勻開孔時(shí)（6mm、9mm、12mm），隨著開孔尺寸增加，遠(yuǎn)離汽提器邊壁處的顆粒體積分?jǐn)?shù)增加，這是由于開孔尺寸增加時(shí)，氣固兩相流經(jīng)擋板的阻力下降，顆粒更易被氣相攜帶，使得顆粒在徑向上的分布更加均勻；在非均勻開孔形式下，由于6～12mm 的開孔形式會(huì)引起阻力的劇烈波動(dòng)，導(dǎo)致顆粒在徑向上的分布均勻性比均勻開孔時(shí)（6mm）變差；而9～12mm 開孔形式與均勻開孔（9mm）相比，顆粒的徑向分布均勻性有一定的改善。

圖6 不同開孔形式的盤環(huán)形擋板區(qū)域固含率的徑向分布

此外，由圖6 還可以看出，在盤形擋板區(qū)域（H=525mm和H=787mm兩個(gè)高度的橫截面處），與該橫截面處其他位置相比，緊鄰盤形擋板下方區(qū)域（r/R=0～0.2）的顆粒體積分?jǐn)?shù)最小，甚至?xí)霈F(xiàn)幾乎沒有顆粒的現(xiàn)象（6mm開孔形式），這是由于盤形擋板頂部對(duì)流體的流動(dòng)產(chǎn)生了阻擋，使得氣相不易穿過盤形擋板頂部而在其下部聚集，氣相不流動(dòng)時(shí)又難以攜帶顆粒，進(jìn)而在盤形擋板頂部下方區(qū)域形成“氣墊”，油氣在此“氣墊”區(qū)域長時(shí)間聚集容易引起油氣的縮合生焦，嚴(yán)重影響汽提器的性能。從圖4可以看出，均勻開孔時(shí)的開孔尺寸增加可以提高盤形擋板頂部下方區(qū)域的顆粒體積分?jǐn)?shù)，這是由于開孔尺寸增加時(shí)氣相流動(dòng)阻力下降，可以攜帶更多顆粒穿過盤形擋板頂部，進(jìn)而減少盤形擋板頂部下方區(qū)域油氣的聚集，可以在一定程度上抑制油氣的縮合生焦。

圖7 為不同開孔形式下顆粒速度的分布情況，可以看出，當(dāng)盤形擋板和環(huán)形擋板都進(jìn)行均勻開孔時(shí)（6mm、9mm、12mm），隨著開孔尺寸增加，顆粒向上運(yùn)動(dòng)的區(qū)域增加，考慮到顆粒的整體流動(dòng)是向下的（顆粒由頂部流入、底部流出），說明顆粒的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)更加強(qiáng)烈，氣固兩相可以有更充分的時(shí)間進(jìn)行接觸。在非均勻開孔形式下，盤形擋板頂部附近的顆粒運(yùn)動(dòng)情況得到改善，且9～12mm的非均勻開孔形式能達(dá)到或接近12mm的均勻開孔時(shí)的顆粒速度分布。

圖7 顆粒速度分布云圖

通過以上分析可知，在均勻開孔的形式下，增加盤環(huán)形擋板均勻開孔的孔徑時(shí)，可以使催化劑顆粒的軸向（沿汽提器高度）與徑向分布更加均勻，顆粒的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)更加劇烈，有利于提高汽提蒸汽與催化劑顆粒之間的充分接觸，從而使汽提蒸汽在汽提段內(nèi)被利用的更加充分，提高汽提效率；此外，增加盤環(huán)形擋板均勻開孔的孔徑還可以降低盤形擋板頂部下方區(qū)域的“氣墊”現(xiàn)象，使油氣、蒸汽與催化劑更加順暢地流經(jīng)盤形擋板底部，可以在一定程度上化解氣相的聚集，進(jìn)而可以抑制油氣縮合生焦，改善汽提器的性能。相比而言，在非均勻開孔的形式下，通過增加盤形擋板頂部的開孔尺寸，也能在一定程度上改善顆粒分布與氣固兩相接觸，且9～12mm 的非均勻開孔可以達(dá)到或接近12mm的均勻開孔的氣固兩相接觸效果。

圖8 展示了不同開孔形勢下氣泡的三維分布。由圖中可以看出，在每一種開孔形式下，氣泡都呈現(xiàn)出多種多樣的幾何形狀，且擋板區(qū)域的氣泡尺寸更小，而在遠(yuǎn)離擋板區(qū)域的氣泡尺寸較大，說明擋板的存在起到了破碎氣泡的作用。此外，由圖8還可以看出，當(dāng)均勻開孔和非均勻開孔的開孔尺寸增加時(shí)，汽提器內(nèi)更容易出現(xiàn)較大的氣泡，且氣泡所占的體積有所減少。這是由于在較小的開孔尺寸下，小孔會(huì)對(duì)流經(jīng)的大氣泡進(jìn)行切割破碎，更易破碎成數(shù)量更多的小氣泡；而在開孔尺寸增加時(shí)，氣相流通阻力減小，流經(jīng)小孔的氣泡更不容易被破碎。

