韓超一，陳曉成，吳文龍，李春義

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266580)

內(nèi)構(gòu)件對(duì)變徑提升管內(nèi)氣固流動(dòng)特性的影響

韓超一，陳曉成，吳文龍，李春義

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266580)

以催化裂化平衡劑和常溫空氣為介質(zhì)，在變徑提升管冷態(tài)模擬裝置上，主要考察了不同操作條件下鈍體及環(huán)管內(nèi)構(gòu)件對(duì)變徑提升管擴(kuò)徑段內(nèi)壓降、軸徑向顆粒濃度分布及徑向不均勻指數(shù)的影響，并描述了擴(kuò)徑段內(nèi)的氣固流動(dòng)結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明：在相同操作條件下，鈍體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的壓降較環(huán)管大，可降低系統(tǒng)的有效壓頭；顆粒濃度分布受內(nèi)構(gòu)件影響明顯，環(huán)管進(jìn)氣的射流效應(yīng)使顆粒濃度降低，徑向分布均勻性減小，而鈍體的存在可明顯改善環(huán)管結(jié)構(gòu)的弊端，削弱射流作用，提高顆粒濃度，增大局部固氣比，促使氣固再分布，形成兩相錯(cuò)流流動(dòng)，強(qiáng)化氣固接觸，且在中心區(qū)域形成渦流，增強(qiáng)擴(kuò)徑段內(nèi)的湍動(dòng)程度；與環(huán)管結(jié)構(gòu)相比，鈍體內(nèi)構(gòu)件使擴(kuò)徑段內(nèi)的顆粒徑向不均勻指數(shù)減小，使顆粒分布更加均勻，且其受操作條件的影響比較小，操作穩(wěn)定性更高。

環(huán)管 鈍體 變徑提升管 壓降 顆粒濃度 徑向不均勻指數(shù)

中國(guó)石油大學(xué)(華東)開發(fā)的兩段提升管催化裂解多產(chǎn)丙烯(TMP)工藝[1-3]，采取重油與輕汽油或混合C4分層組合進(jìn)料技術(shù)，以多產(chǎn)丙烯為目的，同時(shí)兼顧高品質(zhì)汽油生產(chǎn)。但傳統(tǒng)提升管反應(yīng)器內(nèi)顆粒濃度較低，且存在嚴(yán)重的環(huán)-核流動(dòng)結(jié)構(gòu)及顆粒返混現(xiàn)象[4]，導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)氣固比小、接觸效率低且停留時(shí)間難以控制，限制了其在TMP工藝中的應(yīng)用。為實(shí)現(xiàn)反應(yīng)區(qū)局部高劑油比、高氣固接觸效率及適宜停留時(shí)間等有利工藝條件，本課題組開發(fā)出一種底部擴(kuò)徑提升管反應(yīng)器[5-7]。為保證物料在擴(kuò)徑段內(nèi)分布均勻，該工藝采用環(huán)管進(jìn)料，但該進(jìn)氣方式會(huì)產(chǎn)生射流區(qū)，使局部顆粒濃度下降，且并未改善邊壁區(qū)域的顆粒返混現(xiàn)象[8-10]。因此，本研究在采用環(huán)管進(jìn)氣的變徑提升管的基礎(chǔ)上，對(duì)擴(kuò)徑段底部氣體分布結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，增設(shè)導(dǎo)流筒及鈍體內(nèi)構(gòu)件，對(duì)比考察不同操作條件下環(huán)管及鈍體內(nèi)構(gòu)件對(duì)擴(kuò)徑段內(nèi)壓降、軸徑向顆粒濃度及徑向不均勻指數(shù)的影響，以期減弱射流作用，提高顆粒濃度，并強(qiáng)化氣固兩相的混合與接觸，為工業(yè)裝置的結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供指導(dǎo)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)介質(zhì)

固體介質(zhì)采用催化裂化平衡劑(平均粒徑91 μm，顆粒密度1 500 kgm3，堆密度938 kgm3)，其粒徑分布見表1。流化介質(zhì)為常溫空氣，壓力(表壓)為0.18 MPa，體積流量由轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制。

