不同形狀垂直篩板流化床性能

董 群，孫 征，賈 昭，王淑彥

（1.東北石油大學 石油與天然氣化工省重點實驗室，黑龍江 大慶163318；2.中國石油 大慶煉化分公司，黑龍江 大慶163411；3.中國科學院 過程工程研究所，北京100190；4.東北石油大學 石油工程學院，黑龍江 大慶163318）

催化裂化再生器由于氣泡的存在，使得氣-固傳質差、固相返混大。研究不產(chǎn)生氣泡、氣-固接觸好的新型內(nèi)構件，是強化再生過程的一個重要途徑，對重油催化裂化和氣-固流化技術發(fā)展有重要的意義。

目前，許多研究者［1-3］報道了設置內(nèi)構件的流化床氣-固流化行為。國內(nèi)外現(xiàn)有的內(nèi)構件有擋板、格柵和填料等。擋板內(nèi)構件能消除節(jié)涌、破碎氣泡、強化氣-固相接觸、抑制顆粒返混和提高傳質效率，在擋板上開孔、添加導流部件、增設水平多孔擋板、催化劑旋轉導流葉片等［4-6］可以提高擋板的性能。朱丙田［7］、張振千［8］、洛陽石化工程公司［9］、 盧春喜［10］、張英等［11］研究的格柵比表面積較低，可抑制氣泡的合并，增強氣-固接觸效率；填料結構阻力小，傳質效率高，比表面積大，破碎氣泡效果好；擋板易形成溝流，削弱了顆粒在流化床內(nèi)的循環(huán)強度；由于流通路徑的曲折性和寬度所限，填料易被焦塊堵塞，形成催化劑流動的死區(qū)。

目前，垂直篩板用于氣-液分離裝置，具有處理能力大、壓力降小、操作彈性大、氣速高等優(yōu)點［12］。在國內(nèi)外未見將垂直篩板用于氣-固流化床內(nèi)構件的研究報道。

筆者考察了3種形狀的氣-固相流化床垂直篩板的內(nèi)構件結構和操作條件對床層壓力降的影響。

1 實驗部分

以Y型催化裂化CRC-1平衡催化劑作為本研究中的固體顆粒。該催化劑顆粒屬A類顆粒，平均粒徑65μm，顆粒密度1213kg／m3，堆積密度792kg／m3。

1.1 實驗裝置及實驗方法

實驗裝置的塔體采用有機玻璃，有3層塔板，中間塔板為實驗板，上、下層塔板分別為顆粒和氣體分布板。顆粒從上向下流動，氣體從板孔處進入帽罩，氣-固兩相并流向上通過帽罩孔噴射后，顆粒落到塔板上，通過降料管溢流到下一層塔板。測量循環(huán)量時，將提升管出口切入含有濾芯的測量瓶中，Δt時間后再將提升管切回。測量瓶中顆粒的質量（m），則循環(huán)量（qm，kg／h）由式（1）計算。

1.2 垂直篩板

垂直篩板由塔板和透明材料的帽罩組成，結構如圖1所示。塔板中心圓形升氣孔與帽罩同心固定。板上有2個降料管和4個流化孔，流化孔流化塔板上的顆粒。帽罩頂2／5的側壁有篩孔，罩體底部縫隙為顆粒的通道。進行不同帽罩對比實驗時，帽罩截面積和高度、帽罩孔面積與板孔面積之比均相同。

圖1 流化床垂直篩板結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of vertical sieve tray structure in fluidized bed

2 結果與討論

2.1 流態(tài)化過程中的能量轉化和損失

（1）氣體通過板孔后，節(jié)流增速動能增加，使帽罩底隙處靜壓力降低，為低壓區(qū)。

（2）氣流通過板孔后，流道突然擴大，氣速下降，轉為靜壓能。壓力有所回升，在板孔與帽罩壁之間形成1個靜壓增高的渦流區(qū)。由于板孔的縮放作用，造成能量損失。

（3）在氣-固兩相流向上運動的過程中，壓力降低。氣-固、固-固間的摩擦造成能量損失，顆粒的加速和運動均消耗氣體的能量。

（4）顆粒與氣體到達帽罩頂，動能轉化為靜壓能，帽罩頂附近的區(qū)域壓力最高。顆粒間反復碰撞，顆粒反向折回后與上升氣-固兩相相互碰撞，引起劇烈湍動，造成能量損失。

