催化裂化提升管進(jìn)料混合區(qū)內(nèi)固含率的動(dòng)態(tài)特征及聚團(tuán)行為

閆子涵，范怡平，盧春喜，徐春明

中國(guó)石油大學(xué)(北京)化學(xué)工程與環(huán)境學(xué)院重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249

*通信作者, lcx725@sina.com, xcm@cup.edu.cn

收稿日期: 2019-07-25博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目(2019M650962)以及中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(2462018YJRC016)聯(lián)合資助

0 前言

催化裂化是煉油工業(yè)中重要的二次加工過程，提供了我國(guó)市場(chǎng)70%以上的汽油和約30%的柴油產(chǎn)品。在現(xiàn)代的催化裂化裝置中，提升管反應(yīng)器是進(jìn)行裂化反應(yīng)的主要場(chǎng)所，高價(jià)值的目的產(chǎn)品如汽油、柴油、液化氣等均是在其內(nèi)獲得[1]。根據(jù)其功能和氣固流動(dòng)特征，通常將整個(gè)提升管反應(yīng)器分為4個(gè)部分，由底部至頂部分別為預(yù)提升區(qū)、進(jìn)料混合區(qū)、充分反應(yīng)區(qū)、出口快分區(qū)。其中的進(jìn)料混合段是原料油與催化劑顆粒最初始的接觸反應(yīng)區(qū)，研究表明約50%的裂化反應(yīng)是在該區(qū)域完成的[2]。因此，該區(qū)域內(nèi)原料油和催化劑之間的接觸及混合效果將直接影響整個(gè)裂化反應(yīng)的進(jìn)程。在進(jìn)料混合段內(nèi)，油、劑兩相較為理想的接觸及混合應(yīng)具備以下幾個(gè)主要方面的要求：(1)油、劑之間實(shí)現(xiàn)快速、均勻地接觸及混合，噴嘴射流能夠迅速覆蓋整個(gè)提升管截面并與催化劑顆粒充分接觸，從而使霧化的原料油迅速汽化，并與催化劑發(fā)生反應(yīng)。(2)射流相與催化劑顆粒的濃度、速度分布相“匹配”，以保證油、劑間實(shí)現(xiàn)充分接觸，提高反應(yīng)效率。(3)在油、劑的初始接觸階段，二者應(yīng)以更接近全混流的狀態(tài)在提升管內(nèi)混合，實(shí)現(xiàn)快速而充分地接觸；而后油、劑混合物應(yīng)以近似平推流的形式沿提升管向上運(yùn)動(dòng)，避免因返混而造成的過裂化。(4)在反應(yīng)過程中，若能保證每一個(gè)汽化的原料油霧滴周圍都均勻地分布著數(shù)個(gè)催化劑顆粒，則油、劑間的反應(yīng)可達(dá)到最佳效果。因此，在油、劑接觸過程中的每一個(gè)瞬時(shí)，催化劑顆粒應(yīng)以“濃散式”顆粒相狀態(tài)，而非聚團(tuán)或稀相分散狀態(tài)與原料油接觸。近年來，針對(duì)提升管進(jìn)料混合區(qū)的相關(guān)研究表明，傳統(tǒng)提升管進(jìn)料混合段內(nèi)的實(shí)際情況與理想狀況存在較大的差別，主要體現(xiàn)為：在進(jìn)料混合段的大部分區(qū)域里，油、劑兩相的接觸及混合狀況并不理想，原料油與催化劑顆粒在提升管截面上的濃度分布并不“匹配”，油相濃度相對(duì)較高(低)的區(qū)域，劑相濃度卻較稀(高)；油、劑混合物也并非以“活塞流”的形式向上運(yùn)動(dòng)，催化劑顆粒在提升管近壁區(qū)域較為濃集，呈環(huán)—核結(jié)構(gòu)；在某些區(qū)域存在著較為嚴(yán)重的油汽返混，也增大了油、劑之間反復(fù)接觸的幾率，造成較為嚴(yán)重的結(jié)焦[3-6]。