表1 實(shí)驗(yàn)用固體顆粒的粒徑分布

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)是在變徑提升管冷態(tài)模擬裝置(如圖1所示)上完成的。裝置主體材質(zhì)為有機(jī)玻璃，主要由底部擴(kuò)徑的提升管(總高10.6 m)、伴床、測(cè)量筒、氣固分離設(shè)備、氣體分布板、連接管路、相應(yīng)的控制閥件(電動(dòng)蝶閥及三通球閥)以及內(nèi)構(gòu)件[環(huán)管氣體分布器(以下簡(jiǎn)稱環(huán)管)或鈍體]組成。其中，提升管從下到上可分為三部分：預(yù)提升段(高0.8 m，內(nèi)徑0.1 m)、擴(kuò)徑段(高1.1 m，內(nèi)徑0.3 m)以及輸送段(高8.7 m，內(nèi)徑0.1 m)；環(huán)管直徑為0.23 m，環(huán)上均勻分布著20個(gè)內(nèi)徑7 mm的小噴嘴，鈍體由上球面和下圓錐面組成，總高0.10 m，橫截面最大直徑0.16 m，二者均置于擴(kuò)徑段底部中心處。含有環(huán)管或鈍體的擴(kuò)徑段分別記為擴(kuò)徑段Ⅰ或擴(kuò)徑段Ⅱ。該變徑提升管采用多層進(jìn)氣方式，氣體分別從以上三部分的底部注入，體積流量之比為1.0∶4.2∶1.3。

1.3 實(shí)驗(yàn)流程及操作條件

實(shí)驗(yàn)時(shí)，來自伴床的固體顆粒經(jīng)下料斜管進(jìn)入提升管底部，預(yù)流化氣經(jīng)氣體分布板，使顆粒均勻流化，顆粒經(jīng)預(yù)提升氣及各段氣體依次提升，在氣體的攜帶下到達(dá)提升管頂部，經(jīng)過氣固分離設(shè)備后，固體顆粒返回伴床，氣體經(jīng)布袋過濾器放空，從而完成循環(huán)流動(dòng)。

提升管輸送段內(nèi)的表觀氣速Ug為9～16 ms、顆粒循環(huán)速率Gs為150～250 kg(m2·s)，擴(kuò)徑段內(nèi)Ug為0.8～1.4 ms、Gs為16.7～27.8 kg(m2·s)，伴床內(nèi)固體存料量為460 kg。

圖1 變徑提升管冷態(tài)模擬裝置示意1—轉(zhuǎn)子流量計(jì)； 2—提升管底部氣體分布板； 3—環(huán)管氣體分布器；4—輸送段底部噴嘴； 5—布袋過濾器； 6—?dú)夤谭蛛x設(shè)備；7—三通切換閥； 8—測(cè)量筒； 9—伴床； 10，11—電動(dòng)蝶閥；12—下料斜管； 13—擴(kuò)徑段底部噴嘴；14—擴(kuò)徑段底部氣體分布板及導(dǎo)流筒； 15—鈍體

1.4 測(cè)量設(shè)備及方法

采用中國(guó)科學(xué)院過程工程研究所研制的PC-6D型光纖探頭測(cè)定變徑提升管內(nèi)的局部顆粒濃度εs，采樣頻率為1 000 Hz，采樣時(shí)間為30 s。根據(jù)氣體體積流量計(jì)算Ug，并采用切換法測(cè)量Gs，即在裝置穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，將三通球閥切換至測(cè)量筒一側(cè)，記錄一段時(shí)間(10 s)內(nèi)累積的顆粒體積，根據(jù)測(cè)量筒尺寸及顆粒物性計(jì)算得出Gs。

在變徑提升管上沿軸向設(shè)置15個(gè)測(cè)量點(diǎn)，各點(diǎn)高度z(以提升管底部分布板為基準(zhǔn))分別為0.59，1.10，1.20，1.36，1.50，1.69，1.82，3.04，4.46，5.36，6.46，7.37，8.22，9.24，10.22 m，其中第2～7點(diǎn)位于擴(kuò)徑段。采用等面積法在截面上沿徑向設(shè)置11個(gè)測(cè)量點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的無因次半徑rR(r為徑向位置，R為提升管內(nèi)徑)分別為0，0.16，0.38，0.50，0.59，0.67，0.74，0.81，0.87，0.92，0.97，床層各截面平均顆粒濃度為中心點(diǎn)以外各徑向測(cè)量點(diǎn)εs的算術(shù)平均值。需要指出的是，由于擴(kuò)徑段Ⅱ中導(dǎo)流筒占據(jù)了截面z=1.20 m的中心位置，中心兩點(diǎn)的數(shù)據(jù)無法測(cè)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 提升管擴(kuò)徑段壓降分析

