提升管進(jìn)料區(qū)內(nèi)氣體射流流動(dòng)行為的調(diào)控及工業(yè)應(yīng)用

劉夢溪，范怡平，閆子涵，姚秀穎，盧春喜

（1 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； 2 物質(zhì)綠色創(chuàng)造與制造海河實(shí)驗(yàn)室，天津 300192）

引 言

氣固流化床反應(yīng)器在化工、石油化工領(lǐng)域具有廣泛的用途[1-3]，反應(yīng)器內(nèi)的相間接觸、傳遞與反應(yīng)往往對產(chǎn)品的收率與能耗具有舉足輕重的影響。研究表明工業(yè)流化床反應(yīng)器普遍存在轉(zhuǎn)化效率低、能耗高、污染嚴(yán)重、資源浪費(fèi)嚴(yán)重等問題，對反應(yīng)器內(nèi)的介尺度流動(dòng)結(jié)構(gòu)認(rèn)識不夠深入是其中的主要原因之一。

氣固流化床中普遍存在氣泡、顆粒聚團(tuán)等介尺度流動(dòng)結(jié)構(gòu)，前人對其展開了大量的實(shí)驗(yàn)[4-9]和數(shù)值模擬[10-12]研究，獲得了深刻的認(rèn)識[13-15]。射流也是一種常見的介尺度流動(dòng)結(jié)構(gòu)，大多存在于提升管進(jìn)料區(qū)，原料射流與進(jìn)料區(qū)內(nèi)氣固兩相的相互作用對反應(yīng)器的性能具有重要的影響[16-19]。例如，在催化裂化提升管中，原料在進(jìn)料段內(nèi)形成多股射流，和底部的催化劑、預(yù)提升蒸汽混合物相互作用、相互影響。由于進(jìn)料段是原料油與催化劑最初始的接觸、反應(yīng)區(qū)域，因此區(qū)域內(nèi)油-劑之間的接觸及混合效果將直接影響整個(gè)裂化反應(yīng)的進(jìn)程[20-22]。研究表明，整個(gè)催化裂化反應(yīng)通常在提升管反應(yīng)器的進(jìn)料段附近就已基本完成[19]。

理想的進(jìn)料段應(yīng)具有抑制不良流動(dòng)、有效破碎原料液滴、強(qiáng)化油-劑混合等功能[23-24]，要求實(shí)現(xiàn)原料氣與催化劑顆粒濃度的匹配，即原料氣濃度高的地方催化劑濃度也較高，反之亦然。但提升管進(jìn)料混合段內(nèi)的實(shí)際情況與理想狀況存在較大的差別。范怡平等[25]發(fā)現(xiàn)射流進(jìn)入催化裂化提升管后，原料油與催化劑顆粒在提升管截面上的濃度分布并不匹配，油、劑混合物也并非以“活塞流”的形式向上運(yùn)動(dòng)，在某些區(qū)域存在著較為嚴(yán)重的油汽返混，增大了油、劑之間反復(fù)接觸的概率，造成嚴(yán)重的結(jié)焦。

為了提高進(jìn)料段內(nèi)的兩相接觸，研究人員展開了大量研究，主要集中在噴嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化和進(jìn)料段結(jié)構(gòu)優(yōu)化兩個(gè)方面。其中噴嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要涉及改善噴嘴霧化效果、液滴擴(kuò)散角度、降低噴嘴壓降等方面[26-29]，而進(jìn)料段結(jié)構(gòu)優(yōu)化則涉及進(jìn)料段直徑、內(nèi)構(gòu)件及噴嘴安裝方式等領(lǐng)域[30-44]。鄭茂軍等[30-31]提出在噴嘴以上設(shè)置縮頸結(jié)構(gòu)、在噴嘴以下設(shè)置二次提升氣和軸切向注入三項(xiàng)技術(shù)，以減少邊壁處顆粒的滑落并提高中心區(qū)域的顆粒濃度。Maroy等[32]、毛羽等[33]、范怡平等[34-38]提出在進(jìn)料段設(shè)置內(nèi)構(gòu)件，可以在一定程度上促進(jìn)進(jìn)料段內(nèi)氣體和催化劑間的接觸和混合效果，但與此同時(shí)內(nèi)構(gòu)件也為結(jié)焦提供了新的附著點(diǎn)，而且還需要克服安裝、磨損等一系列問題。研究者們提出了一些更簡便的優(yōu)化方案，如改變噴嘴的安裝方式和角度等。Marzocchella等[39]研究了對稱布置的水平射流對提升管內(nèi)氣固兩相分布的影響，并給出了射流流線的示意圖。王洪斌等[40]考察了噴嘴射流角度及速度對提升管內(nèi)流動(dòng)的影響，并提出噴嘴射流與軸向的夾角應(yīng)小于45°。Li 等[41-42]模擬了催化裂化提升管中復(fù)雜的氣固流動(dòng)及反應(yīng)過程，認(rèn)為噴嘴出口氣速會顯著影響進(jìn)料混合段內(nèi)的氣固流動(dòng)形態(tài)，而噴嘴的安裝位置對流動(dòng)及反應(yīng)的影響不大。Wang 等[43]考察了噴嘴切向安裝和向心對稱安裝方式對提升管內(nèi)流動(dòng)行為的影響，發(fā)現(xiàn)向心對稱安裝噴嘴的效果最好。Mauleon等[44]提出將進(jìn)料噴嘴向下傾斜安裝的方案，認(rèn)為有助于改善進(jìn)料段的氣固接觸，但并未給出其中的理論解釋。

