原料油汽化特性對(duì)催化裂化反應(yīng)結(jié)焦過程影響的CFD模擬

陳昇，王夢(mèng)鈳，，魯波娜，李秀峰，劉岑凡，劉夢(mèng)溪，范怡平，盧春喜

（1中國特種設(shè)備檢測(cè)研究院，煉油 與化工裝備風(fēng)險(xiǎn)防控國家市場(chǎng)監(jiān)管技術(shù)創(chuàng)新中心，北京 100029；2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；3中國科學(xué)院過程工程研究所多相復(fù)雜系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190；4中國科學(xué)院大學(xué)化工學(xué)院，北京 101408）

引 言

催化裂化是重質(zhì)油輕質(zhì)化的主流加工工藝[1-3]，國外催化裂化汽油產(chǎn)量約占汽油總量的35%，國內(nèi)催化裂化汽油產(chǎn)量占汽油總量的80%、柴油產(chǎn)量占柴油總量的40%左右[4]。催化裂化裝置是煉廠的核心盈利點(diǎn)，也是煉廠節(jié)能減排的關(guān)鍵，其能耗占煉廠綜合能耗的1/3 以上[5]，其長周期安全、高效、低耗運(yùn)行直接影響到煉廠整體效益。

催化裂化裝置的核心反應(yīng)器是提升管，其反應(yīng)效率和生焦率直接決定催化裂化裝置收益和能耗（燒焦能耗占裝置能耗的1/3），結(jié)焦?fàn)顩r直接影響裝置安全狀況和運(yùn)行周期。提升管反應(yīng)器內(nèi)高沸點(diǎn)、高分子的重質(zhì)碳?xì)浠衔镌诖呋瘎┑淖饔孟罗D(zhuǎn)化為目標(biāo)產(chǎn)品的輕質(zhì)油，如汽油、柴油、石油氣等。其反應(yīng)過程由一系列平行順序反應(yīng)組成，而目標(biāo)產(chǎn)品是反應(yīng)的中間產(chǎn)物[6]；不充分或過度反應(yīng)都會(huì)影響目標(biāo)產(chǎn)品收率，造成生焦量增多，其中焦炭產(chǎn)率每升高1%將造成裝置能耗升高15%左右、輕質(zhì)油收率降低1%以上[4]。

提升管反應(yīng)器內(nèi)各流動(dòng)區(qū)域功能不同，自下向上依次分為預(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)[7]。進(jìn)料混合區(qū)內(nèi)霧化油滴快速汽化并完成60%～70%的裂化反應(yīng)[7-8]，原料油混合狀況直接影響目標(biāo)產(chǎn)品收率和焦的生成量，然而該區(qū)存在復(fù)雜的氣液固三相混合、汽化、傳熱、反應(yīng)過程，原料油汽化特性與原料油混合狀況密切相關(guān)。早期關(guān)于原油霧化特性的研究較多，如，Mauleon 等[9]通過實(shí)驗(yàn)研究表明，油滴在進(jìn)料區(qū)的快速汽化可降低焦炭生成量；Buchanan[10]發(fā)現(xiàn)油滴的快速汽化影響霧化油滴大小和油劑匹配分布；Theologos 等[11]認(rèn)為30 μm 的霧化油滴有助于其瞬間汽化；Couch 等[12]進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)霧化油滴越小需要越多霧化蒸汽量，操作成本和操作壓力越高，且過度霧化與高產(chǎn)品收率并不成正比；Gao 等[13]通過模擬實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為40～80 μm 之間的原料油霧化液滴是較為理想的。然而，前人研究多是基于實(shí)驗(yàn)環(huán)境推斷/工程“探索性”嘗試后的結(jié)果，缺乏在實(shí)際工業(yè)反應(yīng)器內(nèi)從其對(duì)汽化過程分析到對(duì)局部流場(chǎng)、反應(yīng)的影響，再到對(duì)整體反應(yīng)收率及結(jié)焦?fàn)顩r的研究。

