呂林英，藍(lán)興英，吳迎亞，燕蘭玲，高金森，徐春明

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FCC提升管反應(yīng)器中顆粒聚團(tuán)對(duì)裂化反應(yīng)的影響

呂林英，藍(lán)興英，吳迎亞，燕蘭玲，高金森，徐春明

（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）

在對(duì)氣固流動(dòng)體系顆粒聚團(tuán)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析的基礎(chǔ)上，以減壓餾分油裂化反應(yīng)為例，對(duì)反應(yīng)器中最常見(jiàn)的球形和橢球形聚團(tuán)上的流動(dòng)、傳熱和反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行了模擬計(jì)算，得到了聚團(tuán)內(nèi)外油氣和催化劑顆粒的速度分布、溫度分布、濃度分布以及反應(yīng)速率分布。研究結(jié)果表明，催化劑顆粒聚團(tuán)的存在阻礙了油氣與催化劑顆粒的充分接觸，進(jìn)而造成系統(tǒng)內(nèi)速度和溫度的不均勻分布，影響了裂化反應(yīng)的發(fā)生，使得有顆粒聚團(tuán)時(shí)的一次反應(yīng)速率明顯低于無(wú)聚團(tuán)時(shí)的反應(yīng)速率，顆粒聚團(tuán)顯著影響了油氣在顆粒上的反應(yīng)時(shí)間，最終導(dǎo)致氣體和焦炭產(chǎn)率升高，對(duì)裂化反應(yīng)產(chǎn)品收率分布十分不利。

催化裂化；顆粒聚團(tuán)；反應(yīng)；數(shù)值模擬；數(shù)值分析

引 言

催化裂化工藝是重油輕質(zhì)化的重要過(guò)程，是石油煉制工業(yè)的核心。提升管反應(yīng)器是催化裂化裝置的核心部分，整個(gè)催化裂化過(guò)程的產(chǎn)品分布和質(zhì)量與提升管內(nèi)油氣和催化劑顆粒的流動(dòng)、混合、傳遞和反應(yīng)狀況密切相關(guān)。提升管中的流動(dòng)屬于細(xì)顆粒(Geldart A)的快速流態(tài)化，局部區(qū)域存在較高濃度的顆粒聚團(tuán)。顆粒聚團(tuán)的形成，大大減少了反應(yīng)組分與催化劑顆粒接觸的機(jī)會(huì)，影響了化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。

近年來(lái)，采用數(shù)值模擬方法預(yù)測(cè)提升管反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)、傳遞和反應(yīng)歷程是研究熱點(diǎn)[1-7]。Kumar等[8]對(duì)比分析了一些模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的模擬工作大都采用基于平均化處理的雙流體模型，未考慮到提升管反應(yīng)器中的顆粒團(tuán)聚及其影響，使得模擬結(jié)果和實(shí)際情況存在偏差。Ouyang等[9]通過(guò)臭氧分解實(shí)驗(yàn)證實(shí)了團(tuán)聚物的形成降低了氣固接觸效率進(jìn)而影響臭氧整體的轉(zhuǎn)化率。美國(guó)國(guó)家能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的課題組[10-12]、Gidaspow課題組[13-16]也發(fā)現(xiàn)了顆粒團(tuán)聚會(huì)降低傳質(zhì)系數(shù)，進(jìn)而影響化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生。因此，為了準(zhǔn)確模擬提升管反應(yīng)器內(nèi)的裂化反應(yīng)過(guò)程，在建模中需充分考慮顆粒聚團(tuán)的影響。

為此，本文擬研究顆粒聚集后對(duì)催化裂化提升管反應(yīng)器中油氣的流動(dòng)、傳熱和反應(yīng)行為的影響，為提高催化裂化提升管反應(yīng)器數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性奠定基礎(chǔ)。