（5）在帽罩開孔區(qū)，氣-固相經(jīng)帽罩開孔的縮流，靜壓能轉化為動能。帽罩孔處的壁面屬于低壓區(qū)。氣-固兩相由帽罩孔的縮放作用，造成能量損失。

2.2 流化床床層壓力降的影響因素

2.2.1 板孔氣速

圖2為板孔氣速對流化床床層壓力降的影響。由圖2可知，床層壓力降隨著板孔氣速的增加而增大，不同形狀帽罩按壓力降從大到小排列的順序為方型帽罩、圓型帽罩、倒錐型帽罩。不同形狀的帽罩的氣體流動狀況不同。在帽罩底部噴射板附近有2個渦流區(qū)，渦流區(qū)大小與板孔氣速和塔板伸入罩內(nèi)的范圍有關。方型帽罩的對角線長，渦流區(qū)大；倒錐型帽罩的底面積與圓型相同，越向上其截面積越大，氣速變小渦流區(qū)減少，因此，倒錐型帽罩的壓力降小。由圖2還可知，有顆粒流化時，床層壓力降明顯大于沒有顆粒流化的干板壓力降。表明氣體提升顆粒，克服氣-固兩相流動產(chǎn)生的阻力遠大于氣體通過板孔和帽罩孔時收縮、膨脹以及在帽罩內(nèi)改變方向引起的阻力損失。實驗發(fā)現(xiàn)，當氣速較小時，圓型帽罩的篩孔都有固體噴出；氣速大時，只從頂端的第1排孔水平噴出。方型帽罩越靠近棱角的地方噴射量越多。倒錐型帽罩各排孔都噴料，且向斜下方噴射，當板孔氣速達到5.5m／s后，可明顯看出帽罩底隙被吹開，而圓型帽罩沒有被吹開。帽罩內(nèi)氣速大，氣-固并流屬快速流化床，帽罩內(nèi)沒有氣泡，氣-固接觸狀況好；氣速越大，通過流化孔進入到塔板料層氣體越多，流化越好。

圖2 板孔氣速（v）對流化床床層壓力降（Δp）的影響Fig.2 Influence of gas velocity（v）in tray hole on bed pressure drop（Δp）of fluidized bed

2.2.2 固體循環(huán)量（qm）

圖3為固體循環(huán)量對流化床床層壓力降的影響。由圖3可見，床層壓力降隨著循環(huán)量的增加迅速增大后又降低。隨著循環(huán)量的增加，板上料層高度增加，顆粒進入帽罩內(nèi)的量增加，壓力降增大。當循環(huán)量增加到一定程度，由于板孔氣速一定，板孔處的靜壓不變，又由于帽罩底隙一定，帽罩外顆粒料位堆積增高增大了顆粒間內(nèi)摩擦力，使進入帽罩的阻力增大，進入帽罩內(nèi)的固體循環(huán)量有所減少，使壓力降下降。

圖3 固體循環(huán)量（qm）對流化床床層壓力降（Δp）的影響Fig.3 Influence of circulation rate of solid（qm）on bed pressure drop（Δp）of fluidized bed

2.2.3 帽罩孔面積與板孔面積之比（S（Cap）／S（Hole））

圖4為S（Cap）／S（Hole）對流化床床層壓力降的影響。由圖4可見，S（Cap）／S（Hole）增加，帽罩開孔面積增大，氣-固兩相流噴出帽罩速率減小，阻力減小，床層壓力降隨S（Cap）／S（Hole）的增加逐漸減小。當圓型帽罩和方型帽罩的S（Cap）／S（Hole）＞2.5，倒錐型帽罩的S（Cap）／S（Hole）＞3.0，對壓力降無影響。氣-液垂直篩板塔S（Cap）／S（Hole）大于某一值時，S（Cap）／S（Hole）對壓力降不再有影響［13］。氣-固流化的S（Cap）／S（Hole）達到一定值后對壓力降也無影響。實驗發(fā)現(xiàn)，當S（Cap）／S（Hole）＜1.2時，有流化風底隙會被吹開，S（Cap）／S（Hole）＝1.2時，板孔氣速大于3.96m／s底隙也會被吹開，S（Cap）／S（Hole）應大于1.2。無論哪種形狀的帽罩，S（Cap）／S（Hole）增大，噴射量增大。

