內(nèi)構(gòu)件對(duì)提升管內(nèi)氣固流動(dòng)特性影響的研究進(jìn)展

阮宇軍 嚴(yán)超宇

1.中國石化燕山分公司發(fā)展規(guī)劃部 北京 102500

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

提升管作為一種高效氣固接觸反應(yīng)器，在石油化工等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。研究表明，提升管內(nèi)氣固兩相流具有明顯的軸、徑向分布非均勻特征，顆粒濃度在軸向上呈現(xiàn)“下濃上稀”的分布形態(tài)以及顆粒的返混現(xiàn)象，而在徑向上存在明顯的“環(huán)-核”流動(dòng)結(jié)構(gòu)[1]，尤其是高密度提升管中，存在顆粒停留時(shí)間分布較寬、氣固徑向混合能力較弱、反應(yīng)效果不理想等問題[2]。嚴(yán)重的顆粒濃度徑向分布的不均勻性及近壁處顆粒濃度脈動(dòng)的大幅度下降，使得氣固接觸效率也存在中心低、邊壁高的不均勻性[3]，導(dǎo)致提升管內(nèi)氣固總體接觸效率大大下降，由此帶來反應(yīng)轉(zhuǎn)化率與選擇性的損失。為此，許多研究者采用加設(shè)內(nèi)構(gòu)件的方法來改善提升管中氣固流動(dòng)特性，并從固含率、顆粒濃度分布、速度分布、顆粒軸徑向混合行為等方面對(duì)提升管中內(nèi)構(gòu)件的影響進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，內(nèi)構(gòu)件可以改善提升管中顆粒的徑向分布，改變顆粒的徑向混合能力，有助于提升管中傳質(zhì)、傳熱能力的提高。

1 內(nèi)構(gòu)件對(duì)氣體混合行為的影響

提升管中氣體的徑向擴(kuò)散行為對(duì)氣固混合的均勻性有著重要影響。魏飛等[4]在高11m、直徑186mm的提升管內(nèi)安裝了間距800mm的3個(gè)鈍體式內(nèi)構(gòu)件，采用輕烴氣體示蹤技術(shù)研究了鈍體式內(nèi)構(gòu)件對(duì)氣體徑向混合的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，引入鈍體式內(nèi)構(gòu)件后，在示蹤氣體從床層截面中心注入時(shí)，下游各截面示蹤氣體的分布為中心區(qū)濃度高，邊壁區(qū)濃度低，但在遠(yuǎn)離鈍體影響區(qū)域的截面上，氣體的徑向分布逐漸均勻，大部分區(qū)域氣體的徑向傳質(zhì)仍符合擬均相二維擴(kuò)散模型的結(jié)果。同時(shí)，由于內(nèi)構(gòu)件的引入改變了氣體的流動(dòng)方式，加強(qiáng)了邊壁區(qū)和中心區(qū)氣體之間的相互作用，在內(nèi)構(gòu)件作用區(qū)域提升管內(nèi)示蹤氣體徑向濃度的分布更加均勻（如圖1所示），從而可以增強(qiáng)氣體的徑向傳質(zhì)效果。此外，研究還發(fā)現(xiàn)由于提升管內(nèi)的催化劑顆粒的團(tuán)聚會(huì)阻礙氣體的徑向擴(kuò)散，使得示蹤氣體在徑向的分布更加不均勻，但在引入鈍體式內(nèi)構(gòu)件后，當(dāng)氣體繞過鈍體后，由于鈍體的作用而使氣體出現(xiàn)邊壁區(qū)濃度高、中心區(qū)濃度低的分布，即由于內(nèi)構(gòu)件的存在迫使氣體出現(xiàn)繞流而增強(qiáng)了氣體的湍動(dòng)，使得氣體的徑向混合更加劇烈。

圖1 內(nèi)構(gòu)件對(duì)氣體徑向分布的的影響[4]

