李 睿，王德武，張少峰，2，趙立軍，吳廣恒

1.河北工業(yè)大學化工學院，天津 300130；2.河北工業(yè)大學海水資源高效利用化工技術教育部工程研究中心，天津 300130

不同流型下組合約束型提升管出口段固含率分布

李 睿1，王德武1，張少峰1，2，趙立軍1，吳廣恒1

1.河北工業(yè)大學化工學院，天津 300130；2.河北工業(yè)大學海水資源高效利用化工技術教育部工程研究中心，天津 300130

在一套組合約束型提升管冷態(tài)實驗裝置上，研究了氣力輸送和快速流態(tài)化兩種流型下，出口段局部固含率分布規(guī)律及不同操作條件對固含率的影響。結果表明：局部固含率徑向分布整體上呈中心小、邊壁大的分布特征，并隨分布器開孔率和表觀氣速的降低而增大，隨上部流化床層壓降和顆粒循環(huán)強度的降低而減??；在快速流態(tài)化操作下，局部固含率曲線分布形式與常規(guī)提升管類似，而在氣力輸送狀態(tài)下，臨近出口區(qū)域局部固含率最大值通常不出現(xiàn)在邊壁處，其位置隨表觀氣速和分布器開孔率增加以及顆粒循環(huán)強度和上部流化床層壓降降低而遠離邊壁；兩種流型下局部固含率徑向分布的均勻性均隨表觀氣速及分布器開孔率的增加而升高，隨顆粒循環(huán)強度及流化床層壓降的增加而降低。

提升管 出口結構 局部固含率分布 氣力輸送 快速流態(tài)化

提升管作為一種高效無氣泡的氣-固反應器，能夠滿足快速反應的要求，流化床反應器可通過改變床層操作條件來滿足不同反應時間的要求，所以兩種反應器在不同工業(yè)領域均得到了較多應用［1，2］。近些年，提升管與流化床耦合形式的反應器也成功應用到了工業(yè)中［3-5］，如石油煉制領域中的 MIP （Maximum Isoparaffin Process）工藝、DCC-I（Deep Catalytic Cracking-I）工藝及輔助反應器改質(zhì)降烯烴工藝。對于下部提升管與上部床層耦合反應器（本工作稱之為“組合約束型提升管”）提升管內(nèi)顆粒的流動特性，王德武等［6-12］對有床層和零床層操作模式進行了較為詳細的研究與比較，結果表明，上述出口結構對整個提升管臨近出口段氣固流動的約束影響最大，且部分條件下出口段會出現(xiàn)局部固含率最大值不在邊壁區(qū)域的現(xiàn)象，但并未指出該現(xiàn)象與提升管內(nèi)流型間的關系。

鑒于“分布器+床層”形式的特殊出口結構對提升管內(nèi)氣固流動存在約束作用，且隨著操作條件不同其約束影響不同，因此，為了更系統(tǒng)地研究不同流動行為下，由不同分布器開孔率和不同上部流化床層壓降所構成的不同約束出口對提升管內(nèi)固含率徑向分布的影響，本工作在前人研究的基礎上，通過采取氣力輸送（Pneumatic Transport，PT）和快速流態(tài)化（Fast Fluidization，F(xiàn)F）兩種操作模式，重點考察了提升管內(nèi)表觀氣速、顆粒循環(huán)強度、分布器板面開孔率和上部流化床層壓降等操作參數(shù)的改變對提升管出口段固含率分布的影響，以期為組合約束型提升管的操作調(diào)控和工業(yè)設計提供更全面的參考。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置及流程