圖8 不同開孔形式的汽提器內(nèi)氣泡的分布

圖9展示了不同開孔形式下汽提器內(nèi)的氣泡尺寸分布；表2統(tǒng)計(jì)了汽提器內(nèi)的氣泡平均尺寸及其數(shù)量。可以看出，擋板的開孔尺寸增加時(shí)，氣泡平均尺寸增加，氣泡的尺寸分布變寬，氣泡的數(shù)量減少，且氣泡所占的總體積減小。經(jīng)過計(jì)算，與6mm的均勻開孔形式相比，12mm的均勻開孔形式下氣泡總體積減少11%，氣泡所能提供的相界面積減少15%。從這一方面考慮，開孔尺寸增加對(duì)汽提過程或有所不利。而同樣與6mm 的均勻開孔形式相比，9～12mm的非均勻開孔形式下氣泡總體積減少10%，氣泡所能提供的相界面積減少11%，比12mm 的均勻開孔形式更佳。如前所述，9～12mm的非均勻開孔形式同樣可以在很大程度上改善催化劑顆粒流動(dòng)的均勻性，可以達(dá)到或接近12mm的均勻開孔形式的顆粒分布均勻性。

表2 不同開孔尺寸對(duì)氣泡直徑及數(shù)目的影響

圖9 不同孔徑開孔盤環(huán)形汽提器內(nèi)氣泡尺寸及數(shù)目分布

因此，綜合顆粒流動(dòng)的均勻性與汽提蒸汽與催化劑顆粒之間的接觸效果，9～12mm的開孔形式是一個(gè)比較優(yōu)良的開孔形式。

4 結(jié)論

采用歐拉雙流體模型（TFM）對(duì)放置有不同開孔形式的盤環(huán)形擋板的汽提器氣固流動(dòng)進(jìn)行了模擬研究，分析了開孔形式對(duì)催化劑顆粒分布均勻性的影響規(guī)律，并對(duì)不同開孔形式下的氣泡分布及其尺寸、數(shù)量等進(jìn)行了定量計(jì)算，得到以下結(jié)論。

（1）盤環(huán)形擋板上的開孔尺寸增加時(shí)，氣相的流動(dòng)阻力下降，更易攜帶顆粒穿過盤環(huán)形擋板，從而使盤形擋板頂部以下的“氣墊”區(qū)域有所減少，使顆粒在盤環(huán)形擋板附近進(jìn)行更加均勻地分布。

（2）盤環(huán)形擋板上的開孔尺寸增加時(shí)，催化劑顆粒床層密度增加，且沿汽提器高度的波動(dòng)幅度減小，即顆粒沿汽提器高度分布更加均勻，有利于氣固之間的平穩(wěn)、均勻接觸，進(jìn)而有利于汽提過程。

（3）盤環(huán)形擋板上的開孔尺寸增加時(shí)，汽提器內(nèi)的氣泡尺寸增加，氣泡數(shù)量減少，氣泡的總體積與所能提供的相界面積減少，這對(duì)汽提過程有一定的不利影響。

綜合考慮到催化劑顆粒流動(dòng)的均勻性分布、汽提蒸汽與催化劑顆粒之間的接觸效果，在本文的研究范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)在盤形擋板頂部附近開孔12mm、其他區(qū)域均勻開孔9mm 的非均勻開孔形式更加有利于汽提器性能的改善。

符號(hào)說明

CD—— 顆粒-流體間曳力系數(shù)

Re—— 雷諾數(shù)

d—— 直徑，mm

—— 催化劑當(dāng)量直徑，μm

e—— 碰撞恢復(fù)系數(shù)

g—— 重力加速度，m/s2

g0—— 徑向分布函數(shù)

p—— 壓力，Pa

t—— 時(shí)間，s

ug—— 表觀氣速，m/s

umf—— 最小流化速度，m/s

up—— 顆粒相速度，m/s

v—— 速度矢量，m/s

x——x方向坐標(biāo)

α—— 顆粒體積分?jǐn)?shù)

β—— 氣相和顆粒相之間的動(dòng)量交換系數(shù)

γ—— 顆粒碰撞導(dǎo)致的顆粒擬溫度耗散，kg/(m·s3)

λp—— 固體熱導(dǎo)率，W/(m·K)

μ—— 黏度，Pa·s

ρ—— 密度，kg/m3

Θ—— 顆粒擬溫度，m2/s2

τ—— 剪切應(yīng)力，Pa

ΓΘ—— 顆粒擬溫度的輸運(yùn)系數(shù)，kg/(m·s)

下標(biāo)

g—— 氣相

i—— 坐標(biāo)方向，或組分

j—— 坐標(biāo)方向，或組分

k—— 坐標(biāo)方向，或組分

max—— 最大值

p—— 顆粒相