新型催化裂化提升管進(jìn)料段油、劑兩相混合特性

閆子涵，王釗，陳昇，范怡平，盧春喜

（中國石油大學(xué)（北京）重質(zhì)油國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249）

新型催化裂化提升管進(jìn)料段油、劑兩相混合特性

閆子涵，王釗，陳昇，范怡平，盧春喜

（中國石油大學(xué)（北京）重質(zhì)油國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249）

通過大型冷模實(shí)驗(yàn)，引入射流相對濃度及顆粒相對濃度兩個(gè)新參數(shù)，考察了油劑逆流接觸新型提升管進(jìn)料段內(nèi)的油劑“匹配”狀況。結(jié)果表明，噴嘴向下傾斜的進(jìn)料方式能夠強(qiáng)化油劑初始接觸區(qū)域內(nèi)兩相混合，混合區(qū)高度可縮短約 1/3。根據(jù)進(jìn)料段內(nèi)油劑匹配的特點(diǎn)，可將該新型進(jìn)料段分為油劑初始接觸區(qū)、氣固擴(kuò)散區(qū)和過渡恢復(fù)區(qū)3個(gè)部分。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到了較佳的工況組合，分別為：噴嘴與軸向夾角α=30°，預(yù)提升氣速Ur=4.1 m·s-1，噴嘴氣速 Uj=64.2 m·s-1。結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對新型進(jìn)料段中油劑匹配指數(shù)的軸向分布進(jìn)行了擬合，結(jié)果可為油劑逆流接觸提升管進(jìn)料段的工業(yè)設(shè)計(jì)提供參考。

提升管；進(jìn)料段；兩相流；混合；油劑匹配指數(shù)

引　言

流化催化裂化工藝（FCC）在我國石油加工業(yè)中占有重要的地位，提供了市場上大部分的汽、柴油等高價(jià)值目的產(chǎn)品。提升管反應(yīng)器是催化裂化的核心裝置之一，是進(jìn)行裂化反應(yīng)的主要場所。根據(jù)

2016-03-28收到初稿，2016-05-31收到修改稿。

聯(lián)系人：盧春喜。第一作者：閆子涵（1989—），男，博士研究生。

在進(jìn)料混合段內(nèi)，原料油和催化劑之間的接觸與混合效果將對整個(gè)催化裂化反應(yīng)產(chǎn)生重要的影響［2-4］。該區(qū)域油、劑兩相較為理想的混合狀況是二者實(shí)現(xiàn)快速而均勻的混合，在提升管截面上，油、劑兩相的濃度分布相匹配，且混合后二者以近似“平推流”的形式沿提升管向上運(yùn)動(dòng)。然而，傳統(tǒng)形式提升管進(jìn)料混合段內(nèi)的實(shí)際情況與理想狀況存在一定差異，在進(jìn)料混合段的大部分區(qū)域里，油、劑兩相的濃度分布并不“匹配”，油相濃度相對較高（低）的區(qū)域，劑相濃度卻較?。ǜ撸?；油、劑混合物也并非以“平推流”的形式沿提升管運(yùn)動(dòng)，在某些區(qū)域存在嚴(yán)重的油氣返混，從而增大了油、劑之間反復(fù)接觸的概率，造成結(jié)焦［5-7］。

針對傳統(tǒng)提升管進(jìn)料混合段內(nèi)存在的不足，研究者提出了眾多改進(jìn)方案，采用的手段包括增加內(nèi)構(gòu)件、提升管變徑、改變進(jìn)料方式和噴嘴角度等［8-15］。但大多數(shù)方法都是一些嘗試性探索，部分方案結(jié)構(gòu)復(fù)雜，較難實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。其中，改變進(jìn)料方式和噴嘴安裝角度的方法由于結(jié)構(gòu)相對簡單、易于實(shí)施，近年來受到研究者的關(guān)注。Lomas等［16］提出將原料油噴嘴水平設(shè)置的進(jìn)料方案，促使射流迅速覆蓋提升管截面，實(shí)現(xiàn)原料油與催化劑快速而充分的接觸。然而，該方案需要保證幾組噴嘴在安裝時(shí)完全對稱，以防止射流對提升管內(nèi)壁的沖刷。即使在提升管中心設(shè)置擋板，高速的射流也會(huì)對其造成沖蝕。Mauleon等［17］提出將進(jìn)料噴嘴向下傾斜安裝的設(shè)計(jì)方案，以促進(jìn)催化劑顆粒與原料油均勻而快速的接觸。在此基礎(chǔ)上，Chen等［18］通過理論分析得出，當(dāng)噴嘴射流方向與預(yù)提升主流方向相反時(shí)，射流主流及二次流的方向均朝向提升管中心，從而促進(jìn)原料射流與催化劑顆粒的混合。Yan等［19］結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論模型，進(jìn)一步描述了噴嘴向上和向下傾斜安裝時(shí)射流主流及二次流的發(fā)展趨勢。結(jié)果表明，當(dāng)進(jìn)料噴嘴向下傾斜安裝時(shí)，噴嘴射流將更加迅速地與預(yù)提升主流混合。與此同時(shí)，研究者對油劑逆流接觸提升管進(jìn)料段內(nèi)顆粒相的流動(dòng)特性及射流相的分布特征進(jìn)行了初步研究［20-21］。然而，目前對于不同噴嘴安裝形式的進(jìn)料段內(nèi)油、劑間接觸及匹配情況的研究較為有限，且噴嘴安裝角度及操作條件的影響需要進(jìn)一步深入研究。為此，本文采用大型冷模實(shí)驗(yàn)的方法，研究了油劑逆流接觸提升管進(jìn)料段內(nèi)的油劑匹配情況，探究了噴嘴安裝角度以及操作條件的影響，并與傳統(tǒng)進(jìn)料形式進(jìn)行了對比。

