提升管進料段油劑間傳質傳熱及混合特性研究

朱曉麗，崔運靜，仇性啟

（1.中國石油大學（華東） 化學工程學院，山東 青島 266580 2.中國石油大學（華東） 機電工程學院，山東 青島 266580）

提升管進料段油劑間傳質傳熱及混合特性研究

朱曉麗1，崔運靜2，仇性啟1

（1.中國石油大學（華東） 化學工程學院，山東 青島 266580 2.中國石油大學（華東） 機電工程學院，山東 青島 266580）

基于催化劑顆粒完全流態化理論，建立了提升管反應器進料段氣液兩相流數值模型，探究了射流油霧與連續氣相間傳質傳熱特性及油劑接觸分布狀況。實驗結果表明，進料噴嘴所在軸向位置處油霧粒徑、混合流體溫度、油相組分含量沿提升管徑向“環-核”不均勻分布程度最大；隨軸向位置的增加，油霧氣化程度增大，最終實現完全氣化，管內溫度和油劑間混合分布趨于均勻；適當增大噴霧錐角有助于促進油霧氣化和改善“環-核”不均勻分布狀況，提高催化裂化反應效率。

提升管進料段；射流油霧；液滴蒸發；油劑混合；噴霧錐角

原料油由進料噴嘴霧化后噴射進入提升管反應器，與管內上行的催化劑和預提升蒸汽流混合，油霧氣化后附著在催化劑表面發生裂解反應，生成汽油、柴油等輕質油品［1］。油霧氣化速率及油劑間的接觸與混合狀況能夠直接影響催化裂化反應效率，因此提升管進料段內油劑傳質傳熱及混合分布狀況具有非常重要的研究價值。

提升管進料段內的流場可概括為氣液固多股交錯射流在受限空間內的流動混合和傳質傳熱，流場結構較為復雜。目前的研究多側重于提升管內流體力學及催化裂化動力學，認為原料油直接以氣相進料，忽略油霧蒸發過程，從而轉化為氣固兩相湍流問題［2］。范怡平等［3-7］以氣體代替油霧進料，通過實驗手段測量射流氣相與顆粒相速度場、濃度場相關參數，得到油氣運動及油劑分布規律。萬曉濤等［8-9］建立提升管進料段內氣固兩相數值模型，探討油劑間流動、傳熱及混合分布特性。高金森等［10-13］探索性地將原料油液霧的流動、傳熱及氣化納入模型中，考查了油霧與催化劑介質間流動、傳熱、反應的規律。

本工作基于催化劑顆粒完全流態化理論，建立了提升管反應器進料段氣液兩相流數值模型，探究了射流油霧與連續氣相間傳質傳熱特性及油劑接觸分布狀況。以噴霧錐角為例，通過探究進料參數對于提升管進料段內混合流場特性的影響，實現進料參數的優化設計，達到提升催化裂化反應效率的目的。

1 數值模型建立及驗證

1.1 數學模型的建立

基于固態催化劑顆粒完全流態化理論，將預提升蒸汽和催化劑作為一種混合氣體處理，用歐拉方法進行求解，將油霧液滴作為離散相，用拉格朗日法追蹤求解。氣相和液相分別獨立計算，并通過相間耦合計算實現兩相的作用和傳質傳熱。根據工業中提升管內油霧進料方式，選取FLUENT材料庫中提供的錐形噴射源，相關結構參數和操作參數見表1。

表1 進料段結構及操作參數Table 1 Structure and operating parameters of the FCC riser reactor

油霧材料選取FLUENT材料庫中的fuel-oilliquid模型；催化劑流態化處理后得到的混合氣相與預提升蒸汽相比，氣流密度的增加最為顯著，其余物性參數的改變則較為有限。依據工業中催化劑所占體積分率，將混合氣流密度設置為600 kg/ m3，保留水蒸氣的其余物性參數。邊界條件的設定為：混合氣相采用速度入口，自由出口，壁面設置為無滑移邊界條件，采用標準壁面函數。離散相在入口及壁面處設置為補集類型，出口為逃逸類型。數值求解方法的設定為：選擇標準k-ε湍流模型，霧滴軌跡的追蹤采用顆粒隨機軌道模型，離散相和連續相間的質量、動量和能量的耦合采用PISO算法。

