斜管內FCC催化劑流態與閥門開度關系的實驗研究

王創博， 石睿捷， 馬 玲， 王乃嘉， 嚴超宇， 魏耀東

(中國石油大學(北京) 機械與儲運工程學院， 北京 102249)

斜管是循環流化床顆粒循環回路中的一個組成部分，主要用于將從氣-固分離系統收集的顆粒輸送到流化床或在2個流化床之間的顆粒輸送，保證整個工藝過程的穩定運行，同時維持整個顆粒循環系統的壓力平衡[1-4]。斜管氣-固輸送與立管、水平管的氣-固輸送相比，雖然同樣是顆粒順重力從高處的低壓端向低處的高壓端流動，但斜管內顆粒的流動方向與重力方向不一致，這種流動方式導致了顆粒輸送過程的波動性和流態的多樣性。Zhu等[5]在斜管的氣力輸送過程中觀察到了分散流、塞狀流等不同流態。Rao等[6]、Hong等[7]用聚丙烯顆粒進行斜管氣力輸送的研究，在實驗中觀察到了不同流態，提出了一個模型來判別不同流態之間的轉變。Albion等[8]通過對非接觸式聲音探針信號進行在線分析，開發出了一種可行的流態檢測方法，用于任何角度、任意距離的氣-固輸送管道中。盧春喜[9]將斜管內的氣-固兩相流態劃分為黏滑流動、過渡流和充氣流動，這種流態隨著斜管上的閥門開度逐漸增大依次變化。此外，還有研究者通過對斜管進行不同傾斜角度的氣-固流動實驗，在考察斜管內流態變化的同時還建立了斜管壓降的計算模型[10-13]。

斜管的下端通常安裝有不同形式的閥門(插板閥、蝶閥等)，用于調節循環流化床的顆粒質量流率，如流化催化裂化裝置中的再生滑閥和待生滑閥。現場應用表明，氣-固兩相閥門的開度變化與對應的顆粒質量流率之間并不是一種線性的關系。但到目前為止，研究者主要針對垂直立管上的閥門開展了研究。羅寶林等[14]實驗分析了立管下端下料閥對顆粒質量流率的調節作用。隨著下料閥開度的增大，顆粒循環速率增大。在下料閥開度較小時，顆粒循環速率變化幅度較大；當下料閥開度較大時，顆粒循環速率變化幅度較小。陳勇等[15]指出，立管上顆粒通過閥門的流動與孔口排料相類似，可以通過對插板閥上的流態和壓力脈動的分析監視插板閥的調控效果。有文獻研究指出，影響移動床流態孔口排料的因素有孔口面積與負壓差的大小[16-17]。Marin等[18]建立了斜管內顆粒循環流率與壓力脈動的標準偏差的關系式，可以通過壓力脈動的標準偏差對顆粒循環流率進行實時在線測量。然而，有關斜管下部閥門對顆粒質量流率的調節機制的研究文獻還比較缺乏。

筆者在斜管上通過改變蝶閥的開度，對閥前的顆粒流態變化進行視頻觀測，并對斜管顆粒質量流率進行實時測量，分析蝶閥開度對斜管顆粒流動的調節機制，以期能提高對閥門調控過程的認識，為工業斜管閥門的設計和使用提供一定的參考。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

斜管輸送實驗裝置主要由料斗、垂直立管、彎頭、斜管、蝶閥所構成，如圖1所示。圖2是蝶閥的安裝方式示意圖。蝶閥閥桿在斜管的側面(正對于紙面)，在實驗過程中，順時針旋轉閥桿，依次從開度0增加到開度8。其中垂直立管的直徑為φ150 mm，長度1800 mm；斜管的直徑為φ150 mm，長度3400 mm，蝶閥位于斜管出口1000 mm處，斜管傾角為45°，斜管出口通大氣。實驗物料為FCC平衡催化劑，物性數據如表1所示。立管和斜管均采用有機玻璃制造。

圖1 斜管實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the inclined pipe device1—Hopper； 2—Standpipe； 3—Elbow；4—Inclined pipe； 5—Butterfly valve

