FCC環(huán)管進(jìn)料噴嘴對(duì)提升管中氣固流動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響

李志超，王 璐，楊朝合，李春義

（1.中國(guó)石油工程建設(shè)公司華東設(shè)計(jì)分公司，山東 青島266071；2.山東?？苹ぜ瘓F(tuán)有限公司；3.中國(guó)石油大學(xué)（華東））

催化裂化是典型的氣固非均相反應(yīng)，反應(yīng)油氣與固體催化劑之間接觸效果的好壞對(duì)于反應(yīng)產(chǎn)物分布有著重要的影響［1］。隨著對(duì)工程研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)提升管中的流動(dòng)結(jié)構(gòu)是不均勻的，顆粒在軸向上呈現(xiàn)“下濃上稀”的分布，而在徑向上存在明顯的“環(huán)-核”流動(dòng)結(jié)構(gòu)［2］。然而，提升管中這種不均勻的氣固流動(dòng)對(duì)于催化裂化反應(yīng)是不利的，會(huì)導(dǎo)致氣固接觸效率降低。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在研究改善提升管中不均勻流動(dòng)性和促進(jìn)氣固接觸效果方面做了大量工作，歸納起來主要有以下3個(gè)方面［3-6］：①改變提升管中的流態(tài)，使其在適合氣固催化反應(yīng)的流態(tài)下操作，如密相懸浮上升和循環(huán)湍動(dòng)流態(tài)化等；②改變提升管的結(jié)構(gòu)型式，如提升管變徑；③在提升管中加入內(nèi)構(gòu)件，如鈍體內(nèi)構(gòu)件、環(huán)形內(nèi)構(gòu)件等。

催化裂化進(jìn)料噴嘴主要對(duì)原料油進(jìn)行霧化，使其與催化劑進(jìn)行高效的接觸。因此，進(jìn)料噴嘴的結(jié)構(gòu)形式對(duì)于提升管的氣固接觸效果同樣有著重要的影響。本研究在布置了多層進(jìn)氣結(jié)構(gòu)的循環(huán)流化床冷模實(shí)驗(yàn)裝置上，比較采用2種新型提升管進(jìn)料噴嘴時(shí)提升管中的氣固流動(dòng)結(jié)構(gòu)和氣固接觸效率。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

循環(huán)流化床冷模實(shí)驗(yàn)裝置示意見圖1。裝置高10.61m，提升管內(nèi)徑100mm。在提升管標(biāo)高0.80m和3.56m處設(shè)置了兩個(gè)進(jìn)料口。實(shí)驗(yàn)中所用催化劑為典型的催化裂化催化劑，以空氣作為流化氣體。所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均是在表觀氣速為10.4m/s、顆粒循環(huán)量為300kg/（m2·s）的條件下測(cè)得。

圖1 循環(huán)流化床實(shí)驗(yàn)裝置示意

在實(shí)驗(yàn)中，顆粒分布采用中國(guó)科學(xué)研究院過程工程研究所研制的PC6D型顆粒濃度測(cè)量?jī)x測(cè)量，而提升管中的氣體分布則采用CO2示蹤的方法測(cè)定。關(guān)于顆粒分布和氣體分布測(cè)量方法的詳細(xì)介紹，見文獻(xiàn)［7］。

圖2是實(shí)驗(yàn)考察的2種環(huán)管噴嘴的結(jié)構(gòu)示意。2種環(huán)管噴嘴均是安裝在提升管標(biāo)高3.56m的截面位置上。這2種環(huán)管噴嘴外觀相似，直徑均為80mm，最主要的區(qū)別在于8個(gè)噴嘴的布置情況。噴嘴A有2種噴嘴形式，一種指向提升管中心，另外一種垂直于水平面向上。噴嘴B的8個(gè)噴嘴都是沿著環(huán)管切線方向均勻分布，氣體從環(huán)管噴嘴切向噴入提升管邊壁，迫使氣體和顆粒以螺旋上升的方式運(yùn)動(dòng)。

圖2 2種FCC環(huán)管進(jìn)料噴嘴的結(jié)構(gòu)示意

2 結(jié)果與討論

2.1 顆粒分布情況對(duì)比

圖3是使用2種噴嘴時(shí)提升管截面平均顆粒濃度的軸向分布，其中截面平均顆粒濃度是指10個(gè)徑向位置上局部顆粒濃度的平均值［局部顆粒濃度指的是顆粒的體積分率，等于（1-床層孔隙率）］。從圖3可以看出：提升管中的顆粒濃度軸向上呈現(xiàn)“下濃上稀”的指數(shù)型分布，說明噴嘴結(jié)構(gòu)的改變并沒有從根本上改變提升管內(nèi)顆粒的軸向分布趨勢(shì)；在提升管的中部，使用噴嘴B時(shí)的顆粒濃度要高于使用噴嘴A時(shí)，達(dá)到了0.2左右；但隨著提升管高度的增加，兩種情況下提升管中平均顆粒濃度趨于一致，說明進(jìn)料噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)于提升管中顆粒流動(dòng)行為的影響是有限的，在超過一定的高度時(shí)，顆粒的流動(dòng)行為主要由提升管自身結(jié)構(gòu)決定，而與噴嘴結(jié)構(gòu)無關(guān)。