受現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件及測(cè)量技術(shù)的限制，工業(yè)反應(yīng)器內(nèi)汽化反應(yīng)過程缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而CFD 模擬技術(shù)逐漸成熟且廣泛用于工業(yè)反應(yīng)過程研究。對(duì)于復(fù)雜多相反應(yīng)過程，由于計(jì)算量大且相間作用復(fù)雜（存在介尺度結(jié)構(gòu)且會(huì)增加傳遞阻力，造成局部相間曳力、傳熱效率、反應(yīng)速率下降，導(dǎo)致軸、徑向上呈現(xiàn)如“S”型分布、“環(huán)核”分布等非均勻分布[14-17]），給準(zhǔn)確模擬帶來了新的挑戰(zhàn)。催化裂化提升管反應(yīng)器內(nèi)涉及氣液固三相流動(dòng)混合和傳熱傳質(zhì)過程，前人大多數(shù)是將該提升管內(nèi)氣液固三相簡化為氣固兩相開展流場(chǎng)研究[18-22]。然而氣固兩相流忽略了進(jìn)料區(qū)油滴汽化過程對(duì)流場(chǎng)分布的影響，由于進(jìn)料區(qū)內(nèi)決定著60%～70%的裂化反應(yīng)，無法揭示液相油撞擊、汽化現(xiàn)象以及該區(qū)內(nèi)氣體流場(chǎng)和反應(yīng)生焦的變化過程，更無法完整揭示提升管內(nèi)多流態(tài)并存的現(xiàn)象，即工業(yè)FCC 提升管底部預(yù)提升區(qū)內(nèi)是密相輸送流，進(jìn)料混合區(qū)內(nèi)是不均勻混合過渡流，充分混合區(qū)是加速膨脹流，充分發(fā)展區(qū)是稀相輸送流。為進(jìn)一步研究FCC 反應(yīng)過程，一些研究者[22-23]在氣固兩相流動(dòng)模擬基礎(chǔ)上耦合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行反應(yīng)過程研究，然而由于進(jìn)料區(qū)是氣液固三相混合反應(yīng)區(qū)，若忽略液相汽化過程會(huì)造成進(jìn)料區(qū)油劑混合嚴(yán)重偏離真實(shí)狀況（純氣相進(jìn)料射流剛性差、難以匯聚到中心且極易偏射到壁面），則會(huì)導(dǎo)致進(jìn)料區(qū)內(nèi)反應(yīng)過程也偏離真實(shí)狀況，無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)提升管進(jìn)料區(qū)內(nèi)的多相反應(yīng)生焦過程。少數(shù)研究者[24-26]也嘗試采用拉格朗日方法跟蹤原油霧滴，但其大多是建立相關(guān)模型來預(yù)測(cè)進(jìn)料區(qū)油滴汽化、油劑反應(yīng)等過程，計(jì)算量太大，難以用于工業(yè)提升管反應(yīng)器模擬。目前，多相歐拉法是工業(yè)FCC 提升管CFD 反應(yīng)模擬最可行的方法。此外，有研究表明[27-28]汽化效果直接影響提升管反應(yīng)器反應(yīng)生焦過程。反應(yīng)生焦一般指原料發(fā)生脫氫、齊聚、氫轉(zhuǎn)移、聚合、縮聚等一系列副反應(yīng)生成焦質(zhì)并黏附于催化劑顆?？椎阑虮砻妫杂坞x態(tài)存在，稱為游離焦；而游離焦在局部區(qū)域滯留、沉積并與未汽化重質(zhì)黏性組分一同黏附、固定于壁面后結(jié)焦，形成固定焦，影響反應(yīng)器安全運(yùn)行。目前反應(yīng)生焦和結(jié)焦過程的研究極少，結(jié)焦預(yù)測(cè)模型也幾乎未見報(bào)道。