范怡平等[45-46]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用傳統(tǒng)的噴嘴射流傾斜向上進(jìn)入提升管的方式時(shí)，在邊壁處會產(chǎn)生一股伴隨主流的流動(dòng)，稱為二次流，二次流形成后不斷發(fā)展擴(kuò)大，最后與主流逐漸匯合。二次流的存在對進(jìn)料區(qū)的氣固分布會產(chǎn)生顯著的影響。圖1 給出了傳統(tǒng)提升管進(jìn)料段內(nèi)原料-催化劑的濃度分布[45]，可以看出在催化劑濃度高的區(qū)域原料的濃度較低，催化劑濃度低的區(qū)域原料的濃度卻較高。這種原料-催化劑濃度的不匹配說明射流、二次流未能和底部的來流很好地耦合在一起，并進(jìn)一步對反應(yīng)產(chǎn)生不利影響。例如，Buchanan[47]就發(fā)現(xiàn)油滴的快速汽化與油劑匹配分布密切相關(guān)；Mauleon等[48]及Helmsing 等[49]的實(shí)驗(yàn)研究表明，若液相原料油霧化迅速，并快速與催化劑顆?；旌峡梢詼p少初始的生焦并提高輕油的收率；Chen 等[20]、Wang 等[21]研究發(fā)現(xiàn)，傾斜向上的射流進(jìn)料方式，會造成油劑濃度的不匹配，并在邊壁附近形成嚴(yán)重的返混，是工業(yè)提升管結(jié)焦的主要原因[42,50]。 Fan等[16-17,23-25,42,45-46,50]、Yan 等[51-54]、Chen 等[20,55-56]研究發(fā)現(xiàn)，改變噴嘴入射角度能夠顯著緩解甚至消除兩相濃度不匹配的現(xiàn)象，并大大緩解提升管結(jié)焦的傾向。因此，從理論上解釋、預(yù)測進(jìn)料區(qū)內(nèi)高速射流的流體力學(xué)行為及其對三維流場的影響，根據(jù)具體工藝特點(diǎn)建立相應(yīng)的調(diào)控、強(qiáng)化策略并將其應(yīng)用到工業(yè)裝置上，能夠有效提高產(chǎn)品收率和選擇性，降低裝置能耗，減緩或消除反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)焦，因而也具有重要的研究價(jià)值。本文對近年來提升管進(jìn)料區(qū)內(nèi)射流流動(dòng)行為及調(diào)控的研究進(jìn)行了回顧，介紹了進(jìn)料區(qū)內(nèi)主射流、二次流的形成機(jī)理、預(yù)測模型，以及相應(yīng)的調(diào)控手段。針對不同的工藝過程，介紹了不同的進(jìn)料區(qū)流場強(qiáng)化方法、實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果和工業(yè)應(yīng)用結(jié)果。

圖1 傳統(tǒng)提升管進(jìn)料段內(nèi)原料-催化劑的濃度分布[45]Fig.1 The concentration distributions of the feed and catalyst in a traditional riser feedstock injection zone[45]

1 提升管進(jìn)料段內(nèi)介尺度流動(dòng)結(jié)構(gòu)的理論分析

1.1 進(jìn)料區(qū)介尺度流動(dòng)結(jié)構(gòu)的理論分析

如圖2 所示，將提升管分為三個(gè)區(qū)域。區(qū)域Ⅰ位于進(jìn)料噴嘴截面以下，噴嘴射流對該區(qū)域不產(chǎn)生影響。區(qū)域Ⅲ位于噴嘴以上并遠(yuǎn)離噴嘴區(qū)域，進(jìn)入該區(qū)域的氣固相已經(jīng)充分發(fā)展，且二次流與主流已經(jīng)匯合完畢。區(qū)域Ⅱ?yàn)檫M(jìn)料射流與預(yù)提升催化劑來流的混合接觸區(qū)域，二次流在該區(qū)域形成并發(fā)展。

圖2 傳統(tǒng)提升管進(jìn)料段氣固兩相流示意圖Fig.2 Schematic diagram of the gas-solid flow in a traditional riser feedstock injection zone

對于區(qū)域Ⅰ和Ⅲ，氣固兩相流是充分發(fā)展的，沿徑向方向顆粒速度呈現(xiàn)中心高、邊壁低的分布?？紤]進(jìn)料段內(nèi)的某個(gè)顆?；蚨鄠€(gè)顆粒組成的顆粒團(tuán)，其自身沿提升管軸向-徑向的速度梯度會使其產(chǎn)生渦量Ω，進(jìn)而產(chǎn)生旋渦強(qiáng)度J（并非真正意義上的旋轉(zhuǎn)，旋渦強(qiáng)度會形成一個(gè)“等效的”速度環(huán)量Γ），在受到底部提升氣體來流的作用時(shí)，會產(chǎn)生類似于空氣動(dòng)力學(xué)中的Kutta-Joukowski 力現(xiàn)象[16,23]。Kutta-Joukowski 力的基本思想是，當(dāng)某一物體周圍存在一個(gè)速度環(huán)量，若此時(shí)另一股來流以相對速度Vs流經(jīng)該物體，則會產(chǎn)生一個(gè)垂直于來流方向的力Fk，力的方向?yàn)閷砹鞣较蚰姝h(huán)量旋轉(zhuǎn)90°。因此，顆粒群就會受到一個(gè)垂直于預(yù)提升蒸汽速度方向，即水平方向的力Fk的作用。Kutta-Joukowski橫向力的表達(dá)式為[16,23]：

假設(shè)區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅲ內(nèi)顆粒徑向速度沿y軸大小不再變化，即式(1)中徑向速度沿軸向的梯度項(xiàng)?Vp,x/?y= 0。由于顆粒速度中心高，邊壁低，軸向速度沿徑向的梯度項(xiàng)?Vp,y/?x< 0。 根據(jù)Kutta-Joukowski 力理論，顆粒群會受到一個(gè)垂直于預(yù)提升氣體速度方向，即水平方向的Kutta-Joukowski 橫向力Fk的作用，F(xiàn)k的方向指向邊壁，使顆粒傾向于中心向邊壁聚集，進(jìn)而形成典型的“環(huán)核結(jié)構(gòu)”。