擴(kuò)徑段壓降(Δp)[11]主要由氣固兩相的重力、加速、摩擦以及與內(nèi)構(gòu)件相互作用產(chǎn)生。本實(shí)驗(yàn)中，由于擴(kuò)徑段內(nèi)氣速低(0.8～1.4 ms)、顆粒循環(huán)量小[16.7～27.8 kg(m2·s)]，加速與摩擦壓降可忽略不計(jì)，而且氣體密度遠(yuǎn)小于顆粒密度，因此，擴(kuò)徑段壓降(Δp)可近似用固相靜壓降gΔz)與內(nèi)構(gòu)件產(chǎn)生的壓降(Δpi)之和表示，如式(1)所示。圖2為提升管擴(kuò)徑段Ⅰ和擴(kuò)徑段Ⅱ的壓降隨不同操作條件的變化。由圖2可知：相同實(shí)驗(yàn)條件下，擴(kuò)徑段Ⅱ的壓降均大于擴(kuò)徑段Ⅰ的壓降，這是因?yàn)閬碜灶A(yù)提升段的氣固混合物經(jīng)導(dǎo)流筒進(jìn)入擴(kuò)徑段后，與鈍體直接發(fā)生劇烈沖擊，導(dǎo)致能量損失增大，表現(xiàn)為壓降Δpi增大，這會(huì)降低系統(tǒng)的有效壓頭，在一定程度上會(huì)削弱系統(tǒng)的推動(dòng)力；此外，隨著提升管內(nèi)Ug的減小以及Gs的增大，兩擴(kuò)徑段的壓降均增大。這是因?yàn)閁g的減小及Gs的增大，均會(huì)導(dǎo)致增大，因而Δp隨之增大。

(1)

圖2 不同操作條件下提升管擴(kuò)徑段的壓降變化■—擴(kuò)徑段Ⅰ； ●—擴(kuò)徑段Ⅱ

圖3 不同操作條件下擴(kuò)徑提升管內(nèi)的軸向分布擴(kuò)徑段Ⅰ： □—Ug=16 ms，Gs=250 kg(m2·s)；○—Ug=13 ms，Gs=150 kg(m2·s)；△—Ug=13 ms，Gs=250 kg(m2·s)。 擴(kuò)徑段Ⅱ： ■—Ug=16 ms，Gs=250 kg(m2·s)；●—Ug=13 ms，Gs=150 kg(m2·s)；▲—Ug=13 ms，Gs=250 kg(m2·s)

2.3 提升管擴(kuò)徑段內(nèi)的局部εs徑向分布

為深入了解不同內(nèi)構(gòu)件對(duì)擴(kuò)徑段內(nèi)氣固流動(dòng)特性的影響，在Ug=1.2 ms、Gs=27.8 kg(m2·s)的條件下考察了不同截面的局部εs徑向分布，如圖4所示。由圖4可知，擴(kuò)徑段Ⅰ和擴(kuò)徑段Ⅱ內(nèi)εs徑向分布的區(qū)別主要體現(xiàn)在鈍體附近，即z=1.20，1.36，1.50 m 3個(gè)截面[圖4(a)和(b)]，其它截面[圖4(c)和(d)]的εs分布規(guī)律相似。

圖4 提升管擴(kuò)徑段內(nèi)不同截面的局部εs徑向分布z，m：□—1.10； ○—1.69； △—1.82； ■—1.20； ●—1.36； ▲—1.50