針對(duì)提升管進(jìn)料混合段內(nèi)存在的不足，國(guó)內(nèi)外許多科研院所、石油公司提出了多種改進(jìn)方案，以期使上述兩個(gè)問題得到改善。常見的方法包括增加內(nèi)構(gòu)件、提升管變徑、改變噴嘴安裝方式和角度等[7-12]，但由于該區(qū)域內(nèi)流動(dòng)狀況非常復(fù)雜，影響因素眾多，多數(shù)方案都沒有建立在對(duì)傳統(tǒng)進(jìn)料段內(nèi)氣固兩相流動(dòng)特性進(jìn)行詳盡研究的基礎(chǔ)上。其中，改變噴嘴射流與預(yù)提升催化劑流的接觸方式，如將噴嘴由向上傾斜安裝改為水平或向下傾斜安裝的方法，可以簡(jiǎn)單有效地提高進(jìn)料混合段內(nèi)油、劑的接觸及混合效果[13]。YAN等[14-15]通過初步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析了油劑逆流接觸進(jìn)料結(jié)構(gòu)中的氣固混合及分布特征，表明其具有良好的效果。然而，以往的研究主要采用“時(shí)間平均數(shù)”的方法獲得測(cè)量參數(shù)的時(shí)均分布結(jié)果，因而難以有效反應(yīng)進(jìn)料混合區(qū)內(nèi)顆粒聚團(tuán)等動(dòng)態(tài)參數(shù)的特征。

顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象是快速流化床和提升管(輸送床)內(nèi)氣固兩相流動(dòng)的典型特征，顆粒團(tuán)聚物的時(shí)空特征將對(duì)氣固兩相在提升管內(nèi)軸徑向的分布及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、傳質(zhì)、傳熱等產(chǎn)生重要影響[16-18]。因此，提升管進(jìn)料混合段內(nèi)的顆粒聚團(tuán)行為將對(duì)裂化反應(yīng)進(jìn)程及產(chǎn)品分布產(chǎn)生直接影響，有必要對(duì)其進(jìn)行深入研究。早期的研究表明[19-20]，提升管內(nèi)的團(tuán)聚物與局部顆粒濃度之間存在較強(qiáng)的相關(guān)性，團(tuán)聚物的形態(tài)隨軸、徑向位置的變化有顯著差異，根據(jù)局部瞬時(shí)顆粒濃度的時(shí)間序列信號(hào)，可以較為有效地鑒別提升管內(nèi)的顆粒聚團(tuán)。為此，本文在一套大型冷模實(shí)驗(yàn)裝置中，通過分析顆粒濃度動(dòng)態(tài)特征，對(duì)不同形式進(jìn)料混合段內(nèi)(油劑并流和逆流接觸)的顆粒聚團(tuán)行為進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及進(jìn)料段結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)在一套大型冷模循環(huán)流化床實(shí)驗(yàn)裝置中進(jìn)行，圖1為裝置示意圖。其中，提升管內(nèi)徑Ф186 mm，裝置總高14 000 mm。

本文主要研究油劑并流接觸(噴嘴向上傾斜)和油劑逆流接觸(噴嘴向下傾斜)兩種進(jìn)料混合段結(jié)構(gòu)內(nèi)的顆粒聚團(tuán)行為，圖2所示為進(jìn)料段部分的結(jié)構(gòu)示意圖。為方便對(duì)比，兩種結(jié)構(gòu)中噴嘴與軸向的夾角均設(shè)為30o。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置流程圖Fig. 1 Experimental setup

1.2 實(shí)驗(yàn)介質(zhì)

實(shí)驗(yàn)中的固體顆粒采用典型的FCC平衡劑，該顆粒為Geldart-A類顆粒，平均粒徑為79 μm，顆粒密度為1200 kg/m3，堆積密度為930 kg/m3。預(yù)提升氣體介質(zhì)為常溫空氣。受冷模實(shí)驗(yàn)條件所限，噴嘴射流采用常溫空氣，由于實(shí)際工業(yè)反應(yīng)中原料油的汽化時(shí)間極短(約為0.2 s)[21]，因此在冷模實(shí)驗(yàn)中忽略了該過程。

1.3 實(shí)驗(yàn)儀器及測(cè)試方法

提升管內(nèi)局部顆粒濃度的測(cè)定采用中國(guó)科學(xué)院過程所開發(fā)的PV-6D型光纖顆粒濃度測(cè)量?jī)x，其原理如圖3所示[22]。測(cè)量顆粒濃度時(shí)，由光源發(fā)出的光經(jīng)光纖照射到顆粒群，反射光被另外一束光纖接收后被轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)的強(qiáng)度與輸入光信號(hào)的強(qiáng)度成正比，放大后的電壓信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換以及計(jì)算機(jī)的處理可以得出顆粒的濃度值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 提升管進(jìn)料混合段內(nèi)顆粒濃度的動(dòng)態(tài)特征