1　實(shí)驗(yàn)裝置及測量方法

1.1實(shí)驗(yàn)裝置及操作參數(shù)

研究中采用的大型冷模實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。其中，提升管為內(nèi)徑186 mm、高11 m的有機(jī)玻璃管。所采用的進(jìn)料段結(jié)構(gòu)如圖2所示，4個(gè)向下傾斜安裝的進(jìn)料噴嘴均布安裝在距氣體分布器以上4.5 m高度處，噴嘴與提升管軸向向上方向的夾角設(shè)為α，為了研究噴嘴安裝角度的影響，本文選取α 為30°、45°和60°。

圖1　實(shí)驗(yàn)裝置Fig. 1　Schematic diagram of experimental apparatus

實(shí)驗(yàn)中，預(yù)提升氣及噴嘴射流均采用常溫空氣。由于條件所限，在實(shí)驗(yàn)室中無法模擬原料油經(jīng)噴嘴噴入到提升管時(shí)迅速汽化的情況，但是考慮到在實(shí)際催化裂化反應(yīng)中汽化的過程極短，通常在毫秒級(jí)時(shí)間內(nèi)完成［22］，因此噴嘴射流也可以使用空氣代替。固體顆粒為催化裂化平衡催化劑，其平均粒徑為79 μm，堆積密度為929 kg·m-3。為滿足工業(yè)裝置的操作條件，實(shí)驗(yàn)中預(yù)提升氣速的變化范圍為2.4～4.1 m·s-1，噴嘴出口射流速度變化范圍為41.8～78.5 m·s-1，從而使得噴嘴射流與預(yù)提升氣流混合后提升管內(nèi)總表觀氣速與工業(yè)條件接近。提升管內(nèi)顆粒循環(huán)強(qiáng)度約為60～100 kg·m-2·s-1。

圖2　進(jìn)料段結(jié)構(gòu)Fig. 2　Schematic diagram of feed injection scheme

實(shí)驗(yàn)中，設(shè)噴嘴安裝位置處為H0，該處以上為正、以下為負(fù)，測量時(shí)所選截面為H-H0= -0.185、0.185、0.375、0.675 m。

1.2測試及數(shù)據(jù)處理方法

本文采用局部射流濃度與局部顆粒濃度之比考察油、劑兩相在提升管進(jìn)料段內(nèi)的接觸情況。在任意位置，射流相對濃度與顆粒相對濃度的數(shù)值越接近，則該截面的油、劑接觸狀況越好。

局部顆粒濃度 ρm使用中國科學(xué)院過程工程研究所開發(fā)的PV-6D型顆粒濃度測量儀進(jìn)行測定［23］。局部射流濃度的測定采用氣體示蹤技術(shù)［24-25］，實(shí)驗(yàn)中，將氦氣脈沖地注入到噴嘴中，使其與噴嘴氣體一起進(jìn)入提升管。氦氣示蹤儀的分析軟件可以得到采樣點(diǎn)處氦氣的平均濃度ci，該濃度值為采樣點(diǎn)氣相中氦氣的濃度，而非氣固混合物中氦氣的濃度。因此，采用ci（1-εp）表示示蹤氣體在氣固混合相中的濃度。其中，εp=ρm/ρp，為局部固含率。此外，為了消除實(shí)驗(yàn)中脈沖示蹤與連續(xù)進(jìn)料差別所帶來的誤差，結(jié)合前人的研究結(jié)果，本文定義射流特征相對濃度 Cj i來表征射流相沿提升管截面的相對分布情況，其表達(dá)式如式（1）所示。