對(duì)于擴(kuò)徑段Ⅱ，鈍體下方截面(z=1.20 m)中心區(qū)域正對(duì)著預(yù)提升段向擴(kuò)徑段過渡的導(dǎo)流筒，氣速較高，顆粒濃度低，由于受到鈍體阻擋，部分顆粒被反射回來或者向邊壁運(yùn)動(dòng)，因此，εs從中心向邊壁逐漸增大且分布比較均勻。鈍體正上方截面(z=1.36 m)的εs沿徑向顯示出一種與其它截面截然不同的“Ⅴ型”分布，中心區(qū)的顆粒濃度甚至要高于邊壁區(qū)，這是由于此處氣速突然下降，造成鈍體上方εs增大，而邊壁區(qū)氣速較高，εs降低，顆粒處于一種密相的輸送狀態(tài)；另外，由于鈍體背部的負(fù)壓作用，使顆粒繞過鈍體后產(chǎn)生渦流，將邊壁的顆?！拔毕蛑行膮^(qū)，從而造成中心區(qū)的εs高于邊壁區(qū)[14-15]。在z=1.50 m截面處，管中心區(qū)域氣速增大且渦流作用減弱，在邊壁效應(yīng)的作用下，邊壁區(qū)εs超過中心區(qū)，但鈍體的存在加強(qiáng)了邊壁與中心顆粒的相互作用，使顆粒分布的均勻程度大幅提高。其它截面(z=1.10，1.69，1.82 m)的顆粒徑向分布與環(huán)管結(jié)構(gòu)下的分布類似，但分布的均勻程度有所改善。

2.4 提升管擴(kuò)徑段內(nèi)的顆粒徑向不均勻指數(shù)分布

為定量描述擴(kuò)徑段內(nèi)εs徑向分布的不均勻程度，引入顆粒徑向不均勻指數(shù)RNI(εs)的概念，即εs的截面平均標(biāo)準(zhǔn)差σ(εs)與截面最大標(biāo)準(zhǔn)差σmax(εs)之比，如式(2)所示，該概念由Zhu等[16]提出。RNI(εs)的數(shù)值在0～1之間，數(shù)值越小表示不均勻程度越低，截面εs分布越好。

(2)

圖5為提升管擴(kuò)徑段內(nèi)的RNI(εs)軸向分布情況。由圖5 可知，總體來看，擴(kuò)徑段Ⅰ內(nèi)的RNI(εs)是擴(kuò)徑段Ⅱ內(nèi)的1.5～2倍，說明后者的截面εs徑向分布更加均勻，這主要是由于鈍體可削弱環(huán)管進(jìn)氣造成的射流作用，使氣固兩相之間能夠形成錯(cuò)流以及渦流，增強(qiáng)了擴(kuò)徑段內(nèi)的湍動(dòng)程度。

RNI(εs)主要受Ug和Gs的影響[17]。Ug一定時(shí)，Gs越大，擴(kuò)徑段內(nèi)截面RNI(εs)越大，這是因?yàn)檫叡趨^(qū)域形成更多的顆粒團(tuán)簇，使顆粒分布的均勻程度下降，這一規(guī)律適用于以上兩種結(jié)構(gòu)；Gs一定時(shí)，Ug對(duì)兩種結(jié)構(gòu)RNI(εs)的影響有所不同，對(duì)于擴(kuò)徑段Ⅰ，由于射流的擾動(dòng)，使截面中心εs降低，而邊壁區(qū)域的顆粒因受到的影響比較小，該區(qū)域的εs因顆粒聚團(tuán)仍然較高，因而RNI(εs)增大，而擴(kuò)徑段Ⅱ中的鈍體可促進(jìn)邊壁區(qū)的湍動(dòng)，減少顆粒聚團(tuán)的發(fā)生，弱化了中心稀、邊壁濃的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，RNI(εs)減小。值得注意的是，擴(kuò)徑段Ⅱ內(nèi)εs的均勻程度受操作條件影響比較小，這樣可以減少外界干擾造成的不利影響，增強(qiáng)操作的穩(wěn)定性。

圖5 提升管擴(kuò)徑段內(nèi)的RNI(εs)分布擴(kuò)徑段Ⅰ： □—Ug=1.4 ms， Gs=27.8 kg(m2·s)；○—Ug=1.2 ms， Gs=16.7 kg(m2·s)；△—Ug=1.2 ms， Gs=27.8 kg(m2·s)。 擴(kuò)徑段Ⅱ： ■—Ug=1.4 ms， Gs=27.8 kg(m2·s)；●—Ug=1.2 ms， Gs=16.7 kg(m2·s)；▲—Ug=1.2 ms， Gs=27.8 kg(m2·s)

