鼓泡床反應器多相流CFD建模及流場研究

陳 博，楊 濤

(中國石油化工股份有限公司大連石油化工研究院，遼寧 大連 116045)

減壓渣油是石油煉制過程中餾分最重、雜質含量最高、最難以加工的桶底油[1]。隨著原油重質化、劣質化的不斷加劇，減壓渣油的性質也不斷劣化。為解決減壓渣油加氫處理反應過程中催化劑床層結焦堵塞的問題，需要采用新的反應器形式。漿態床催化劑具有較小的粒徑，可以隨著減壓渣油一起流動，因而不會發生催化劑床層堵塞等問題，更適用于減壓渣油臨氫熱裂化[2]。漿態床反應器可采用類似鼓泡床反應器的形式，通過液體自身流動帶動反應器內部流體循環，從而達到延長停留時間、提高傳質效率和增加反應深度的目的[3]。然而復雜的反應器內部循環與反應進程存在相互耦合作用，需要理論工具對其進行模擬計算，才能充分反應反應器內部的多相流動現象。因此，本文針對鼓泡床反應器渣油臨氫熱裂化體系建立了基于歐拉法的多相反應CFD模型，系統考察了鼓泡床反應器內部的流場動態演化規律，為反應器設計和內部流場考察提供了指導。

1 模型建立

1.1 流體力學模型

鼓泡床反應器中，氫氣以氣泡形式上升運動采用歐拉法進行模擬；催化劑顆粒粒徑較小，其流動狀態可采用Granular歐拉法模擬。

多相歐拉法的連續性方程為：

N-S方程為：

氣相與液相、氣相與固相相互作用采用Schiller-Naumann模型：

液固作用采用Syamlal-O'Brien模型：

1.2 網格劃分

圖1 鼓泡床反應器網格

CFD模型的關鍵在于網格劃分質量。網格通過ICEM軟件進行結構性劃分，各分塊示意圖如圖X所示。利用分塊劃分網格的方法，可以保證網格質量。從圖1中可以看出，漿態床反應器的網格質量非常良好，可以充分保證多相流計算的準確性和收斂性。

1.3 反應動力學模型

渣油的組成十分復雜，根據質譜分析，其分子量分布構成就多達數十萬至數百萬種[4]。在反應動力學計算，尤其是CFD流體力學模擬過程中，無法設計、擬合復雜的反應網絡，因此必須采用集總模型對其進行簡化。根據渣油反應過程中產品切割標準，可以將渣油組分劃分為VR(Vacuum Residue)、VGO(Vacuum Gasoil)、Diesel、Gasoline、Gases和Coke。渣油的臨氫熱裂化反應動力學模型采用6集總動力學模型反應動力學網絡如圖2所示。

圖2 渣油臨氫熱裂化反應動力學網絡

反應動力學速率由阿倫尼烏斯公式計算

(5)

反應動力學參數見表1。

通過分析活化能可以發現，渣油的轉化反應隨著溫度提高速率上升較快，但初始速率較低，因而渣油向VGO的轉化以熱裂化為主，需要在高溫下進行；渣油生焦的反應速率較低，但活化能低、溫度升高時反應速率上升迅速，說明高溫下渣油組分更易生焦，這與渣油反應轉化規律一致。

表1 反應動力學常數

2 結果與討論

2.1 反應器相含率分布

鼓泡床反應器中，影響反應最顯著的因素是反應器的相含率分布。圖3為反應器中液含率分布的動態變化規律。可以發現，隨著時間的進行，反應器中的液相逐漸上升，最后在反應器中形成循環流動。

鼓泡床反應器的氣相相含率分布如圖4所示。通過對比圖3和圖4可以發現，鼓泡床反應器內由于氣液同時進入反應器，二者的流場動態變化規律有一定一致性。這種現象是由于反應器內氣泡處于均勻分散狀態，不會形成柱塞流等非理想流動狀態，因而氣泡可以被液體夾帶移動，使二者流場動態變化規律較為接近。

