多层进气提升管扩径预提升段流动特性研究

刘丙超，王胜胜，苏鲁书，祝晓琳，李春义

(中国石油大学(华东)重质油国家重点实验室，山东 青岛 266580)

催化裂化技术是石油加工的核心技术，而提升管反应器作为催化裂化技术的核心装置之一，其内部气固流动行为对目的产物的分布和收率有着重要的影响。提升管反应器在轴向方向上从下往上依次可分为底部预提升段、中部进料裂化反应段、上部气力输送段以及顶部气固分离段[1]。其中反应段内油气和催化剂的流动分布状况、接触效率直接影响催化裂化反应的产物分布和目的产物收率，而提升管反应器内油、剂间的接触效率往往与预提升段催化剂的预分配状态有很大关系[2-4]。特别是随着渣油催化裂化的发展，催化剂的预分配状况在相当程度上直接影响轻质油收率、焦炭及干气产率。因此对于提升管预提升段的研究逐渐成为关注的焦点。近年来，一些新型的预提升结构不断涌现，如钟孝湘等[5]提出的抗滑落预提升结构，厉勇[6]提出的内置输送管的扩径预提升结构等。

本研究结合本课题组的研究成果，对多层进气的底部扩径预提升结构内气固流动特性进行考察，并通过颗粒浓度、概率密度分布及气固接触效率分析等方面与传统预提升结构进行详细的比较，旨在为提升管反应器预提升结构的改进与设计提供参考。

1 实 验

1.1 实验装置及操作流程

图1 多层进气底部扩径提升管冷态模拟装置示意 1—空气压缩机；2—流量计；3—预提升气；4—预流化气体分布器； 5—环管气体分布器；6—进气喷嘴；7—提升管；8—布袋过滤器； 9—旋风分离器；10—三通换向阀；11—测量筒； 12—储料筒(伴床)；13，14—下料蝶阀；15—下料管； 16—PC-6D颗粒浓度测量仪；17—数据分析处理设备

图1为多层进气底部扩径提升管冷态模拟实验装置示意。整套装置主要由提升管、储料筒(伴床)、测量筒(用于测量颗粒循环速率)、气-固分离器、气体分布板、连接管路和相应的控制阀件(三通换向阀和蝶阀)组成。其中，变径提升管(总高10.6 m)包括底部扩径预提升段(高1.8 m，直径0.22 m)、裂化反应段、气力输送段和气固分离段4部分，而在对等径提升管进行研究时，变径提升管扩径预提升段则替换为与输送段等直径的一段直管(直径0.1 m)。该底部扩径提升管采用多层进气的方式，气体分别以预流化气、预提升气、环管进气、喷嘴进气4种形式进入提升管反应器，体积流量之比为1∶2∶1.6∶6。

试验时，伴床内的催化剂颗粒经下料斜管进入扩径预提升段底部，在预流化气体及预提升气的作用下流化并向上运动，接着在环管进气和喷嘴进气作用下继续提升。气体携带颗粒到达提升管顶部出口后进入气固分离设备，分离后的催化剂颗粒返回伴床，完成整个的循环流动。

1.2 实验介质及操作条件

流化介质为常温空气，压力(表压)为0.19 MPa，表观气速Ug由转子流量计测量。流化颗粒为催化裂化平衡剂，颗粒密度为1 500 kgm3，松散颗粒堆密度为900 kgm3。使用BT-9300ST型激光粒度分布仪测得催化剂平均粒径为76 μm，具体粒径分布见图2。提升管输送段表观气速Ug变化范围为6～14 ms，对应的底部扩径预提升段气速Ug，bottom为0.5～1.2 ms，底部等径预提升段气速Ug，bottom为2.6～6.1 ms。

图2 固体催化剂颗粒的粒径分布

1.3 测量仪器及方法

采用切换法测定颗粒循环速率Gs，即在装置稳定操作的条件下，通过切换气固分离设备底部的三通换向阀至测量筒，记录一定时间内(10 s左右)测量筒内催化剂的体积，并基于提升管输送段截面积和颗粒物性计算出Gs。