1 模擬方法

1.1 模擬對(duì)象

實(shí)驗(yàn)研究表明，氣固兩相流動(dòng)體系中顆粒聚團(tuán)不斷地形成、聚并與破碎，形狀處于不斷的變化中，由于遵循能量最低原則，在某一時(shí)間內(nèi)顆粒聚團(tuán)會(huì)以某種形態(tài)穩(wěn)定存在。Li等[17]通過(guò)光導(dǎo)纖維顯微圖對(duì)團(tuán)聚體的典型形狀進(jìn)行了定性描述，認(rèn)為團(tuán)聚體呈帶狀；Davidson[18]認(rèn)為顆粒聚團(tuán)是擁有一定的寬度/高度比的直立片狀體；Rhodes等[19]從正面觀察顆粒聚團(tuán)為簇狀或帶狀；Lim等[20]認(rèn)為顆粒聚團(tuán)是橢球形的；Guenther等[21]利用小波分析方法表征了顆粒聚團(tuán)的動(dòng)力學(xué)行為，認(rèn)為顆粒聚團(tuán)形狀可用不同特征的橢球來(lái)表征。就聚團(tuán)的尺寸而言，不同類型的顆粒會(huì)形成不同尺寸的顆粒聚團(tuán)。對(duì)于A類顆粒，Horio等[22]利用激光片觀測(cè)到CFB中顆粒聚團(tuán)大小為5～20 mm；O’brien等[23]總結(jié)到顆粒聚團(tuán)大約是10個(gè)顆粒直徑的數(shù)量級(jí)；Mostoufi等[24]測(cè)得FCC顆粒聚團(tuán)的直徑與單顆粒直徑之比為1.5～160；夏亞沈等[25]測(cè)得團(tuán)聚物為長(zhǎng)短軸比為2的橢圓體。關(guān)于聚團(tuán)中顆粒濃度，漆小波[26]測(cè)得提升管內(nèi)不同位置處的顆粒聚團(tuán)的濃度為0.03～0.30?？梢?jiàn)，顆粒聚團(tuán)處于不斷的變化中，目前還難以對(duì)顆粒聚團(tuán)進(jìn)行準(zhǔn)確的描述。

作為前期的理論分析，本文將對(duì)氣固流動(dòng)體系中最常見(jiàn)的兩類顆粒聚團(tuán)（球形和橢球形）進(jìn)行研究，并做如下假設(shè)：①聚團(tuán)內(nèi)不同顆粒具有相同的流動(dòng)特性，為了分析顆粒聚團(tuán)對(duì)流經(jīng)的油氣的化學(xué)反應(yīng)的影響，可以假設(shè)顆粒聚團(tuán)靜止不動(dòng)，油氣以滑移速度大小流經(jīng)聚團(tuán)；②顆粒聚團(tuán)內(nèi)顆粒為球形，粒徑相等，且按一定的空隙率均勻分布；③在計(jì)算過(guò)程中顆粒聚團(tuán)穩(wěn)定存在，沒(méi)有破碎或者分散。

模擬計(jì)算對(duì)象如圖1和圖2所示，計(jì)算區(qū)域?yàn)? mm× 4 mm × 25 mm，顆粒粒徑為0.07 mm。球形聚團(tuán)直徑0.67 mm，聚團(tuán)中有151個(gè)顆粒，空隙率為 0.83；橢球形聚團(tuán)長(zhǎng)短軸比為4，短軸為0.5 mm，聚團(tuán)中有151個(gè)顆粒，空隙率為 0.89。

1.2 控制方程組

反應(yīng)油氣以一定的速度流經(jīng)由催化劑顆粒組成的顆粒聚團(tuán)，高溫催化劑顆粒將熱量傳遞給低溫油氣使之升溫，油氣在催化劑表面發(fā)生催化裂化反應(yīng)。這一系列流動(dòng)、傳熱和反應(yīng)過(guò)程可通過(guò)連續(xù)性、動(dòng)量、能量和組分守恒方程來(lái)表示：

