王振波 張玉春 徐春明

(中國石油大學重質(zhì)油國家重點實驗室)

借鑒催化蒸餾工藝，設(shè)想在催化裂化工藝中將反應(yīng)過程與分離過程相結(jié)合，在反應(yīng)器中同時進行超短接觸反應(yīng)和反應(yīng)產(chǎn)物的實時快速分離[1]，以期解決現(xiàn)有提升管反應(yīng)器氣固分布不均勻、較嚴重的返混及催化劑結(jié)焦失活等問題[2～4]。在這一思想的推動下，在旋風分離器基礎(chǔ)上研究開發(fā)的新型短接觸旋流反應(yīng)器應(yīng)運而生。

為深入了解和掌握新型短接觸旋流反應(yīng)器內(nèi)氣、固兩相湍流流動的機理性行為，為旋流反應(yīng)器的改進和優(yōu)化提供理論依據(jù)，筆者采用離散顆粒方法(Discrete Particle Model，DPM)，利用計算流體力學軟件(CFD)對短接觸旋流反應(yīng)器內(nèi)湍流氣固兩相流動狀況進行數(shù)值模擬，分析不同粒徑顆粒在反應(yīng)器內(nèi)的流動特點。

1 數(shù)值模擬

1.1湍流模型

筆者采用的是RNGk-ε湍流模型[5～7]。該模型中k和ε的輸運方程分別為：

(1)

(2)

1.2顆粒相模型

筆者采用隨機軌道模型模擬反應(yīng)器內(nèi)的兩相流動[9]，其顆粒運動方程為：

(3)

(4)

(5)

1.3模擬對象和計算參數(shù)設(shè)定

圖1為反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖，在混合腔內(nèi)與再生催化劑混合、流動、傳熱和反應(yīng)，經(jīng)過導(dǎo)向葉片加速作用后，油氣和催化劑在離心力作用下最終分離。圖2為網(wǎng)格劃分結(jié)果，網(wǎng)格劃分遵循結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格優(yōu)于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的原則[10～12]，只在切向進氣管與混合腔采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，最終劃分26萬網(wǎng)格，且經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗證。建立坐標系如圖1所示，圓點取在混合腔頂部中心位置。

圖1 短接觸旋流反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 短接觸旋流反應(yīng)器網(wǎng)格

介質(zhì)物性：氣相采用常溫下的空氣，固相催化劑密度為2 000kg/m3，中位粒徑為60μm。入口邊界條件：在進口處，將顆粒群按初始尺寸分組，使不同的顆粒從入口截面上均勻分布射入反應(yīng)器，顆粒的初始速度為2.5m/s，氣體的入口速度為5.0m/s。

根據(jù)反應(yīng)器壁面軸向位置的不同，分別設(shè)定不同的碰撞系數(shù)，在混合腔取碰撞系數(shù)為1.00，環(huán)形空間為0.95，分離空間為0.85，錐體段為0.60，灰斗壁面為0.30；當顆粒運動到排氣口邊界時，從出口逃逸，此時停止對顆粒的跟蹤，設(shè)置為escape；當顆粒運動到料腿捕集口時，被壁面捕集，此時也停止對顆粒的跟蹤，設(shè)置為trap。

2 計算結(jié)果及分析

2.1模擬結(jié)果準確性驗證

筆者對比分離腔z=400mm截面的切向速度vt、軸向速度va的計算值與實驗值(圖3)，驗證模擬結(jié)果的準確性。實驗采用智能型七孔球探針測試儀測量旋流反應(yīng)器內(nèi)各點速度，在每個測點位置測量10次后取平均值。由圖3可以看出實驗值與模擬值吻合較好，說明模擬結(jié)果能夠有效預(yù)測反應(yīng)器內(nèi)的氣、固流動情況。

a. 切向速度

b. 軸向速度圖3 z=400mm截面速度模擬值與實驗值對比

2.2混合腔氣相速度分布

圖4為混合腔不同截面氣相三維速度隨徑向位置的變化曲線。由圖4a可以看出，軸向速度基本呈雙W形分布，各截面趨勢基本相同，并且隨著混合腔軸向下移梯度逐漸減小，在徑向r=±120mm和r=±50mm處向下運動的速度出現(xiàn)兩個峰值，且靠近混合腔壁面位置處速度最大，約為1.5m/s，在r=±75mm處速度最小。由于混合腔頂部的兩股切向進氣，由圖4b可以看到混合腔內(nèi)切向速度明顯高于軸、徑向速度，邊壁附近最高值達6.0m/s，切向進氣呈現(xiàn)“駝峰”狀分布，且各截面的差別較小，即在混合腔內(nèi)形成了一定強度的旋轉(zhuǎn)氣流。徑向速度值最小且規(guī)律性最不明顯，局部渦和旋轉(zhuǎn)氣流作用使得徑向速度分布最復(fù)雜，各截面的速度方向不完全相同，但基本都存在一個速度為零的臨界位置點。