為了充分理解汽化過程對(duì)傳統(tǒng)催化裂化提升管進(jìn)料區(qū)內(nèi)混合狀況和反應(yīng)的影響，本研究在前期工作[29]的基礎(chǔ)上，采用氣液固三相CFD 反應(yīng)模擬方法，基于EMMS（energy-minimization multi-scale）介尺度曳力[30]和傳質(zhì)模型[31]考慮非均勻流動(dòng)結(jié)構(gòu)對(duì)FCC提升管內(nèi)多相流動(dòng)和反應(yīng)的影響，基于滯留、沉積、黏附結(jié)焦過程建立結(jié)焦概率的預(yù)測(cè)模型，研究原料油汽化特性（霧化粒徑和起始汽化溫度）對(duì)多相流動(dòng)、反應(yīng)生焦和結(jié)焦的影響，指導(dǎo)工業(yè)反應(yīng)器最優(yōu)化操作及運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)提質(zhì)增效和長周期安全運(yùn)行。

1 模擬設(shè)置

1.1 模擬對(duì)象

本研究以某石化100 萬噸/年重油催化裂化裝置提升管反應(yīng)器為模擬對(duì)象，如圖1所示，總高度為38.008 m，直徑0.684～0.920 m，4 個(gè)矩形進(jìn)料噴嘴沿軸線向上30°安裝在6.500 m 的變徑處。經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性分析優(yōu)化后，采用全結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格及局部加密方式（如原料油噴嘴附近、頂部出口處），截面網(wǎng)格數(shù)為972 個(gè)，最小軸向網(wǎng)格尺度為0.03 m，總網(wǎng)格數(shù)為644596個(gè)。

圖1 催化裂化提升管構(gòu)體和模擬網(wǎng)格[30]Fig.1 Geometry of FCC riser and grid in simulation[30]

1.2 模擬方法和模擬參數(shù)

模擬采用Ansys Fluent 19?多相流求解器，采用多相歐拉模型，將催化劑顆粒和原料油霧化液滴當(dāng)作擬流體，采用代數(shù)形式的顆粒動(dòng)理論（KTGF）封閉固相應(yīng)力。假設(shè)液相原料油先汽化后裂化，反應(yīng)以氣固兩相為主，這里油滴汽化模型采用Gao 等[13]和Law[32]的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式[式(1)和式(2)]，F(xiàn)CC 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)采用十二集總反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型(圖2)[15][其中為模擬反應(yīng)過程催化劑失活對(duì)反應(yīng)過程的影響，加入催化劑失活函數(shù)[15,24]，見式(3)]，采用EMMS 曳力[30]和傳質(zhì)[31]模型修正氣固相間曳力系數(shù)和反應(yīng)速率，考慮氣固介尺度結(jié)構(gòu)對(duì)流動(dòng)和傳質(zhì)過程的影響，以上模型都采用自定義函數(shù)（UDF）與多相流求解器耦合計(jì)算。由于油滴在內(nèi)部停留時(shí)間很短且分布均勻，很難形成油滴團(tuán)聚物且對(duì)最終流場(chǎng)分布影響有限，因此氣液和液固曳力采用Schiller-Naumann 均勻曳力模型。壁面氣相和液相采用無滑移，固相采用部分滑移，鏡面系數(shù)取0.5。通過調(diào)節(jié)步長（0.0005 s）和每步迭代次數(shù)（30），實(shí)現(xiàn)每步迭代收斂；通過監(jiān)測(cè)出口和不同高度溫度、濃度和速度來判斷床層內(nèi)部流動(dòng)和反應(yīng)是否穩(wěn)定。模擬具體操作參數(shù)如表1所示。

表1 模擬參數(shù)設(shè)置Table 1 Summary of relevant parameter settings in simulation

圖2 催化裂化十二集總反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型的反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)[15]Fig.2 Reaction network of 12-lump kinetics model of FCC reaction[15]