為了與射流相的處理方法相對應(yīng)，定義顆粒相對濃度 Cp i來表示顆粒相沿提升管截面的相對分布情況，如式（2）所示。

當(dāng)任意位置的射流相對濃度 Cj i與顆粒相對濃度 Cp i確定后，二者的比值可以反映該位置油、劑間的匹配情況，為進(jìn)一步定量化描述油、劑混合狀況，引入局部油劑匹配指數(shù)λi，如式（3）所示。由式（3）可以看出，λi的數(shù)值越接近于0，則局部的油、劑匹配程度越好，越有利于二者的接觸及混合。

對任意截面內(nèi)的局部油劑匹配指數(shù)取平均值，即可反映油劑匹配情況沿提升管軸向的變化，將其定義為截面平均油劑匹配指數(shù)λm，表達(dá)式見式（4）。顯然，λm的數(shù)值越小，其所在截面油、劑間的接觸效果越好。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1局部油劑接觸狀況

為了充分反映油、劑間的接觸及匹配情況，將油劑逆流接觸提升管進(jìn)料段內(nèi)各截面的射流相對濃度Cj i、顆粒相對濃度Cp i及局部油劑匹配指數(shù)λi繪制于圖3中。同時(shí)，為了與傳統(tǒng)進(jìn)料形式進(jìn)行比較，將噴嘴向上傾斜安裝進(jìn)料段結(jié)構(gòu)內(nèi)油劑匹配指數(shù)的分布情況繪制于圖4［26］。

2.1.1噴嘴以下0.185 m截面在噴嘴以下0.185 m截面，當(dāng)α為30°及45°時(shí)，在整個(gè)橫截面內(nèi)均可以檢測到示蹤氣體，且射流濃度呈現(xiàn)中心高、邊壁低的分布趨勢，這表明斜向下的噴嘴射流會(huì)迅速擴(kuò)散至提升管中心并與預(yù)提升氣流進(jìn)行混合；當(dāng)α為60°時(shí)，只有在靠近提升管邊壁處可以檢測到少量示蹤氣體，即噴嘴射流并不能覆蓋整個(gè)截面，說明隨著噴嘴與軸向夾角的增大，射流的影響范圍會(huì)隨之減小。在斜向下射流徑向分量的作用下，部分邊壁處的催化劑顆粒被運(yùn)送至提升管中心，因此在該截面顆粒相對濃度沿徑向的變化梯度較小，即顆粒相沿徑向的分布較為均勻。由于氣固相的這一分布特點(diǎn)，使得該截面油劑匹配指數(shù)λi的數(shù)值較小，尤其是在提升管中心區(qū)（r/R=0～0.5）。該區(qū)域（H-H0≈-0.185～0 m）為原料油與催化劑最初始的接觸區(qū)域，較小的油劑匹配指數(shù)意味著油、劑間的接觸效果良好。對于傳統(tǒng)的進(jìn)料段結(jié)構(gòu)，在相應(yīng)的油劑初始接觸區(qū)域內(nèi)（H-H0≈0～0.375 m），提升管中心區(qū)及邊壁區(qū)油劑匹配指數(shù)的數(shù)值都較大，且λi沿徑向存在較大的波動(dòng)。這主要是由于當(dāng)噴嘴向上傾斜進(jìn)料時(shí)，射流不能迅速到達(dá)提升管中心，使得射流相與顆粒相沿截面分布的匹配程度較差，不利于油、劑間的接觸及混合。當(dāng)噴嘴改為向下傾斜進(jìn)料時(shí)，射流更容易覆蓋整個(gè)提升管截面，并促使顆粒沿徑向的分布更為均勻，從而促進(jìn)油、劑間的均勻混合。

圖3　油劑逆流接觸提升管進(jìn)料段內(nèi)油、劑分布及匹配情況Fig. 3　Distributions and matching of oil & catalysts in downward pointed feed injection scheme

圖4　傳統(tǒng)提升管進(jìn)料段內(nèi)油劑匹配指數(shù)分布Fig. 4　Distributions of oil/catalyst matching index in traditional feed injection scheme（Uj=83.3 m·s-1，Ur=3.28 m·s-1）