在區(qū)域Ⅱ，聚集于邊壁的催化劑顆粒與進(jìn)入提升管的噴嘴射流相遇。由于射流流速一般為60～80 m/s，而預(yù)提升氣速僅有3～4 m/s，因此催化劑顆粒瞬間被噴嘴射流帶走。根據(jù)動(dòng)量守恒定律，部分射流將動(dòng)量傳遞給顆粒并使其加速；部分射流未與顆粒接觸，仍保持原動(dòng)量繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。由此，噴嘴射流與催化劑顆?；旌辖佑|后，射流內(nèi)部將產(chǎn)生速度差，未與顆粒接觸的射流主流以入射角α繼續(xù)運(yùn)動(dòng)；與顆粒接觸的射流則逐漸脫離主流，以式（2）的角度γ形成“二次流動(dòng)”[16,23]。

由圖3 可見，邊壁區(qū)域的顆粒群在接觸到噴嘴射流時(shí)迅速獲得了最大徑向速度，但此時(shí)顆粒群處于邊壁濃相區(qū)，橫向穿過該區(qū)域則需要消耗極大的徑向動(dòng)量，此時(shí)的速度梯度滿足情況(1)，Kutta-Joukowski 力Fk指向提升管中心；在距離邊壁較遠(yuǎn)的區(qū)域顆粒群進(jìn)入稀相區(qū)，重力作用逐漸明顯，軸向速度相比于邊壁處的軸向速度衰減加劇，而徑向速度變化逐漸減小，此時(shí)速度梯度滿足情況(2)，F(xiàn)k指向管壁；在更加接近提升管中心的區(qū)域，顆粒群徑向動(dòng)量基本消耗殆盡，徑向速度梯度也越來越小，直至小于軸向速度在管截面的梯度，此時(shí)速度梯度滿足情況(3)，F(xiàn)k指向管壁。也就是說，在進(jìn)料區(qū)內(nèi)顆粒相將在Kutta-Joukowski 力Fk的作用下，出現(xiàn)先向提升管中心聚集，后向邊壁聚集的趨勢。由于這部分顆粒分離于射流主流，因而被定義為二次流。前人的研究表明，二次流是進(jìn)料區(qū)內(nèi)油劑濃度不匹配、提升管內(nèi)結(jié)焦的主要原因[42,50]。

圖3 顆粒群運(yùn)動(dòng)過程示意圖Fig.3 Schematic diagram of the particle cluster motion

因此，原料射流在Kutta-Joukowski 力的作用下分為兩部分，一部分是射流主流，另一部分沿邊壁流動(dòng)形成了二次流。二次流與主流的匯合過程中，攜帶部分催化劑橫向運(yùn)動(dòng)，加劇了兩相返混，使得停留時(shí)間延長。由圖2 可以看出，這一現(xiàn)象和原料射流斜向上的引入角度α密切相關(guān)[16,23,25]。如果將射流改為斜向下引入，則射流與進(jìn)料區(qū)來流形成逆流接觸。由于提升管內(nèi)以向上運(yùn)動(dòng)為主，受射流作用逆流向下運(yùn)動(dòng)的顆粒在軸向上會受到極大的阻礙，同時(shí)由于流場內(nèi)的耗散作用，顆粒徑向速度也會持續(xù)降低，即?Vp,x/?y和?Vp,y/?x均小于零為負(fù)梯度。

如圖4 所示，以噴嘴附近某一邊壁顆粒群為研究對象，考察其運(yùn)動(dòng)軌跡?？梢钥吹?，顆粒群在向下、向中心運(yùn)動(dòng)過程中，由于軸向速度與預(yù)提升來流速度方向相反，其軸向動(dòng)量損失遠(yuǎn)大于徑向動(dòng)量損失，就速度梯度而言，應(yīng)存在如式（3）的關(guān)系：

圖4 噴嘴向下提升管進(jìn)料段氣固相混合過程示意圖Fig.4 Schematic diagram of gas-solid mixing in a riser feedstock injection zone with downward injection angle

由Kutta-Joukowski 橫向力定義可以判斷，顆粒群所受Kutta-Joukowski 橫向力指向中心，相應(yīng)的形成的二次流也變?yōu)橄蛏虾拖蛑行倪\(yùn)動(dòng)。二次流產(chǎn)生后將與主流迅速匯合，有助于油劑混合。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)油劑均勻、迅速混合，由全混流向平推流迅速過渡的目標(biāo)[18,20,24,50-51]。

1.2 噴嘴射流主流和二次流的中心線方程

令噴嘴射流出口速度為uj，射流相密度為ρj，由Yan等[51-53]的推導(dǎo)可知，射流主流中心線方程為：

式中，Q= 2bρjU，為考察射流微元段末端截面處射流的質(zhì)量流率；Qj= 2bρjuj，為噴嘴出口截面處的射流質(zhì)量流率；F(e)為作用于質(zhì)點(diǎn)系上的外力主矢。

理想情況下，對于射流主流，預(yù)提升來流的動(dòng)壓和射流卷吸壓力疊加構(gòu)成合外力主矢∑F(e)。對于射流二次流，由上文分析可知，合外力主矢∑F(e)應(yīng)由Kutta-Joukowski 力Fk構(gòu)成。因此，由式(1)和式(4)并考慮單位面積上射流相與顆粒相的混合，可得到二次流中心線方程，變換并積分后可得：

式中

2 工業(yè)提升管進(jìn)料區(qū)介尺度流動(dòng)結(jié)構(gòu)的調(diào)控與強(qiáng)化

2.1 單層噴嘴進(jìn)料區(qū)的調(diào)控與強(qiáng)化

圖5給出了大型冷態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置中測得的提升管進(jìn)料區(qū)床層密度分布。可以看出采用傳統(tǒng)傾斜向上的進(jìn)料方式(α=30°)時(shí)，主射流與器壁間存在明顯的二次流現(xiàn)象(H=0.375 m)，由前述理論分析可知，二次流方向指向器壁，造成顆粒與部分原料在器壁附近強(qiáng)烈的返混。當(dāng)采用油劑逆流接觸的進(jìn)料方式(α=-30°)后，二次流方向變?yōu)橹赶蛑行?，二次流快速和主流混合，大大?qiáng)化了原料-催化劑間的接觸。

圖5 提升管進(jìn)料區(qū)內(nèi)的密度分布[52]Fig.5 Bed density distribution in the riser feedstock injection zone with different jet injection schemes[52]

