內構件對變徑提升管內氣固流動特性的影響

韓超一，陳曉成，吳文龍，李春義

(中國石油大學(華東)重質油國家重點實驗室，山東 青島 266580)

內構件對變徑提升管內氣固流動特性的影響

韓超一，陳曉成，吳文龍，李春義

(中國石油大學(華東)重質油國家重點實驗室，山東 青島 266580)

以催化裂化平衡劑和常溫空氣為介質，在變徑提升管冷態模擬裝置上，主要考察了不同操作條件下鈍體及環管內構件對變徑提升管擴徑段內壓降、軸徑向顆粒濃度分布及徑向不均勻指數的影響，并描述了擴徑段內的氣固流動結構。結果表明：在相同操作條件下，鈍體結構產生的壓降較環管大，可降低系統的有效壓頭；顆粒濃度分布受內構件影響明顯，環管進氣的射流效應使顆粒濃度降低，徑向分布均勻性減小，而鈍體的存在可明顯改善環管結構的弊端，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，形成兩相錯流流動，強化氣固接觸，且在中心區域形成渦流，增強擴徑段內的湍動程度；與環管結構相比，鈍體內構件使擴徑段內的顆粒徑向不均勻指數減小，使顆粒分布更加均勻，且其受操作條件的影響比較小，操作穩定性更高。

環管 鈍體 變徑提升管 壓降 顆粒濃度 徑向不均勻指數

中國石油大學(華東)開發的兩段提升管催化裂解多產丙烯(TMP)工藝[1-3]，采取重油與輕汽油或混合C4分層組合進料技術，以多產丙烯為目的，同時兼顧高品質汽油生產。但傳統提升管反應器內顆粒濃度較低，且存在嚴重的環-核流動結構及顆粒返混現象[4]，導致反應器內氣固比小、接觸效率低且停留時間難以控制，限制了其在TMP工藝中的應用。為實現反應區局部高劑油比、高氣固接觸效率及適宜停留時間等有利工藝條件，本課題組開發出一種底部擴徑提升管反應器[5-7]。為保證物料在擴徑段內分布均勻，該工藝采用環管進料，但該進氣方式會產生射流區，使局部顆粒濃度下降，且并未改善邊壁區域的顆粒返混現象[8-10]。因此，本研究在采用環管進氣的變徑提升管的基礎上，對擴徑段底部氣體分布結構進行改進，增設導流筒及鈍體內構件，對比考察不同操作條件下環管及鈍體內構件對擴徑段內壓降、軸徑向顆粒濃度及徑向不均勻指數的影響，以期減弱射流作用，提高顆粒濃度，并強化氣固兩相的混合與接觸，為工業裝置的結構改進提供指導。

1 實 驗

1.1 實驗介質

固體介質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。流化介質為常溫空氣，壓力(表壓)為0.18 MPa，體積流量由轉子流量計控制。

表1 實驗用固體顆粒的粒徑分布

1.2 實驗裝置

本實驗是在變徑提升管冷態模擬裝置(如圖1所示)上完成的。裝置主體材質為有機玻璃，主要由底部擴徑的提升管(總高10.6 m)、伴床、測量筒、氣固分離設備、氣體分布板、連接管路、相應的控制閥件(電動蝶閥及三通球閥)以及內構件[環管氣體分布器(以下簡稱環管)或鈍體]組成。其中，提升管從下到上可分為三部分：預提升段(高0.8 m，內徑0.1 m)、擴徑段(高1.1 m，內徑0.3 m)以及輸送段(高8.7 m，內徑0.1 m)；環管直徑為0.23 m，環上均勻分布著20個內徑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，二者均置于擴徑段底部中心處。含有環管或鈍體的擴徑段分別記為擴徑段Ⅰ或擴徑段Ⅱ。該變徑提升管采用多層進氣方式，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 實驗流程及操作條件

實驗時，來自伴床的固體顆粒經下料斜管進入提升管底部，預流化氣經氣體分布板，使顆粒均勻流化，顆粒經預提升氣及各段氣體依次提升，在氣體的攜帶下到達提升管頂部，經過氣固分離設備后，固體顆粒返回伴床，氣體經布袋過濾器放空，從而完成循環流動。

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

圖1 變徑提升管冷態模擬裝置示意1—轉子流量計； 2—提升管底部氣體分布板； 3—環管氣體分布器；4—輸送段底部噴嘴； 5—布袋過濾器； 6—氣固分離設備；7—三通切換閥； 8—測量筒； 9—伴床； 10，11—電動蝶閥；12—下料斜管； 13—擴徑段底部噴嘴；14—擴徑段底部氣體分布板及導流筒； 15—鈍體

1.4 測量設備及方法

采用中國科學院過程工程研究所研制的PC-6D型光纖探頭測定變徑提升管內的局部顆粒濃度εs，采樣頻率為1 000 Hz，采樣時間為30 s。根據氣體體積流量計算Ug，并采用切換法測量Gs，即在裝置穩定運行時，將三通球閥切換至測量筒一側，記錄一段時間(10 s)內累積的顆粒體積，根據測量筒尺寸及顆粒物性計算得出Gs。

在變徑提升管上沿軸向設置15個測量點，各點高度z(以提升管底部分布板為基準)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點位于擴徑段。采用等面積法在截面上沿徑向設置11個測量點，對應的無因次半徑rR(r為徑向位置，R為提升管內徑)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以外各徑向測量點εs的算術平均值。需要指出的是，由于擴徑段Ⅱ中導流筒占據了截面z=1.20 m的中心位置，中心兩點的數據無法測量。

