变径提升管反应器扩径段内气固流动特性研究

在变径提升管冷模装置上,以空气和催化裂化平衡剂为介质,考察了颗粒浓度的轴径向分布情况,并对扩径段内的微观流动特性进行了分析。结果表明,变径提升管内颗粒浓度整体上呈"上稀下浓"的分布形式,且沿轴向高度径向不均匀指数逐渐减小。与传统提升管底部相比,扩径段内颗粒浓度及间歇性指数显著增大,且沿径向分布更均匀,说明气固作用力显著增强,并且气固微观流动行为沿径向变化梯度减小。气固微观流动行为受反应器结构影响显著,变径提升管扩径段内气固流动行为类似湍流床,颗粒浓度波动幅度大,频率高,稀相和浓相分布相对均匀,有利于强化气固两相的接触及混合过程。

变径提升管反应器扩径段内固含率分布研究

以催化裂化平衡催化剂为固体介质,空气为流化介质,在变径提升管流态化实验装置上,考察了扩径段内固含率的轴径向分布情况及操作条件的影响,并对瞬时固含率信号进行了概率密度分析。结果表明,变径提升管内截面平均固含率沿轴向大致呈S形分布,扩径段固含率高于等径提升管底部;扩径段径向固含率呈中心稀、边壁浓的不均匀分布,相对于等径提升管底部,径向不均匀程度得到有效改善;截面平均固含率及各径向位置固含率均随颗粒循环速率的提高和表观气速的降低而增大。扩径段各径向位置瞬时固含率信号波动强度大,频率高,概率密度分布均匀,有利于强化气固混合并改善两相间接触情况。

内构件对变径提升管内气固流动特性的影响

以催化裂化平衡剂和常温空气为介质,在变径提升管冷态模拟装置上,主要考察了不同操作条件下钝体及环管内构件对变径提升管扩径段内压降、轴径向颗粒浓度分布及径向不均匀指数的影响,并描述了扩径段内的气固流动结构。结果表明:在相同操作条件下,钝体结构产生的压降较环管大,可降低系统的有效压头;颗粒浓度分布受内构件影响明显,环管进气的射流效应使颗粒浓度降低,径向分布均匀性减小,而钝体的存在可明显改善环管结构的弊端,削弱射流作用,提高颗粒浓度,增大局部固气比,促使气固再分布,形成两相错流流动,强化气固接触,且在中心区域形成涡流,增强扩径段内的湍动程度;与环管结构相比,钝体内构件使扩径段内的颗粒径向不均匀指数减小,使颗粒分布更加均匀,且其受操作条件的影响比较小,操作稳定性更高。

新型变径提升管冷模实验研究

以催化裂化平衡剂和常温空气为介质,在新型变径提升管冷模实验装置上考察了不同的操作条件对固体循环量及颗粒浓度轴向、径向分布的影响,并描述了扩径段内的流动结构。结果表明:固体循环量随表观气速和伴床料位高度的增加而增大,且在改变进气比例时,循环量随预提升气占比的增加而增大;与传统提升管相比,该新型结构提升管内部存在多种流型且扩径段内固含率明显增加,底部扩径段内为密相湍流形态,固含率为0.30~0.40,上部等径段为稀相气力输送形态,固含率无明显变化,为0.05~0.10。新型变径提升管对从斜管下来的催化剂起到了重新分配的作用,抑制了传统的"环-核"流动,使颗粒浓度径向分布更加均匀。

变径提升管压力脉动和颗粒循环量数值模拟

提升管对双流化床系统运行具有重要影响,采用CPFD方法研究下部管径大,上部管径小的变径提升管中的气固流动特性、压力脉动和颗粒循环量。模拟结果表明变径提升管颗粒浓度为下浓上稀的轴向分布结构,稀相区颗粒浓度径向分布为两边高、中心低的环核结构。功率谱分析显示提升管内存在0.1~0.3Hz的全局压力波动,该压力波动主要来源于底部气泡的产生和破碎,同时颗粒循环量的波动主要受到底部流化状态的影响。颗粒循环量随着入口气速的增大而增大,循环量的波动则随着入口气速的增大而减小,但入口气速超过0.99m·s-1之后,颗粒循环量的波动减小速度受到颗粒团聚的影响而减慢。

