提升管軸向流動(dòng)和重油催化裂解反應(yīng)過(guò)程數(shù)值模擬

吳春金

（大慶石化公司煉油廠重油催化一車間，黑龍江大慶 163711）

提升管軸向流動(dòng)和重油催化裂解反應(yīng)過(guò)程數(shù)值模擬

吳春金

（大慶石化公司煉油廠重油催化一車間，黑龍江大慶 163711）

主要進(jìn)行了重油催化裂解集總動(dòng)力學(xué)模型的建立，并設(shè)置了模擬計(jì)算域、邊界條件及初始化、模擬求解，并針對(duì)了冷態(tài)模型和冷態(tài)模型記性比較，即比較比較氣-固兩相冷態(tài)流場(chǎng)和有催化反應(yīng)流場(chǎng)，并分析了0.5維模型和二維模型的軸向產(chǎn)品分布。通過(guò)提升管軸向流動(dòng)和重油催化裂解反應(yīng)過(guò)程數(shù)值模擬可知，要使反應(yīng)器模型具有可靠性和完備性，需要注重反應(yīng)與流動(dòng)、傳遞存在的影響，同時(shí)二維模型具有更好的產(chǎn)品分布。

提升管；氣固兩相流；催化裂解

反應(yīng)器主要是用于實(shí)現(xiàn)液相單相反應(yīng)過(guò)程和液液、氣液、液固、氣液固等多相反應(yīng)過(guò)程，一般研究法反應(yīng)器內(nèi)傳遞過(guò)程和流動(dòng)規(guī)程的規(guī)律，主要采用冷態(tài)模擬的方式。為了能夠清楚了解到提升管反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)過(guò)程，需要注意流動(dòng)形態(tài)對(duì)反應(yīng)的影響。由于流動(dòng)形態(tài)對(duì)反應(yīng)規(guī)律的影響主要是基于實(shí)驗(yàn)室，因此本文主要對(duì)實(shí)驗(yàn)室提升管進(jìn)行了模擬，通過(guò)建立重油催化裂解集反應(yīng)模型，對(duì)有無(wú)催化反應(yīng)進(jìn)行比較，以及提升管軸向非均勻性存在的影響。

1 總動(dòng)力學(xué)模型及流動(dòng)-反應(yīng)耦合模型的構(gòu)建

重油催化裂解集總動(dòng)力學(xué)模型主要包括十一個(gè)集總，即重油、柴油、丙烯、乙烯、焦炭等。十一個(gè)集總反應(yīng)速率矩陣表達(dá)式為公式1。通過(guò)推到后，可以明確重油催化裂解十一集總數(shù)學(xué)模型為公式2。由于該模型主要是通過(guò)假設(shè)軸向氣體速度為基礎(chǔ)，沒(méi)有全面考慮催化劑滑落問(wèn)題，然而在實(shí)際運(yùn)用中，催化劑或多或少都會(huì)出現(xiàn)滑落問(wèn)題。

重油催化裂解流動(dòng)-反應(yīng)耦合模型主要是在氣-固兩相流動(dòng)模型上，結(jié)合重油催化裂解集總動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行建立。在此模型中，以氣體相為主，催化劑固體顆粒為次，且在計(jì)算網(wǎng)格內(nèi)互相滲透。連續(xù)性方程氣體相表達(dá)式如公式3、顆粒相表達(dá)式如公式4，動(dòng)量方程氣體相表達(dá)式如公式5、顆粒相為公式6，組分方程為公式7。

2 模擬計(jì)算域設(shè)置及模擬求解設(shè)置

本文主要采用實(shí)驗(yàn)室小型提升管作為模擬對(duì)象，固體顆粒為L(zhǎng)TB-2催化劑。計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格總數(shù)為1800，其中軸向?yàn)?00、徑向?yàn)?6，呈均勻網(wǎng)格分布。氣固兩相入口速度設(shè)置、出口常壓設(shè)置，氣相邊界調(diào)節(jié)無(wú)滑，固體顆粒邊界條件為部分滑移，初始化為空管。

運(yùn)用FLUNET6.3.26作為商業(yè)軟件，計(jì)算時(shí)間為20s，統(tǒng)計(jì)10～20s之間的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理。

3 有無(wú)催化反應(yīng)比較

流動(dòng)-反應(yīng)耦合模型下進(jìn)行了有無(wú)催化反應(yīng)，氣固向量速度的軸向分布規(guī)律比較。其中氣相速度在出口處超過(guò)入口處的2.5倍，主要是由于反應(yīng)器內(nèi)氣體膨脹，導(dǎo)致密度發(fā)生變化，致使出口處氣象速度增加。相對(duì)于氣相速度，固體顆粒速度無(wú)論是在出口處還是處都較小，氣相與固相之間基本保持0.1m/ s滑落速度。在催化裂化的反應(yīng)下，氣相動(dòng)量會(huì)出現(xiàn)較大的變化，繼而對(duì)固相動(dòng)量產(chǎn)生影響。