式中，εd為油滴體積分?jǐn)?shù)；ρd為油滴密度；τvap為汽化時(shí)間，其與油滴直徑的平方(d02)呈正比關(guān)系，油滴直徑分別為40、60、80 μm 時(shí)，汽化時(shí)間對(duì)應(yīng)為0.09、0.20、0.36 s。

式中，ycat為催化劑顆粒占固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.3 結(jié)焦預(yù)測(cè)模型

結(jié)焦過程十分復(fù)雜且涉及一系列化學(xué)反應(yīng)和物理過程，為直接模擬預(yù)測(cè)結(jié)焦發(fā)生的概率及程度，基于結(jié)焦機(jī)理和形成過程提出一個(gè)結(jié)焦預(yù)測(cè)模型，結(jié)合CFD 微元內(nèi)焦生成的化學(xué)反應(yīng)過程計(jì)算焦生成量，并通過滯留率（Cresidence）、沉積率（Cdeposition）、黏附率（Cadhesion）數(shù)學(xué)表達(dá)式分別描述單位體積內(nèi)游離焦的滯留（反映局部停留時(shí)間長短）、沉積、黏附可能性及程度。結(jié)焦率計(jì)算公式為

式中，k為初始系數(shù)，k=10n，n是根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)焦?fàn)顩r設(shè)定的初始值，若初始無結(jié)焦就取0；當(dāng)用于同一裝置、相同操作條件下不同部位結(jié)焦?fàn)顩r對(duì)比時(shí)，n根據(jù)計(jì)算所得量級(jí)來取值，控制結(jié)焦率在0～1 范圍內(nèi)；而對(duì)于不同裝置或同一裝置不同操作條件下結(jié)焦?fàn)顩r對(duì)比時(shí)，n應(yīng)取相同值來進(jìn)行同量級(jí)對(duì)比。

若某微元內(nèi)單位時(shí)間生成游離焦的速率小于單位時(shí)間對(duì)流擴(kuò)散的量，那么游離焦在此微元內(nèi)的停留時(shí)間越短，則此區(qū)域內(nèi)就不易形成返混嚴(yán)重區(qū)或死區(qū)，結(jié)焦趨勢(shì)可能越低。由此，滯留率用單位時(shí)間、單位體積內(nèi)局部“游離焦”總量（初始存量+反應(yīng)生成量）與對(duì)流擴(kuò)散量的比值來描述。

式中，R˙reaction,coke為單位體積內(nèi)游離焦生成量，kg·m-3·s-1；ri為第i個(gè)反應(yīng)的反應(yīng)系數(shù)；Ri為第i個(gè)反應(yīng)的反應(yīng)速率，mol·kg-1·s-1；ρs為固相密度，kg·m-3；ρcoke為游離焦密度，kg·m-3；εs為固相體積分?jǐn)?shù)；Mcoke為焦炭摩爾質(zhì)量，kg·mol-1；kref,i為第i個(gè)反應(yīng)的反應(yīng)速率常數(shù)，10-3m3·kg·s-1；Earef,i為第i個(gè)反應(yīng)的活化能，kJ·mol-1；Tg為氣相溫度，K；Tref為反應(yīng)溫度，K；Rg為氣體常數(shù)，J·mol-1；Cmol,i為第i個(gè)反應(yīng)的濃度,mol·L-1；W˙exist為單位體積內(nèi)游離焦現(xiàn)有量，kg·m-3·s-1；εcoke為游離焦的體積分?jǐn)?shù)；t為單位時(shí)間，s；φparticle為單位體積內(nèi)顆粒比表面積之和，m；dp為催化劑顆粒粒徑，m；Ddiffusion為單位體積內(nèi)游離焦擴(kuò)散量，kg·m-2·s-1；us為顆粒真實(shí)速度，m·s-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 流動(dòng)反應(yīng)過程及結(jié)焦?fàn)顩r預(yù)測(cè)