圖1為實驗裝置流程示意圖。裝置主體主要包括下部提升管、提升管出口的氣固分布器及上部流化床，除旋風分離器及承重件選用碳鋼材質(zhì)外，其余材質(zhì)均為有機玻璃。預提升段內(nèi)徑為100 mm，高620 mm，提升管內(nèi)徑為60 mm，提升管段的高度為預提升段上方出口處至氣固分布器入口處，其距離為4 350 mm；提升管出口采用蓮蓬頭式氣固分布器與上部流化床相連，其結構尺寸如圖2所示，分布器布孔采用正三角形排列，開孔直徑均為 6 mm，相對于提升管橫截面積的開孔率（F）分別為35%，43%，55%和61%，對應分布器上孔中心距分別為20，17，15和15 mm；上部流化床段內(nèi)徑為280 mm，流化床擴徑段的內(nèi)徑為380 mm，流化床段和擴徑段總高為1 900 mm。實驗中，主風由風機提供，采用轉(zhuǎn)子流量計進行計量，預提升段內(nèi)的顆粒在提升主風的作用下通過提升管和蓮蓬頭式氣固分布器進入上部流化床中，而流化床層內(nèi)大部分顆粒經(jīng)由料倉和循環(huán)管再次進入提升管形成顆粒循環(huán)，進入擴徑段稀相空間的少部分細顆粒經(jīng)旋風分離器分離出來后返回流化床層中，由旋風分離器出來的氣體進一步通過布袋除塵器凈化后排空。實驗中所用固體顆粒為CRP-1催化裂解催化劑，其物性數(shù)據(jù)參見表1。采用常溫空氣作為流化介質(zhì)。

圖1　實驗裝置及流程Fig.1 Experimental setup and process

圖2　蓮蓬頭式氣固分布器結構Fig.2 Shower-head gas-solid distributor

表1　CRP-1催化裂解催化劑顆粒物性參數(shù)Table 1 Physical parameters of CRP-1catalytic cracking catalyst

1.2 測試方法

采用容積法［10］測量系統(tǒng)的顆粒循環(huán)強度。采用PV-6D型光纖顆粒密度儀［13］測量出口段固含率（εs r）在徑向上的分布，εs r與PV-6D型光纖顆粒密度儀輸出電壓信號（U）的標定式為：

在提升管每個截面由邊壁到中心布置了5個測點，對應的無因次半徑（r/R，r為提升管徑向位置，m；R為提升管半徑，m）分別為0.90，0.70，0.50，0.30和0.00。由于“氣固分布器+流化床層”式出口結構為組合約束型提升管的主要特點，所以軸向測點主要布置在提升管出口段，沿軸向共布置了5個測量截面，按照距蓮蓬頭氣固式分布器下板面距離由近及遠的順序依次編號為 1～5，各測點距蓮蓬頭式分布器下板面的距離（h）依次為0.37，0.57，0.87，1.52 和2.17 m。

1.3 不同操作條件下的流型轉(zhuǎn)變速率

床層壓降（Pb）隨表觀氣速（Ug r）的變化通常被用于確定不同流型間的轉(zhuǎn)變，文獻［14］給出了一種常用的方法，即在顆粒循環(huán)強度（Gs）一定的情況下，提升管上下部壓降隨表觀氣速降低過程中的交點為氣力輸送和快速流態(tài)化的臨界點，這一方法體現(xiàn)了由氣力輸送向快速流態(tài)化轉(zhuǎn)變過程中軸向不同區(qū)域壓降隨表觀氣速變化而變化程度不同的思想。但該方法在實際應用過程中，一方面受所選擇的提升管上部和下部判別位置的影響而出現(xiàn)流型轉(zhuǎn)變點不一致，另一方面還受裝置出入口結構影響而出現(xiàn)上下部壓降變化曲線不相交的現(xiàn)象。對此，賈夢達［15］借鑒文獻［14］的思想并結合本工作裝置的結構特征，基于提升管上下部壓降隨表觀氣速變化曲線斜率變化的差異，提出了一種判別流型轉(zhuǎn)變的方法，利用該方法得到本工作條件下氣力輸送與快速流態(tài)化流型轉(zhuǎn)變速率，部分條件及流型轉(zhuǎn)變速率列于表2。