實(shí)驗(yàn)中，光纖探頭的采樣頻率為50 kHz，采樣時(shí)間為3 s。在每個(gè)軸向測(cè)量截面分布有6個(gè)徑向測(cè)點(diǎn)，分別為r/R=0，0.25，0.5，0.7，0.8 & 0.95。結(jié)合范怡平等[23]以及閆子涵等[24]在油劑并流和逆流接觸進(jìn)料結(jié)構(gòu)內(nèi)獲得的顆粒濃度、速度時(shí)均分布特征，在進(jìn)料段內(nèi)不同的混合區(qū)域分別選取典型截面，用以反映顆粒濃度時(shí)間序列信號(hào)的動(dòng)態(tài)特征。其中，噴嘴所在截面用H0表示，測(cè)量截面用H表示。為方便對(duì)比，在油劑并流和逆流接觸兩種結(jié)構(gòu)中選用相同的操作條件，即預(yù)提升氣速Ur為3.5 m/s，噴嘴出口射流速度Uj為64.2 m/s，提升管內(nèi)顆粒循環(huán)強(qiáng)度Gs為98.5 kg/(m2·s)。

圖2 提升管進(jìn)料段結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Sketch of the feed injection schemes

圖3 PV-6D光纖顆粒濃度測(cè)量?jī)x工作原理示意圖Fig. 3 Sketch of the measuring principle of PV-6D

2.1.1 油劑并流接觸進(jìn)料結(jié)構(gòu)

(1)噴嘴以上0.375 m截面(主射流影響區(qū))

圖4(a)～(f)所示是噴嘴以上0.375 m截面各徑向位置的顆粒濃度時(shí)間序列特征。從圖中可以看出，在該區(qū)域內(nèi)，瞬時(shí)顆粒濃度存在一定程度的波動(dòng)，且提升管中心區(qū)和邊壁區(qū)的波動(dòng)程度略大。在r/R≈0.5～0.8的徑向位置，會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)固含率為零的情況。在該截面，射流的主流并沒有完全擴(kuò)散至提升管中心[25]，在主射流中心附近，高速射流難以與催化劑顆粒充分混合，因而部分時(shí)刻只有氣相通過光纖探頭，所測(cè)得的瞬時(shí)固含率為零。由于射流相與顆粒相尚未充分混合，在未被主射流占據(jù)的徑向位置(邊壁區(qū)和中心區(qū))出現(xiàn)了一定的顆粒聚集，導(dǎo)致這一區(qū)域瞬時(shí)顆粒濃度的波動(dòng)有所增加。

(2)噴嘴以上0.675 m截面(二次流影響區(qū))

噴嘴以上0.675 m截面各徑向位置的顆粒濃度時(shí)間序列特征如圖5(a)～(f)所示。由圖可見，該截面各徑向位置處的瞬時(shí)顆粒濃度都存在較大的波動(dòng)，尤其是在靠近提升管邊壁的區(qū)域。此外，瞬時(shí)固含率為零出現(xiàn)的幾率也大大增加，且在靠近提升管中心區(qū)較為明顯。在該截面，噴嘴射流的主流已經(jīng)擴(kuò)散至提升管中心，且多股射流在中心處匯聚，因此中心區(qū)氣相出現(xiàn)的幾率大大增加，表明噴嘴射流與催化劑顆粒在此處并不能充分混合。范怡平等[26]的研究表明，該截面是受二次流影響最為嚴(yán)重的區(qū)域，在二次流的影響下，大量的催化劑顆粒被攜帶至提升管邊壁，受高速射流的影響，不斷地有顆粒被帶入或帶出，因此靠近邊壁處瞬時(shí)顆粒濃度的波動(dòng)極大。

圖4 噴嘴以上0.375 m截面的固含率時(shí)間序列信號(hào)Fig. 4 Fluctuations of solids hold-up at 0.375 m above the nozzles

圖5 噴嘴以上0.675 m截面的固含率時(shí)間序列信號(hào)Fig. 5 Fluctuations of solids hold-up at 0.675 m above the nozzles

(3)噴嘴以上1.075 m截面(混合發(fā)展區(qū))