Yan 等[51-53]通過大型冷模實(shí)驗(yàn)考察了不同進(jìn)料角度，尤其是原料-催化劑逆流接觸的提升管進(jìn)料段內(nèi)顆粒速度、顆粒濃度以及噴嘴射流的在不同軸向位置的徑向分布，并定義了匹配指數(shù)λm來量化局部區(qū)域原料-催化劑濃度的匹配程度。

匹配指數(shù)λm越小則油劑匹配越均勻。圖6給出了λm沿提升管軸向的分布。

由圖6可見，在進(jìn)料段的大部分區(qū)域內(nèi)，噴嘴向下傾斜的逆流接觸結(jié)構(gòu)的平均油劑匹配指數(shù)均小于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的數(shù)值，尤其是在油劑初始接觸區(qū)域（傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)為H≈0～0.375 m，逆流接觸結(jié)構(gòu)為H≈-0.185～0 m）。這表明油劑逆流接觸將有效提高進(jìn)料混合段內(nèi)的油劑匹配程度，從而促進(jìn)原料油與催化劑間的高效混合、反應(yīng)。在逆流接觸結(jié)構(gòu)中，當(dāng)軸向位置超過H=0.7 m 后，λm的數(shù)值基本不再變化，表明射流相、預(yù)提升相及顆粒相已經(jīng)充分混合。而在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，當(dāng)H>1.1m 時(shí)，截面平均油劑匹配指數(shù)的數(shù)值才趨于穩(wěn)定?？梢姴捎媚媪鹘佑|進(jìn)料段結(jié)構(gòu)使油劑接觸、混合得到顯著強(qiáng)化，實(shí)現(xiàn)由全混流向活塞流的迅速過渡，且進(jìn)料段的長度較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)縮短約50%。

圖6 截面平均匹配指數(shù)沿軸向的分布[51-53]Fig.6 Axial distribution of cross-sectionally averaged feedstock/catalysts matching index[51-53]

工業(yè)提升管由下到上一般分為顆粒加速區(qū)、充分發(fā)展區(qū)和出口約束區(qū)，為了促進(jìn)氣固兩相的接觸，噴嘴一般都安裝在提升管的充分發(fā)展區(qū)，即催化劑開始勻速上升，床層密度不隨高度發(fā)生變化的區(qū)域。工業(yè)中一般認(rèn)為充分發(fā)展段始于預(yù)提升段出口3～4 m 的高度。在傳統(tǒng)進(jìn)料段(α=30°)中，噴嘴射流的影響范圍為-D

圖7 不同安裝角度時(shí)床層密度的分布[52]Fig.7 Bed density distribution in the injection zone with different jet angles[52]

射流引入角度的改變還對進(jìn)料段內(nèi)顆粒聚團(tuán)的流動(dòng)行為產(chǎn)生顯著的影響。Yan 等[57]采用小波分析的方法對進(jìn)料區(qū)顆粒濃度脈動(dòng)信號進(jìn)行了解耦，提出進(jìn)料區(qū)存在氣相、稀散式顆粒、濃散式顆粒和顆粒聚團(tuán)四個(gè)流動(dòng)結(jié)構(gòu)，并發(fā)現(xiàn)由傳統(tǒng)進(jìn)料方式變?yōu)槟媪鹘佑|進(jìn)料方式后，進(jìn)料區(qū)出口的氣相、顆粒聚團(tuán)的分率有了顯著的降低，與此同時(shí)濃散式顆粒的分率有了顯著增加。

圖8 提升管進(jìn)料區(qū)出口不同流動(dòng)結(jié)構(gòu)的分率[57]Fig.8 Average time fraction of different phases at the exit of the injection zone[57]

針對金陵Ⅱ套重油催化裝置提升管反應(yīng)器，陳昇等[55-56]進(jìn)一步考察了提升管內(nèi)兩相濃度場和溫度場的變化。圖9給出了固相和液滴體積分?jǐn)?shù)以及溫度沿軸向的時(shí)均分布，其中傳統(tǒng)進(jìn)料方式(case-A)采用傾斜向上30°角進(jìn)料，改進(jìn)方式(case-C)采用傾斜向下35°角進(jìn)料?？梢钥闯霾捎脗鹘y(tǒng)方式時(shí)，在二次流的影響下催化劑主要聚集在邊壁附近，與原料射流并未形成均勻的接觸，邊壁附近的溫度相對較高，油劑接觸需要的距離也比較大(6.5 m≤H≤10 m)。改進(jìn)方式下的油劑混合區(qū)位于噴嘴以下區(qū)域。在指向中心的庫塔力的作用下，射流和二次流在中心快速匯合，射流周圍催化劑顆粒含量較高，有利于油劑的高效接觸。油劑混合區(qū)的溫度分布也比較均勻[圖9(c)]，說明高溫催化劑與液相原料油能均勻地進(jìn)行熱交換。此外，噴嘴以上截面上的溫度分布也都較為均勻，說明油劑已均勻混合。圖10進(jìn)一步給出了油劑撞擊混合區(qū)內(nèi)氣相重鏈烷烴（Ph）、輕鏈烷烴（Pm）以及汽油（G）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)均分布。與傳統(tǒng)進(jìn)料方式相比，改進(jìn)進(jìn)料方式氣相中Ph生成更快，且各組分都較均勻地分布于整個(gè)提升管，尤其是裂化反應(yīng)生成的汽油組分。因此，改進(jìn)進(jìn)料方式可促進(jìn)液相原料油更均勻地汽化與反應(yīng)。圖11 給出了兩種進(jìn)料方式對焦炭收率的影響，可以看出對于傳統(tǒng)進(jìn)料方式，在原料噴口上方3 m 以內(nèi)的提升管內(nèi)壁附近焦炭量較高，這與文獻(xiàn)[58-59]中的報(bào)道是一致的。與之相比，油劑逆流接觸方式提升管壁附近的生焦率要低得多。表1給出了兩種進(jìn)料方案的產(chǎn)品組成，可以看出與傳統(tǒng)方式相比，油劑逆流接觸的汽油和液化氣產(chǎn)量分別增加了7.87% 和5.07%，副產(chǎn)物干氣和焦炭則分別降低了19.86%和20.38%，說明新的調(diào)控方案起到了顯著的效果。采用新的調(diào)控方案也會帶來負(fù)面效果，陳昇[55]對金陵Ⅱ套催化裂化工業(yè)提升管的模擬結(jié)果顯示，將噴嘴改為向下傾斜后，提升管壓降由40.06 kPa 增加到45.65 kPa，在工業(yè)上是完全可以接受的。閆子涵等[54]基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出逆流接觸進(jìn)料段中噴嘴的安裝準(zhǔn)則為：噴嘴應(yīng)安裝在提升管的充分發(fā)展區(qū)內(nèi)，安裝位置與充分發(fā)展區(qū)底部的距離應(yīng)大于3.6D。較適宜的工況為預(yù)提升氣速ur=4.1 m/s，噴嘴氣速uj=64.2 m/s，噴嘴斜向下安裝，與提升管軸線夾角為30°。