圖2 蝶閥的安裝方式Fig.2 Installation of butterfly valve

1.2 實驗參數與實驗方法

實驗過程中，首先將斜管出口處的蝶閥關閉，然后向斜管、立管以及料斗中加入FCC催化劑，一直填滿料斗。打開蝶閥后固定在某一開度，催化劑順著立管和斜管向下流動，料斗料位逐漸降低，直至催化劑全部流完。在此過程中，觀察斜管內顆粒的流態形式，同時進行顆粒質量流率的測量。斜管上沒有設置松動點，不存在通入松動風的情況。

表1 FCC平衡催化劑的物性Table 1 Physical properties of FCC equilibrium catalyst

將蝶閥關閉記為0開度，蝶閥全開記為8開度，即蝶閥共有9個開度(開度0～開度8)。在實驗前期準備過程中，對不同開度下顆粒裝滿量桶的時間進行粗測。表2為蝶閥不同開度下催化劑裝滿量桶所需的時長。

表2 蝶閥不同開度裝滿量桶時長Table 2 Time needed to fill container-full underdifferent opening degrees

由表2可知，蝶閥不同開度下催化劑裝滿量桶所需的時長差別較大，表明不同蝶閥開度下的斜管的顆粒質量流率差別較大。為此在實驗操作過程中，根據不同的蝶閥開度，采用不同的計量時間Δt，這是因為，為了保證各個開度下催化劑的總量一樣，在測量過程中就要保證催化劑不能溢出量桶，所以實際測量時選擇的計量時間Δt要比表2中相對應的粗測時間短，見表3，每1個計量時間Δt即為1個測量階段，不間斷連續測量下料量，直到料斗催化劑流完。實驗過程中催化劑總量為191 kg，不同開度下顆粒質量流率的測量采用顆粒堆積計量法，計算公式如下：

(1)

式中，q為顆粒平均質量流率，kg/s；M為顆粒質量，kg；Δt為測量時間，s。

表3 蝶閥不同開度所取計量時間Table 3 Selected time interval under different opening degrees

2 結果與討論

2.1 實驗現象

圖3為斜管內顆粒不同流態。實驗過程中，碟閥開度由小到大逐漸增大可以觀察到催化劑在斜管內有4種不同的流態，即蠕動流、波動流、分層流和流化流。當蝶閥處于1～3開度時，顆粒質量流率比較小，顆粒在斜管內呈現一動一停的脈沖式運動，并伴隨有規律性的“嚓嚓”摩擦聲，同時偶爾有尺寸較小的氣泡緩慢地從蝶閥進入斜管上部。催化劑顆粒下行是一種蠕動流的流態(見圖3(a))。此時斜管輕微振動，但幅度不明顯。

當蝶閥處于4～5開度時，顆粒質量流率隨之增加，氣泡從蝶閥處竄入斜管的速率明顯加快，氣泡之間混合形成尺寸比較大的氣泡，并以更快的速度向上運動。從蝶閥下部觀察到顆粒質量流率呈現出一種波動流的流態(見圖3(b))。此時氣-固兩相返混劇烈，導致整個斜管劇烈振動。

當蝶閥處于6～7開度時，顆粒質量流率進一步加大，隨著竄入氣體量的進一步加大，波動流時的大氣泡之間進一步混合，在斜管橫截面的上部形成一個連續的氣體上行通道，此時顆粒順著斜管橫截面的下部流動，呈現出一種分層流的流態(見圖3(c))，斜管振動減弱。

當蝶閥處于8開度時，此時觀察不到上行的氣體，滿管顆粒帶動氣體向下運動，能夠聽到明顯的顆粒與管壁連續摩擦的聲音，呈現出一種滿管流化的流態(見圖3(d))。

圖3 斜管內顆粒不同流態Fig.3 Different flow patterns in inclined pipe(a) Creeping flow； (b) Undulated flow； (c) Stratified flow； (d) Fluidized flow