(1)

式中：ρb为颗粒堆密度；Vd为测量筒内堆积的颗粒体积；R为提升管输送段半径；t为测量时间。

采用中国科学院过程工程研究所研制的PC-6D型光纤探头测定扩径预提升段内的局部颗粒浓度εs，采样频率为1 000 Hz，采样时间为30 s。在扩径预提升段沿轴向设置5个测量点，各点高度Z(以底部的气体分布板为基准)分别为0.82，1.02，1.23，1.43，1.64 m。采用等面积法在截面上沿径向设置11个测量点，对应的无因次半径rR(r为径向位置，R为提升管内径)分别为0，0.16，0.38，0.50，0.59，0.67，0.74，0.81，0.87，0.92，0.97。理论上，床层各截面的平均颗粒浓度应按式(2)计算，但由于各径向测量位置是以等面积法划分的，因此截面平均颗粒浓度为除中心点以外各径向位置局部颗粒浓度εs的算术平均值。

(2)

2 结果与讨论

2.1 预提升段内气体在相间的分配

循环流化床提升管反应器颗粒浓度整体上呈现一种“上稀下浓”的分布形式，上部输送段为稀相气力输送形态，底部预提升段内为密相气固流动形态，存在基本不含颗粒的气泡相和不含气泡的乳相[7]。明确气体在两相之间的分配对于分析预提升段内的气固流动结构、传质传热规律等至关重要。如图3所示，底部密相流动的气体流速μ可表示为气泡相气体流速和乳相气体流速之和。

(3)

μem=μmf

(4)

因此可以得出

Vb=(μ-μmf)At

(5)

式中：Vb为气泡相体积的体积流量；At为流化床的截面积。简单两相理论认为超过最小流化速度的所有气体均以气泡形式通过床层。通过对两种结构预提升段流动形态分析可以发现，相对于等径预提升段，扩径结构使得预提升段内的气体速度减小，气泡相体积流量相应减小，因此扩径预提升段内颗粒浓度有明显的增大，在此从理论上证明了扩径结构可显著提高扩径预提升段颗粒浓度，为后续进一步研究扩径预提升段内颗粒浓度的分布提供了有力地支撑。

图3 流化床中气体在相间的分配

2.2 颗粒浓度分布

图5 预提升段不同径向区域颗粒浓度轴向分布

2.2.3εs径向分布εs径向分布情况不仅说明了催化剂颗粒沿径向位置的发展情况，而且在一定程度上反映了气固流动结构的均匀性。图6为不同操作条件下εs的径向分布情况。由图6可以看出，两种不同结构的预提升段内，在不同的轴向区域εs的径向分布均呈“中心稀、边壁浓”的不均匀流动结构，这主要是由于预提升段内气体倾向于从管中心区通过，而催化剂颗粒倾向于从边壁通过，这种气固分离作用造成了颗粒径向分布的不均匀性[12-13]。同时可以发现，两种结构预提升段不同径向位置处εs均随Gs的增大而增大，随Ug的增大而减小，且Ug的影响更为显著，这是因为增加气速时输送推动力增加，净颗粒通量增大，更多的颗粒被带出预提升段。通过对比不同预提升结构εs径向分布情况，发现扩径预提升段内εs明显高于等径预提升段，且εs径向分布的均匀性得到明显改善，这主要是因为扩径预提升段内气泡聚并与破碎作用增强，强化了气固两相的接触，增强了气固湍动作用。而在扩径预提升段内，对比不同轴向区域εs的径向分布状况，可以发现上部缩颈区内εs的径向分布均匀性显著降低，这主要是由于缩颈结构使得相应区域气体和固体颗粒返混严重，同时在喷嘴进气的抽吸作用共同影响下，使得中心区气体占比增大，颗粒占比减小，而边壁区εs基本不变，导致εs径向分布的严重差异。

