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      逆流變徑耦合催化裂化提升管進(jìn)料段內(nèi)固含率及顆粒速度的徑向分布

      2019-01-15 10:20:02趙鳳靜范怡平盧春喜
      關(guān)鍵詞:含率變徑氣速

      邊 京,趙鳳靜,范怡平,盧春喜

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

      流化催化裂化工藝在中國(guó)石油加工業(yè)中占據(jù)著重要的位置,提升管反應(yīng)器是其核心設(shè)備之一。在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的進(jìn)料混合段內(nèi),進(jìn)料噴嘴斜向上30°~40°安裝,原料油由噴嘴噴入并在短時(shí)間內(nèi)與催化劑顆粒接觸、混合發(fā)生反應(yīng),該進(jìn)料區(qū)內(nèi)油、劑之間的接觸及混合狀況將直接影響整個(gè)催化裂化反應(yīng)的進(jìn)程。針對(duì)混合進(jìn)料段內(nèi)油、劑兩相理想流動(dòng)狀況與實(shí)際流動(dòng)狀況存在的矛盾與差距[1-4],國(guó)內(nèi)外學(xué)者們提出了不同的方案,旨在改進(jìn)傳統(tǒng)提升管進(jìn)料段內(nèi)的混合、流動(dòng)情況。鐘孝湘等[5]、劉清華等[6]和吳文龍等[7]都提出了提升管內(nèi)徑變化的方案,結(jié)果表明,變徑結(jié)構(gòu)可以改變提升管內(nèi)氣-固兩相流動(dòng)狀態(tài),與傳統(tǒng)同徑提升管反應(yīng)器相比,油、劑兩相可實(shí)現(xiàn)更快速、均勻的混合。陳昇等[8-9]和閆子涵等[10-11]結(jié)合模擬和實(shí)驗(yàn),考察了噴嘴斜向下進(jìn)料方式對(duì)油、劑兩相混合情況的影響。結(jié)果表明,與傳統(tǒng)的進(jìn)料方式相比,向下進(jìn)料的方式可以有效地改變氣-固混合行為,使混合更加均勻,且在噴嘴斜向下30°時(shí),改善效果最明顯。

      顯然,采用油、劑逆流接觸的方式和提升管進(jìn)料段結(jié)構(gòu)變徑的方式均可以改善催化裂化提升管進(jìn)料段內(nèi)理想與實(shí)際流動(dòng)混合狀態(tài)之間存在的矛盾,可使固體顆粒和射流氣體的濃度在徑向分布更加均勻。但現(xiàn)有研究中采用的油、劑逆流提升管進(jìn)料段結(jié)構(gòu)均為同徑結(jié)構(gòu),沒(méi)有在結(jié)構(gòu)尺寸上進(jìn)行變徑。為此,有必要將進(jìn)料噴嘴斜向下與變徑結(jié)構(gòu)相耦合,且對(duì)耦合后的新型結(jié)構(gòu)內(nèi)的氣-固流動(dòng)狀況進(jìn)行研究。筆者針對(duì)此問(wèn)題開(kāi)展研究,通過(guò)引入適當(dāng)?shù)臄U(kuò)張角,對(duì)現(xiàn)有的同徑提升管進(jìn)料段結(jié)構(gòu)進(jìn)行變徑。采用一套大型冷模實(shí)驗(yàn)裝置,考察了逆流變徑耦合的催化裂化提升管進(jìn)料段內(nèi)固含率及顆粒速度的分布,并與已有同徑結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

      1 實(shí)驗(yàn)部分

      1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

      圖1為實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。由圖1(a)可知,提升管總高11 m,在預(yù)提升氣體分布板上4.5 m處安裝4個(gè)傾斜向下的進(jìn)料噴嘴,均勻地布置在提升管周向,由噴嘴射入的氣體與催化劑顆粒、預(yù)提升氣體混合后共同向上運(yùn)動(dòng)。由圖1(b)和圖1(c)的逆流變徑耦合進(jìn)料混合段結(jié)構(gòu)(圖1(a)中結(jié)構(gòu)6)主視、俯視示意圖可知,進(jìn)料噴嘴位置以上與閆子涵等[10-11]所用結(jié)構(gòu)相同,即噴嘴安裝角度為150°,均直段內(nèi)徑φ186 mm。噴嘴位置以下采用變徑結(jié)構(gòu),最小內(nèi)徑處φ149 mm,由下至上看,進(jìn)料噴嘴處于結(jié)構(gòu)擴(kuò)徑段以上,擴(kuò)張角為6°。

      圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus (a)Experimental apparatus;(b)Front view of 6 in Fig.1(a);(c)Top view of 6 in Fig.1(a)

      1.2 實(shí)驗(yàn)材料及分析儀器

      固體顆粒為工業(yè)中典型的FCC分子篩催化劑,其顆粒堆積密度為929 kg/m3,顆粒平均粒徑為79 μm; 噴嘴射流氣體和預(yù)提升氣體均為常溫、常壓空氣。使用中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所開(kāi)發(fā)的PV-6D型顆粒速度密度兩用儀[12-13]測(cè)定固含率和顆粒速度。

      1.3 實(shí)驗(yàn)方法

      1.3.1 操作參數(shù)及測(cè)點(diǎn)布置

      實(shí)驗(yàn)中預(yù)提升氣速Ur為2.4~4.1 m/s,噴嘴射流速度Uj為41.8~78.5 m/s,顆粒循環(huán)強(qiáng)度Gs取65~85 kg/(m2·s)。設(shè)進(jìn)料噴嘴所在的位置為零截面,即沿提升管軸向高度H=0,取噴嘴以上高度為正,以下高度為負(fù),軸向設(shè)置5個(gè)高度(H=-0.370、-0.185、-0.100、0.185、0.370 m)。每一高度的截面內(nèi)均取6個(gè)徑向測(cè)點(diǎn)(r/R為0、0.25、0.5、0.7、0.8、0.95),如圖2所示,r/R為無(wú)因次半徑,其中,r(單位,m)為每一徑向測(cè)點(diǎn)距所在截面中心的長(zhǎng)度,R(單位,m)為測(cè)點(diǎn)所在高度的截面半徑。

      圖2 徑向測(cè)點(diǎn)示意圖Fig.2 Schematic diagram of radial measure points

      1.3.2 計(jì)算方法

      提升管內(nèi)的顆粒循環(huán)強(qiáng)度采用容積法測(cè)量,關(guān)閉圖1中蝶閥12,記錄一段時(shí)間t(單位,s),計(jì)量罐11中堆積的顆粒高度,計(jì)算相應(yīng)體積V(單位,m3)和質(zhì)量m(單位,kg),計(jì)算提升管截面積Sr(單位,m2)代入式(1)得到顆粒循環(huán)強(qiáng)度Gs(單位,kg/(m2·s)):

      (1)

      PV-6D在不同采樣點(diǎn)可測(cè)得相應(yīng)電壓值,將其代入標(biāo)定好的公式中可得相應(yīng)測(cè)點(diǎn)密度[10],即可測(cè)得固含率ε。由PV-6D軟件內(nèi)自帶的處理方法即可測(cè)得每組數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)的顆粒向上速度vu(單位,m/s)和向上組數(shù)nu與向下速度vd(單位,m/s)和向下組數(shù)nd,可計(jì)算出顆粒平均速度vp(單位,m/s):

      (2)

      2 結(jié)果與討論

      2.1 不同軸向位置固含率及顆粒速度的徑向分布

      圖3、圖4分別為逆流變徑耦合結(jié)構(gòu)提升管進(jìn)料段內(nèi)有噴嘴射流和無(wú)噴嘴射流情況下固含率和顆粒速度在不同軸向高度的徑向分布。

      圖3 變徑結(jié)構(gòu)不同軸向位置固含率和顆粒速度的徑向分布Fig.3 Radial profiles of solids hold-up and particle velocity at different axial heights in diameter changing structureUr=3.5 m/s; Uj=78.5 m/s; Gs=70 kg/(m2·s)(a)Solids hold-up;(b)Particle velocity

      由圖3、圖4可知,對(duì)于H=0.370 m截面和H=-0.370 m截面,在有噴嘴射流和無(wú)噴嘴射流條件下,隨著無(wú)因次半徑r/R的增大,固含率及顆粒速度的變化趨勢(shì)基本一致。這表明,在這兩個(gè)高度,固體顆粒在油、劑逆流接觸進(jìn)料段內(nèi)的分布已不受噴嘴射流影響。由此可以認(rèn)為,噴嘴射流的影響范圍H為-0.370~0.370 m。此外,閆子涵等[10]在相似實(shí)驗(yàn)操作條件下,研究了φ186 mm同徑提升管進(jìn)料段內(nèi)顆粒流動(dòng)情況。結(jié)果表明,噴嘴射流的影響范圍H為-0.675~0.675 m。因此,通過(guò)對(duì)比變徑結(jié)構(gòu)與同徑結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)變徑結(jié)構(gòu)的噴嘴射流影響范圍縮短約45.2%。