表2　快速流態(tài)化起始速率Table 2 Fast fluidization starting velocity

2 結果與討論

2.1 不同流型下局部固含率的徑向分布

圖3　PT和FF操作模式下提升管出口段局部固含率的徑向分布Fig.3 Radial distribution of local solids hold-up in riser's exit area under PT and FF operating conditions

圖3為氣力輸送和快速流態(tài)化操作模式下，組合約束型提升管出口段局部固含率的徑向分布。由圖可見，組合約束型提升管出口段局部固含率徑向分布整體上呈中心小、邊壁大的分布特征，但在不同流型操作下，徑向分布及沿軸向的發(fā)展不同。由圖3（a）可見，在氣力輸送狀態(tài)下，在離提升管出口較近的區(qū)域（如h為0.37和0.57 m），局部固含率徑向最大值并不是出現(xiàn)在邊壁處，而是出現(xiàn)在無因次半徑為0.5或0.7附近。這主要是因為本實驗裝置出口采用的是倒錐型的蓮蓬頭式分布器，上行的氣固兩相到達分布器下板面時，一部分經(jīng)分布器小孔進入上部流化床層中，還有一部分受板面約束影響而沿錐面向下返混，因氣力輸送狀態(tài)下固含率較低，所以主要表現(xiàn)為氣體返混，當返混氣體到達錐體與直管段連接處向下運動時，會與上行氣固兩相進行動量交換，并逐漸融入上行的氣固主流中，因分布器錐面與豎直方向有一定角度，故返混的氣體沿錐面方向具有一定的初速率，使距分布器較近截面不同徑向區(qū)域的動量交換強度不同，由此造成局部固含率最大值出現(xiàn)在r/R為0.5或0.7附近。距分布器較遠的截面（如h為1.52和2.17 m）時這種影響消失，局部固含率最大值重新出現(xiàn)在近邊壁區(qū)域。對于常規(guī)弱約束出口提升管，顆粒沿軸向向上逐漸加速，固含率逐漸降低，若提升管較高，固含率達到充分發(fā)展段后將不再變化［16］。由于本工作實驗裝置采用的提升管高度相對較低及特殊的出口結構，顆粒是在上行加速的過程中受出口約束影響的，所以這種影響主要體現(xiàn)在離分布器較近區(qū)域的局部位置，表現(xiàn)為r/R為0.5或0.7附近固含率有一定程度增加，而整個截面平均固含率仍表現(xiàn)為逐漸降低的趨勢，只是降低的幅度有所減小。與氣力輸送操作狀態(tài)相比，在快速流態(tài)化狀態(tài)下，如圖3（b）所示，隨著提升管高度逐漸增大，局部固含率曲線分布都為傳統(tǒng)的中心區(qū)小、邊壁區(qū)大的形式，且在徑向上的固含率梯度明顯增大。因為快速流態(tài)化操作下，顆粒相流動結構與氣力輸送狀態(tài)不同，此時提升管內(nèi)氣固滑落速率較大，整個提升管邊壁區(qū)域已出現(xiàn)明顯下行的顆粒團聚物，同時該狀態(tài)下氣體用于懸浮和輸送顆粒所消耗的能量較氣力輸送時更大，所以氣固兩相運動速率降低，造成返混的氣固兩相動能降低，使得離開分布器錐面返混的氣固兩相沿原方向運動的距離變短，故未體現(xiàn)出如氣力輸送時的固含率分布特征。但對比不同軸向截面可看出，顆粒在加速向出口流動的過程中，局部固含率先逐漸降低，在h為0.57 m處升高，然后又降低，氣力輸送狀態(tài)下受影響的局部位置亦有此類特征，這種現(xiàn)象主要是由于返混氣體與上行氣固兩相進行動量交換而重新上行后二次加速造成的。