連續(xù)性方程

式中，和為反應(yīng)油氣的速度和密度。

動(dòng)量方程

式中，為氣相黏度，由氣體分子動(dòng)力學(xué)黏度確定。

組分方程

式中，為組分?jǐn)?shù)；R為組分的反應(yīng)速率，它們由所選用的動(dòng)力學(xué)模型決定；Y為組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；D為組分的擴(kuò)散系數(shù)；為組分的反應(yīng)質(zhì)量源項(xiàng)。

能量方程

式中，和為反應(yīng)油氣的比熱容和熱導(dǎo)率，通過(guò)氣體的混合定律計(jì)算得到；DH為組分的生成熱；為組分的能量源項(xiàng)。

1.3 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型

油氣所發(fā)生的催化裂化反應(yīng)十分復(fù)雜，是一個(gè)由眾多組分參與的平行-順序反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，目前通常采用集總動(dòng)力學(xué)模型來(lái)描述。本文主要進(jìn)行探索性的基礎(chǔ)研究，所以采用較為簡(jiǎn)單的四集總反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，如圖3所示。該模型描述了減壓餾分油（VGO）、裂化生成汽油（gasoline）、干氣（light gas）和焦炭（coke）的反應(yīng)，各反應(yīng)的速率表達(dá)式及其動(dòng)力學(xué)參數(shù)分別見(jiàn)表1和表2。

在油氣發(fā)生裂化反應(yīng)過(guò)程中，催化劑表面由于結(jié)焦而失活，需采用失活函數(shù)來(lái)描述，具體表達(dá)式為

表1 反應(yīng)速率表達(dá)式

表2 四集總動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)[27-28]

式中，C為焦炭的濃度；C和C為失活常數(shù)，本文研究中分別取值為4.29和10.4[27]。

1.4 模擬參數(shù)

采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法對(duì)圖1和圖2所示的模擬對(duì)象進(jìn)行網(wǎng)格劃分，顆粒聚團(tuán)周邊區(qū)域網(wǎng)格加密處理，網(wǎng)格尺寸為0.01 mm，其他區(qū)域網(wǎng)格尺寸為0.04 mm。把顆粒表面作為壁面（wall），油氣流經(jīng)顆粒表面采用無(wú)滑移邊界條件，計(jì)算區(qū)域邊界采用周期性邊界條件。反應(yīng)油氣組成、進(jìn)料速度、溫度等參數(shù)參照工業(yè)提升管反應(yīng)器的操作條件進(jìn)行設(shè)置，具體數(shù)值見(jiàn)表3。

表3 計(jì)算參數(shù)

2 計(jì)算結(jié)果與討論

2.1 聚團(tuán)對(duì)速度分布的影響

圖4為油氣流經(jīng)球形聚團(tuán)和橢球聚團(tuán)的速度矢量圖。從圖中可以看出，油氣流經(jīng)顆粒聚團(tuán)時(shí)，由于顆粒聚團(tuán)的阻礙作用使得大部分氣體從顆粒聚團(tuán)兩側(cè)繞流過(guò)去，通過(guò)顆粒聚團(tuán)的流量較小，聚團(tuán)兩側(cè)的流量較大。聚團(tuán)內(nèi)部和尾部油氣速度明顯低于來(lái)流方向的速度。對(duì)球形聚團(tuán)和橢球聚團(tuán)尾部流動(dòng)情況進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，球形聚團(tuán)尾部存在一定的回流現(xiàn)象，而對(duì)于橢球聚團(tuán)，由于橢球聚團(tuán)類似梭形，聚團(tuán)尾部的流動(dòng)較為平緩，尾渦現(xiàn)象較球形聚團(tuán)弱。

圖5為聚團(tuán)內(nèi)部各截面上的氣體軸向速度在徑向上的分布。從圖中可以看出，顆粒聚團(tuán)中心處氣速最低，且速度變化最大。沿著氣體流動(dòng)方向，受聚團(tuán)形狀的影響，徑向速度梯度先增大后減小，且聚團(tuán)尾部的徑向速度梯度大于聚團(tuán)沿來(lái)流方向的速度梯度。