圖9 進(jìn)料區(qū)內(nèi)時(shí)均固相體積分?jǐn)?shù)、液滴體積分?jǐn)?shù)和溫度沿軸向的分布[56]Fig.9 Axial distributions of time-average volume fraction of solid,liquid and temperature in the feed injection region[56]

圖10 進(jìn)料區(qū)氣相中重烷烴、輕烷烴以及汽油的時(shí)均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布[56]Fig.10 Distribution of time-average mass fraction of primary gaseous species in the feed injection region[56]

圖11 提升管內(nèi)焦炭質(zhì)量分?jǐn)?shù)的時(shí)均分布對比[56]Fig.11 Comparison of the axial and cross-sectional time-averaged profiles of coke volume fraction[56]

表1 兩種進(jìn)料方案的產(chǎn)品收率［56］Table1 Comparison of product yield of the two injection schemes［56］

2.2 雙層噴嘴提升管進(jìn)料區(qū)的調(diào)控與強(qiáng)化

在工業(yè)催化裂化裝置中，人們有時(shí)會把一股汽油或柴油引入提升管，進(jìn)一步改善催化裂化的產(chǎn)品分布，一般汽油/柴油噴嘴位于主原料噴嘴以下。兩層噴嘴的引入方式和間隔距離對產(chǎn)品收率和選擇性有一定的影響[60]。傅夢倩等[61]通過數(shù)值模擬方法考察了四種主副噴嘴組合方式，如圖12所示。為了更好地與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，模擬對象與閆子涵等[51-53]的實(shí)驗(yàn)裝置保持一致，主副噴嘴間距為500 mm。

圖12 四種雙層噴嘴進(jìn)料方式示意圖[61]Fig.12 Schematic diagram of the four injection schemes[61]

圖13 給出了不同噴嘴進(jìn)料方式下進(jìn)料區(qū)的顆粒濃度分布?？梢钥闯龈眹娮焐淞饕牒?，進(jìn)料區(qū)流場發(fā)生了明顯的變化。對于主副噴嘴射流都向下的Down-down 方式，副噴嘴的影響在H=4.125 m截面就開始顯現(xiàn)，床層密度沿徑向呈現(xiàn)W 形分布，這是因?yàn)橄蛳碌母眹娮焐淞髋c預(yù)提升氣體逆流接觸后，被卷吸至提升管中心區(qū)并沿提升管向上運(yùn)動(dòng)，邊壁附近區(qū)域的催化劑顆粒也被攜帶至中心區(qū)，這是射流向下引入時(shí)流場的典型特征，與閆子涵等[51-53,62]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。這一分布直到主噴嘴以上的H=4.685 m 截面才逐漸消失。對于Down-up方式，W 形分布直到H=4.315 m 截面才開始出現(xiàn)，此時(shí)向上的副噴嘴射流向提升管中心匯聚，同時(shí)向下的主噴嘴射流也被卷吸至提升管中心，在兩者疊加的作用下，更多邊壁附近的催化劑顆粒被攜帶至中心。對于主噴嘴射流向上的Up-down 方式，W 形分布在副噴嘴以下100 mm 處的截面(H=3.9 m)就開始出現(xiàn)，但很快就消失了(H=4.3 m)，這是因?yàn)橹鲊娮焐淞飨蛏?，對副噴嘴射流影響較小，副噴嘴射流很快與預(yù)提升氣及催化劑混合。此外，從圖13(b)中可以看出，引入副噴嘴后，進(jìn)料區(qū)的W 形分布變?nèi)趿?H=4.875 m，5.175 m)，說明副噴嘴射流的存在減少了向上主噴嘴射流所攜帶顆粒的量。

圖13 進(jìn)料區(qū)固相體積分率的徑向分布[61]Fig.13 Radial profiles of solid volume fraction in the feedstock injection zone[61]

由于進(jìn)料區(qū)局部固含率和原料濃度變化較大，采用盧春喜等[18]提出的油劑匹配比來考察油劑匹配程度，其定義式如下：

圖14 給出了雙層噴嘴進(jìn)料區(qū)油劑匹配比的分布。和單層噴嘴相比，雙層噴嘴進(jìn)料區(qū)的油劑匹配比發(fā)生了顯著的改變，環(huán)隙區(qū)(r/R> 0.85)的油劑匹配比更大，而核心區(qū)的油劑匹配比則更小。在雙層噴嘴進(jìn)料區(qū)內(nèi)，主噴嘴和副噴嘴射流附近(4.375 m≤H≤5.125 m)的油劑匹配比都呈現(xiàn)出明顯的W 形分布。相比較而言，Down-down 進(jìn)料方式在核心區(qū)的匹配比最接近于1，但是環(huán)隙區(qū)的匹配比過高。綜合考慮全截面的油劑匹配，Down-up 方式相對效果最好，其次是Up-up 方式。此外，Up-up 方式的原料停留時(shí)間和方差最小[61]，說明該結(jié)構(gòu)能夠使油劑在較短的接觸時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)混合，同時(shí)抑制目標(biāo)產(chǎn)品繼續(xù)裂解，降低生焦量。綜合權(quán)衡下來，主副噴嘴都向上是較為適宜的進(jìn)料方式。