2.2 蝶閥開度對顆粒質量流率的影響

實驗表明，蝶閥只能對顆粒質量流率進行調節，無法阻止竄氣和決定竄氣量的大小。圖4為斜管內顆粒質量流率與蝶閥開度的關系。由圖4可見，兩者之間不是線性關系，而是呈現出S型曲線分布，這與曹曉陽等[19]的實驗結果是一致的。在1～3開度和7～8開度這兩個范圍內，蝶閥處于非可控制區，即蝶閥開度的改變使顆粒質量流率變化不明顯，說明此情況下閥門的調控能力差。而在3～7開度范圍內，蝶閥處于可控制區，此范圍內開度大小能夠顯著地改變顆粒質量流率，即閥門有很好的調控能力。

圖4 蝶閥開度與顆粒質量流率的關系Fig.4 Relationship between butterfly valve openratio and particle mass flux

2.3 顆粒質量流率的波動變化

在固定蝶閥開度和計量時間Δt的條件下，依次從開度1到開度8進行8組工況下料過程中的顆粒質量流率的連續測量，得到不同開度下顆粒質量流率隨時間的變化，如圖5所示。

由圖5(a)～圖5(c)可知，顆粒質量流率不同且相鄰開度之間相差較大，但蝶閥處于某一特定開度時卻有著相似的變化規律。流型為蠕動流時，都存在多個時間段，質量流率保持穩定，但是維持的時間較短。這是因為蠕動流時，當沒有小氣泡竄入時，顆粒的脈沖式下料過程相對穩定；當有小氣泡隨機地從蝶閥排料口進入到斜管上部時，此時阻礙了顆粒的正常下行，進而造成了顆粒質量流率的變化。

由圖5(d)～圖5(e)可知，以波動流態進行顆粒輸送時，顆粒質量流率隨時間劇烈變化，顆粒質量流率的變化幅度在斜管的4種輸送流態中最大。這是因為斜管內部顆粒不僅受到器壁阻力，還會形成架橋，顆粒不能順暢且及時地下落，而已經下落的顆粒會在蝶閥位置處短暫地形成一個空腔，使得閥下壓力大于閥口的壓力形成了負壓抽吸的作用，這樣抽吸而來的氣體形成上竄氣泡。與蠕動流態輸送相比，波動流時氣泡出現的頻率加快且氣泡尺寸加大，阻礙顆粒下落的能力也越來越強，使得顆粒質量流率波動幅度最大。

由圖5(f)～圖5(g)可知，流型為分層流時，在測量開始后的前10 s內，顆粒質量流率有一個明顯的變小過程。這是因為當蝶閥開啟后，閥門迅速達到大開度狀態，斜管內部的催化劑顆粒由靜態瞬間變為動態，顆粒在最初的幾秒時間內迅速下落。隨著顆粒下落，氣體從蝶閥進入斜管并逐漸在斜管上方形成一個上行的氣體通道，氣-固兩相依然會發生返混，較波動流而言質量流率波動程度減弱，但依然在波動。

由圖5(h)可知，在測量開始后的前10 s內質量流率變化與分層流動的情況相類似，不同之處在于經過了這個短暫的不穩定流動之后，當流動時間超過10 s后，顆粒質量流率基本不隨時間而變化，這是因為此時下行顆粒夾帶氣體一起向下運動，氣-固返混程度最小，該狀態下斜管輸送顆粒處于穩定狀態，因此顆粒的質量流率變化保持穩定狀態。

通過分析不同開度下顆粒質量流率曲線的變化，存在2種特殊情況：

(1)當蝶閥開度較大時，如開度處于6～8時，此時在蝶閥開啟后的第一個測量階段內，顆粒質量流率要遠大于流動穩定時的測量值，在質量流率變化曲線上表現為從第一個測量階段到第二個測量階段，顆粒質量流率曲線驟減，如圖5(f)～圖5(h)所示。這是因為，當對整個實驗裝置完成裝料后，蝶閥分別開啟到這3種開度時，由于開度大，閥口處的顆粒在極短的時間內由靜止轉變為運動狀態，并帶動整個裝置中的顆粒由靜止狀態迅速轉化為流動狀態，顆粒整體下落過程中的推動力在第一個測量階段內達到最大，因而質量流率此時達到最大。當顆粒下落的過程中推動力穩定之后，整體的質量流率趨于穩定。

