沸騰床內液相的返混特性

黃子賓，朱闖杰，黃巖，程振民，楊濤，劉建錕，方向晨

（1化學工程聯合國家重點實驗室，華東理工大學化工學院，上海 200237；2中國石化撫順石油化工研究院，遼寧 撫順 113001）

沸騰床內液相的返混特性

黃子賓1，朱闖杰1，黃巖1，程振民1，楊濤2，劉建錕2，方向晨2

（1化學工程聯合國家重點實驗室，華東理工大學化工學院，上海 200237；2中國石化撫順石油化工研究院，遼寧 撫順 113001）

在直徑0.3 m、總高7.2 m的沸騰床反應器內采用脈沖示蹤法研究液相的返混特性。實驗中分別以空氣和水作為氣相和液相，氣體操作速度從0.26 cm·s-1變至12.97 cm·s-1，液體表觀速度固定為0.86 cm·s-1。采用三氧化二鋁顆粒作為固相，其中固體顆粒的平均粒徑為0.4 mm，床層固體含量（體積分數）從0變至42.9%。實驗結果表明，在所有考察條件下每組響應曲線均存在明顯的長拖尾現象，沸騰床內存在劇烈的液體返混現象。嘗試采用帶回流的多釜串聯模型擬合實驗數據，結果表明模型預測值與實驗數據吻合得非常好，其中擬合得到的全混釜個數N為8，回流比k從1.320至4.218不等，方差預測值與實驗值之間的最大誤差不超過+18%。

沸騰床；返混；固含率；停留時間分布；帶回流的多釜串聯模型；數值模擬；實驗驗證

引 言

在原油劣質化和產品清潔化的交互推動下，沸騰床加氫技術因具有傳熱、傳質良好，運轉周期長，原料適應性廣，操作靈活等特點而正在成為越來越重要的渣油加氫工藝[1-3]。作為一種三相流化床技術，沸騰床內液相的返混程度是設計和放大此類反應器的重要參數之一。這是由于返混程度直接影響物料間的混合和相際間的傳熱、傳質速率，進而影響化學反應過程的選擇性及反應速率[4-5]。

傳統的沸騰床渣油加氫工藝主要包括H-Oil工藝和LC-Fining工藝。在該兩種工藝中，由于催化劑粒徑一般較大，顆粒床層的膨脹高度主要由位于反應器外部或內部的循環泵控制，液相的返混程度也通過調節循環泵的轉速控制[6-8]。不同于傳統工藝，本工作考察的沸騰床反應器采用中國石化撫順石油化工研究院開發的STRONG沸騰床渣油加氫反應器，取消了高溫和高壓熱油循環泵等動力設備，所用的微球型催化劑粒徑較小，在氣液密度差驅動下即可實現顆粒床層的膨脹及循環運動，極大增強了系統的穩定性，而且提高了催化劑利用率[9-12]。為更好地對此類型反應器進行設計和放大，有必要對其內液相的返混程度進行詳細的實驗考察并進行相應的模型驗證。

到目前為止，文獻中對反應器內液相返混的研究大多采用單參數模型，如軸向擴散模型[13-15]、多釜串聯模型[16-18]等。由于此類模型只能用一個參數表征反應器內的返混現象，對高徑比較大的反應器而言，此類單參數模型不如兩參數模型（如帶回流的多釜串聯模型）更能確切描述反應器內的返混特性。本工作采用脈沖示蹤響應技術，對一個直徑0.3 m、高徑比約為25的中試沸騰床裝置進行實驗考察，以研究沸騰床在不同操作氣速和不同固含率條件下液相的返混特性，并嘗試采用帶回流的多釜串聯模型擬合實驗數據，通過全混釜個數N和回流比k兩個模型參數解釋沸騰床內液體的返混情況。

1 數學模型

帶回流的多釜串聯模型是在多釜串聯模型的基礎上引入一個新模型參數k發展起來的[19-21]。該模型假設反應器由N個全混釜組成，每個釜內液體的體積均為V，流過反應器的液體凈體積流量為F，各釜之間有一回流體積流量f，每個釜內的液體混合均勻。模型如圖1所示。

圖1 帶回流的多釜串聯模型Fig.1 Schematic diagram of tanks-in-series with backflow model

全混釜的個數N表示反應器內液體的混合程度，取值范圍為1～∞，對理想的全混流反應器N值取1，對理想的平推流反應器N值取∞。

回流參數k表示液體的回流體積流量f與液體的凈體積流量F之比值

當反應器內的液相處于連續運行模式時，根據質量守恒，由文獻[22-23]可推得相應的模型方程組及邊界條件。為了確定模型參數N和k，本工作采用Levenberg-Marquart算法對實驗值與模擬值進行非線性最小二乘擬合。