2.5 提升管擴(kuò)徑段內(nèi)氣固流動(dòng)結(jié)構(gòu)的描述

根據(jù)擴(kuò)徑段內(nèi)顆粒的軸、徑向分布特點(diǎn)，描繪出兩種結(jié)構(gòu)擴(kuò)徑段內(nèi)的氣固流動(dòng)結(jié)構(gòu)，如圖6所示。從圖6可以直觀地了解鈍體和環(huán)管對(duì)擴(kuò)徑段內(nèi)氣固兩相的影響，清楚地分辨出兩種內(nèi)構(gòu)件的不同作用。擴(kuò)徑段Ⅰ中，環(huán)管能比較均勻地分布?xì)怏w，但射流效應(yīng)嚴(yán)重，且無法兼顧邊壁與中心區(qū)域；而擴(kuò)徑段Ⅱ中，分布板、導(dǎo)流筒和鈍體相互配合，重新分配氣體和顆粒，可消除環(huán)管進(jìn)氣造成的射流作用，使氣固能夠錯(cuò)流接觸，提高兩相的接觸效率，而且能夠形成渦流，增強(qiáng)擴(kuò)徑段內(nèi)的湍動(dòng)程度。

圖6 提升管擴(kuò)徑段內(nèi)的氣固流動(dòng)結(jié)構(gòu)—顆粒； —?dú)怏w； —?dú)?固混合物

3 結(jié) 論

(1) 在變徑提升管中，在相同操作條件下鈍體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的壓降較環(huán)管大，可降低系統(tǒng)的有效壓頭，在一定程度上會(huì)削弱系統(tǒng)的推動(dòng)力。

(2) 在變徑提升管中，截面平均顆粒濃度在軸向上呈上稀下濃的分布形式，預(yù)提升段和輸送段的顆粒濃度變化不大，而擴(kuò)徑段內(nèi)的顆粒軸向、徑向分布受內(nèi)構(gòu)件影響明顯，環(huán)管的射流效應(yīng)使軸向顆粒濃度降低，徑向分布均勻性減小，而鈍體的存在可明顯改善環(huán)管結(jié)構(gòu)的弊端，削弱射流作用，促使氣固再分布，形成兩相錯(cuò)流流動(dòng)，強(qiáng)化氣固接觸，且在中心區(qū)域形成渦流，增強(qiáng)擴(kuò)徑段內(nèi)的湍動(dòng)程度。

(3) 與環(huán)管結(jié)構(gòu)相比，鈍體內(nèi)構(gòu)件使擴(kuò)徑段內(nèi)的顆粒徑向不均勻指數(shù)減小，使顆粒分布更加均勻，且其受操作條件的影響比較小，操作穩(wěn)定性更高。

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EFFECT OF INTERNALS ON CHARACTERISTICS OF GAS-SOLIDS FLOW IN A VARIABLE DIAMETER RISER REACTOR

Han Chaoyi， Chen Xiaocheng， Wu Wenlong， Li Chunyi

(StateKeyLaboratoryofHeavyOilProcessing，ChinaUniversityofPetroleum(EastChina)，Qingdao，Shandong266580)

Effect of internals on the pressure drop， axial and radial solids concentration distribution and radial non-uniformity index inside a novel riser reactor with a diameter-enlarged bottom was emphatically studied in a cold model apparatus， and the flow structures inside the diameter-enlarged sections with different internals were proposed. The results show that the pressure drop of the diameter-enlarged section with a bluff-body is larger than that of the one with an annular pipe under the same operating condition， which diminishes the impetus of circulation. The solids concentration is affected by the internals apparently. The jet effect caused by annular pipe feeding lowers the solids concentration as well as worsens the radial uniformity while the bluff-body could overcome the drawbacks of annular pipe， weakening the jet action and increasing the solids holdup. Besides， gas and solids are redistributed by the bluff-body， forming a cross-flow which intensifies the gas-solids contacting， and a vortex， which promotes the turbulence inside the diameter-enlarged section. The radial non-uniformity index of solids concentration in the diameter-enlarged section with the bluff-body is much smaller， indicating a more uniform solids distribution， and a smaller variation of the index as the operating conditions change， which exhibits higher operation stability.

annular pipe； bluff-body； variable diameter riser； pressure drop； solids concentration； radial non-uniformity index

2015-05-25； 修改稿收到日期： 2015-06-18。

韓超一，碩士研究生，主要從事化學(xué)工藝及流態(tài)化等方面的研究工作。

李春義，E-mail：chyli@upc.edu.cn。

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)資助項(xiàng)目(2012CB215006)。