圖3 鼓泡床反應器液體相含率分布

Fig.3 Distributions of gas phase fraction in the reactor

圖4 鼓泡床反應器液體相含率分布

2.2 反應器速度分布

圖5為反應器內氣速與液速分布的對比。從圖5中可以發現，在液相界面之上，氣體具有較大流速，這是由于氣相空間中氣體較低的粘度使其受到較小的阻力，因而氣體可以在氣相空間中快速移動。

由于氣泡被液體夾帶，其受到的曳力遠大于重力和氣泡自身的浮力，因而氣液混相區域，氣體和液體的速度分布較為一致，這與之前的結論相符。

圖5 速度分布對比

Fig.5 Velocity distributions in the reactor

2.3 反應器流動特點

鼓泡床反應器的流動特點為中心向上、邊壁向下。但本研究中，鼓泡床反應器具有液相采出口，因而造成其內部流動必然存在非對稱性。圖6對比了反應器流動初始狀態下流場特點和運行317 s后的流場流動特點。可以發現，在流體流動初期，由于上升流體并未接觸非對稱的液相采出口取余，因而其流場呈現對稱的中心向上、邊壁向下的流動形式，這與景點的鼓泡床反應器一致；然而隨著內部流動趨向于穩定，進出反應器的流量相平衡，此時反應器內部的流動變為了逆時針環流。

圖6 反應器流動特點

Fig.6 Streamlines of the reactor flows

這種現象說明在具有側面液相采出口的鼓泡床反應器中，由于反應器非對稱的特點，必然造成反應器內部流場呈現一定的不對稱性。但從停留時間角度考量，進入反應器中的流體都將經歷向上和向下流動，因而從宏觀角度來講，反應器中的物流停留時間并未發生顯著改變。但出于工程角度考慮，鼓泡床反應器應增加內構件等幫助糾正改善流場，減少非對稱性可能造成的影響。

2.4 渣油轉化反應與流場耦合作用

圖7 流場、反應耦合效應

鼓泡床反應器中渣油的轉化效果與相含率分布、速度分布、組分濃度分布密切相關。圖7考察了反應器內液相相含率、渣油組分濃度、液相速度分布對渣油轉化反應速率的影響。

從圖7中可以發現，液相相含率高、渣油組分濃度較高的區域，渣油轉化反應速率更高。此外，對比反應器中液相速度分布與渣油反應速率分布的關系可以發現，液相速度較高的區域并不一定對應反應劇烈的區域。這是由于反應進行需要一定時間，而當反應發生后，由于液體流動的關系，體現出的轉化速率并不一定和該處的速度分布相關聯。

結合圖7(a～d)可以發現，鼓泡床反應器內的流場與反應速率具有較強的關聯特性。利用該性質，可在冷模反應器中考察流場，進而推斷反應器內可能的反應構造，提高實驗結果的適用范圍。同時，通過本文建立的渣油臨氫熱裂化鼓泡床反應器模型，可以有效的對反應器內流場與反應耦合作用進行考察，進而指導實際反應器設計過程。

3 結論

本研究建立了多相流鼓泡床反應器的反應模型。該模型通過嵌入渣油臨氫熱裂化反應動力學模型，系統考察了反應器內的流場特點、相含率分布、速度分布和流場-反應耦合特性。研究結果表明，在氣體以氣泡形式充分分散在反應器內部時，氣液兩相的流場分布具有一致性；由于反應器液相出口破壞了反應器的對稱性，隨著內部流體的運動，反應器內流場從初始的對稱狀態逐漸轉變為整體環流，但對停留時間幾乎無影響。對流場-反應耦合作用的考察表明，鼓泡床反應器中流場分布與反應速率分布具有一定的一致性，可通過流場推測反應進程和反應效果，進而指導反應器和工藝設計。