流動(dòng)-反應(yīng)耦合模型下進(jìn)行了有無(wú)催化反應(yīng)，軸向固體顆粒濃度分布規(guī)律比較。由于反應(yīng)器中上部氣象速度穩(wěn)定，因此固體催化劑軸向分布比較均勻，但在催化反應(yīng)下，軸向顆粒濃度會(huì)出現(xiàn)變化，即底部具有較高濃度的催化劑，軸向越高，濃度越低，因此出口處濃度最低。因此，通過(guò)對(duì)比差異可以發(fā)現(xiàn)如果需要完善的反應(yīng)器模型，則必須全面考慮反應(yīng)與流動(dòng)、傳遞之間存在的影響關(guān)系。

4 總動(dòng)力學(xué)模型及流動(dòng)-反應(yīng)耦合模型比較

通過(guò)催化裂解集總動(dòng)力學(xué)模型可以計(jì)算出，催化劑活性在底部具有較高的活性，此時(shí)濃度也最大，然而隨著高度越高，活性越低，及催化劑活性會(huì)隨著軸向向上，而越來(lái)越低。重油轉(zhuǎn)化率在提升管底部時(shí)，增加較為明顯，直到提升管中部后，轉(zhuǎn)化率增長(zhǎng)逐漸變慢，隨著提升管高度越高，轉(zhuǎn)化率增長(zhǎng)越慢。但通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，流動(dòng)-反應(yīng)耦合模型重油轉(zhuǎn)化率要明顯高于總動(dòng)力學(xué)模型，主要是由于流動(dòng)-反應(yīng)耦合模型底部催化劑活性高，有利于重油轉(zhuǎn)化率的提高。

柴油收率雖然從提升管底部開始，會(huì)隨著高度越高而增

長(zhǎng)迅速，但當(dāng)達(dá)到一定高度時(shí)，柴油收率卻會(huì)開始下降。通過(guò)比較流動(dòng)-反應(yīng)耦合模型和總動(dòng)力學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)總動(dòng)力學(xué)模型柴油收率最高點(diǎn)要高于流動(dòng)-反應(yīng)耦合模型，主要是由于流動(dòng)-反應(yīng)耦合模型提升管底部油劑接觸時(shí)間比總動(dòng)力學(xué)模型長(zhǎng)，導(dǎo)致流動(dòng)-反應(yīng)耦合模型下，柴油收率提前達(dá)到最高點(diǎn)。汽油收率與柴油收率的規(guī)律相似，當(dāng)達(dá)到一定高度時(shí)，汽油收率卻會(huì)開始下降。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)有無(wú)催化反應(yīng)比較，氣固向量速度的軸向分布規(guī)律和軸向固體顆粒濃度分布規(guī)律都存在明顯的差異，提升管內(nèi)軸向非均勻性會(huì)導(dǎo)致比較流動(dòng)-反應(yīng)耦合模型和總動(dòng)力學(xué)模型下重油轉(zhuǎn)化率、柴油收率、汽油收率等存在差異，特別是在提升管中下部更加明顯。

[1] 王德武，盧春喜，嚴(yán)超宇.提升管加床層反應(yīng)器提升管段下行顆粒的分布及其對(duì)流動(dòng)的影響[J].石油學(xué)報(bào)（石油加工），2011，（1）：69-76.

[2] 蓋希坤，田原宇，夏道宏，等.重油催化裂解技術(shù)研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2011，（6）：1219-1223.

[3] 吳文龍，韓超一，李春義，等.變徑提升管反應(yīng)器擴(kuò)徑段內(nèi)氣固流動(dòng)特性研究[J].石油煉制與化工，2014，（11）：54-59.

[4] 韓超一，陳曉成，吳文龍，等.內(nèi)構(gòu)件對(duì)變徑提升管內(nèi)氣固流動(dòng)特性的影響[J].石油煉制與化工，2016，（1）：5-10.

Axial Flow and Heavy Oil Riser Catalytic Cracking Process Numerical Simulation

Wu Chun-jin

This paper was established heavy oil catalytic cracking lumped kinetic model，and set up the simulation domain，boundary conditions and initialized simulation solution，and against the cold and cold model memory model comparison，that comparison Compare gas-solid two-phase fl ow and cold fl ow fi eld of catalytic reactions，and analyzes product 0.5 axial dimensional model and two-dimensional model of the distribution.Axial fl ow through the riser and the numerical simulation of heavy oil catalytic cracking reaction seen，to make the reactor model with reliability and completeness，and the need to focus on the reaction flow，affected by the presence of transfer，while two-dimensional model with better product distribution.

riser；phase fl ow；catalytic cracking

TE621

A

1003-6490（2016）01-0187-02

2015-01-20

吳春金（1972-），男，安徽渦陽(yáng)人，助理工程師，研究方向?yàn)橹赜痛呋?/p>