2.1.2噴嘴以上0.185 m截面在噴嘴以上0.185 m截面，射流相對濃度沿提升管截面呈現(xiàn)中心高、邊壁低的分布特點(diǎn)，且沿徑向的變化梯度較大。與之相反，顆粒相對濃度呈現(xiàn)中心低、邊壁高的分布趨勢，且邊壁區(qū)的顆粒濃度數(shù)值顯著增大。當(dāng)射流相及預(yù)提升氣固混合相共同運(yùn)動(dòng)至進(jìn)料噴嘴附近時(shí)，由于高速噴嘴射流的約束作用，提升管內(nèi)有效流通面積減小，促使氣固混合物集中于提升管中心；隨著噴嘴約束作用的減弱，提升管內(nèi)的自由空間突然增大，射流及催化劑顆粒會(huì)向提升管邊壁擴(kuò)散。由于射流本身較高的氣速以及提升管內(nèi)氣固間曳力的作用，顆粒相的上升速度總是低于氣相的速度，從而使顆粒的運(yùn)動(dòng)總是滯后于氣體。因此，在該截面顆粒相在邊壁區(qū)出現(xiàn)了聚集，而射流相仍集中于提升管中心。這一分布特點(diǎn)對油、劑間的匹配產(chǎn)生了一定不利影響，使得靠近邊壁處的λi數(shù)值顯著增大，在后續(xù)工作中，應(yīng)該進(jìn)一步采取措施進(jìn)行優(yōu)化。在傳統(tǒng)進(jìn)料段結(jié)構(gòu)中，類似的現(xiàn)象同樣存在，但二者的成因不盡相同。從圖4中可以看出，在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的H-H0=0.675 m截面，局部油劑匹配指數(shù)在提升管邊壁區(qū)的數(shù)值較大，該截面處于二次流影響最為嚴(yán)重的區(qū)域，邊壁區(qū)的顆粒在二次流影響下形成嚴(yán)重的返混和聚集，從而使得油劑匹配效果較差。

對于噴嘴向下傾斜的情形，當(dāng)噴嘴與提升管軸向夾角α為30°時(shí)，大部分催化劑顆粒尚未擴(kuò)散至提升管邊壁，因此顆粒相對濃度及局部油劑匹配指數(shù)的最大值出現(xiàn)在 r/R≈0.8位置。隨著α的增大，顆粒相將更容易擴(kuò)散至提升管邊壁并在邊壁處聚集，因此當(dāng)采用噴嘴向下傾斜的進(jìn)料方式時(shí)，進(jìn)料噴嘴與提升管軸向的夾角不宜過大，在本文實(shí)驗(yàn)條件下，選取α=30°較為合適。

2.1.3噴嘴以上 0.375、0.675 m 截面在H-H0=0.375 m截面，射流相對濃度的分布隨著α的不同呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。當(dāng)α為30°時(shí)，射流濃度仍然呈現(xiàn)中心高、邊壁低的分布趨勢；當(dāng)α為45°時(shí)，提升管邊壁處的射流濃度略大于中心區(qū)；而當(dāng)α為60°時(shí)，射流相對濃度的最大值出現(xiàn)在 r/R≈0.25～0.5區(qū)域。這也進(jìn)一步表明射流相在與預(yù)提升氣流混合的同時(shí)會(huì)向提升管邊壁擴(kuò)散，而后逐漸與預(yù)提升主流混合均勻，且噴嘴與提升管軸向的夾角越大，射流相越容易擴(kuò)散至提升管邊壁。在噴嘴以上0.675 m截面，射流相對濃度沿提升管截面的分布較為均勻，中心處的濃度略大于邊壁處，與提升管內(nèi)典型的氣相分布類似，表明噴嘴射流與預(yù)提升主流基本混合均勻。

從圖3中可以看出，隨著噴嘴射流影響的逐漸減弱，顆粒相的分布逐漸恢復(fù)為提升管內(nèi)典型的環(huán)核結(jié)構(gòu)。與此同時(shí)，由于射流相及顆粒相的分布都趨于穩(wěn)定，局部油劑匹配指數(shù)沿徑向的分布也趨于均勻。在噴嘴以上0.675 m截面，顆粒相及射流相的分布均恢復(fù)為提升管內(nèi)的典型分布特征，表明油、劑間已經(jīng)基本完成混合。而對于傳統(tǒng)進(jìn)料段結(jié)構(gòu)，在噴嘴以上1.075～1.375 m截面，油劑匹配指數(shù)沿徑向的分布才趨于均勻。這表明，采用油劑逆流接觸的進(jìn)料方式將使噴嘴以上射流的影響范圍明顯縮短，從而促進(jìn)油、劑間的快速混合。