2 實驗裝置和方法

2.1 實驗裝置

本研究所用沸騰床為一套中試裝置，由有機玻璃制成，反應器的直徑和高度分別為0.3 m和7.2 m，如圖2所示。實驗中采用空氣、水、Al2O3顆粒作為氣、液、固三相，其中空氣和水為連續操作，在分別經過氣、液流量計計量后由塔底進入反應器。氣體的表觀速度從0.26 cm·s-1變化至12.97 cm·s-1，液體的操作速度固定為0.86 cm·s-1。固體Al2O3為球形顆粒，其平均粒徑約為0.4 mm，床層總固含率的變化范圍從0至42.9%。位于塔底部的氣體分布器采用泡罩式，開孔率約為1.7%。

圖2 沸騰床實驗裝置Fig.2 Schematic diagram of experimental setup

2.2 實驗方法

為研究沸騰床內液相的返混特性，本研究采用傳統的示蹤劑響應技術。當反應器處于穩態操作模式時，借助一個電磁閥，在高壓氮氣作用下短時間內將一定濃度的KCl示蹤溶液從塔底部注入系統內[24-25]，同時在沸騰床的出口處使用一個電導電極和相應的傳感器監測流出液體的電導率變化，通過數據采集系統對傳感器信號放大后傳送至計算機，可以獲得示蹤劑的濃度響應信號C(t)，其中電導率的數據采集頻率為10 Hz。

3 實驗結果與討論

3.1 固含率為零時的返混特性

當沸騰床內不含固體顆粒時，固定操作液速為0.86 cm·s-1，改變氣速，在反應器的出口處可監測到示蹤劑的濃度響應信號，經過數據處理后可得到相應的停留時間分布密度函數E(t)和停留時間分布函數F(t)，如圖3所示。

首先可以看出，所有E(t)曲線均表現出明顯的長拖尾現象，即使是在操作氣速非常低的情況下。這說明反應器內存在明顯的液體返混現象，這是由氣含率沿反應器徑向的不均勻分布引起的。在塔中心區域氣含率高，在靠近器壁區域氣含率低，而氣泡密度遠小于液體密度，在這種密度差驅動下反應器內會出現液體的大尺度循環流動[26-28]，使得床層內液體的返混現象嚴重。

其次，從圖3可以看到：當表觀氣速較高時，對應電導電極檢測到濃度信號的響應時間較短，對應E(t)曲線的峰值信號較大；隨著表觀氣速的降低，濃度信號的響應時間變長，對應E(t)曲線的峰值信號變小。這是因為當表觀氣速為12.97 cm·s-1時反應器處于湍動流的操作狀態，塔內液體的大尺度循環流動劇烈，從沸騰床底部注入的示蹤劑能夠在較短時間內被出口處的電極檢測到信號；而當表觀氣速降低時液體的大尺度循環流動變弱，示蹤劑從塔底被攜帶至塔頂所需要的時間相應變長。

圖3 不同表觀氣速下的E(t)和F(t)曲線（εs= 0）Fig.3E(t) andF(t) curves at different superficial gas velocities

3.2 不同固含率情況下的返混特性

圖4給出了沸騰床在不同操作氣速和不同固含率情況下的停留時間分布密度曲線E(t)。從圖中可以看出，不同固含率情況下的E(t)曲線同樣表現出較明顯的長拖尾現象，即使是在非常低的操作氣速下。例如當表觀氣速為0.26 cm·s-1時，沸騰床出口處示蹤劑的濃度響應信號仍可持續至約3000 s，如圖4(d)所示。這說明沸騰床在低氣速、高固含率情況下依然存在著較明顯的液體返混現象。而在某一給定的操作氣速下，隨著固含率的增加，E(t)曲線對應的峰值信號逐漸減弱。

圖4 不同固含率下的E(t)曲線Fig.4 Tracer response curves at different solid holdup

表1 不同條件下E(t)曲線的平均停留時間Table 1 Experimental mean residence time ofE(t) curve at different operating conditions

表1列出了不同操作條件下示蹤劑在沸騰床內的平均停留時間。可以看出，在相同的固含率下，隨著表觀氣速的降低，示蹤劑在塔內的平均停留時間變長。這是由于表觀氣速降低后反應器內的總氣含率降低，液體總量增加，使得溶解在液體中的示蹤劑在反應器內的平均停留時間變長。在相同的表觀氣速下，隨著固含率的增加，示蹤劑的平均停留時間亦相應增加。這是因為在其他條件不變的情況下固含率增加會導致反應器內的總氣含率降低，液體總含量增加[29-30]。

表2 不同條件下E(t)曲線的量綱1方差Table 2 Experimental dimensionless variance ofE(t) curveat different operating conditions

表2給出了示蹤劑濃度響應曲線E(t)對應的量綱1方差。可以看出，當固含率相同時方差會隨表觀氣速升高而增加，說明液體停留時間分布的離散程度越來越大，即液體的流動狀況越來越接近全混流，液相在沸騰床內的返混程度越來越強。當表觀氣速相同時，方差受固含率的影響不是很大。

圖5 實驗結果與模型預測值的比較（εs= 42.9%）Fig.5 Comparison of experimental response curves with model predictions(εs=42.9%)