(2)蝶閥無論處于哪一個開度，在最后的測量階段，顆粒質量流率都有一個很明顯的降低過程，這是因為隨著時間的推移，整個裝置中的顆粒逐漸減少，顆粒下落過程中的推動力越來越小，因而顆粒質量流率也越來越小。

筆者通過不同開度下顆粒質量流率變化規律的不同來達到識別流態的目的，變量是開度。因此，某一特定開度下，顆粒下落的過程中料位的變化對顆粒質量的影響在此處沒有考慮。在下料的過程中，料斗中心處和邊緣處相比下落速度較快，整個物料表面呈現出一種錐形的結構，因而不同位置處料位高度不同，此時如何準確地描述料位高度，進一步來研究特定開度下床層壓降(即料斗中的料位)變化對顆粒質量流率的影響，還需要深入進行系統的研究。

圖5 不同流型下顆粒質量流率曲線Fig.5 Particle mass flux profiles under different flow patterns(a) Opening degree 1： q=0.009 kg/s; (b) Opening degree 2： q=0.068 kg/s; (c) Opening degree 3： q=0.223 kg/s;(d) Opening degree 4： q=0.594 kg/s; (e) Opening degree 5：q=0.982 kg/s; (f) Opening degree 6： q=1.808 kg/s;(g) Opening degree 7： q=2.060 kg/s; (h) Opening degree 8： q=2.231 kg/s

2.4 顆粒質量流率的不穩定性分析

為了更好地比較不同開度下顆粒質量流率的穩定性，將顆粒質量流率波動的平均幅度進行無量綱化處理為

(2)

式中，R為不同開度下顆粒質量流率的穩定程度，無量綱參數；ΔM為顆粒質量流率的波動值，kg/s；q為不同開度下對應的平均質量流率，kg/s。

現將不同開度下的質量流率進行無量綱化處理，如圖6所示。由圖6可以看出，隨著蝶閥開度的逐漸增大，顆粒質量流率的R曲線表現為先增大再減小，最后趨于平穩，這就表明斜管在下料的過程中顆粒流動的不穩定性隨著蝶閥開度的增加先增強再減弱，最后趨于穩定狀態。當開度比較小時，此時顆粒質量流率較小，催化劑顆粒下行是一種蠕動流的流態，此時斜管輕微振動，但幅度不明顯。當蝶閥處于開度4時，R曲線出現峰值，這是因為氣泡之間聚并形成尺寸比較大的氣泡，并以更快的速度向上運動，顆粒質量流率呈現出一種波動流的流態，此時整個下料過程中質量流率波動最大。隨著開度的進一步增大，R值急劇減小并趨于穩定，這是因為顆粒的流態從波動流過渡到了分層流和滿管流化流動，在這種情況下，氣-固兩相整體流動平穩。因此，通過數據分析并結合實驗現象，可以將R作為流動穩定性的判據。因此，當R<0.15時，斜管內氣-固兩相流動處于穩定流動狀態；當R>0.15時，斜管內氣-固兩相流動處于不穩定流動狀態。

圖6 顆粒質量流率的無量綱化分析Fig.6 Dimensionless analysis of particle mass flux

3 結 論

在傾角為45°、直徑為150 mm的斜管輸送實驗裝置上，考察了不同蝶閥開度下斜管內的顆粒輸送流態，分析了下料過程中的顆粒質量流率隨時間的變化規律，得出以下結論：

(1)顆粒質量流率隨著蝶閥開度的改變呈非線性變化。蝶閥對顆粒質量流率的調節存在2個非可控制區和1個可控制區，在可控制區內，蝶閥對顆粒質量流率具有調節作用，而在非可控制區，蝶閥起不到調節作用。

(2)在不同蝶閥開度下，觀察了斜管內顆粒輸送過程的4種流態現象，即蠕動流、波動流、分層流、流化流。在不同輸送流態下，顆粒質量流率隨時間的變化曲線呈不同形態。在4種輸送流態中，波動流態下的顆粒質量流率曲線的變化幅度最大。

(3)根據實驗得到的顆粒質量流率隨時間的變化曲線，可用于識別斜管內的顆粒輸送流態類型。