圖6為油氣流經(jīng)聚團(tuán)時(shí)中心線上的氣體速度分布情況。由圖可以看出，當(dāng)油氣剛接觸到聚團(tuán)時(shí)，由于聚團(tuán)的阻礙作用，大部分油氣從聚團(tuán)兩側(cè)流過(guò)，使得穿過(guò)聚團(tuán)的氣體速度迅速下降；當(dāng)油氣離開(kāi)聚團(tuán)之后，聚團(tuán)阻礙作用消失，周邊的油氣往中心流動(dòng)，氣體速度又迅速上升。

2.2 聚團(tuán)對(duì)溫度分布的影響

圖7為顆粒聚團(tuán)周邊區(qū)域溫度場(chǎng)分布。從圖中可以看出，顆粒聚團(tuán)內(nèi)部氣體溫度明顯高于來(lái)流氣體溫度，且也高于聚團(tuán)外圍氣體溫度。在催化裂化過(guò)程中催化劑顆粒將熱量傳遞給油氣使之升溫并發(fā)生反應(yīng)，所以油氣接觸到催化劑顆粒后溫度升高。聚團(tuán)外圍的氣體，更新速度較快，與催化劑接觸的時(shí)間較短，傳熱量較少，溫度升高幅度?。欢魅刖蹐F(tuán)內(nèi)部的氣體，由圖5和圖6可知，流速較低，在聚團(tuán)內(nèi)部的停留時(shí)間較長(zhǎng)，傳熱量增多，所以溫度較高?？傮w而言，油氣流經(jīng)顆粒聚團(tuán)之后，吸收了一些熱量，所以模擬區(qū)域的出口溫度升高。

圖8為顆粒聚團(tuán)內(nèi)不同顆粒表面的溫度分布情況。從圖中可以看出，聚團(tuán)內(nèi)不同位置顆粒表面溫度各不相同。聚團(tuán)外圍的顆粒表面溫度較低，聚團(tuán)內(nèi)部顆粒表面溫度較高。這是由于流過(guò)聚團(tuán)外圍顆粒的油氣較多，油氣不斷地在催化劑表面上進(jìn)行更新并進(jìn)行傳熱，致使顆粒表面溫度較低；而處于聚團(tuán)內(nèi)部的顆粒，油氣難以與之接觸，傳遞給油氣的熱量較少，使得其依然保持較高的溫度。

2.3 聚團(tuán)對(duì)反應(yīng)特性的影響

2.3.1 顆粒聚團(tuán)對(duì)反應(yīng)速率的影響 上述研究表明，顆粒團(tuán)聚之后對(duì)流動(dòng)和傳熱產(chǎn)生很大的影響，這將影響顆粒表面上發(fā)生的裂化反應(yīng)。本文模擬研究體系涉及5個(gè)反應(yīng)，下面將以第1個(gè)反應(yīng)（VGO→gasoline）為例定量分析顆粒聚團(tuán)對(duì)裂化反應(yīng)的影響程度。圖9為模擬計(jì)算得到的球形聚團(tuán)和橢球聚團(tuán)中顆粒表面反應(yīng)速率1的分布情況。從圖中可以看出，迎來(lái)流方向的顆粒表面的反應(yīng)速率明顯高于聚團(tuán)尾部顆粒的反應(yīng)速率，且聚團(tuán)外圍顆粒的反應(yīng)速率也高于內(nèi)部顆粒的反應(yīng)速率。這是由于受油氣流動(dòng)的影響，聚團(tuán)外圍的顆粒表面VGO濃度高，而VGO較難進(jìn)入聚團(tuán)內(nèi)部，使得濃度較低，濃度分布的差異影響了反應(yīng)速率的分布。