2.2 不同流型下表觀氣速對局部固含率徑向分布的影響

圖4給出了氣力輸送和快速流態(tài)化操作模式下，在不同高度截面上，組合約束型提升管出口段局部固含率徑向分布受表觀氣速變化的影響。由圖可看出，整體上，在同一高度截面上，局部固含率隨表觀氣速增大而減小，但在兩種操作模式下，表觀氣速的改變對局部固含率徑向分布以及沿軸向發(fā)展的影響不同。由圖4（a）可知，在氣力輸送狀態(tài)下，近出口區(qū)域高氣速操作時，局部固含率最大值較低氣速操作時更遠離邊壁，如在h為0.37 m的截面，Ug r為4.91和5.89 m/s時，局部固含率最大值出現(xiàn)在r/R為0.7附近，而在Ug r為6.88和7.86 m/s時，局部固含率最大值出現(xiàn)在r/R為0.5附近，這也是因為氣速高時，沿分布器錐面返混的氣體速率較大，離開錐面后沿原方向運動的距離延長所致。由圖 4（a）還可看出，在氣速不同時，沿分布器錐面返混的氣固兩相向下影響的距離也不同，如 Ug r為4.91 m/s時，這種影響在h為0.87 m的截面消失，而在Ug r為7.86 m/s時，這種影響的距離更長，在h為1.52 m時才消失。由圖4（b）可知，快速流態(tài)化操作下，表觀氣速對組合約束型提升管的影響規(guī)律與常規(guī)提升管類似，這是因為在顆粒循環(huán)強度一定的情況下，隨著表觀氣速增加，氣體加速和提升顆粒的能量增加，致使顆粒運動速率增加，根據(jù)Gs=ρpεsVP（ρp為顆粒密度，kg/m3；VP為顆粒速率，m/s）可知，其固含率將會降低。

圖4　表觀氣速對PT和FF操作下局部固含率徑向分布的影響Fig.4 Effect of superficial gas velocity on radial distribution of local solids hold-up under PT and FF operating conditions

2.3 不同流型下顆粒循環(huán)強度對局部固含率徑向分布的影響

圖5　顆粒循環(huán)強度對PT和FF操作下局部固含率徑向分布的影響Fig.5 Effect of solids flux on radial distribution of local solids hold-up under PT and FF operating conditions

圖5給出了氣力輸送和快速流態(tài)化操作模式下，在不同高度截面上，組合約束型提升管出口段局部固含率徑向分布受顆粒循環(huán)強度變化的影響。由圖可見，整體上，局部固含率隨顆粒循環(huán)強度的降低而呈減小趨勢，這主要是因為顆粒循環(huán)強度降低，提升管內(nèi)顆粒藏量減小的緣故。但由圖5（a）中h為0.37 m的截面可見，在氣力輸送狀態(tài)下，當顆粒循環(huán)強度很小時，如Gs為20 kg/（m2·s）時，氣體輸送顆粒的能量損失小，故沿分布器錐面返混下來的氣體速率較大，沿原分布器錐面方向運動的距離延長，造成返混氣體主要與該截面中心處的氣固兩相進行動量交換，而提升管整個截面中心處上行顆粒速率最大，所以r/R為0附近固含率未較其他徑向位置出現(xiàn)明顯增加的現(xiàn)象；隨著顆粒循環(huán)強度的增加，局部固含率最大值點逐漸向邊壁方向移動，如Gs為40 kg/（m2·s）時，局部固含率最大值點在r/R 為0.3附近，而Gs為60 kg/（m2·s）時，局部固含率最大值點在r/R為0.5附近，這是因為隨著顆粒循環(huán)強度增大時，氣體輸送顆粒的能量損失逐漸增大，沿分布器錐面返混下來的氣體速率逐漸減小，使得沿原分布器錐面方向運動的距離逐漸減小所致。由圖 5（b）可知，快速流態(tài)化操作下，顆粒循環(huán)強度對組合約束型提升管的影響規(guī)律與常規(guī)提升管類似，因為在表觀氣速一定的情況下，顆粒循環(huán)強度增加，氣體作用于單顆粒的能量降低，造成顆粒速率降低，其固含率增加。