圖14 雙層噴嘴進(jìn)料區(qū)油劑匹配比的分布[61]Fig.14 Radial profiles of the matching ratio of catalyst to feed in the feedstock injection zone[61]

傅夢倩等[61]進(jìn)一步考察了噴嘴間距為1.25D、2.5D、2.75D、5D時(shí)進(jìn)料區(qū)的兩相接觸。發(fā)現(xiàn)對于Up-up 結(jié)構(gòu)，主副噴嘴間距的大小對主噴嘴以上高度的顆粒濃度和匹配比影響不大，對主噴嘴以下高度的顆粒濃度和匹配比分布的影響不大，但顆粒濃度和匹配比的數(shù)值大小與主副噴嘴間距相關(guān)，間距越大，“W”形分布減弱的速度越慢。綜合權(quán)衡下來，噴嘴間距為2.75D時(shí)效果最好。

根據(jù)上述研究結(jié)果，對寧夏石化260 萬噸/年催化裂化提升管進(jìn)行了工業(yè)改造，由于預(yù)提升段無擴(kuò)徑，采用常規(guī)噴嘴形式引入汽、柴油。根據(jù)汽油回?zé)捄筒裼突責(zé)捁に囈?，確定了噴嘴的安裝位置：需要在同一標(biāo)高安裝2 組汽油噴嘴和2 組柴油噴嘴，分別對稱安裝。噴嘴進(jìn)料角度45°，噴嘴出口線速40 m/s 左右。工業(yè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)汽油回?zé)挄r(shí)穩(wěn)定汽油烯烴含量降低3.6 個(gè)百分點(diǎn)，飽和烴和芳烴增加1.8 和1.9 個(gè)百分點(diǎn)，RON 辛烷值增加0.4 個(gè)單位；混合汽油烯烴含量下降2.05 個(gè)百分點(diǎn)，汽油RON 辛烷值基本不變。當(dāng)柴油回?zé)挄r(shí)液化氣和催化汽油收率分別增加0.96 和2.12 個(gè)百分點(diǎn)，汽油RON辛烷值不變。

2.3 提升管預(yù)提升進(jìn)料區(qū)的調(diào)控與強(qiáng)化

在大部分情況下，提升管進(jìn)料區(qū)位于提升管的中下部氣固兩相流動(dòng)充分發(fā)展的區(qū)域[63-64]，進(jìn)料區(qū)內(nèi)原料射流與三維流場的相互影響與相互作用如前文所述。近年來，隨著一些新工藝的出現(xiàn)，人們開始在提升管的底部預(yù)提升段設(shè)置原料噴嘴[65-66]。

吡啶及其衍生物是目前雜環(huán)化合物中開發(fā)應(yīng)用范圍最廣的品種之一，被稱作是三藥(農(nóng)藥、醫(yī)藥和獸藥)及其三藥中間體的“芯片”。目前，我國吡啶堿的生產(chǎn)主要存在以下“卡脖子”問題：(1)吡啶堿合成裝置普遍存在反應(yīng)器分布器頻繁結(jié)焦的問題，開工周期一般只有3～4 個(gè)月，遠(yuǎn)低于美國Vertellus 等國際生產(chǎn)商的開工周期（1 年以上），不但生產(chǎn)能力低下，而且能耗和排放等指標(biāo)居高不下；（2）我國目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)吡啶堿生產(chǎn)工藝和催化劑技術(shù)的國產(chǎn)化，但是反應(yīng)器技術(shù)一直沒有擺脫受制于人的局面，相關(guān)技術(shù)被美國Vertellus、UOP 等國際專利商壟斷。這極不利于我國農(nóng)業(yè)的安全生產(chǎn)。Zhou等[67]前期研究表明，原料分布器始終浸沒在高溫流化床層中，導(dǎo)致分布器內(nèi)部溫度過高是造成分布器內(nèi)結(jié)焦的主要原因。為此，劉夢溪等[65,68]提出了一種新型吡啶堿合成耦合反應(yīng)器，如圖15所示。根據(jù)醛氨法合成吡啶堿的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)[69-70]，甲醛、乙醛、氨氣與催化劑接觸后同時(shí)生成吡啶和3-甲基吡啶這兩個(gè)中間產(chǎn)物，中間產(chǎn)物再進(jìn)一步生成焦炭，因此必須準(zhǔn)確控制反應(yīng)時(shí)間以達(dá)到高的產(chǎn)品收率。Reddy 等[69]的研究表明，低返混、高催化劑活性的反應(yīng)環(huán)境更加有利于提高反應(yīng)的選擇性，生成更多的吡啶。采用提升管作為主反應(yīng)區(qū)、構(gòu)建一個(gè)接近平推流的流動(dòng)環(huán)境更加有利于提高產(chǎn)品的選擇性，而提升管出口串聯(lián)床層反應(yīng)器則可以更加靈活地調(diào)控反應(yīng)時(shí)間，保證產(chǎn)品收率[67-68,71]。為避免原料在噴嘴內(nèi)和進(jìn)料區(qū)內(nèi)結(jié)焦并創(chuàng)造適宜的氣固接觸環(huán)境，將多個(gè)原料噴嘴沿提升管周向均勻布置，并斜向下45°布置。