1.2 數學模型的驗證

為驗證本數值模型的準確性，以Behjat等［14］實驗中所采用的進料參數為模擬參數，將z/z0=0.3（z為軸向位置，z0為進料段高度）軸向位置處催化劑含量（φ）沿徑向分布曲線的模擬值與實驗值進行對比，見圖1。數值模擬所得催化劑含量（φ）沿提升管徑向分布曲線與實驗結果較為吻合，兩曲線均呈現中心低邊壁高的“環-核”形態分布，只是模擬所得曲線相較實驗更為平緩。分布曲線之間存在差異的原因是：數值模擬中將催化劑流態化，催化劑在氣流中跟隨性好，而實驗中催化劑顆粒與氣流之間的曳力作用導致催化劑顆粒具有擴散性。總體來看，兩曲線誤差在一定范圍內，說明本數值模型是準確可靠的。

圖1 催化劑含量（φ）沿徑向分布曲線的模擬值與實驗值對比Fig.1 Comparison between the calculated and experimental data for the radial distribution of the catalyst content(φ).

2 模擬計算結果與分析

以油霧粒徑（Dd）、管內溫度（T）及油相組分含量（c）三個參數作為油霧氣化效率、相間傳熱規律及油劑混合分布狀況的評價指標，考察不同軸向位置處Dd，T，c沿徑向分布的規律，從而得到提升管內油霧氣化和油劑混合的分布規律。

圖2為Dd的宏觀分布及提升管中心縱截面上不同軸向位置處Dd沿徑向分布曲線。由圖2可知，油霧噴射進入提升管反應器后向提升管中心擴散，同時在底部連續氣流作用下沿提升管上行。霧滴粒徑減小為10 μm即可認為油霧完全氣化。進料位置橫截面上Dd較大，隨z的增大，Dd先增大后減小，最終在管內某一高度處完全氣化。進料位置上方Dd增大的原因是進料油霧大量匯聚，阻礙高溫氣流穿透厚霧滴群，因此造成尚未氣化的霧滴黏附合并成大液滴。伴隨著油霧在提升管內繼續擴散，不斷從高溫催化劑中吸熱蒸發，粒徑減小至完全氣化。

圖2 Dd分布圖（a）及不同軸向位置處Dd沿徑向分布曲線（b）Fig.2 Image of droplet diameter(Dd)(a) and the radial distributions ofDdat different axial positions(b).

圖3為提升管中心縱截面上溫度分布云圖及不同軸向位置處T沿徑向分布曲線。由圖3可知，管內混合流體溫度呈現中心低邊壁高的“環-核”分布狀態。在油霧進料軸向位置上，T沿徑向分布曲線呈“U”型，邊壁處溫度最高，噴口至提升管中心整個徑向范圍均處于較低溫度。遠離噴嘴安裝位置，T整體升高，且管內流體溫度沿徑向分布趨于均勻。

圖3 中心縱截面溫度分布云圖（a）及不同軸向位置處溫度沿徑向分布曲線（b）Fig.3 Temperature distribution in center longitudinal section(a) and the radial distributions of temperature at different axial positions(b).

圖4為提升管中心縱截面上c分布云圖及各軸向位置處c沿徑向分布曲線。由圖4可知，噴嘴安裝軸向位置c最高，且從中心到邊壁穩定在較高水平；遠離噴嘴安裝位置，c整體降低，各軸向位置處均呈現中心高邊壁低的“環-核”不均勻分布；噴嘴安裝位置以上與安裝位置以下相比，c分布等值線較為稀疏，說明油霧在混合氣流作用下的向上偏移擴散程度較大。

圖4 中心縱截面c分布云圖（a）和不同軸向位置處c沿徑向分布曲線（b）Fig.4 Image of feed mass fraction(c) in center longitudinal section(a) and the radial distributions ofcat different axial positions(b).