為了更加詳盡地剖析顆粒聚團(tuán)對(duì)反應(yīng)的影響程度，下面將對(duì)聚團(tuán)內(nèi)不同位置顆粒表面的反應(yīng)速度進(jìn)行比較，聚團(tuán)中顆粒編號(hào)如圖10所示，對(duì)于球形聚團(tuán)，選取中心截面上20個(gè)顆粒為代表；對(duì)于橢球聚團(tuán)，選取中心截面上33個(gè)顆粒為代表。

圖11為聚團(tuán)內(nèi)不同位置顆粒表面反應(yīng)速率1的對(duì)比，圖11(a)、(b)中的單顆粒( single particle )是指在圖1所示的計(jì)算區(qū)域內(nèi)只有1個(gè)顆粒。由圖可以看出，對(duì)于VGO生成汽油的反應(yīng)，在聚團(tuán)內(nèi)不同位置的顆粒表面的反應(yīng)速率各有不同，迎來(lái)流方向顆粒表面的反應(yīng)速率普遍大于背風(fēng)側(cè)的反應(yīng)速率，如圖11(a)中12、13、14、15號(hào)顆粒表面處的反應(yīng)速率大于17、18、19、20號(hào)顆粒；圖11(b)中26、27、28、29、20號(hào)顆粒表面處的反應(yīng)速率要大于21、30、31、32、33號(hào)顆粒。而位于顆粒聚團(tuán)外圍的顆粒表面的反應(yīng)速率普遍大于聚團(tuán)內(nèi)部顆粒的反應(yīng)速率，如圖11(a)中12、13、14、15號(hào)顆粒處的反應(yīng)速率要大于5、6、7、8號(hào)顆粒處的反應(yīng)速率，圖11(b)中26、27、28、29號(hào)顆粒處的反應(yīng)速率要大于16、17、7、8號(hào)顆粒處的反應(yīng)速率。由圖11還可以看出，球形聚團(tuán)中各顆粒表面的反應(yīng)速率比單顆粒表面處的反應(yīng)速率小很多，個(gè)別顆粒的反應(yīng)速率比單顆粒小1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，說(shuō)明顆粒團(tuán)聚之后大大影響了反應(yīng)速率；對(duì)于橢球形聚團(tuán)，總體而言各顆粒表面的反應(yīng)速率都比單顆粒表面處的反應(yīng)速率小，但偏差幅度沒(méi)有球形聚團(tuán)大，個(gè)別顆粒表面的反應(yīng)速率還接近單顆粒的反應(yīng)速率。對(duì)顆粒聚團(tuán)中所有顆粒表面VGO裂化的反應(yīng)速率進(jìn)行平均得到，球形聚團(tuán)中各顆粒的平均裂化速率是無(wú)顆粒團(tuán)聚時(shí)反應(yīng)速率的20%左右；橢球形聚團(tuán)中各顆粒的平均裂化速率是無(wú)顆粒團(tuán)聚時(shí)反應(yīng)速率的18%左右。

催化裂化反應(yīng)是一個(gè)平行-順序反應(yīng)體系，前面分析的反應(yīng)1 (VGO→gasoline) 代表了一次反應(yīng)，由于一次反應(yīng)和二次反應(yīng)的變化規(guī)律往往不相同，為此下文將以反應(yīng)4 (gasoline→light gas) 為例分析顆粒聚團(tuán)對(duì)二次反應(yīng)的影響情況。圖12對(duì)比了顆粒聚團(tuán)內(nèi)不同位置的顆粒以及單顆粒表面的反應(yīng)速率4。由圖12可以看出，對(duì)于汽油裂化生成氣體的反應(yīng)4，顆粒團(tuán)聚與否以及團(tuán)聚物的形狀對(duì)反應(yīng)影響不是很大。對(duì)于球形聚團(tuán)，聚團(tuán)內(nèi)各顆粒表面的反應(yīng)速率約為單顆粒表面反應(yīng)速率的0.5～0.98；對(duì)于橢球聚團(tuán)，聚團(tuán)內(nèi)各顆粒表面的反應(yīng)速率與單顆粒表面反應(yīng)速率差不多，個(gè)別顆粒上的反應(yīng)速度還略高于單顆粒。