2 內(nèi)構(gòu)件對(duì)顆粒濃度分布的影響

提升管尤其是高密度提升管內(nèi)嚴(yán)重的顆粒濃度軸徑向分布不均勻性會(huì)降低氣固兩相的接觸效果，導(dǎo)致反應(yīng)效果不理想。因此，如何改善提升管中顆粒濃度分布不均勻所帶來的氣固混合效果差、反應(yīng)器效率低的問題，是高密度提升管應(yīng)用的關(guān)鍵。

楊艷輝等[5]以空氣為流化介質(zhì)，考察了提升管內(nèi)鈍體式內(nèi)構(gòu)件對(duì)FCC催化劑顆粒濃度分布的影響。結(jié)果表明，由于鈍體的存在，提高了內(nèi)構(gòu)件處邊壁區(qū)的氣速，減弱了邊壁顆粒的向下回流，使得鈍體上方顆粒濃度大大提高，從而改變了提升管內(nèi)顆粒濃度沿軸向的S型分布形態(tài)。同時(shí)，鈍體式內(nèi)構(gòu)件的引入迫使氣體和顆粒繞流以及由于顆粒的彈濺，增強(qiáng)了氣固兩相的湍動(dòng)，促進(jìn)了邊壁與中心區(qū)顆粒之間的相互作用而使徑向顆粒濃度分布趨于均勻，這與魏飛等[4]利用鈍體式內(nèi)構(gòu)件對(duì)氣體徑向分布影響的研究結(jié)果是一致的。實(shí)驗(yàn)還對(duì)兩個(gè)鈍體之間的顆粒徑向分布情況以及顆粒脈動(dòng)進(jìn)行了研究，認(rèn)為雖然內(nèi)構(gòu)件可以大大提高床層顆粒脈動(dòng)強(qiáng)度，消除提升管內(nèi)近壁區(qū)的顆粒濃度環(huán)狀區(qū)，使得顆粒徑向分布更加均勻，但這種影響距離是有限的。韓超一等[6]考察了鈍體式內(nèi)構(gòu)件對(duì)變徑提升管內(nèi)氣固流動(dòng)特性的影響，發(fā)現(xiàn)在鈍體上方距離內(nèi)構(gòu)件較近截面的顆粒濃度沿徑向呈現(xiàn)出“Ⅴ型”分布，中心區(qū)的顆粒濃度甚至要高于邊壁區(qū)，其他截面顆粒濃度徑向分布也更加均勻。研究者認(rèn)為這是由于鈍體的存在促進(jìn)了邊壁區(qū)氣固的湍動(dòng)，減少了顆粒聚團(tuán)的發(fā)生，并且加強(qiáng)了邊壁與中心顆粒的相互作用，使得顆粒分布的不均勻程度減小，而且鈍體能夠在一定程度上減少外界干擾的不利影響，增強(qiáng)操作的穩(wěn)定性。甘寧俊等[7]采用鈍體式內(nèi)構(gòu)件對(duì)快速床內(nèi)的壓降及顆粒徑向分布情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，認(rèn)為由于鈍體的截流作用造成的顆粒加速，幾乎在整個(gè)床高范圍內(nèi)壓差都較自由床低，且能夠增加氣固兩相的湍動(dòng)，提高氣固間接觸效率，改善顆粒密度的徑向分布。

