湍动流化床过渡段固含率分布特征的实验及数值模拟

在湍动流化床中,过渡段对于包括甲醇制烯烃在内的气固催化快反应有着重要的作用。采用PV6D反射型光纤探针对内径95mm的湍动流化床内过渡段的固含率分布和脉动参数进行了测量,分别考察了表观气速和静床高的影响,并采用修正的基于颗粒动力学的三段曳力双流体模型进行模拟。实验表明,湍动流化床过渡段中固含率的轴向分布呈现S型和指数型两种类型,固含率轴向与径向分布都在过渡段内出现最大梯度,表明过渡段中固体浓度分布比稀相段和密相段更不均匀。表观气速和静床高的变化将导致S型和指数型分布的相互转变,并且对过渡段底部与壁面附近的固体高浓度区影响最为显著。局部固含率脉动概率密度分布表明,在静床高较小时,随着气速的增大,床层下部气含率最大值位置将从中心区移动至环隙区,呈现气含率的双峰型分布。本文提出的修正三段曳力模型考虑了颗粒团聚的影响,对过渡段中分布板影响区之外的固含率分布均能较好地模拟。

提升管与流化床耦合反应器内固含率的轴向分布

针对催化裂化汽油辅助反应器改质降烯烃工艺,结合提升管与流化床的特点,建立了一套提升管与流化床耦合反应器大型冷态实验装置。在不同操作条件下,采用多点压力密度仪测定了提升管内轴向压力梯度及截面平均固含率沿轴向的分布规律。结果表明,提升管内固含率的轴向分布呈上下两端大、中间小的C型分布特征,颗粒在提升管内沿轴向的运动可分为颗粒加速区、充分发展区和颗粒约束返混区;提升管内截面平均固含率随颗粒循环强度的增大而增大,随表观气速的增大而减小;提升管出口的流化床内颗粒静床高度只对颗粒约束返混区固含率有影响,而对颗粒约束返混区长度及颗粒约束返混区以下区域固含率影响较小。利用实验数据回归出了提升管内截面平均固含率的轴向分布及颗粒约束返混区最大颗粒返混比的经验模型,其计算值与实验值吻合较好。

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。

耦合流化床提升管内固含率径向分布及沿轴向的发展

针对催化汽油辅助反应器改质降烯烃工艺,结合提升管与流化床的特点,建立了一套提升管与流化床耦合反应器大型冷态实验装置.在不同操作条件下,采用PV-4A型光纤密度仪测定了提升管内固含率沿径向的分布规律.结果表明,固含率径向分布整体上呈现中心小、边壁大的环-核结构分布特征;沿轴向向上,各径向位置上的固含率在颗粒加速区逐渐降低,在充分发展区趋于稳定,在颗粒约束返混区又有所升高;各径向位置上的固含率随表观气速增大或颗粒循环强度减小而减小,且均匀性变好;提升管上部流化床内颗粒静床高度只对颗粒约束返混区内固含率径向分布有影响,而对颗粒加速区和充分发展区的固含率径向分布影响较小;当表观气速较低或颗粒循环强度较大时,颗粒约束返混区上部局部固含率最大值出现在无因次半径φ=r/R=0.7附近,此时局部无因次固含率εs=εs/εs沿轴向在H>5.33m时不再具有相似性;通过比较径向不均匀指数,得到轴向各区固含率径向分布趋于均匀的程度依次为:充分发展区>颗粒约束返混区>颗粒加速区.利用实验数据回归出了局部固含率径向分布关联式,其平均相对误差在6%以内。

提升管-环流床耦合反应器环流床内的固含率分布

针对催化汽油辅助反应器改质降烯烃技术,在提升管-环流床耦合反应器大型冷模实验装置上,研究了上部环流床内局部固含率分布及操作条件的影响,采用径向不均匀指数分析比较了提升管上端耦合环流床及耦合常规流化床的流化质量.结果表明,环流床内固含率随表观气速增加而减小,导流筒底部固含率随外循环强度增加而增加,中上部固含率受外循环强度影响较小,环隙内固含率随外循环强度增加略有降低.当导流筒内表观气速Ug,d<0.85m/s时,固含率径向分布的均匀性沿轴向向上逐渐变好,当Ug,d≥0.85m/s时,则沿轴向向上先变好,在导流筒出口处又变差;环隙内固含率分布趋于均匀的程度依次为环隙中部>环隙下部>环隙上部.相同条件下,环流床内固含率分布的径向不均匀指数小于常规流化床.