綜合圖11和圖12的分析看出，在催化裂化反應(yīng)過(guò)程中，顆粒聚團(tuán)的產(chǎn)生對(duì)于生成汽油的一次反應(yīng)影響較大，而對(duì)于汽油繼續(xù)發(fā)生的二次反應(yīng)影響較小?？傮w而言，催化劑顆粒的團(tuán)聚會(huì)減小反應(yīng)油氣的轉(zhuǎn)化程度。

2.3.2 顆粒聚團(tuán)對(duì)組分濃度的影響 圖13顯示了顆粒聚團(tuán)對(duì)組分濃度分布的影響。由圖可以看出，顆粒聚團(tuán)內(nèi)部VGO的濃度明顯低于聚團(tuán)外圍VGO的濃度，而干氣和焦炭的分布情況則相反。體系中流動(dòng)、傳熱和化學(xué)反應(yīng)密切相關(guān)，由前面的分析可知，顆粒聚團(tuán)外圍的油氣更新速度較快，與催化劑接觸的時(shí)間較短，反應(yīng)掉的VGO較少，生成的干氣和焦炭也少，使得VGO濃度相對(duì)較高，而干氣和焦炭的濃度較低。在聚團(tuán)內(nèi)部，油氣流速較低，停留時(shí)間較長(zhǎng)，反應(yīng)掉的VGO增加，而且由VGO裂化反應(yīng)生成的汽油也較難從聚團(tuán)中流出，進(jìn)而繼續(xù)發(fā)生二次反應(yīng)生成干氣和焦炭，最終導(dǎo)致聚團(tuán)內(nèi)部干氣和焦炭濃度高。

為了定量考察顆粒團(tuán)聚對(duì)組分濃度分布的影響程度，對(duì)圖10所示的不同位置的顆粒表面的汽油和焦炭濃度與孤立單顆粒表面的汽油和焦炭濃度進(jìn)行了對(duì)比，如圖14和圖15所示。由圖14可以看出，球形聚團(tuán)顆粒表面汽油濃度約為無(wú)顆粒團(tuán)聚時(shí)汽油濃度的78%～98%；橢球聚團(tuán)顆粒表面汽油濃度約為無(wú)顆粒團(tuán)聚時(shí)汽油濃度的95%～110%，說(shuō)明顆粒團(tuán)聚對(duì)汽油濃度影響不明顯。圖15顯示，球形聚團(tuán)顆粒表面焦炭濃度約為無(wú)顆粒團(tuán)聚時(shí)焦炭濃度的3.1～7.2倍，橢球聚團(tuán)顆粒表面焦炭濃度約為無(wú)顆粒團(tuán)聚時(shí)焦炭濃度的1.16～5.11倍，說(shuō)明顆粒團(tuán)聚的形成，大大促進(jìn)了二次反應(yīng)（尤其是生成焦炭的反應(yīng)）的發(fā)生，這對(duì)于整個(gè)催化裂化反應(yīng)過(guò)程是非常不利的。對(duì)比兩種形式的顆粒聚團(tuán)表面的組分濃度分布情況，可以看出總體而言球形聚團(tuán)對(duì)組分濃度的影響程度大于橢球形聚團(tuán)。

3 結(jié) 論

采用數(shù)值模擬的方法考察了油氣流經(jīng)顆粒聚團(tuán)時(shí)，聚團(tuán)對(duì)速度分布、溫度分布和反應(yīng)特性的影響，對(duì)比分析了聚團(tuán)內(nèi)不同位置顆粒與孤立單顆粒表面上的反應(yīng)特性，得出以下結(jié)論。

（1）油氣流經(jīng)顆粒聚團(tuán)時(shí)，由于顆粒聚團(tuán)的阻礙作用，使得通過(guò)顆粒聚團(tuán)內(nèi)部的油氣流量較小，而聚團(tuán)兩側(cè)的流量較大。受聚團(tuán)形狀影響，沿氣體流動(dòng)方向，徑向速度梯度先增大后減小。

