提升管反應器介尺度結構影響規律的數值模擬研究

石孝剛，王成秀，高金森，藍興英

（中國石油大學（北京） 重質油國家重點實驗室，北京 102249）

引 言

提升管反應器由于其高效的多相間接觸效率而廣泛應用于石油化工、煤化工、生物質轉化等工業過程[1-2]。提升管反應器內的流動和反應過程十分復雜且高度耦合，多相之間及多相與提升管反應器結構的復雜相互作用，使得顆粒會在反應器局部聚集形成聚團[3]，這是一種典型的非均勻的介尺度結構，對提升管的多相流動、傳熱、傳質與化學反應具有重要的影響[4]。對介尺度結構的影響進行深入分析，有助于為提升管反應器的設計、優化操作提供重要的基礎信息。

實驗方法難以實時、全面而高效地測量提升管反應器高度耦合的物理與化學過程[5]。基于計算流體力學（CFD）的數值模擬方法是一種研究多相反應體系的有效工具。傳統針對提升管反應器多相流動-反應耦合過程的模擬普遍采用基于均勻流態化發展而來的平均化處理的歐拉雙流體模型，未充分考慮到提升管的顆粒聚團結構特性[6]。而前人的研究結果表明，顆粒聚團對反應結果的影響至關重要。Yin 等[7]研究了循環流化床提升管內催化劑顆粒聚團對甲烷蒸汽重整過程的影響，結果表明，孤立單顆粒的催化重整反應速率明顯高于顆粒聚團中顆粒的重整反應速率。Wang等[8]采用耦合甲烷水蒸氣重整耦合反應動力學的方法，研究了顆粒聚團對甲烷水蒸氣重整反應的影響，結果表明，顆粒聚團的重整反應速率小于單顆粒上的反應速率，且聚團中產物隨操作溫度和入口氣速的增加而增加，隨反應器壓力和進料蒸汽的增加而減少。……