      圖5為閆子涵等[10]選用的內(nèi)徑φ186 mm同徑結(jié)構(gòu)內(nèi)固含率和顆粒速度的分布。由圖5可知,在均一直徑結(jié)構(gòu)內(nèi),隨著無(wú)因次半徑r/R的增大,固含率的徑向分布呈明顯的“環(huán)-核”結(jié)構(gòu),即邊壁濃度很高,中心低,且徑向變化梯度很大。此外在H=±0.185 m截面內(nèi),固含率的最大值出現(xiàn)在無(wú)因次半徑r/R=±0.8位置處,出現(xiàn)了“峰值”??梢?jiàn),顆粒濃度的徑向分布在此同徑結(jié)構(gòu)內(nèi)很不均勻,這不利于油、劑兩相的高效混合、反應(yīng)。對(duì)比圖3可知,在本研究所用的逆流變徑耦合進(jìn)料段內(nèi),固含率的徑向分布明顯更加均勻,徑向變化梯度有所減小,且沒(méi)有出現(xiàn)如圖5中的“峰值”點(diǎn)。

      圖4 無(wú)噴嘴射流變徑結(jié)構(gòu)不同軸向位置固含率和顆粒速度的徑向分布Fig.4 Radial profiles of solids hold-up and particle velocity at different axial heights in diameter changing structure without nozzle jetUr=3.5 m/s; Uj=0 m/s; Gs=70 kg/(m2·s)(a)Solids hold-up;(b)Particle velocity

      圖5 同徑結(jié)構(gòu)不同軸向位置固含率和顆粒速度的徑向分布[10]Fig.5 Radial profiles of solids hold-up and particle velocity at different axial heights[10]Ur=3.5 m/s; Uj=78.5 m/s; Gs=76.2 kg/(m2·s)(a) Solids hold-up; (b) Particle velocity

      對(duì)比圖3(a)和圖5(a),在變徑結(jié)構(gòu)H=-0.370 m截面內(nèi),隨著無(wú)因次半徑r/R的增大,固含率的徑向變化仍呈現(xiàn)“環(huán)-核”趨勢(shì),這與同徑結(jié)構(gòu)H=-0.375 m截面內(nèi)分布情況相似。但相對(duì)同徑結(jié)構(gòu),變徑結(jié)構(gòu)內(nèi)固含率的徑向變化梯度明顯減小,中心平穩(wěn)段為r/R為-0.7~0.7(同徑結(jié)構(gòu)內(nèi)為r/R為-0.5~0.5)。這是因?yàn)樵诒狙芯克玫慕Y(jié)構(gòu)中,H=-0.370 m截面處于內(nèi)徑變化段(φ149 mm),由下至上已有一部分縮徑結(jié)構(gòu),顆粒在上升過(guò)程中,直徑不斷減小,流通面積逐漸減小,使得顆粒漸漸向中間聚集,中心區(qū)顆粒濃度增大,因而對(duì)“環(huán)-核”結(jié)構(gòu)起到了緩解作用。由圖3可知,H=-0.185 m截面內(nèi)固含率徑向分布比較均勻,尤其在r/R為-0.8~0.8范圍內(nèi),邊壁處濃度有所增加,但整體徑向變化梯度較小。H=-0.100 m截面,固含率的徑向分布已趨于均勻,很大程度上消除了濃稀相的存在。一方面,這兩個(gè)位置受傾斜向下的高速噴嘴射流影響,催化劑顆粒向中心偏轉(zhuǎn)聚集;另一方面,由下至上看,這兩個(gè)截面處于擴(kuò)徑段,隨著內(nèi)徑的增大催化劑逐漸擴(kuò)散到邊壁。二者相互作用,使催化劑在整個(gè)截面內(nèi)分布更均勻,且越靠近進(jìn)料噴嘴位置,分布越均勻。在H=0.370 m和H=0.185 m這兩個(gè)截面,變徑結(jié)構(gòu)內(nèi)固含率的徑向分布與同徑結(jié)構(gòu)相似,即隨著無(wú)因次半徑r/R的增大,仍趨于“環(huán)-核”結(jié)構(gòu)。但變徑結(jié)構(gòu)內(nèi)固含率的徑向變化梯度有所減小,尤其在r/R為-0.8~0.8內(nèi),分布較平穩(wěn),邊壁區(qū)濃度漸漸增大。