鄭傳根等[8]考察了不同結(jié)構(gòu)尺寸的圓環(huán)型、錐斗型、多孔板型內(nèi)構(gòu)件對(duì)提升管內(nèi)顆粒徑向分布的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)旨在破壞顆粒邊壁回流、使顆粒向床層中心集中的圓環(huán)型內(nèi)構(gòu)件不但顆粒在床層中心區(qū)的濃度沒有增加，反而在氣速較大時(shí)導(dǎo)致邊壁區(qū)顆粒濃度增加，床層徑向不均勻程度加大，研究者認(rèn)為其原因是圓環(huán)形內(nèi)構(gòu)件改變了氣體流型，使邊壁區(qū)的氣速減小，顆粒濃度增加；錐斗型內(nèi)構(gòu)件較圓環(huán)型略有改善，但結(jié)果仍不理想。通過對(duì)不同開孔型式的多孔板內(nèi)構(gòu)件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用與提升管內(nèi)壁之間留一條窄縫的多孔板能夠增大邊壁處的氣速，效果最好，可使床層顆粒的徑向分布更加均勻，且多層多孔板內(nèi)構(gòu)件在基本不影響顆粒徑向分布均勻性的情況下，能夠提高床層顆粒的平均濃度，其影響范圍基本相當(dāng)于提升管管徑尺寸。

ZHU等[9]針對(duì)環(huán)形內(nèi)構(gòu)件對(duì)提升管內(nèi)顆粒濃度軸、徑向分布的影響進(jìn)行了較為詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，環(huán)形內(nèi)構(gòu)件對(duì)顆粒濃度的軸、徑向分布，尤其是對(duì)內(nèi)構(gòu)件附近區(qū)域顆粒濃度分布有著顯著的影響。對(duì)于兩個(gè)環(huán)形內(nèi)構(gòu)件之間不同軸向位置顆粒濃度的徑向分布（如圖2所示），距離下環(huán)最近的截面顆粒濃度較高，尤其是在邊壁區(qū)具有更高的顆粒濃度，隨著軸向位置升高各截面顆粒濃度的徑向分布趨于均勻；距離上環(huán)最近的截面顆粒濃度偏低。其原因研究者認(rèn)為是在內(nèi)構(gòu)件之下，提升管邊壁區(qū)上行的顆粒撞上圓環(huán)失去動(dòng)量后，會(huì)被氣體裹挾進(jìn)中心區(qū)隨氣體一起通過床層，因此顆粒不會(huì)在邊壁區(qū)聚集；而內(nèi)構(gòu)件之上邊壁區(qū)向下流動(dòng)的顆粒撞上圓環(huán)后卻沒有被氣流及時(shí)攜帶走，因此在內(nèi)構(gòu)件之上的截面形成了一個(gè)高顆粒濃度的邊壁區(qū)。

圖2 兩個(gè)環(huán)形內(nèi)構(gòu)件之間不同軸向位置空隙率的徑向分布[9]

此外，ZHU等[9]通過對(duì)環(huán)形內(nèi)構(gòu)件的開孔面積和表觀氣速對(duì)提升管軸、徑向顆粒濃度分布的研究發(fā)現(xiàn)，與沒有內(nèi)構(gòu)件相比，在較低的表觀氣速下環(huán)形內(nèi)構(gòu)件反而會(huì)使提升管邊壁區(qū)的顆粒濃度增加，顆粒的徑向分布更加不均勻（如圖6所示）；隨著氣速增加，顆粒濃度的徑向分布趨于均勻，而且在有內(nèi)構(gòu)件時(shí)氣速的影響更加顯著，這與鄭傳根等[8]的研究結(jié)果恰恰相反，原因可能是二者采用的環(huán)形內(nèi)構(gòu)件形狀（前者圓環(huán)截面為矩形，后者為三角形）、操作條件以及內(nèi)構(gòu)件與提升管匹配尺寸不同導(dǎo)致的結(jié)果；當(dāng)氣速增加到一定程度后，顆粒濃度的徑向分布出現(xiàn)中心濃度高、邊壁濃度低的現(xiàn)象，且在相同操作的條件下不同開孔面積的圓環(huán)形內(nèi)構(gòu)件對(duì)床層局部顆粒濃度的影響不同。為了考察環(huán)形內(nèi)構(gòu)件對(duì)提升管內(nèi)軸向顆粒濃度的影響，ZHU等[9]在提升管內(nèi)沿軸向設(shè)置5個(gè)內(nèi)構(gòu)件后，得到了與楊艷輝等[5]相同的研究結(jié)果，即提升管顆粒濃度軸向分布由典型的S型分布變成了Z字型分布，且隨著圓環(huán)開孔面積和表觀氣速的增大，內(nèi)構(gòu)件上、下截面的平均顆粒濃度差距減小，床層軸向顆粒濃度增加且分布更加均勻?；谝陨蠈?shí)驗(yàn)結(jié)果，研究者認(rèn)為適宜尺寸的環(huán)形內(nèi)構(gòu)件能夠使提升管內(nèi)顆粒重新分布，提高軸向顆粒濃度且使徑向顆粒濃度分布更加均勻，有利于增加氣固接觸效率。