基于上述模擬方法模擬工業(yè)FCC 提升管流動(dòng)反應(yīng)過程，待流動(dòng)和反應(yīng)穩(wěn)定后時(shí)均統(tǒng)計(jì)15 s 進(jìn)行準(zhǔn)確性驗(yàn)證，在前期工作[29]中（表2）已驗(yàn)證并可知該模擬方法有較好預(yù)測(cè)精度。從圖3中可看出FCC 提升管內(nèi)存在多流態(tài)共存現(xiàn)象，進(jìn)料區(qū)內(nèi)液相先向中心擴(kuò)張后逐漸汽化消失，焦的產(chǎn)生與催化劑和原料油混合狀況相關(guān)?；谠撃M方法，在流動(dòng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布模擬穩(wěn)定后，再進(jìn)行15 s 時(shí)均統(tǒng)計(jì)并保存不同瞬態(tài)結(jié)果，采用上述結(jié)焦率預(yù)測(cè)模型，通過Customer Field Function 與求解器耦合計(jì)算結(jié)焦?fàn)顩r瞬態(tài)和時(shí)均分布，進(jìn)一步預(yù)測(cè)結(jié)焦?fàn)顩r。圖4(a)、(b)分別表示瞬態(tài)（t=35 s）和時(shí)均統(tǒng)計(jì)15 s 后結(jié)焦?fàn)顟B(tài)分布，預(yù)測(cè)得到的結(jié)焦位置和相關(guān)文獻(xiàn)[26-27]中報(bào)道易結(jié)焦位置（原料油噴嘴處、相鄰噴嘴之間和噴口上方1～3 m 的提升管內(nèi)壁上）一致，說明結(jié)焦預(yù)測(cè)模型可合理地預(yù)測(cè)結(jié)焦?fàn)顩r。

圖3 流場(chǎng)分布及反應(yīng)產(chǎn)物分布Fig.3 Snapshots and time-average distribution of solid,liquid and coke volume fraction

圖4 結(jié)焦?fàn)顩r瞬態(tài)(a)與時(shí)均(b)分布預(yù)測(cè)（n值取6）Fig.4 Snapshots(a)and time-average(b)distribution of coking profiles

表2 工業(yè)測(cè)量數(shù)據(jù)與模擬預(yù)測(cè)值［29］Table 2 Comparison of the predicted result and the industrial data［29］

2.2 霧化液滴粒徑影響

為考察不同霧化液滴粒徑大?。?0、60、80 μm）對(duì)流動(dòng)反應(yīng)過程和結(jié)焦?fàn)顩r的影響，在其他條件均相同的情況下進(jìn)行了模擬對(duì)比分析。

圖5 為不同霧化液滴粒徑下液相、固相體積分?jǐn)?shù)和溫度分布。由圖5(a)可見，提升管進(jìn)料區(qū)（5.5～10.5 m）內(nèi)的油滴粒徑越大，液相射流在管中心大量聚集且存留時(shí)間越長；過大粒徑如80 μm情況下，會(huì)造成液相汽化率明顯下降，此時(shí)未汽化率為2.75%；過小粒徑如40 μm情況下，雖然起始汽化快，但液相射流剛性差，難以到達(dá)管中心，液相射流易發(fā)散造成油劑混合不均，且最終提升管出口的液相體積分?jǐn)?shù)與60 μm 狀況相比也基本一致，說明過小粒徑不一定能增大最終汽化率。由圖5(b)可發(fā)現(xiàn)，油滴粒徑越大，“W”型固相濃度的不均勻分布持續(xù)距離更長，進(jìn)料區(qū)固相體積分?jǐn)?shù)有所下降，主要由液相射流持續(xù)時(shí)間長所導(dǎo)致。從圖5(c)溫度場(chǎng)來看，油滴粒徑越大，吸熱量有所降低，造成出口溫度較40 μm粒徑下高7.3℃。由此可知，油滴粒徑越小，汽化越快；過小的粒徑只是起始汽化更快，對(duì)最終液相油的汽化率影響不大。