2 結果與討論

2.1 提升管擴徑段壓降分析

擴徑段壓降(Δp)[11]主要由氣固兩相的重力、加速、摩擦以及與內構件相互作用產生。本實驗中，由于擴徑段內氣速低(0.8～1.4 ms)、顆粒循環量小[16.7～27.8 kg(m2·s)]，加速與摩擦壓降可忽略不計，而且氣體密度遠小于顆粒密度，因此，擴徑段壓降(Δp)可近似用固相靜壓降gΔz)與內構件產生的壓降(Δpi)之和表示，如式(1)所示。圖2為提升管擴徑段Ⅰ和擴徑段Ⅱ的壓降隨不同操作條件的變化。由圖2可知：相同實驗條件下，擴徑段Ⅱ的壓降均大于擴徑段Ⅰ的壓降，這是因為來自預提升段的氣固混合物經導流筒進入擴徑段后，與鈍體直接發生劇烈沖擊，導致能量損失增大，表現為壓降Δpi增大，這會降低系統的有效壓頭，在一定程度上會削弱系統的推動力；此外，隨著提升管內Ug的減小以及Gs的增大，兩擴徑段的壓降均增大。這是因為Ug的減小及Gs的增大，均會導致增大，因而Δp隨之增大。

(1)

圖2 不同操作條件下提升管擴徑段的壓降變化■—擴徑段Ⅰ； ●—擴徑段Ⅱ

圖3 不同操作條件下擴徑提升管內的軸向分布擴徑段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 提升管擴徑段內的局部εs徑向分布

為深入了解不同內構件對擴徑段內氣固流動特性的影響，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，擴徑段Ⅰ和擴徑段Ⅱ內εs徑向分布的區別主要體現在鈍體附近，即z=1.20，1.36，1.50 m 3個截面[圖4(a)和(b)]，其它截面[圖4(c)和(d)]的εs分布規律相似。

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

對于擴徑段Ⅱ，鈍體下方截面(z=1.20 m)中心區域正對著預提升段向擴徑段過渡的導流筒，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動，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，中心區的顆粒濃度甚至要高于邊壁區，這是由于此處氣速突然下降，造成鈍體上方εs增大，而邊壁區氣速較高，εs降低，顆粒處于一種密相的輸送狀態；另外，由于鈍體背部的負壓作用，使顆粒繞過鈍體后產生渦流，將邊壁的顆粒“吸”向中心區，從而造成中心區的εs高于邊壁區[14-15]。在z=1.50 m截面處，管中心區域氣速增大且渦流作用減弱，在邊壁效應的作用下，邊壁區εs超過中心區，但鈍體的存在加強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管結構下的分布類似，但分布的均勻程度有所改善。

2.4 提升管擴徑段內的顆粒徑向不均勻指數分布

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

(2)

圖5為提升管擴徑段內的RNI(εs)軸向分布情況。由圖5 可知，總體來看，擴徑段Ⅰ內的RNI(εs)是擴徑段Ⅱ內的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管進氣造成的射流作用，使氣固兩相之間能夠形成錯流以及渦流，增強了擴徑段內的湍動程度。

RNI(εs)主要受Ug和Gs的影響[17]。Ug一定時，Gs越大，擴徑段內截面RNI(εs)越大，這是因為邊壁區域形成更多的顆粒團簇，使顆粒分布的均勻程度下降，這一規律適用于以上兩種結構；Gs一定時，Ug對兩種結構RNI(εs)的影響有所不同，對于擴徑段Ⅰ，由于射流的擾動，使截面中心εs降低，而邊壁區域的顆粒因受到的影響比較小，該區域的εs因顆粒聚團仍然較高，因而RNI(εs)增大，而擴徑段Ⅱ中的鈍體可促進邊壁區的湍動，減少顆粒聚團的發生，弱化了中心稀、邊壁濃的流動結構，RNI(εs)減小。值得注意的是，擴徑段Ⅱ內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，增強操作的穩定性。

圖5 提升管擴徑段內的RNI(εs)分布擴徑段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 提升管擴徑段內氣固流動結構的描述

根據擴徑段內顆粒的軸、徑向分布特點，描繪出兩種結構擴徑段內的氣固流動結構，如圖6所示。從圖6可以直觀地了解鈍體和環管對擴徑段內氣固兩相的影響，清楚地分辨出兩種內構件的不同作用。擴徑段Ⅰ中，環管能比較均勻地分布氣體，但射流效應嚴重，且無法兼顧邊壁與中心區域；而擴徑段Ⅱ中，分布板、導流筒和鈍體相互配合，重新分配氣體和顆粒，可消除環管進氣造成的射流作用，使氣固能夠錯流接觸，提高兩相的接觸效率，而且能夠形成渦流，增強擴徑段內的湍動程度。

圖6 提升管擴徑段內的氣固流動結構—顆粒； —氣體； —氣-固混合物

3 結 論

(1) 在變徑提升管中，在相同操作條件下鈍體結構產生的壓降較環管大，可降低系統的有效壓頭，在一定程度上會削弱系統的推動力。

(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，預提升段和輸送段的顆粒濃度變化不大，而擴徑段內的顆粒軸向、徑向分布受內構件影響明顯，環管的射流效應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管結構的弊端，削弱射流作用，促使氣固再分布，形成兩相錯流流動，強化氣固接觸，且在中心區域形成渦流，增強擴徑段內的湍動程度。

(3) 與環管結構相比，鈍體內構件使擴徑段內的顆粒徑向不均勻指數減小，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，主要從事化學工藝及流態化等方面的研究工作。

李春義，E-mail：chyli@upc.edu.cn。

國家重點基礎研究發展計劃(973)資助項目(2012CB215006)。