3 內(nèi)構(gòu)件對(duì)顆?；旌闲袨榈挠绊?/h2>

對(duì)于FCC這類以中間產(chǎn)物作為目的產(chǎn)品的快速反應(yīng)而言，提升管中顆粒的軸、徑向混合行為及停留時(shí)間的均勻性對(duì)于反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率與選擇性有著重要的影響。劉會(huì)娥等[10]采用磷光顆粒示蹤技術(shù)對(duì)加設(shè)了鈍體式內(nèi)構(gòu)件的提升管內(nèi)顆粒的軸、徑向混合行為進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，由于內(nèi)構(gòu)件的加入縮小了氣固的流通面積，在同樣的操作條件下顆粒的平均停留時(shí)間變短，但停留時(shí)間分布（RTD）曲線與未引入內(nèi)構(gòu)件時(shí)相似，仍表現(xiàn)為雙峰及較大的拖尾，這意味著內(nèi)構(gòu)件的引入不會(huì)使提升管中顆粒的軸向混合行為發(fā)生明顯的變化（如圖3所示）。但研究者發(fā)現(xiàn)，隨著表觀氣速和床層固含率的提高，內(nèi)構(gòu)件會(huì)使不同軸向位置邊壁區(qū)顆粒的脈動(dòng)速度大幅度提高，從而破壞提升管在邊壁區(qū)所形成的顆粒濃環(huán)，使得顆粒的徑向混合得到顯著加強(qiáng)。

圖3 有無內(nèi)構(gòu)件顆粒停留時(shí)間分布曲線[10]

針對(duì)FCC進(jìn)料段提升管壁面與原料射流“背面”會(huì)產(chǎn)生二次流區(qū)域[11]，導(dǎo)致該區(qū)域的油劑停留延長、壁面結(jié)焦傾向增加問題，范怡平等[12]在原料噴嘴處另外引入一股蒸汽以一定角度噴入提升管中，并稱之為“氣體內(nèi)構(gòu)件”，以此代替實(shí)體內(nèi)構(gòu)件控制和利用二次流。據(jù)研究，“氣體內(nèi)構(gòu)件”能有效減弱該區(qū)域油氣及催化劑的返混、縮短停留時(shí)間，促進(jìn)提升管內(nèi)的油劑混合。許克家等[13]在下行式提升管的研究中發(fā)現(xiàn)，在催化劑提升段設(shè)置開孔板型內(nèi)構(gòu)件后，床層內(nèi)的氣泡得以破碎，可以明顯改善提升段催化劑的流化狀態(tài)，有效地抑制催化劑返混。