变径组合提升管浓相区颗粒流动特性

在颗粒循环强度(G_s)为32.65~84.59kg/(m^2·s)、固/气比(Gs/(ρ_g·U_g))为9.22~47.95的操作条件下,对变径组合提升管浓相区颗粒流动特性进行了实验研究,并与以往高密度循环流化床和循环湍动流化床对比。结果表明,变径组合提升管浓相区各局部位置均存在上行与下行颗粒;随着无因次半径增加,局部时均固含率和颗粒返混比增加,局部颗粒速度及颗粒质量净流率则降低。当Gs/(ρg·Ug)在27~47.95范围,各截面平均固含率基本不再随其变化而变化,变径组合提升管浓相区进入高密度操作状态,对应局部时均颗粒速度和颗粒质量净流率均向上。在高密度操作下,变径组合提升管在局部流动特性上与循环湍动流化床相近,在截面平均及浓相区整体流动特性上与高密度循环流化床相近。

变径组合提升管内压力脉动及其流型转变特性

采用变径组合提升管冷模实验装置,在固/气比(Gs/(ρ_g·U_g))为0～37.60,通过实验对变径组合提升管内的压力脉动信号及其流型转变特性进行了研究。结果表明,随着固/气比(Gs/(ρ_g·U_g))的增加,变径组合提升管内依次出现气力输送(Gs/(ρ_g·U_g)为0～15.00)、快速流态化(Gs/(ρ_g·U_g)为15.00～27.00)、高密度循环流态化(Gs/(ρ_g·U_g)为27.00～37.60)3种流型。变径组合提升管内压力脉动主要由两部分组成:一部分是由于进料波动产生的全局性压力脉动,主频在0.30Hz左右;另一部分是由于局部气流扰动,气-固相互作用以及颗粒(团)和颗粒(团)之间的相互作用引起的局部压力脉动。气力输送流型下,局部压力脉动的频率主要集中在D5频段(1.56～3.13Hz),主要由局部气流扰动引起;快速流态化流型下,局部压力脉动的频率主要集中在D4频段(3.13～6.25Hz),主要由局部气体与颗粒(团)间的作用引起;高密度循环流态化流型下,局部压力脉动的频率主要集中在D5频段,主要由局部颗粒(团)与颗粒(团)间的作用引起。

变径组合提升管内团聚物持续时间的分析

在固气比[Gs/(ρg·U g)]为2.13~47.95的范围内,对循环流化床变径组合提升管内团聚物持续时间进行了测量与分析,结果表明:单个团聚物持续时间为0.001 28~0.601 60 s,局部位置团聚物平均持续时间为0.014 32~0.160 64 s;在数量上,持续时间小于0.064 00 s的低浓度团聚物占87.69%,持续时间大于0.064 00 s的高浓度团聚物占12.31%;在固气比较低时,主要由低浓度团聚物主导平均持续时间;在固气比较高时,临近边壁区域主要由高浓度团聚物主导平均持续时间。时间多尺度分析结果表明:低浓度团聚物中,在数量上主要以持续时间为0.001 28~0.038 40 s的团聚物为主,在对平均持续时间的影响上主要以持续时间为0.012 80~0.038 40 s的团聚物为主;高浓度团聚物中,在数量和对平均持续时间的影响上,均主要以持续时间为0.064 00~0.128 00 s的团聚物为主。

我国催化裂化工艺技术进展

自我国第一套流化催化裂化装置于1965年实现工业化以来,先后开发出沸石催化剂-提升管催化裂化、渣油催化裂化、催化裂解、变径串联提升管催化裂化和正在开发的高选择性催化裂化;经历了催化裂化装置从无到有,技术水平由低到高,装置规模和加工能力从小到大,研究思路从跟踪模仿到自主创新,取得了巨大的成就,已跻身国际先进水平.到目前为止,全国催化裂化装置总加工能力已达到近150 Mt/a,其中渣油占催化裂化总进料约40%,所生产的汽油和柴油组分分别占全国汽油和柴油成品总量的70%和30%左右,所生产的丙烯量约占全国丙烯总产量的40%.同时,此催化裂化装置还可为烷基化装置和醚化装置提供原料.这些成果对我国炼油行业加工重质原料、提高轻质油收率和改善产品质量,进而提高经济效益起着举足轻重的作用.