a. 軸向速度

b. 切向速度

c.徑向速度圖4 混合腔不同截面氣相三維速度的變化曲線

2.3較小粒徑催化劑顆粒濃度分布

由于30μm以下顆粒所占比例僅為10%左右，筆者將30μm以下顆粒當做較小粒徑顆粒處理，顆粒的粒徑分布采用Rosin-Rammler分布模擬，最小粒徑為1μm，最大粒徑為30μm，中位粒徑為20μm，分布指數(shù)為3。圖5是具有代表性的混合腔內(nèi)不同時刻顆粒的分布情況。由圖5a可見混合腔內(nèi)的顆粒由于受到頂部切向進氣的沖擊攜帶作用，有由豎直流動變?yōu)轫樓邢驓饬鞣较蛐D(zhuǎn)流動的趨勢。由圖5b可見顆粒在混合腔內(nèi)螺旋向下運動，顆粒向邊壁聚集，邊壁濃度高于中心濃度。大約在0.25s時顆粒已基本占據(jù)了整個混合腔空間，且部分顆粒開始進入下部的分離空間，即完成了與油氣的超短接觸反應(yīng)過程。

圖5 混合腔內(nèi)不同時刻較小粒徑顆粒濃度分布

另外，由圖5還可以發(fā)現(xiàn)，軸向進料管內(nèi)顆粒濃度較高，入射顆粒在此處聚集碰撞回轉(zhuǎn)往復(fù)，沒有立刻進入混合腔而停留時間較長，出現(xiàn)這種情況可能是由于混合腔頂部的切向進氣形成旋轉(zhuǎn)氣流層，使進料管內(nèi)的顆粒受到氣流屏蔽而不能立即進入混合腔內(nèi)。

2.4較大粒徑催化劑顆粒濃度分布

為考察大粒徑顆粒的流動情況，根據(jù)實際催化劑物性，并考慮到計算精度與計算量，最終確定將顆粒劃分為50、70、100μm進行計算(圖6)。由于此時顆粒與前面計算中相比粒徑較大，顆粒受到氣流攜帶的作用并不明顯，由圖6a可見進入混合腔后由于空間的增大顆粒擴散并逐漸下行，0.2s時在兩個進料口底部出現(xiàn)了顆粒竄流返混現(xiàn)象，這是由進料口末端存在壓力梯度引起的。流動過程中在重力場和旋流場的作用下貼近壁面，出現(xiàn)了少量顆粒聚集的螺旋線，顆粒分布的不均勻程度隨著時間的增加而有所改善，顆粒在混合腔內(nèi)逐漸擴散開來，約0.25s后開始進入下部區(qū)域。

圖6 混合腔內(nèi)不同時刻較大粒徑顆粒濃度分布

3 結(jié)論

3.1混合腔內(nèi)軸向與徑向速度梯度較大，分布較為復(fù)雜，而由于切向高速射流的影響，切向速度呈“駝峰”狀分布，且各截面差別較小。

3.21～30μm顆粒易受氣流的攜帶作用，在混合腔內(nèi)順氣流方向旋轉(zhuǎn)擴散，充滿整個混合區(qū)域且逐漸螺旋下行，而50、70、100μm顆粒由于粒徑相對較大，不易被氣流夾帶，在混合腔內(nèi)的流動更為復(fù)雜。

3.3不同粒徑的顆粒入射后經(jīng)過0.25s左右離開混合腔。

[1] 周如金，魏飛.超短接觸反應(yīng)器基礎(chǔ)研究與應(yīng)用展望[J].石化技術(shù)，2000，7(2)：109～111.

[2] 王建文，楊朝合，山紅紅，等.催化裂化反應(yīng)器研究的新進展[J].煉油技術(shù)與工程，2004，34(11):1～6.

[3] Deng R S,Wei F,Liu T F,et al.Radial Behavior in Riser and Downer During the FCC Process[J].Chemical Engineering and Processing:Process Intensification,2002,41(3):259～266.

[4] Chen Y M.Recent Advances in FCC Technology[J].Powder Technology,2006,163(1/2):2～8.

[5] 陳意心，王亦飛，梁鐵，等.新型洗滌冷卻室內(nèi)氣液兩相的分布特性[J].化工學報，2008,59(2):322～327.

[6] 王江云，毛羽，王娟. FCC沉降器內(nèi)流體的流動特性與停留時間分布[J].過程工程學報，2009, 9(z2):185～189.

[7] Bakhtyar R,Barry D A,Yeganeh-Bakhtiary A,et al.Numerical Simulation of Two-phase Flow for Sediment Transport in the Inner-surf and Swash Zones[J].Advances in Water Resources,2010,33(3):277～290.

[8] 汪林.旋風分離器氣固兩相流數(shù)值模擬及性能分析[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2007.

[9] 李強.循環(huán)流化床鍋爐旋風分離器氣固兩相流動特性及性能研究[D].上海：上海交通大學，2010.

[10] 許偉偉，馬艷杰，王建軍，等. 基于流場控制的導(dǎo)向葉片式旋風管開縫面積比的優(yōu)化設(shè)計[J].高?；瘜W工程學報，2010, 24(3):523～527.

[11] 王振波，馬藝，金有海.切流式旋流器內(nèi)兩相流場的模擬[J].中國石油大學學報(自然科學版)，2010, 34(4)：136～140.

[12] 金向紅，金有海，王建軍，等. 軸流式氣液旋流分離器內(nèi)氣相流場的數(shù)值研究[J].高?；瘜W工程學報，2009, 23(5):748～755.