耦合流化床密相区固含率轴向分布及相似性分析

针对催化裂化汽油辅助反应器改质降烯烃工艺,结合提升管与流化床的特点,建立了一套提升管与流化床耦合的汽油改质反应器大型冷态实验装置.在Ug=0.31~0.58m/s、Gs=0.69~3.49kg/(m2·s)的操作条件下,采用多点压力测量仪测定了上部流化床内轴向压力梯度及截面平均固含率分布.结果表明,截面平均固含率随表观气速增加而减小,随颗粒静床高度增加而增大,受颗粒循环强度影响较小;耦合流化床密相区固含率轴向分布存在明显的相似性,即截面平均固含率直接受整个密相区平均固含率的影响,操作条件等只是通过影响整个密相区平均固含率而影响截面平均固含率分布,整个密相区平均固含率约等于无因次轴向位置h*=0.71处的截面平均固含率.由实验数据回归出了流化床密相区截面平均固含率轴向分布及无因次固含率-εs*的经验模型,其计算值与实验值吻合较好.

循环流化床提升管转向型出口区固含率分布特性

在一套循环流化床冷模实验装置上,考察了提升管出口区竖直段与转向段截面的固含率分布。结果表明,出口区竖直段固含率在周向存在显著的不对称性,贴近转向出口一侧边壁固含率较低、均匀性较好,远离转向出口一侧边壁固含率较高、均匀性较差;出口区转向段固含率较竖直段低,均匀性随之变好,转向段管路截面固含率在垂直方向具有不对称性,靠近管路下方受颗粒沉积影响固含率增大、均匀性变差。

不同流型下组合约束型提升管出口段固含率分布

在一套组合约束型提升管冷态实验装置上,研究了气力输送和快速流态化两种流型下,出口段局部固含率分布规律及不同操作条件对固含率的影响。结果表明:局部固含率径向分布整体上呈中心小、边壁大的分布特征,并随分布器开孔率和表观气速的降低而增大,随上部流化床层压降和颗粒循环强度的降低而减小;在快速流态化操作下,局部固含率曲线分布形式与常规提升管类似,而在气力输送状态下,临近出口区域局部固含率最大值通常不出现在边壁处,其位置随表观气速和分布器开孔率增加以及颗粒循环强度和上部流化床层压降降低而远离边壁;两种流型下局部固含率径向分布的均匀性均随表观气速及分布器开孔率的增加而升高,随颗粒循环强度及流化床层压降的增加而降低。

基于响应面法的脱硫搅拌参数优化研究

针对脱硫搅拌设备含固率分布和搅拌功率优化问题,在无挡板方形搅拌槽内,采用单层双弧叶桨式搅拌器开展搅拌实验。以槽内近壁面不同高度测点的脱硫石膏体积分数与完全均匀悬浮下的体积分数的离散程度作为研究对象,以泰尔不等式系数(Theil's inequality coefficient,TIC)作为离散程度的指标,探究了不同搅拌器转速、搅拌器离底高度、桨叶直径、桨叶角度的单因素影响规律,并利用响应面进行搅拌功率优化。结果表明,在单因素实验中,当桨叶中心离底高度在液位高度的大约3/10时含固率最高,达到所期望的TIC(TIC≤0.1516)所需最小搅拌功率为20.42 W,通过响应面参数优化后,功率降低到了17.94 W,功率消耗降低了约12%。

高固含率搅拌槽内颗粒分布及悬浮特性的数值模拟

采用Euler-Euler双流体模型对固含率9.2%(?)的高固含率悬浮搅拌槽内固液悬浮特性进行了模拟,对比了两种修正的曳力系数模型的模拟效果,考察了固含率轴向和径向分布及悬浮均匀度的变化规律.结果表明,搅拌速度低于600 r/min时,槽底会形成明显的中心密集沉积,转速从400 r/min增至1100 r/min,堆积高度由0.16减小至0,沉积区向槽底中心收缩直至消失.在离心力的作用下,循环流内的固相颗粒向远涡方向运动,循环流涡心处固含率低,悬浮均匀性降低.以无因次高度z/H=1/3为界,可将槽内两相流分为上、下循环区;颗粒分布受循环流交汇影响,固相在径向方向上随流场分散.固液悬浮均匀度?随无因次轴向高度的增加,稳定在0.5~0.7,转速从400 r/min增至1100 r/min,上循环区的?值平均降低37.2%.