圖6(a)～(f)所示是噴嘴以上1.075 m截面各徑向位置的顆粒濃度時(shí)間序列特征。從圖6可以看出，在該截面，氣相(瞬時(shí)固含率為零)出現(xiàn)的幾率大大減小，表明氣、固間的混合較為充分。由于顆粒相的濃度在提升管內(nèi)呈現(xiàn)邊壁高、中心低的分布趨勢(shì)，因此該截面邊壁區(qū)的瞬時(shí)顆粒濃度數(shù)值偏大，且波動(dòng)較大。這也表明射流的影響在逐漸減小，提升管內(nèi)的流動(dòng)逐漸恢復(fù)為穩(wěn)定的“環(huán)—核結(jié)構(gòu)”。

2.1.2 油劑逆流接觸進(jìn)料結(jié)構(gòu)

(1)噴嘴以下0.185 m截面(油劑初始接觸區(qū))

圖7(a)～(f)所示是噴嘴以下0.185 m截面各徑向位置的顆粒濃度時(shí)間序列特征。從圖中可以看出，在噴嘴以下0.185 m截面，各徑向位置瞬時(shí)固含率的波動(dòng)均不大，都在平均值附近變化。在各測(cè)點(diǎn)處，基本沒有出現(xiàn)瞬時(shí)固含率為零的情況。該截面位于噴嘴向下傾斜進(jìn)料段結(jié)構(gòu)中射流與催化劑的初始接觸區(qū)，顆粒濃度時(shí)間序列信號(hào)的這一特征表明該區(qū)域油、劑間的混合較為均勻，原料油能在短時(shí)間內(nèi)與大量催化劑顆粒充分接觸。

(2)噴嘴以上0.185 m截面(氣固擴(kuò)散區(qū))

噴嘴以上0.185 m截面各徑向位置的顆粒濃度時(shí)間序列特征如圖8(a)～(f)所示。從圖中可以看出，在氣固擴(kuò)散區(qū)內(nèi)，靠近提升管中心區(qū)的固含率平均值較低，但存在一定的波動(dòng)。在靠近邊壁的r/R≈0.8位置，固含率的平均值明顯增大，波動(dòng)也相對(duì)較大，表明在該截面大量的顆粒相擴(kuò)散至該徑向位置，與時(shí)均固含率沿徑向分布的結(jié)果一致[24]。

(3)噴嘴以上0.675 m截面(過渡恢復(fù)區(qū))

圖9(a)～(f)所示是噴嘴以上0.675 m截面各徑向位置的顆粒濃度時(shí)間序列特征。在過渡恢復(fù)區(qū)內(nèi)，提升管中心區(qū)的固含率平均值較低，波動(dòng)也較小；靠近邊壁處的固含率平均值較高，波動(dòng)相對(duì)較大。這一特征與提升管內(nèi)典型的顆粒濃度時(shí)間序列特征近似[27]，表明在該截面噴嘴射流的影響已經(jīng)較弱，提升管內(nèi)的流動(dòng)逐漸恢復(fù)為穩(wěn)定的“環(huán)—核結(jié)構(gòu)”。

2.2 提升管進(jìn)料混合段內(nèi)的顆粒聚團(tuán)特征

提升管內(nèi)顆粒濃度的瞬時(shí)時(shí)間序列信號(hào)可以充分反映固體顆粒的團(tuán)聚、解體、運(yùn)動(dòng)狀況等顆粒動(dòng)力學(xué)特征。因此，許多研究者利用顆粒濃度的瞬時(shí)信號(hào)來確定提升管內(nèi)的顆粒聚團(tuán)行為。Soong等[28]提出了根據(jù)顆粒濃度(固含率)信號(hào)判斷聚團(tuán)的標(biāo)準(zhǔn)，并指出聚團(tuán)內(nèi)部的顆粒濃度會(huì)顯著高于該位置的時(shí)均顆粒濃度，通常可用如下表達(dá)式描述：

εpi為瞬時(shí)固含率在采樣時(shí)間內(nèi)的時(shí)均值，n為εpcr高于σ(εpi)的倍數(shù)；σ(εpi)為顆粒濃度在采樣時(shí)間段內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

圖6 噴嘴以上1.075 m截面的固含率時(shí)間序列信號(hào)Fig. 6 Fluctuations of solids hold-up at 1.075 m above the nozzles

由式1可見，n值的選取將會(huì)直接影響聚團(tuán)的分析結(jié)果。為此，Manyele等[29]采用敏感分析法來確定n值。隨著n值增大，聚團(tuán)的時(shí)間分率Fc(聚團(tuán)時(shí)間分率=聚團(tuán)出現(xiàn)時(shí)間/采樣時(shí)間)必然隨之減小，當(dāng)顆粒處于“散式相”和“聚團(tuán)相”兩種不同的狀態(tài)時(shí)，n隨Fc的變化梯度不同，因此在Fc-n曲線中，斜率出現(xiàn)突變的位置可以作為n的取值。