4 內(nèi)構(gòu)件對(duì)氣固傳熱特性的影響

目前眾多研究者的研究工作主要集中在內(nèi)構(gòu)件對(duì)提升管內(nèi)氣固傳質(zhì)特性的影響，對(duì)提升管中氣固流動(dòng)徑向傳熱影響的研究很少。闞偉等[14]采用圓棒形內(nèi)構(gòu)件，對(duì)提升管內(nèi)溫度的徑向分布進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，提升管內(nèi)溫度的徑向分布存在一個(gè)明顯的拐點(diǎn)，拐點(diǎn)之內(nèi)為溫度變化較大的內(nèi)構(gòu)件影響區(qū)，拐點(diǎn)之外為環(huán)形流體溫度穩(wěn)定區(qū)；隨著催化劑的引入，內(nèi)構(gòu)件影響距離變小，拐點(diǎn)處溫差增大，環(huán)形穩(wěn)定區(qū)內(nèi)流體溫度升高的同時(shí)分布更加均勻；隨著內(nèi)構(gòu)件散熱量增加，其影響區(qū)的流體溫度升高、拐點(diǎn)處溫差增大，但環(huán)形溫度影響區(qū)的徑向位置基本沒有發(fā)生變化；隨著固體顆粒循環(huán)速率和床層密度增加，內(nèi)構(gòu)件影響區(qū)減小、流體溫度降低，環(huán)形溫度穩(wěn)定區(qū)增大、流體溫度升高，即內(nèi)構(gòu)件能夠在一定程度上提高提升管內(nèi)徑向的傳熱能力。王焱鵬等[15]通過對(duì)循環(huán)流化床固-固換熱的實(shí)驗(yàn)研究，也得出了隨著提升管床層密度的增加床層傳熱系數(shù)增大的結(jié)論。朱曉麗等[16]對(duì)FCC提升管內(nèi)的溫度分布的模擬結(jié)果表明，提升管內(nèi)不同軸向位置混合流體的溫度呈現(xiàn)中心低、邊壁高的環(huán)-核分布狀態(tài)，且隨著軸向位置升高（相對(duì)進(jìn)料噴嘴），溫度沿徑向分布趨于均勻。

5 結(jié)論與展望

提升管內(nèi)發(fā)生反應(yīng)的首要條件是氣固的有效接觸，而提升管內(nèi)氣固的不均勻分布是影響反應(yīng)效果的重要因素之一。從當(dāng)前的研究結(jié)果看，在提升管內(nèi)設(shè)置內(nèi)構(gòu)件的確能夠在一定程度上改善氣固兩相的分布狀態(tài)，促進(jìn)氣固充分接觸，減少顆粒返混，從而提高目的產(chǎn)品的收率，具有良好的應(yīng)用前景。目前尚未見到有實(shí)體內(nèi)構(gòu)件工業(yè)應(yīng)用的相關(guān)報(bào)道，主要原因是性能良好的內(nèi)構(gòu)件不但要能夠改善提升管內(nèi)的氣固流動(dòng)狀態(tài)和混合效果，而且要能夠減少死區(qū)并具有耐磨性和耐腐蝕性?，F(xiàn)有研究結(jié)果也表明了不同型式的內(nèi)構(gòu)件對(duì)提升管內(nèi)氣固流動(dòng)的影響并不相同，甚至類似型式的內(nèi)構(gòu)件在不同尺寸、不同操作條件下，不同研究者得出了相反的結(jié)論，且目前針對(duì)內(nèi)構(gòu)件對(duì)于提升管內(nèi)氣固流動(dòng)影響的定性研究較多，而對(duì)其機(jī)理及定量研究很少，難以進(jìn)行工業(yè)放大設(shè)計(jì)。因此，在今后的研究工作中，一是有必要借助計(jì)算機(jī)輔助模擬，對(duì)內(nèi)構(gòu)件的影響機(jī)理進(jìn)行研究；二是加強(qiáng)內(nèi)構(gòu)件與提升管尺寸、操作條件及安裝位置適宜匹配關(guān)系的研究，確定其定量關(guān)系，為設(shè)計(jì)放大及工業(yè)化應(yīng)用提供可靠的依據(jù)；三是“氣體內(nèi)構(gòu)件”在一定程度上能夠避免實(shí)體內(nèi)構(gòu)件的許多弊端，也為內(nèi)構(gòu)件的研究及應(yīng)用提供了一個(gè)很好的思路和方向。