為了考察各組分之間含量及分布的差異，引入組分分率（相間體積分?jǐn)?shù)×相內(nèi)組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)）來對(duì)比各組分之間分布的差異。圖6為不同反應(yīng)產(chǎn)物的組分分率，可知霧化液滴粒徑越小，輕油出現(xiàn)越快且多，汽油收率略有增加；進(jìn)料區(qū)分布也存在一定差異，尤其粒徑過?。?0 μm）造成液相射流剛性差且易散[圖5(a)]，導(dǎo)致進(jìn)料區(qū)輕油、汽油、游離焦組分分布更不均（圖6）；粒徑越大如80 μm 時(shí)，進(jìn)料區(qū)游離焦生成量相對(duì)越少，這是由于霧化粒徑過大、汽化慢、油劑接觸反應(yīng)慢所造成的。由表3 進(jìn)一步對(duì)比出口各組分分布可知，粒徑越小，未汽化油大幅減少，氣相輕油、重油組分的收率越高，說明汽化率越高。與80 μm 粒徑情況下相比，60 μm 粒徑下汽油和液化石油氣收率分別增加了0.75%和0.12%，同時(shí)游離焦含量增多了2.92%，說明適當(dāng)減小液滴粒徑有利于目標(biāo)產(chǎn)品收率提升。然而，過小粒徑（40 μm）下雖然原料油汽化率大幅提升，但是汽油、液化石油氣反而有所降低，這是因?yàn)檫^小粒徑下進(jìn)料區(qū)射流易散造成與中心催化劑顆粒混合慢、反應(yīng)傳質(zhì)效果差[圖5(a)、(b)]，同時(shí)汽化越多會(huì)造成反應(yīng)溫度下降[圖5(c)]，也影響裂化反應(yīng)效果。由此，油滴粒徑大小要兼顧汽化效果和油劑混合反應(yīng)狀況，合適的油滴粒徑大?。ㄈ?0 μm）有利于提升汽油和液化石油氣收率。

表3 不同霧化液滴粒徑下出口各組分質(zhì)量流率對(duì)比Table 3 Comparison of mass flow rate of each lump under different atomized oil droplet size

圖5 不同霧化液滴粒徑下液相、固相體積分?jǐn)?shù)和溫度時(shí)均分布Fig.5 The axially time-averaged distributions of volume fraction of liquid droplets(a)and solid(b),and temperature(c)under different atomized droplet sizes

圖6 不同霧化液滴粒徑下反應(yīng)產(chǎn)物組分分率時(shí)均分布Fig.6 Time-averaged distributions of different component under different atomized oil droplet size

基于結(jié)焦預(yù)測(cè)模型，如圖7所示，進(jìn)一步對(duì)比不同油滴粒徑下的結(jié)焦?fàn)顩r，圖中顏色代表結(jié)焦傾向的強(qiáng)弱程度，邊壁紅色和綠色環(huán)范圍代表結(jié)焦可能出現(xiàn)的區(qū)域，由此可見產(chǎn)生結(jié)焦位置主要位于提升管進(jìn)料區(qū)噴嘴上端和頂部，與反應(yīng)器實(shí)際結(jié)焦現(xiàn)象相符；進(jìn)料區(qū)60 μm 粒徑下結(jié)焦更嚴(yán)重些，這與表2中游離焦含量規(guī)律相吻合。此外，從圖7 結(jié)焦率沿高度分布曲線可以看出，油滴粒徑越大，進(jìn)料區(qū)噴嘴上端結(jié)焦率峰值（結(jié)焦傾向最大值）會(huì)沿高度上移，峰值分別位于噴嘴上方1.3、1.9、2.1 m 處，這是因?yàn)榱皆酱?，汽化越慢，生焦速率越慢?/p>