（2）油氣在顆粒聚團(tuán)外圍顆粒表面不斷進(jìn)行更新并傳熱，且難以接觸聚團(tuán)內(nèi)部顆粒，致使聚團(tuán)外圍顆粒溫度較低，內(nèi)部顆粒溫度較高。

（3）受流動(dòng)和傳熱的影響，催化劑顆粒的團(tuán)聚影響了在其表面發(fā)生的反應(yīng)。生成汽油的一次反應(yīng)受其影響較大，其反應(yīng)速率僅僅為無(wú)顆粒團(tuán)聚時(shí)反應(yīng)速率的20%左右；而顆粒團(tuán)聚對(duì)于汽油繼續(xù)發(fā)生裂化的二次反應(yīng)影響較小，其反應(yīng)速率為無(wú)顆粒團(tuán)聚時(shí)反應(yīng)速率的76%～98%。顆粒聚團(tuán)對(duì)組分濃度分布也有影響，顆粒聚團(tuán)內(nèi)部VGO的濃度明顯低于聚團(tuán)外圍VGO的濃度，而干氣和焦炭的分布情況則相反。總體而言，球形聚團(tuán)對(duì)油氣裂化反應(yīng)的影響程度大于橢球形聚團(tuán)。

符 號(hào) 說(shuō) 明

Ci——組分濃度，kg·m-3 c——?dú)怏w比熱容，kJ·m-3·K-1 D——分子擴(kuò)散系數(shù)，m2·s-1 DC——團(tuán)聚物直徑，m d——平均粒徑，m g——重力加速度，m·s-2 DHi——組分生成熱，kJ·kmol-1 N——聚團(tuán)內(nèi)的顆粒數(shù) Ri——反應(yīng)速率，mol·m-3·s-1 u——滑移速度，m·s-1 Yi——組分質(zhì)量分?jǐn)?shù) eg——空隙率 l——熱導(dǎo)率，kJ·m-1·s-1·K-1 m——?dú)怏w黏度，kg·m-1·s-1 r——?dú)怏w密度，kg·m-3 j——催化劑失活函數(shù)

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Effect of particles cluster on behavior of catalytic cracking reaction in FCC riser

Lü Linying, LAN Xingying, WU Yingya, YAN Lanling, GAO Jinsen, XU Chunming

State Key Laboratory of Heavy OilChina University of PetroleumBeijingChina

Based on the analysis of experimental phenomena of particles clustering in the gas-solid system, taking the catalytic cracking reactions of vacuum gas oil for example, the flow, heat transfer and the cracking reactions occurred on the spherical and ellipsoidal particles clusters were simulated. The distribution of gas velocity, temperature and species concentration as well as the reaction rate inside and outside the particles clusters were obtained. The simulated results showed that the particles clustering hinders the sufficient contact of oil gas and catalyst particles, thus leading to the non-uniform distribution of velocity and temperature, and affecting the catalytic cracking reactions. The rates of primary reactions on cluster particles are greatly lower than those on the isolated single particle, and the formation of cluster affects the reaction time notably, which results in a higher yield of light gas and coke, which is undesirable in the industry production.

catalytic cracking; particle cluster; reaction; numerical simulation;numerical analysis

2015-06-02.

LAN Xingying, lanxy@126.com

10.11949/j.issn.0438-1157.20150792

TE 65

A

0438—1157（2015）08—2920—09

藍(lán)興英。

呂林英（1989—），女，碩士研究生。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（21236089）；教育部新世紀(jì)人才支持計(jì)劃項(xiàng)目（NCET-13-1027）。

2015-06-07收到初稿，2015-06-10收到修改稿。

supported by the National Natural Science Foundation of China (21236089) and the New Century Excellent Talents Program in University (NCET-13-1027).