      對(duì)比圖3(b)和圖5(b)2種進(jìn)料段結(jié)構(gòu)內(nèi)顆粒速度的徑向分布情況可知,在本研究所用的逆流變徑耦合進(jìn)料段結(jié)構(gòu)中,顆粒速度的徑向分布更加均勻。在H=0.370 m和H=0.185 m截面內(nèi)的改進(jìn)效果最為明顯,中心范圍內(nèi)的平穩(wěn)段在同徑結(jié)構(gòu)內(nèi)r/R為-0.5~0.5,而在變徑結(jié)構(gòu)中則擴(kuò)大到r/R為-0.8~0.8,即變徑結(jié)構(gòu)內(nèi)的顆粒速度徑向分布更均勻,徑向變化梯度更小。此外,對(duì)比顆粒速度數(shù)值大小還可知,變徑結(jié)構(gòu)有效地提高了進(jìn)料噴嘴以下截面內(nèi)顆粒速度的大小,這有利于顆粒間高速碰撞及向上擴(kuò)散。而對(duì)于進(jìn)料噴嘴以上的截面,顆粒速度又適當(dāng)減小,以避免速度過(guò)高造成反應(yīng)不均勻的現(xiàn)象??偨Y(jié)可知,進(jìn)料段內(nèi)徑的改變能夠使催化劑顆粒速度在軸向不同高度內(nèi)的徑向分布更均勻,使氣-固兩相更快速的混合反應(yīng),且適宜的速度大小也有利于實(shí)現(xiàn)“油、劑”間的“高溫短接觸”。

      通過(guò)上述分析,根據(jù)固含率及顆粒速度的徑向分布,可對(duì)本研究所用的逆流變徑耦合混合進(jìn)料段進(jìn)行劃分,分別為射流上游過(guò)渡區(qū)(H為-0.370~-0.185 m)、射流影響控制區(qū)(H為-0.185~-0.100 m)和射流下游過(guò)渡區(qū)(H為-0.100~0.370 m)。

      2.2 操作條件的影響

      2.2.1 預(yù)提升氣速的影響

      圖6 變徑結(jié)構(gòu)進(jìn)料段不同預(yù)提升氣速下軸向截面內(nèi)的固含率徑向分布Fig.6 Distributions of solids hold-up at each heights under different pre-lift gas velocitiesUj=41.8 m/s; Gs =70 kg/(m2·s)H/m: (a)0.370; (b)0.185; (c)-0.100; (d)-0.185; (e) -0.370

      圖7 變徑結(jié)構(gòu)進(jìn)料段不同預(yù)提升氣速下軸向截面內(nèi)的顆粒速度徑向分布Fig.7 Distributions of particle velocity at each heights under different pre-lift gas velocitiesUj=41.8 m/s; Gs =70 kg/(m2·s)H/m: (a) 0.370; (b) 0.185; (c) -0.100; (d)-0.185; (e) -0.370

      圖6和圖7為噴嘴射流氣體速度Uj=41.8 m/s,顆粒循環(huán)強(qiáng)度Gs=70 kg/(m2·s),預(yù)提升氣體速度Ur分別為2.4、3.5和4.1 m/s時(shí)逆流變徑耦合結(jié)構(gòu)進(jìn)料段不同高度內(nèi)的固含率和顆粒速度的徑向分布。

      由圖6可知,隨著預(yù)提升氣速增大,變徑結(jié)構(gòu)各截面內(nèi)固含率徑向分布的變化趨勢(shì)基本不變,但在數(shù)值上有變化。在H=0.370和H=0.185 m截面,隨著預(yù)提升氣速的增大,在無(wú)因次半徑r/R為0~0.8,固含率均有微弱的減小趨勢(shì)。但在較高預(yù)提升氣速下(Ur=4.1 m/s),固含率在自r/R=0.8至邊壁明顯增大,且變化梯度較大。在噴嘴以下的截面內(nèi)(H為-0.100、-0.185、-0.370 m),預(yù)提升氣速增大,隨無(wú)因次半徑r/R的增加,固含率隨逐漸減小但徑向變化梯度明顯減小,即顆粒分布更均勻,且逐漸減弱“環(huán)-核”趨勢(shì)。由圖7可知,在變徑結(jié)構(gòu)內(nèi),隨著預(yù)提升氣速的增大,各截面內(nèi)局部顆粒速度均隨無(wú)因次半徑r/R的增加而增大,且徑向變化梯度有減小趨勢(shì),即速度在徑向分布更均勻,“波動(dòng)”減小。這是由于當(dāng)其他操作條件一定時(shí),提升管內(nèi)的表觀氣速隨著預(yù)提升氣速的增大而增大,隨之會(huì)夾帶更多催化劑粒子,顆粒速度增加,固含率就會(huì)降低。