3 噴霧錐角的影響分析

對不同進料噴霧錐角（θ）下管內油霧氣化及油劑混合分布狀況進行研究，得到θ的影響規律，從而將θ進行優化，以提高催化裂化反應效率和輕質油品收率。

圖5不同θ下管內Dd分布。對比分析可知，θ= 0°時，油霧在進料位置擴散性差，大量霧滴在提升管中心堆積，造成Dd大，氣化程度低。隨θ的增大，油霧在提升管內沿軸向和徑向的擴散范圍越廣，油霧堆積現象緩解，油霧氣化越容易實現。

圖6為不同軸向位置處Dd沿徑向分布曲線。由圖6可知，在各軸向位置處，θ越大，Dd整體數值越小，且Dd沿徑向分布越均勻。因此，適當增大θ可加速油霧氣化，有利于提高催化裂化反應效率。

圖5 不同θ下管內Dd分布Fig.5 Images of feedDddistributions at different nozzle spray angle(θ).

圖6 不同軸向位置處Dd沿徑向分布曲線Fig.6 Radial distributions ofDdat different axial positions and different nozzle spray angles.

圖7為不同軸向位置處溫度沿徑向分布曲線。由圖7可知，θ越小，T的“環-核”不均勻分布程度越大。

圖8為不同軸向位置處c沿徑向分布曲線。由圖8可知，θ越小，c沿提升管徑向“環-核”不均勻分布程度越大。三種θ下，從噴口至提升管中心處，c平穩維持在0.8左右；其余軸向位置處，θ越大，油霧沿徑向分布越均勻。

圖7 不同軸向位置處溫度沿徑向分布曲線Fig.7 Radial distributions of temperature at different axial positions and different nozzle spray angles.

圖8 不同軸向位置處c沿徑向分布曲線Fig.8 Radial distributions ofcat different axial positions and different nozzle spray angles.

4 結論

1）Dd沿徑向呈現“環-核”分布，提升管中心油霧氣化程度低于邊壁；自噴嘴安裝位置向上，Dd先增大后減小，最終在管內某一軸向高度完全氣化。

2）T沿徑向呈現“環-核”分布，噴嘴軸向位置處T最低，遠離噴嘴軸向位置溫度整體升高，且溫度沿徑向分布趨于均勻。

3）c沿徑向呈現“環-核”分布，噴嘴軸向位置處c最高，遠離噴嘴軸向位置c遞減，且油霧沿徑向分布趨于均勻。

4）增大進料θ，能夠提高油霧氣化效率，減小管內的溫度和油劑混合的“環-核”不均勻分布程度，有利于提高催化裂化效率，因此應盡可能選用具有較大θ的進料噴嘴。

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（編輯 楊天予）

敬告讀者：從2016年第7期開始，本刊“專題綜述”欄目將連續刊出中國石化北京化工研究院分析研究室的系列專題綜述。該專題主要報道石油化工領域先進表征技術的應用進展，包括本研究室的表征研究成果，以及近年來發展壯大的新型特色表征手段在石油化工領域的應用進展，敬請廣大讀者給予關注。

專題報道：本期對程序升溫表面反應（TPSR）技術在固體催化劑上的應用進行了綜述，簡要介紹了TPSR技術的基本原理、裝置和實驗條件的選擇，重點綜述了近十年來該技術在烯烴烷烴的重整氧化、費托合成、NOx的催化還原、醇醛的氧化還原、CO的氧化、硫氮氯化合物的分解等氣固相催化反應中的應用，也提出了一些對TPSR技術今后發展趨勢的看法。見本期384-390頁。