2.4 不同流型下氣固分布器開孔率對局部固含率徑向分布的影響

圖6給出了氣力輸送和快速流態(tài)化操作模式下，在不同高度截面上，分布器開孔率對組合約束型提升管出口段局部固含率徑向分布的影響。由圖可看出，整體上，局部固含率隨分布器開孔率的增大而呈減小的趨勢，這是因為隨著分布器開孔率增大，氣固兩相通過分布器小孔的阻力減小，使得氣固兩相運動速率加快，從而局部固含率較低。但由圖6（a）中h為0.37 m的截面可見，在氣力輸送狀態(tài)下，在靠近出口的區(qū)域，高開孔率時局部固含率最大值較低開孔率時更遠離邊壁，如 F為 35%和43%時，局部固含率最大值點在r/R為0.5附近，而F為55%和61%時，局部固含率最大值點在r/R 為0.3附近，這也是因為低開孔率時，分布器的阻力較大，造成上行氣體運動速率降低，使得返混氣體動能減小，從而沿分布器錐面原方向運動的距離減小。在快速流態(tài)化操作下，如圖 6（b）所示，分布器開孔率對組合約束型提升管的影響規(guī)律與常規(guī)提升管出口約束阻力影響類似，主要是隨著分布器開孔率降低氣固兩相運動速率降低所致。

圖7　上部流化床層壓降對PT和FF操作下局部固含率徑向分布的影響Fig.7 Effect of upper fluidized bed pressure drop on radial distribution of local solids hold-up under PT and FF operating conditions

2.5 不同流型下上部流化床層壓降對局部固含率徑向分布的影響

圖7給出了氣力輸送和快速流態(tài)化操作模式下，在不同高度截面上，組合約束型提升管出口段局部固含率徑向分布受上部流化床層壓降變化的影響。由圖可看出，整體上，局部固含率隨上部流化床層壓降的增加而呈增大趨勢，這是因為隨著上部流化床層壓降增大，出口阻力增大，氣固兩相運動速度降低，因此固含率增大。但由圖7（a）中h為0.37 m的截面可見，在氣力輸送狀態(tài)下，在靠近出口的區(qū)域，上部流化床層壓降較低時，局部固含率最大值較上部流化床層壓降較高時更遠離邊壁，如Pb為0時，局部固含率最大值點在r/R為0.3附近，而Pb為1 539.58 Pa時，局部固含率最大值點在r/R為 0.5附近，這也是因為上部流化床層壓降較大時，提升管出口阻力增大，造成上行氣體運動速率降低，使得返混氣體動能減小，進而沿分布器錐面原方向運動的距離減小所致。快速流態(tài)化操作下，如圖 7（b）所示，上部流化床層壓降的影響與分布器開孔率對常規(guī)提升管的影響規(guī)律類似，主要在于上部流化床層壓降增大，出口約束阻力增大，氣固兩相運動速率降低所致。

2.6 局部固含率分布的徑向不均勻指數(shù)