圖8 噴嘴以上0.185 m截面的固含率時(shí)間序列信號(hào)Fig. 8 Fluctuations of solids hold-up at 0.185 m above the nozzles

基于上述方法，對(duì)2.1節(jié)所得的顆粒濃度動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得到提升管進(jìn)料混合段內(nèi)的顆粒聚團(tuán)特征，采用如式2所示的聚團(tuán)時(shí)間分率Fc對(duì)顆粒聚團(tuán)特征進(jìn)行描述。

式中，T為采樣時(shí)間，s；Tc為采樣時(shí)間內(nèi)顆粒聚團(tuán)的持續(xù)時(shí)間，s。

圖10和圖11所示分別為油劑并流和逆流接觸進(jìn)料結(jié)構(gòu)內(nèi)聚團(tuán)時(shí)間分率的分布情況。對(duì)比圖10 和圖11可以看出，油劑并流接觸進(jìn)料結(jié)構(gòu)內(nèi)的聚團(tuán)時(shí)間分率總體上要高于油劑逆流接觸結(jié)構(gòu)內(nèi)的數(shù)值，尤其是在靠近提升管邊壁的區(qū)域。當(dāng)噴嘴斜向上傾斜時(shí)，在射流影響區(qū)域內(nèi)(噴嘴以上0.185～0.675 m)，顆粒聚團(tuán)時(shí)間分率與噴嘴以上1.075 m截面(混合發(fā)展區(qū))相比均顯著提高，表明斜向上的噴嘴射流將加劇提升管內(nèi)顆粒聚團(tuán)的形成，不利于油劑間的混合及反應(yīng)。而噴嘴改為向下傾斜時(shí)，油劑初始接觸區(qū)域內(nèi)(H-H0=-0.185 m)的聚團(tuán)時(shí)間分率與過渡恢復(fù)區(qū)(HH0=0.675 m)相比有所降低，表明斜向下的噴嘴射流將抑制提升管內(nèi)顆粒聚團(tuán)的形成，聚團(tuán)時(shí)間分率的降低意味著以散式顆粒相狀態(tài)與射流接觸的催化劑比例增加，這對(duì)于油、劑間的反應(yīng)是十分有利的。

圖9 噴嘴以上0.675 m截面的固含率時(shí)間序列信號(hào)Fig. 9 Fluctuations of solids hold-up at 0.675 m above the nozzles

圖10 油劑并流接觸進(jìn)料結(jié)構(gòu)內(nèi)聚團(tuán)時(shí)間分率分布Fig. 10 The time fraction of clusters in the concurrent feed injection structure

圖11 油劑逆流接觸進(jìn)料結(jié)構(gòu)內(nèi)聚團(tuán)時(shí)間分率分布Fig. 11 The time fraction of clusters in the counter-current feed injection structure

3 結(jié)論

本文在一套大型冷模實(shí)驗(yàn)裝置中，采用PV-6D型光纖顆粒濃度測(cè)量?jī)x獲得了提升管進(jìn)料混合區(qū)內(nèi)的固含率時(shí)間序列信號(hào)，并對(duì)比了油劑并流和逆流接觸兩種條件下的結(jié)果，以此為基礎(chǔ)獲得了進(jìn)料混合段內(nèi)的聚團(tuán)時(shí)間分率分布特征。得到以下主要結(jié)論：

(1)油劑并流接觸時(shí)，主射流影響區(qū)和二次流影響區(qū)內(nèi)的瞬時(shí)固含率存在較大波動(dòng)，尤其是在靠近提升管邊壁的區(qū)域，表明射流二次流對(duì)該區(qū)域的氣固流動(dòng)產(chǎn)生較大影響。

(2)油劑逆流接觸時(shí)，進(jìn)料混合區(qū)各徑向位置瞬時(shí)固含率的波動(dòng)均不大，都在平均值附近變化，表明油劑間的混合較為均勻，原料射流容易與催化劑顆粒充分接觸。

(3)油劑并流接觸時(shí)，射流影響區(qū)內(nèi)的聚團(tuán)時(shí)間分率較高；與之相反，油劑逆流接觸時(shí)，聚團(tuán)相的時(shí)間分率顯著降低，意味著以散式顆粒狀態(tài)與射流接觸的催化劑比例增加，有利于提高油劑間的接觸和反應(yīng)效率。