3.3 實驗數據與模型數據的對比

圖5給出了當沸騰床內的固含率為42.9%時不同表觀氣速下量綱1停留時間分布密度函數的實驗曲線與模型預測曲線。可以看出，模型預測值與實驗數據吻合得非常好，回流參數k隨表觀氣速增加而增大，說明沸騰床內液相的返混程度隨操作氣速增加而變強。其他3種固含率情況k值亦有相似的變化規律，見表3。所有條件下擬合得到的全混釜個數N均為8。

Roemer等[22]曾對模型方程組進行Laplace變換，推導得到量綱1方差σ2D的解析表達式

表3 帶回流的多釜串聯模型對參數k的估值Table 3 Experimental parameter (k) estimation of tanks-in-series with backflow model

將前面擬合得到的模型參數N和k代入式（2）計算可得到相應的量綱1方差，與實驗結果獲得的量綱1方差進行對比，結果如圖6所示。可以看出，模型預測值與實驗值之間的誤差不超過+18%。

4 結 論

（1）當沸騰床內不含固體顆粒時，所有E(t)曲線均表現出明顯的長拖尾現象，說明反應器內存在明顯的液體返混現象，而且隨著表觀氣速的降低，濃度信號的響應時間變長，對應E(t)曲線的峰值信號變小。

圖6 量綱1方差的實驗值與模型預測值的比較Fig.6 Comparison between experimental and model predicted dimensionless variances

（2）在低氣速、高固含率情況下，沸騰床內依然存在較明顯的液體返混現象。而在某一給定的操作氣速下，隨著固含率的增加，E(t)曲線對應的峰值信號逐漸減弱。

（3）在相同的固含率下，示蹤劑在塔內的平均停留時間隨表觀氣速增加而降低，但方差隨表觀氣速增加而升高。

（4）本工作采用帶回流的多釜串聯模型描述沸騰床內液相的返混特性，結果表明模型預測值與實驗數據吻合得非常好，所有考察條件下擬合得到的全混釜個數N為8，回流比k從1.320至4.218不等，而且方差預測值與實驗值之間的最大誤差不超過+18%。

符 號 說 明

C——示蹤劑濃度，g·cm-3

E(t)——停留時間分布密度函數，s-1

E(θ)——量綱1停留時間分布密度函數

F——液體凈體積流量，cm3·s-1

F(t)——停留時間分布函數

f——液體回流體積流量，cm3·s-1

k——回流比，k=f/F

N——全混釜個數

t——時間，s

uG——氣體表觀速度，cm·s-1

uL——液體表觀速度，cm·s-1

εs——固含率

θ——量綱1時間

σ2D——量綱1方差

下角標

G——氣相

L——液相

s——固相

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Backmixing characterization of liquid phase in ebullated bed reactor

HUANG Zibin1, ZHU Chuangjie1, HUANG Yan1, CHENG Zhenmin1, YANG Tao2, LIU Jiankun2, FANG Xiangchen2
(1State Key Laboratory of Chemical Engineering,School of Chemical Engineering,East China University of Science and Technology,Shanghai200237,China;2SINOPEC Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals,Fushun113001,Liaoning,China)

The liquid backmixing characteristics were investigated experimentally using pulse tracing technique in an ebullated bed reactor of 7.2 m in height and 0.3 m in diameter. Air and water were used as the gas and liquid phases, respectively. The superficial gas velocity ranged from 0.26 to 12.97 cm·s-1, while the liquid velocity was fixed at 0.86 cm·s-1. The particles of aluminum oxide with an average diameter of 0.4 mm were used as the solid phase. All experiments were carried out under the solids holdup from 0 to 42.9%(vol). The results showed that each response curve demonstrated obvious long tail phenomenon, which implied that there existed evident liquid backmixing in the ebullated bed reactor at different operating conditions. A tanks-in-series with backflow model was adopted to interpret the response data, which showed an excellent agreement between the prediction and experimental data. It also indicated that the number of stagesNwas 8, while the backmixing coefficientkvaried between 1.320 and 4.218. Most of the variances of the predicted model were within +18% of their corresponding experimental values.

ebullated bed reactor; backmixing; solid holdup; residence time distribution; tanks-in-series with backflow model; numerical simulation; experimental validation

CHENG Zhenmin, zmcheng@ecust.edu.cn

TQ 021.1

：A

：0438—1157（2017）02—0630—07

10.11949/j.issn.0438-1157.20160967

2016-07-11收到初稿，2016-09-29收到修改稿。

聯系人：程振民。

：黃子賓（1982—），男，博士，講師。

國家自然科學基金項目（21306045, 21676085, 21076072）；中央高校基本科研業務費專項基金項目(222201314014)。

Received date: 2016-07-11.

Foundation item: supported by the National Natural Science Foundation of China (21306045, 21676085, 21076072) and the Fundamental Research Funds for the Central Universities of China (222201314014).