由圖15可以看出，耦合反應(yīng)器中原料噴嘴設(shè)置在提升管底部的預(yù)提升段上，預(yù)提升段內(nèi)的氣固兩相處于鼓泡床/快速床的操作域，內(nèi)部的顆粒濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)提升管反應(yīng)器。因此，預(yù)提升進(jìn)料段內(nèi)射流的行為與提升管進(jìn)料段也有著顯著的差別。Zhou 等[65-66,72-73]在大型冷態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置上考察了稠密氣固流中射流的流體力學(xué)行為。圖16 給出了預(yù)提升進(jìn)料段內(nèi)床層密度沿軸向的分布。可以看出在底部截面h/H0=0.05上床層密度大于600 kg/m3，此處的氣固流動(dòng)主要受到底部松動(dòng)風(fēng)的影響，處于典型的鼓泡床流域。從截面h/H0=0.05 到截面h/H0=0.2，床層密度快速降低，這是因?yàn)樯淞飨蛳逻M(jìn)入床層后產(chǎn)生大量氣泡，氣泡改變方向向上流動(dòng)，越靠近射流引入點(diǎn)(h/H0=0.2)，氣泡越多，床層密度也越低。在截面h/H0=0.2 以上，床層密度隨高度的增加變化不大，但由于射流引入大量氣體，總體床層密度較小，床層進(jìn)入快速床流域。

圖15 吡啶堿合成反應(yīng)器改造方案[65,68]Fig.15 Improved scheme of pyridine synthesis reactor[65,68]

圖16 預(yù)提升進(jìn)料區(qū)內(nèi)的床層密度分布[65]Fig.16 Bed density distribution in the pre-lift feedstock injection zone[65]

Zhou 等[66]進(jìn)一步考察了噴嘴位置對射流的影響。圖17給出了示蹤氣體濃度沿軸向的分布，其中方案1的噴嘴(h/H=0.2)位于再生劑循環(huán)管出口(h/H=0.3)以下，方案2 的噴嘴(h/H=0.4)則位于循環(huán)管出口以上。從方案1的曲線可以看出隨著軸向位置的增加，示蹤氣體平均濃度先是略有增加（h/H≤0.15），然后急劇增加直到截面h/H=0.35，隨后又開始降低直到截面h/H=0.65?？梢钥闯鍪聚櫄怏w濃度在軸向位置h/H=0.15 處發(fā)生突變。這是由于射流氣體濃度的變化存在兩個(gè)階段，一個(gè)階段是隨射流氣體向下運(yùn)動(dòng)，一個(gè)階段是射流盡頭依靠擴(kuò)散向下運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)階段之間存在一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

圖17 進(jìn)料區(qū)內(nèi)氦示蹤氣體沿軸向的分布[66]Fig.17 Helium tracer concentration axial distribution in the pre-lift feedstock injection zone[66]

此時(shí)射流中心的軌跡方程可由式(5)進(jìn)一步推導(dǎo)得出：

由計(jì)算可知方案1的射流氣體能夠到達(dá)噴嘴以下0.12 m（h/H=0.14）處，而在該軸向位置以下區(qū)域內(nèi)，氣體則通過擴(kuò)散的方式進(jìn)一步向下運(yùn)動(dòng)直至示蹤氣體濃度為0，定義該區(qū)域?yàn)閲娮焐淞鲾U(kuò)散區(qū)域，如圖18所示[66]。

圖18 射流擴(kuò)散示意圖[66]Fig.18 Schematic diagram of the jet diffusion process[66]

在噴嘴射流擴(kuò)散區(qū)域內(nèi)，示蹤氣體的軸向傳質(zhì)由兩個(gè)因素決定：由示蹤氣體濃度梯度引起的從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域的擴(kuò)散，由氣體壓力梯度引起的由高壓區(qū)域向低壓區(qū)域的對流傳質(zhì)。處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，這兩種傳質(zhì)速率相等?；谫|(zhì)量守恒方程進(jìn)行推導(dǎo)，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得出：

式中，Dga為示蹤氣體的軸向擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；yt為射流擴(kuò)散長度。由此可進(jìn)一步預(yù)測出不同操作條件下的擴(kuò)散系數(shù)和擴(kuò)散長度，如表2所示[66]。

表2 不同操作條件下的Dga和yt［66］Table 2 Dga和ytunder different operating conditions［66］

在大量的流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)[65-66,72-73]和小型熱態(tài)實(shí)驗(yàn)研究[67,71]的基礎(chǔ)上，Zhou等[74]設(shè)計(jì)并搭建了工業(yè)側(cè)線裝置。側(cè)線裝置的提升管內(nèi)徑為Φ84 mm，高度13.35 m，表觀氣速5.13 m/s，床層內(nèi)徑為Φ311 mm，高度5.36 m，操作氣速0.54 m/s。表3 給出了側(cè)線工業(yè)實(shí)驗(yàn)的典型操作條件和產(chǎn)品組成?？梢钥吹疆a(chǎn)品收率最高可達(dá)74.7%，吡啶收率與3-甲基吡啶收率的比值為2.4，接近或略高于床層反應(yīng)器的收率(75%)和收率的比值(2%)。此外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示提高甲醛/乙醛摩爾比例有利于提高產(chǎn)品收率，增加床層反應(yīng)器藏量和提升管內(nèi)的劑油比也有利于提高產(chǎn)量收率。側(cè)線裝置連續(xù)運(yùn)行21 d，停工后打開側(cè)線裝置未發(fā)現(xiàn)任何結(jié)焦現(xiàn)象，說明進(jìn)料系統(tǒng)具有很好的防結(jié)焦性能。

表3 側(cè)線裝置的典型操作條件和產(chǎn)品組成［74］Table 3 Typical operating condition and product of the industrial sideline test system［74］

側(cè)線裝置內(nèi)進(jìn)料段的流動(dòng)-反應(yīng)模型為[74]：

式中，a為催化劑表觀活性，其數(shù)值主要取決于催化劑的活性和催化劑與反應(yīng)物的接觸以及進(jìn)料段內(nèi)溫度的軸、徑向分布，計(jì)算式為：

Zhou等[74]根據(jù)側(cè)線實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)一步建立了全反應(yīng)器模型，圖19給出了耦合反應(yīng)器不同區(qū)域反應(yīng)物產(chǎn)物濃度的模型預(yù)測值。

圖19 模型預(yù)測吡啶堿反應(yīng)過程中各組分的濃度變化[74]Fig.19 Model prediction of components distribution in the pyridine synthesis reactor[74]