      對(duì)于本研究所用的逆流變徑耦合結(jié)構(gòu)的噴嘴射流影響區(qū),在適當(dāng)操作范圍內(nèi)提高預(yù)提升氣速,可使固含率和顆粒速度在徑向的分布更加均勻,且在邊壁區(qū)梯度減小有利于噴嘴高速射流與預(yù)提升相的逆流接觸,這是由于預(yù)提升氣速增加,預(yù)提升相的動(dòng)量較大,二者混合后催化劑顆粒的橫向移動(dòng)較明顯,所以徑向固含率相差較小。

      2.2.2 噴嘴氣速的影響

      圖8和圖9為預(yù)提升氣體速度Ur=2.4 m/s,固體循環(huán)強(qiáng)度Gs=70 kg/(m2·s),噴嘴射流氣體速度Uj分別為41.8、64.2和78.5 m/s時(shí)變徑結(jié)構(gòu)進(jìn)料段不同高度內(nèi)固含率和顆粒速度的徑向分布。

      圖8 變徑結(jié)構(gòu)進(jìn)料段不同噴嘴氣速下軸向截面內(nèi)的固含率徑向分布Fig.8 Distributions of solids hold-up at each heights under different jet gas velocitiesUr=2.4 m/s; Gs =70 kg/(m2·s)H/m: (a) 0.370; (b) 0.185; (c) -0.100; (d)-0.185; (e) -0.370

      圖9 變徑結(jié)構(gòu)進(jìn)料段不同噴嘴氣速下軸向截面內(nèi)的顆粒速度徑向分布Fig.9 Distributions of particle velocity at each heights under different jet gas velocitiesUr=2.4 m/s; Gs =70 kg/(m2·s)H/m: (a) 0.370; (b) 0.185; (c) -0.100; (d)-0.185; (e) -0.370

      由圖8和圖9可知,隨著噴嘴氣速增大,軸向各個(gè)位置內(nèi)固含率和顆粒速度徑向分布的整體變化趨勢(shì)基本不變,固含率數(shù)值有所減小,而顆粒速度數(shù)值增大。在噴嘴的上游區(qū)域的邊壁區(qū),固含率徑向變化梯度較大,噴嘴下游區(qū)域固含率徑向變化梯度較小,隨著噴嘴氣速逐漸提高,各截面邊壁處的固含率徑向變化梯度均有所減小,這是由于當(dāng)噴嘴氣速較高時(shí),射流相的“剛度”較大,其耗散速率較慢,使中心區(qū)到邊壁區(qū)的固含率徑向變化梯度變小,更為均勻。但氣速過(guò)大會(huì)使中心區(qū)顆粒濃度進(jìn)一步降低,使噴嘴下游區(qū)域固含率減少較多,所以不宜采用過(guò)大的噴嘴氣速,因此可適當(dāng)增加噴嘴氣速。這與閆子涵等[10]所用φ186 mm同徑結(jié)構(gòu)相比,變徑結(jié)構(gòu)內(nèi)的顆粒速度整體“波動(dòng)”減小,顆粒分布更加均勻,有利于油、劑間更加充分地接觸。

      3 結(jié) 論

      通過(guò)冷模實(shí)驗(yàn),對(duì)逆流變徑耦合提升管進(jìn)料段內(nèi)的氣-固流動(dòng)情況進(jìn)行研究,考察了局部固含率和顆粒速度的分布,并與相對(duì)應(yīng)的同徑結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較,得出下列結(jié)論:

      (1) 根據(jù)固含率及速度沿徑向分布情況,變徑結(jié)構(gòu)進(jìn)料混合段沿軸向自下而上分為射流上游過(guò)渡區(qū)(H為-0.370~-0.185 m)、射流影響控制區(qū)(H為-0.185~-0.100 m)和射流下游過(guò)渡區(qū)(H為-0.100~0.370 m)。

      (2) 與對(duì)應(yīng)油劑逆流接觸同徑進(jìn)料段相比,變徑結(jié)構(gòu)進(jìn)料段可明顯縮短射流控制區(qū)域范圍,約縮短45.2%。

      (3) 變徑結(jié)構(gòu)進(jìn)料段內(nèi)的局部固含率徑向分布比同徑結(jié)構(gòu)內(nèi)的更加均勻,顆粒速度“波動(dòng)”更小,有利于油、劑兩相均勻混合。

      (4) 在操作范圍內(nèi),提高預(yù)提升氣速和噴嘴氣速可以使催化劑顆粒在徑向分布更加均勻,但噴嘴氣速應(yīng)適當(dāng)提高,不宜過(guò)大。

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