借助Zhu等［17］對于徑向不均勻指數(shù)［RNI（εsr）］的定義方法，比較了局部固含率徑向分布的均勻性及沿軸向的發(fā)展變化情況。圖8為氣力輸送和快速流態(tài)化操作模式下，提升管出口段不同操作條件時的局部固含率徑向不均勻指數(shù)，徑向不均勻指數(shù)越小，表明徑向分布越均勻。由圖可看出，在組合約束型提升管出口段，氣力輸送操作下的局部固含率徑向分布較快速流態(tài)化操作更加均勻，這與常規(guī)提升管的結論一致；由圖還可看出，在氣力輸送狀態(tài)和快速流態(tài)化操作下，氣固兩相在由下至上靠近出口流動的過程中，整體上，局部固含率徑向分布逐漸趨于更加均勻，其主要原因是由于受出口氣固分布器及流化床層約束的影響，近出口區(qū)產(chǎn)生了返混的氣相，并與上行氣固兩相進行動量交換所致。但同時由圖8（b）可見，快速流態(tài)化操作下，在h為0.57 m附近，徑向不均勻指數(shù)出現(xiàn)一個增加的現(xiàn)象，其原因在于，在快速流態(tài)化操作下，由于氣速較低，來自提升管底部氣體的加速和提升能力較弱，由此造成約束返混下來的顆粒在向下流動的過程中逐漸向邊壁聚集，從而使得沿出口向下中心與邊壁區(qū)的局部固含率梯度逐漸增加，并在h為0.57 m處梯度達到一個最大值，故在h為0.57 m處會出現(xiàn)一個徑向不均勻指數(shù)增大的情況。由圖還可看出，局部固含率徑向分布的均勻性隨表觀氣速和分布器開孔率的增加而升高，隨顆粒循環(huán)強度及流化床層壓降的增加而降低。

圖8　PT和FF操作下RNI（εs r）軸向分布的對比Fig.8 Axial distributions of RNI（εs r） under PT and FF operating conditions

3 結 論

通過對組合約束型提升管在氣力輸送和快速流態(tài)化兩種流型操作下出口段局部固含率的分析及對比，得到如下結論：

a）局部固含率整體上呈現(xiàn)出中心區(qū)小、邊壁區(qū)大的分布形式，但在氣力輸送狀態(tài)下，在離提升管出口較近的截面，局部固含率徑向最大值通常不在邊壁處，而是出現(xiàn)在無因次半徑為0.3～0.7區(qū)域。

b）局部固含率隨分布器開孔率和表觀氣速的降低而增大，隨上部流化床層壓降和顆粒循環(huán)強度的降低而減?。辉跉饬斔蜖顟B(tài)下，局部固含率最大值隨表觀氣速和開孔率增加、顆粒循環(huán)強度和上部流化床層壓降降低而更遠離邊壁。

c）局部固含率徑向分布的均勻性均隨表觀氣速及分布器開孔率的增加而升高，隨顆粒循環(huán)強度及上部流化床層壓降的增加而降低。

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Distribution of Solid Hold-Up in Exit Area of Riser with Combined Restraint Under Different Flow Regimes

Li Rui1， Wang Dewu1， Zhang Shaofeng1，2， Zhao Lijun1， Wu Guangheng1
1. School of Chemical Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300130， China；2. Engineering Research Center of Seawater Utilization Technology of Ministry of Education， Hebei University of Technology，Tianjin 300130， China

A cold model of riser with combined restraint was established to study the distribution of local solid hold-up in exit area and the effect of different operating conditions under pneumatic transport and fast fluidization flowing regimes. Experimental results showed that the radial distribution of local solid hold-up was lower in the center region and higher in the wall region. The local solids hold-up increased with the decrease of superficial gas velocity and distributor opening rate， decreased with the decrease of solid flux and upper fluidized bed pressure drop. Under fast fluidization operating conditions， the distribution form of local solid hold-up was similar to that in the conventional riser. Under pneumatic transport operating conditions， the maximum local solid hold-up in exit area didn't usually appear in the wall region. The maximum position was away from the wall with the increase of superficial gas velocity and distributor opening rate， the decrease of solid flux and upper fluidized bed pressure drop. Under the two flowing regimes， the radial uniformity of local solid hold-up increased with the increase of superficial gas velocity and distributor opening rate， decreased with the increase of solid flux and upper fluidized bed pressure drop.

riser； exit structure； distribution of local solid hold-up； pneumatic transport； fast fluidization

TQ051.1；TQ052

A

1001—7631 （ 2015 ） 02—0097—09

2014-09-09；

2015-01-29。

李 睿（1989—），男，碩士研究生；王德武（1980—），博士，副教授。E-mail: wangdewu@hebut.edu.cn。

國家自然科學基金項目（21106028）；河北省自然科學基金（B2013202125）。