圖4 帽罩開孔比（S（Cap）／S（Hole））對流化床床層壓力降（Δp）的影響Fig.4 Influence of cap opening ratio（S（Cap）／S（Hole））on bed pressure drop（Δp）of fluidized bed

2.2.4 板孔面積與帽罩截面積比（S（Hole）／S（Cap sectional））

實驗發(fā)現(xiàn)，隨著板孔面積的增大，漏料點逐漸增大，但是流化狀態(tài)越來越好，噴出量越來越多。圖5為S（Hole）／S（Cap sectional）對流化床床層壓力降（Δp）的影響。由圖5可知，當帽罩截面積一定時，隨著板孔面積的增大，即S（Hole）／S（Cap sectional）增大，床層壓力降下降；板孔面積減小，壓力降增大。當S（Hole）／S（Cap sectional）達到0.42，壓力降幾乎不再變化，適宜的S（Hole）／S（Cap sectional）為0.42。

圖5 板孔面積與帽罩截面積之比（S（Hole）／S（Cap sectional））對流化床床層壓力降（Δp）的影響Fig.5 Influence of S（Hole）／S（Cap sectional）on bed pressure drop（Δp）of fluidized bed

2.2.5 帽罩底隙高與板孔孔徑之比（h／dt）

圖6 帽罩底隙高與板孔徑之比（h／dt）對流化床床層壓力降（Δp）的影響Fig.6 Influence of h／dton bed pressure drop（Δp）of fluidized bed

圖6為板孔孔徑一定時，h／dt對流化床床層壓力降的影響。由圖6可知，方型帽罩的壓力降最大，圓型帽罩略大于倒錐型帽罩的。帽罩底隙高度影響進入帽罩內(nèi)的顆粒量，帽罩底隙小，進入帽罩的顆粒量少，壓力降低。隨著帽罩底隙高度的增加，進入帽罩的顆粒量增加，氣-固、固-固之間的摩擦增大。當h／dt小于0.36時，進入帽罩內(nèi)的顆粒量少，沒有流化和氣-固噴射；當h／dt為0.64時，可看到輕微的板孔漏料以及底隙吹開，當h／dt大于0.64時，板孔漏料及底隙吹開嚴重。由此可知，帽罩底隙高與板孔孔徑之比在0.36～0.64之間合適。

2.2.6 帽罩篩孔徑（dc）

圖7為開孔率一定，改變帽罩篩孔徑（dc）對流化床床層壓力降的影響。由圖7可知，dc的變化不影響床層壓力降。

圖7 帽罩篩孔徑（dc）對流化床床層壓力降（Δp）的影響Fig.7 Influence of cap sieve hole diameter（dc）on bed pressure drop（Δp）of fluidized bed

2.2.7 倒錐型帽罩夾角（θ）

圖8為倒錐型帽罩與垂直線的夾角（θ）對流化床床層壓力降的影響。由圖8可知，當氣速一定時，壓力降隨θ的變化很小。

圖8 倒錐型帽罩與垂直線的夾角（θ）對流化床床層壓力降（Δp）的影響Fig.8 Influence ofθon bed pressure drop of fluidized bed

3 結 論

（1）氣-固兩相在垂直篩板流化床床層內(nèi)逆流流動，在帽罩內(nèi)氣-固并流接觸，呈快速流態(tài)化，無氣泡，流化好，床層壓力降波動小。

（2）在垂直篩板流化床床層內(nèi)，氣體提升顆粒，克服氣-固兩相流動產(chǎn)生的摩擦阻力遠大于干板壓力降；不同型式帽罩壓力降不同，方型的壓力降最大，圓型與倒錐型的壓力降基本相同，倒錐型帽罩夾角對壓力降影響小，向下噴射可抑制顆粒夾帶。

（3）垂直篩板流化床床層壓力降隨板孔氣速、帽罩底隙高度的增大而增大，隨板孔面積與帽罩截面積比，帽罩孔面積與板孔面積之比增大而減??；顆粒循環(huán)量增大，壓力降增大。

（4）帽罩結構尺寸影響流化床性能，適宜的結構尺寸為，板孔面積與帽罩截面積比為0.42，底隙高與板孔徑比在0.36～0.64之間，帽罩孔面積與板孔面積之比應大于1.2。

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