由圖中可以看出，吡啶反應(yīng)主要在進(jìn)料段和床層段進(jìn)行。而在提升管段，吡啶的轉(zhuǎn)化率較低，只占總轉(zhuǎn)化率的10 %左右。盡管提升管段的停留時(shí)間遠(yuǎn)長于進(jìn)料段，然而模擬結(jié)果顯示進(jìn)料段的轉(zhuǎn)化率接近提升管段的3 倍，這是與側(cè)線裝置中提升管內(nèi)部催化劑濃度偏低有密切的關(guān)系。因此，在下一步工業(yè)裝置的設(shè)計(jì)中，應(yīng)進(jìn)一步增加提升管內(nèi)的催化劑濃度。

根據(jù)以上研究結(jié)果，進(jìn)一步設(shè)計(jì)并搭建了全球單套處理量最大的2.5萬t/a吡啶堿合成耦合流化床反應(yīng)器，如圖20 所示。其中提升管直徑為Φ1250 mm，操作氣速5.4 m/s，床層反應(yīng)器直徑為Φ2800 mm，操作氣速1.08 m/s。

圖20 工業(yè)吡啶堿合成反應(yīng)器示意圖Fig.20 Schematic diagram of the improved industrial pyridine synthesis reactor

圖21、圖22給出了工業(yè)裝置的運(yùn)行情況。由產(chǎn)品組成可以看出主要產(chǎn)物為吡啶和3-甲基吡啶，開工初期吡啶收率為39%，3-甲基吡啶收率為30%，總體而言收率低于床層反應(yīng)器收率（～75%）。這主要是裝置運(yùn)行初期波動(dòng)較大，操作參數(shù)尚未得到優(yōu)化，產(chǎn)品收率也相對較低。在后期運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)，隨著操作參數(shù)和調(diào)節(jié)手段的優(yōu)化，產(chǎn)品收率逐漸穩(wěn)定在74%左右，基本達(dá)到了床層反應(yīng)器的收率。裝置連續(xù)運(yùn)行近1 年后停工，檢修時(shí)在進(jìn)料段和耦合反應(yīng)器內(nèi)未發(fā)現(xiàn)任何結(jié)焦?fàn)顩r，說明新型進(jìn)料系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的防結(jié)焦性能。

圖21 工業(yè)裝置的產(chǎn)品收率Fig.21 Product yields in the improved industrial pyridine synthesis reactor

圖22 工業(yè)裝置吡啶收率與3-甲基吡啶收率的比值Fig.22 Product selectivity in the improved industrial pyridine synthesis reactor

3 結(jié) 論

射流是提升管反應(yīng)器中重要的介尺度流動(dòng)結(jié)構(gòu)，對產(chǎn)品的收率、選擇性以及提升管內(nèi)壁的結(jié)焦都有重要的影響。本文對近年來提升管進(jìn)料區(qū)內(nèi)射流流動(dòng)行為及調(diào)控的研究進(jìn)行了回顧，介紹了進(jìn)料區(qū)內(nèi)主射流、二次流的形成機(jī)理、預(yù)測模型，以及相應(yīng)的調(diào)控手段。針對不同的工藝過程，介紹了不同的進(jìn)料區(qū)流場強(qiáng)化方法、實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果和工業(yè)應(yīng)用結(jié)果。

目前人們對提升管進(jìn)料區(qū)的研究主要集中在射流與周圍流場的相互作用和影響等方面，也獲得了一些工業(yè)應(yīng)用，但射流并非唯一的介尺度流動(dòng)結(jié)構(gòu)，其與其他介尺度結(jié)構(gòu)的相互作用以及該作用對反應(yīng)性能的影響尚不清楚，今后需要在以下方面展開進(jìn)一步研究。

（1）顆粒聚團(tuán)是提升管中大量存在的介尺度流動(dòng)結(jié)構(gòu)，顆粒聚團(tuán)與射流、二次流相互作用時(shí)的動(dòng)態(tài)演變，其運(yùn)動(dòng)速度、尺寸、頻率、固含率的變化規(guī)律等；

（2）不同進(jìn)料區(qū)流場調(diào)控手段如入射角度、多層噴嘴等對顆粒聚團(tuán)的影響規(guī)律；

（3）主射流、二次流中原料液滴與顆粒聚團(tuán)、彌散顆粒接觸后的氣化與反應(yīng)；

（4）針對更多的工藝過程，“量體裁衣”式的制定相應(yīng)的提升管進(jìn)料區(qū)調(diào)控手段并實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。

符 號 說 明

A——提升管橫截面積,m2

b——噴嘴出口寬度，m

bz——噴嘴半徑,m

CA——乙醛濃度，mol/L

CA0——乙醛初始濃度，mol/L

CD——吡啶濃度，mol/L

CE——3-甲基吡啶濃度，mol/L

CE0——3-甲基吡啶初始濃度，mol/L

Cn——?dú)鈩?dòng)阻力系數(shù)，一般取1～3

c——示蹤氣體濃度,%(體積)

D——提升管直徑,m

Fk——Kutta-Joukowski力,N

Gs——催化劑循環(huán)流率，kg/(m2·s)

h——研究截面距離預(yù)提升分布環(huán)的高度，m

Qj——噴嘴氣量,m3/h

Qr——預(yù)提升氣量,m3/h

U——射流平均速度,m/s

ugf——預(yù)提升進(jìn)料段表觀氣速，m/s

ugz——噴嘴射流過孔氣速，m/s

upr——預(yù)提升段表觀氣速，m/s

Vp——顆粒徑向速度,m/s

Vs——粒團(tuán)與來流的相對速度,m/s

α——噴嘴入射角,(°)

γ——二次流角度,(°)

εfeed——進(jìn)料相體積分?jǐn)?shù)

εp——固含率

εs——固相體積分率，固含率

εˉfeed——截面上進(jìn)料相平均體積分?jǐn)?shù)

εˉs——截面上固相平均體積分?jǐn)?shù)

ρ(h)——高度為h的截面平均床層密度，kg/m3

ρpr——預(yù)提升段的氣-固混合物密度，kg/m3

ρz——噴嘴射流的密度，kg/m3

下角標(biāo)

g——?dú)怏w

j——射流

0——初始狀態(tài)