图6 预提升段不同轴向位置颗粒浓度径向分布

2.3 概率密度分析

概率密度分析是一种研究相结构和相间接触的有效统计方法，概率密度分布图能够直观地反应气固两相的分布情况[14]。在Ug为8 ms、Gs为300 kg(m2·s)的条件下，考察预提升段内不同轴向位置处不同径向区域的概率密度分布情况，结果见图7。低εs的峰称为稀相峰，颗粒主要以分散相形式存在；高εs的峰称为浓相峰，颗粒以颗粒团或颗粒簇等聚集体形式存在。由图7可以看出：在等径预提升段中心位置处概率密度分布曲线(PDD)出现明显的稀相峰，而在边壁位置处PDD曲线则出现明显的浓相峰，说明气固两相发生了严重的分离；而在扩径预提升段内，从中心到边壁处均存在代表稀浓两相的双峰，且在过渡区和边壁区浓相峰的强度和范围较大，说明扩径预提升结构改善了气固分离现象，同时提高了径向位置处的局部颗粒浓度。在等径预提升段的底部入口区以及扩径预提升段的上部缩颈区径向rR=0.59处，概率密度的分布与中部发展区存在显著差异。其过渡区仍存在较为明显的稀相峰，说明上述位置过渡区仍存在大量的气体及分散颗粒。综上可知，扩径预提升结构虽未能消除其“中心稀、边壁浓”的颗粒分布趋势，但其内部气固接触情况及颗粒浓度径向分布的均匀性明显优于等径预提升结构。

2.4 气固接触效率

气固接触效率反映催化剂与油气的接触情况，接触效率的高低直接决定着目的产物的收率[15]。韩超一等[16]结合颗粒浓度的大小及其径向分布均匀性两方面给出了气固接触效率的定义，如式(6)所示：

(6)

(7)

(8)

式中：εs，max为堆积状态下的颗粒浓度；εsmf为起始流化状态下的颗粒浓度，取εs，max=εsmf=0.57。

图8为两种预提升结构不同轴向位置的气固接触效率。由图8可以看出，两种不同结构预提升段内气固接触效率均为中部发展区高于底部入口区和上部缩颈区，且位于喷嘴附近的缩颈区气固接触效率下降最为显著，这主要是由于底部与上部区域气固分离现象所致，其中上部缩颈区由于气体和颗粒的返混加剧了颗粒径向分布的不均匀性。而总体来看，扩径预提升段在不同区域的气固接触效率均明显高于等径预提升段，这进一步说明了扩径预提升结构在改善气固流动行为、强化气固接触方面起到的重要作用。但是该结构仍存在一定的弊端，如何改变上部缩颈区的流动结构，使气固接触效率在轴向上均保持较高的水平仍是需要进一步研究的重点。

图8 预提升段不同轴向位置的气固接触效率■—等径预提升段； ■—扩径预提升段

3 结 论

(1)催化裂化提升管预提升段底部入口区和上部缩颈区颗粒流动行为受气体作用明显，颗粒浓度较小，颗粒径向分布的均匀性及气固接触效率较差；中部发展区气固两相的接触和混合情况最为理想。

(2)两种不同结构的预提升段内颗粒浓度在径向上均呈现“中心稀、边壁浓”的不均匀分布，且颗粒浓度随表观气速的增加而减小，随颗粒循环速率的增大而增大；与等径预提升结构相比，扩径预提升段中心区和过渡区颗粒浓度明显提高，颗粒浓度轴径向分布更加均匀。

(3)等径预提升段内从中心区到边壁区，颗粒分布从以稀相为主逐渐过渡到以浓相为主，发生明显的气固分离；扩径预提升段内在不同的径向区域稀浓两相分布相对均匀，气固混合充分，气固两相接触效率明显提高，有利于实现预提升段内颗粒的充分预流化及气固两相的传质和传热过程。

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