中國石化北京化工研究院分析研究室簡介：中國石化北京化工研究院分析研究室成立于2006年，擁有X射線光電子能譜、X射線衍射、高分辨透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡、質譜、固體核磁共振、原位紅外光譜、高分辨顯微拉曼光譜、熱分析在線光譜聯用系統等大型儀器五十多臺套。分析研究室下設表面分析、結構表征、原料分析三個專題組，主要從事分子結構表征研究，催化劑結構機理研究以及催化劑、功能材料、有機原料等分析方法的研究，并提供相應的測試服務。

原料分析專題組立足于烯烴原料、基本化工有機原料和微量元素等分析方面的研究。具備石油化工和煤化工工藝路線中生產的聚合級烯烴原料的近100種雜質的成套分析技術，有多項分析技術獲得了中國石化的科技進步獎。起草制定了多項國家及行業標準，同時形成一整套烯烴原料分析監測工藝包及分析儀器改造方案。

表面分析專題組主要從事催化表征技術開發。以微觀結構化學環境為基礎，運用原位吸附、原位分子光譜、原位XRD、原位XPS等技術，研究催化劑表面結構、價態、化學吸附態、反應動力學，在原子水平上獲取催化劑反應活性中心的信息，探討活性中心的化學組成、結構與催化性能的關系，在分子水平上獲取活性中心上動態反應物種的信息，從本質上認識催化反應過程，闡釋反應機理。

結構表征課題組集合了光譜、色譜、質譜、核磁共振、元素分析、熱分析聯用系統等研究手段，主要針對聚烯烴催化劑的機理進行基礎研究，同時開展有機、無機化合物定性定量分析和復雜物質剖析等工作。近年來針對新型聚烯烴催化劑研發和企業聚烯烴聚合物產品質量控制建立了一系列成套分析方法，如聚合物中揮發性有機物的分析方法、聚合物中添加劑的快速篩查分析方法、催化劑的固體核磁共振表征分析方法等。

分析研究室堅持服務與研究并重，于2016年獲得CNAS實驗室認可資質，集成現有儀器設備優勢成立了五大分析平臺：輕烴雜質分析平臺、異味分析平臺、元素定量分析平臺、剖析平臺、催化表征平臺，創建了高水平高素質的科研、檢驗檢測隊伍，采用先進的測試技術和創新的分析方法，為研究者提供高水平的分析測試綜合解決方案。

Heat transfer，mass transfer and mixing characteristics in feeding section of FCC riser reactor

Zhu Xiaoli1，Cui Yunjing2，Qiu Xingqi1

（1. College of Chemical Engineering，China University of Petroleum(East China)，Qingdao Shandong 266580，China；2. School of Mechanical and Electrical Engineering，China University of Petroleum(East China)，Qingdao Shandong 266580，China）

Based on the solid catalyst fluidization theory，a computational fluid dynamics(CFD) model for two phase fl ow in the feeding section of a FCC riser reactor was established，and the heat transfer and mass transfer between the feed injection and the continuous gas phase，and mixing characteristics of the feed and catalyst were investigated. It was showed that，the extents of the uneven“wall-core”distributions of the feed volume fraction，droplet diameter and temperature along the riser radius were the maximum. With the increase of axial position，the evaporation of the feed droplets was enhanced and fi nally the entire evaporation was achieved，so the heat transfer and mass transfer in the riser were improved. The increase of nozzle spray angle could promote the droplet evaporation rate，weaken the extents of the uneven “wall-core” distributions，and thus improve the FCC reaction efficiency.

riser reactor；feed injection；droplet evaporation；feed-catalyst mixing；spray angle

1000-8144（2017）03-0309-06

TQ 021.4

A

10.3969/j.issn.1000-8144.2017.03.008

2016-10-27；［修改稿日期］2016-12-13。

朱曉麗（1991—），女，山東省濰坊市人，碩士生，電話 18266207980，電郵 zhuxiaolizi@126.com。聯系人：崔運靜，電話 18366262979，電郵 cuiyj@upc.edu.cn。

中國石油大學（華東）研究生創新工程基金項目（YCXJ2016051）。