圖7 不同霧化液滴粒徑下結(jié)焦時(shí)均分布（n值取6）Fig.7 Time-averaged distribution of coking index in riser under different atomized oil droplet size

綜上，霧化液滴粒徑影響油滴汽化率與反應(yīng)轉(zhuǎn)化率。過大油滴尺寸下，汽化率低，但反應(yīng)轉(zhuǎn)化率高；過小油滴尺寸下，汽化率高，但反應(yīng)轉(zhuǎn)化率低；只有在適當(dāng)油滴粒徑（60 μm）下汽化率與反應(yīng)轉(zhuǎn)化率達(dá)到合理平衡點(diǎn)時(shí)才可獲得最大目標(biāo)產(chǎn)品收率，但同時(shí)生焦量和結(jié)焦趨勢(shì)也會(huì)有所增大。

2.3 起始汽化溫度影響

為進(jìn)一步考察不同類型原料油下汽化、反應(yīng)過程的差異，本文研究不同類型原料油起始汽化溫度(取原料油中平均沸點(diǎn)值作為起始汽化溫度)對(duì)流動(dòng)反應(yīng)過程和結(jié)焦?fàn)顩r的影響，從而反映原料油重質(zhì)化程度。根據(jù)進(jìn)料油摻渣率的不同，分別設(shè)置了654、727、800 K 三種不同的起始汽化溫度（反應(yīng)溫度在823 K 左右），并在其他條件都相同的情況下進(jìn)行對(duì)比。

圖8 為不同起始汽化溫度下液相、固相體積分?jǐn)?shù)和溫度分布。由圖8(a)可見，起始汽化溫度在一定范圍內(nèi)（如654～727 K）時(shí)，液相射流長度和汽化率基本不變；但過高的汽化溫度如800 K 時(shí)，液相原油在進(jìn)料區(qū)內(nèi)持續(xù)時(shí)間長且射流在到達(dá)噴嘴上方3.5 m后才消失，說明汽化速率慢；同時(shí)，頂部出口上部易聚集大量未汽化油滴，說明汽化效果差，未汽化率由0.44%升至18.61%。由圖8(b)可發(fā)現(xiàn)，固相體積分?jǐn)?shù)分布基本不變。但過高的起始汽化溫度（800 K）時(shí)，由于油汽化慢且油劑混合差，固相溫度有所升高，如圖8(c)所示，此時(shí)出口溫度較727 K 下升高10 K 左右。由此，在一定范圍內(nèi)起始汽化溫度對(duì)汽化效果和傳熱效果影響?。坏^高起始汽化溫度會(huì)造成汽化率降低，影響傳熱效果。

為考察各組分之間含量及分布的差異，采用組分分率進(jìn)行比較。如圖9 和表4 所示，一定起始汽化溫度（654～727 K）下反應(yīng)產(chǎn)物差異小，而高的起始汽化溫度(800 K)下輕油和汽油質(zhì)量收率低[圖9(b)中由于總原料油汽化量少，800 K 下氣相中汽油組分分率高于其他起始汽化溫度，但因氣相總質(zhì)量流率低，所以實(shí)際汽油質(zhì)量流率低]、生焦量增大，這是因?yàn)榇藭r(shí)汽化量少，但氣相裂化反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率大，少量汽化油在高溫[圖8(c)]下過度反應(yīng)生焦造成的。從表4出口質(zhì)量流率進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，800 K 起始汽化溫度下原料油汽化量急劇減少，與654～727 K 汽化溫度相比減少了24%～25%，此時(shí)汽化率低，是因?yàn)?00 K 下油滴汽化需要更長的時(shí)間才能達(dá)到汽化起始點(diǎn)，造成汽化速率慢且效果差[圖8(a)]。由此可知，在一定范圍內(nèi)的起始汽化溫度對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物收率影響小，但過高起始汽化溫度會(huì)造成汽化率明顯降低，影響反應(yīng)產(chǎn)物收率。