圖3 截面平均顆粒濃度的軸向分布

圖4 局部顆粒濃度的徑向分布

從圖3還可以看出，使用2種噴嘴時(shí)的截面平均顆粒濃度在靠近噴嘴的截面上（標(biāo)高分別為4.06，5.06，6.06m）具有明顯的差別，說明噴嘴的結(jié)構(gòu)對(duì)于顆粒的流動(dòng)行為有著直接的影響。圖4是使用2種噴嘴時(shí)提升管在標(biāo)高4.06，5.06，6.06m3個(gè)截面上的局部顆粒濃度徑向分布情況，橫坐標(biāo)是徑向位置r/R，其中r表示測(cè)量位置的半徑，R表示提升管半徑。從圖4可以看出，使用2種噴嘴時(shí)的局部顆粒濃度有著相似的徑向分布情況，均是呈現(xiàn)中心低、邊壁高的“環(huán)-核”流動(dòng)結(jié)構(gòu)。但總體上看，使用噴嘴B時(shí)的局部顆粒濃度高于使用噴嘴A時(shí)，這與截面平均顆粒濃度的變化趨勢(shì)一致。

2.2 氣體分布情況對(duì)比

圖5是使用2種不同環(huán)管噴嘴時(shí)在提升管標(biāo)高4.06m截面處的示蹤劑相對(duì)濃度徑向分布情況。從圖5可以看出：2種情況下的氣體分布各具特點(diǎn)，且明顯受到噴嘴結(jié)構(gòu)的影響。使用噴嘴A時(shí)示蹤劑徑向濃度分布更均勻。這歸功于其特殊的噴嘴結(jié)構(gòu)形式：指向提升管中心的噴嘴把氣體噴射到提升管中心，而垂直向上的噴嘴則把氣體噴入顆粒濃度較高的邊壁區(qū)，最終隨著氣體擴(kuò)散均勻地分布在整個(gè)截面上。

圖5 2種情況下的氣體分布情況對(duì)比

使用噴嘴B時(shí)的氣體分布呈現(xiàn)中心低、邊壁高的不均勻分布。這是因?yàn)闅怏w在以螺旋上升方式運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，也會(huì)迫使固體顆粒以相同的方式運(yùn)動(dòng)，使得氣體和固體在垂直方向上的速度降低。一方面，由于部分氣體和固體向提升管中心區(qū)移動(dòng)，導(dǎo)致中心區(qū)CO2濃度提高；另一方面，由于較高的顆粒濃度會(huì)產(chǎn)生相對(duì)較高的擴(kuò)散阻力，阻礙了中心區(qū)主流氣體向邊壁擴(kuò)散，因此只有從噴嘴噴射出來的高速氣體才能進(jìn)入靠近邊壁的顆粒濃度較高的區(qū)域。Namkung等［8］也發(fā)現(xiàn)切向旋流的進(jìn)氣方式可以強(qiáng)化提升管中氣體的徑向混合程度，從而使氣固接觸效果提高，與本研究的結(jié)果一致。

2.3 氣固接觸效率

研究結(jié)果表明，提升管中的氣固接觸效率很大程度上取決于氣體分布和顆粒分布的情況［7］。提升管中的氣體傾向于從提升管中心通過，顆粒傾向于在邊壁聚集上升，大部分氣體和固體顆粒得不到充分的接觸，導(dǎo)致反應(yīng)效果不理想。李志超等［7］根據(jù)提升管的顆粒分布和氣體分布情況定義了相對(duì)氣固接觸效率（RCE）和截面平均氣固接觸效率（CCE），可以在一定程度上定量反映提升管中的氣固接觸狀況。本研究計(jì)算2種情況下的氣固接觸效率，并以此為基準(zhǔn)對(duì)比2種噴嘴在氣固接觸方面的優(yōu)劣。

圖6是使用2種噴嘴時(shí)提升管在4.06m截面上RCE的徑向分布情況。整體上看，2種情況下RCE都呈現(xiàn)中心低邊壁高的分布。通過計(jì)算得到2種情況下提升管該截面的CCE分別為19.9和33.8。顯然，使用噴嘴B時(shí)的氣固接觸效率優(yōu)于使用噴嘴A的情況。

圖6 RCE的徑向分布情況

圖7是2種情況下CCE在提升管4.06～6.06m高度的軸向分布情況。由圖7可知，2種情況下，CCE均是隨提升管高度的增加而減小，這與顆粒分布一致，說明其主要受氣固流動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響。

圖7 CCE的軸向分布情況

雖然使用噴嘴A時(shí)的CCE在靠近上進(jìn)料位置的截面低于使用噴嘴B時(shí)，但能在一定的高度內(nèi)維持在20左右，然后才在6.06m截面處降低到12左右。從氣體分布和顆粒分布的分析中已經(jīng)知道，噴嘴A能使氣體均勻分布，而且顆粒濃度在0.16左右，因此CCE能穩(wěn)定在較高的數(shù)值。使用噴嘴B時(shí)，在4.06m截面的CCE高達(dá)33.8，明顯高于使用噴嘴A時(shí)，較高的顆粒濃度和指向性的氣體分布是使其氣固接觸效率較高的主要原因；但到了5.06m和6.06m截面，盡管使用噴嘴B時(shí)的顆粒濃度高于使用噴嘴A時(shí)，但兩者CCE間的差別已經(jīng)不大。這進(jìn)一步說明隨著高度增加，2種情況下的氣固流動(dòng)行為趨向一致，噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)氣固流動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響逐漸減弱，CCE值也逐漸接近。

3 結(jié) 論

（1）進(jìn)料噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)于提升管中顆粒流動(dòng)行為的影響范圍是有限的，在超過一定的距離后，顆粒的流動(dòng)行為主要由提升管的自身結(jié)構(gòu)決定，而與噴嘴結(jié)構(gòu)無關(guān)。總體上看，使用噴嘴B時(shí)，提升管的顆粒濃度高于使用噴嘴A時(shí)。

（2）使用噴嘴A可以在一定范圍內(nèi)使提升管中的氣體分布更加均勻。

（3）從總體上看，使用噴嘴B時(shí)提升管的CCE要高于使用噴嘴A時(shí)，但隨著提升管高度的增加，2種情況下的CCE趨于一致。

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