表4 不同起始汽化溫度下出口各組分質(zhì)量流率對(duì)比Table 4 Comparison of mass flow rate of each lump under different vaporization temperatures

圖8 不同起始汽化溫度下液相和固相體積分?jǐn)?shù)和溫度時(shí)均分布Fig.8 The axially time-averaged distributions of volume fraction of liquid droplets(a)and solid(b),and temperature(c)under different vaporization temperatures

圖10 為不同起始汽化溫度下提升管內(nèi)的結(jié)焦?fàn)顩r對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生結(jié)焦的位置主要位于提升管進(jìn)料區(qū)噴嘴上段和頂部，隨著起始汽化溫度升高，結(jié)焦趨勢(shì)有所上升。其中進(jìn)料區(qū)結(jié)焦量峰值高度的位置隨汽化溫度增大而向上移動(dòng)，但過高汽化溫度(800 K)時(shí)的結(jié)焦趨勢(shì)卻小于汽化溫度727 K時(shí)，直到進(jìn)料區(qū)上方(10.5～20 m)才高于汽化溫度727 K，這與圖9(c)游離焦的分布也是一致的，是因?yàn)槠瘻囟仍礁叩钠试降?、反?yīng)區(qū)上端裂化反應(yīng)過度。

圖9 不同起始汽化溫度下反應(yīng)產(chǎn)物組分分率分布對(duì)比Fig.9 Comparison of axial variation of different components under different vaporization temperatures

圖10 不同起始汽化溫度下結(jié)焦時(shí)均分布（n取6）Fig.10 The time-averaged distribution of coking index in riser under different vaporization temperature

綜上，起始汽化溫度也影響油滴汽化率和反應(yīng)轉(zhuǎn)化率；一定汽化溫度范圍內(nèi)，汽化率和反應(yīng)轉(zhuǎn)化率差異??；過高起始汽化溫度（800 K）會(huì)造成汽化率明顯降低，但反應(yīng)轉(zhuǎn)化率增大，結(jié)焦也略嚴(yán)重。

3 結(jié) 論

本文采用多相歐拉方法揭示了實(shí)際工業(yè)反應(yīng)器內(nèi)氣液固三相流動(dòng)、傳熱、相變、反應(yīng)等復(fù)雜過程，開發(fā)的結(jié)焦預(yù)測(cè)模型實(shí)現(xiàn)了結(jié)焦可能性的定量預(yù)測(cè)，主要結(jié)論如下。

（1）霧化液滴粒徑大小和起始汽化溫度通過流場(chǎng)分布影響油滴汽化率和裂化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率；適當(dāng)?shù)囊旱危ㄈ?0 μm）和起始汽化溫度（如654～727 K）可使汽化率與反應(yīng)轉(zhuǎn)化率達(dá)到平衡，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)品收率最大化和改善結(jié)焦?fàn)顩r。

（2）霧化液滴粒徑越大，汽化越不充分，油劑混合差，汽油和液化石油氣目標(biāo)產(chǎn)品收率低，結(jié)焦趨勢(shì)相對(duì)略低；油滴粒徑越小，汽化率高，但過小的霧化油滴粒徑雖然使得油滴起始汽化快，但油劑匹配差，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率低，目標(biāo)產(chǎn)品收率也不高；相較80 μm 的 油 滴，油 滴 粒 徑 在60 μm 可 提 升 輕 油（5.23%）、汽油（0.75%）和液化石油氣（0.12%）收率，但結(jié)焦程度略有增大。

（3）起始汽化溫度在一定范圍（654～727 K）內(nèi)汽化率和反應(yīng)轉(zhuǎn)化率變化?。贿^高起始汽化溫度（如800 K），汽化慢，未汽化油量呈數(shù)倍增多（41 倍左右），雖反應(yīng)轉(zhuǎn)化率高，但輕油、汽油、液化石油氣等目標(biāo)產(chǎn)品的收率大幅度降低，且結(jié)焦程度加重。