2.2油劑接觸情況沿軸向的分布

圖5所示為傳統(tǒng)及不同噴嘴安裝角度的新型提升管進(jìn)料段結(jié)構(gòu)中截面平均油劑匹配指數(shù)沿軸向的分布情況。從圖中可以看出，在進(jìn)料混合段的大部分區(qū)域，油劑逆流接觸結(jié)構(gòu)中平均劑油匹配指數(shù)λm的數(shù)值均小于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的數(shù)值，尤其是在油劑初始接觸區(qū)域（噴嘴向上傾斜時(shí)為 H-H0≈0～0.375 m，噴嘴向下傾斜時(shí)為H-H0≈-0.185～0 m）。這表明噴嘴向下傾斜的進(jìn)料方式將有效提高進(jìn)料混合段內(nèi)油、劑間的匹配程度，從而促進(jìn)原料油與催化劑實(shí)現(xiàn)高效的混合及反應(yīng)。

圖5　截面平均油劑匹配指數(shù)沿軸向的分布情況Fig. 5　Axial distributions of average oil/catalyst matching index

在油劑逆流接觸進(jìn)料段結(jié)構(gòu)中，由于噴嘴附近存在顆粒相與射流相分布不匹配的區(qū)域，使得該區(qū)平均油劑匹配指數(shù)有所增大。隨著噴嘴射流的影響逐漸減弱，截面平均油劑匹配指數(shù)隨之減小。當(dāng)噴嘴射流與催化劑顆粒及預(yù)提升氣流充分混合后，提升管內(nèi)的截面平均劑油匹配指數(shù)將基本維持穩(wěn)定。從圖5可以看出，對于噴嘴向下傾斜的情形，在噴嘴以上約0.6 m以后，λm的數(shù)值基本不再發(fā)生變化，表明射流相、預(yù)提升相及顆粒相已經(jīng)充分混合，在該情形下，油、劑的混合區(qū)域約為H-H0≈-0.2～0.6 m；而對于噴嘴向上傾斜的情形，在H-H0〉1.1m以后截面平均劑油匹配指數(shù)才趨于穩(wěn)定，油、劑混合區(qū)域約為H-H0≈0～1.2 m。這表明，采用噴嘴向下傾斜的進(jìn)料段結(jié)構(gòu)可使油、劑的混合區(qū)域縮短約1/3，從而促進(jìn)原料油與催化劑顆粒的混合。

通過以上分析可以得出油劑逆流接觸的提升管進(jìn)料段結(jié)構(gòu)主要有以下優(yōu)勢：① 在油、劑的初始接觸區(qū)域，射流相將很快覆蓋整個(gè)提升管截面，同時(shí)，在斜向下射流的作用下，顆粒相沿提升管徑向的分布變得更為均勻，使得該區(qū)域的油劑匹配程度較好，有利于原料油與催化劑間的均勻混合；② 當(dāng)噴嘴向下傾斜安裝時(shí)，油、劑的混合區(qū)高度明顯縮短，從而促使原料油與催化劑實(shí)現(xiàn)更加快速、高效的混合。

綜合上述分析結(jié)果，圖3給出了油劑逆流接觸提升管進(jìn)料段內(nèi)顆粒相、射流相的分布及流動(dòng)。根據(jù)局部及整體油劑匹配情況的特點(diǎn)，可以將噴嘴向下傾斜進(jìn)料方式的油、劑混合過程分為3個(gè)部分，分別是：油劑初始接觸區(qū)（H-H0≈-0.185～0 m），氣固擴(kuò)散區(qū)（H-H0≈0～0.375 m）以及過渡恢復(fù)區(qū)（H-H0≈0.375～0.675 m）。在油劑初始接觸區(qū)內(nèi)，原料油迅速擴(kuò)散至提升管中心并與催化劑顆粒混合；在氣固擴(kuò)散區(qū)內(nèi)，受噴嘴射流的影響，射流相及顆粒相朝向提升管邊壁擴(kuò)散，并出現(xiàn)了一定的油劑分布不匹配區(qū)域；在過渡恢復(fù)區(qū)內(nèi)，噴嘴射流的影響逐漸減弱，原料油逐漸與催化劑顆粒及預(yù)提升氣混合均勻。

2.3操作條件的影響

圖6　預(yù)提升氣速對截面平均油劑匹配指數(shù)的影響Fig. 6　Effect of prelift gas velocity on average oil/catalyst matching index（Uj=64.2 m·s-1）

2.3.1預(yù)提升氣速的影響圖6所示是噴嘴氣速Uj相同時(shí)，預(yù)提升氣速Ur變化對油劑逆流接觸提升管進(jìn)料段內(nèi)油劑匹配指數(shù)軸向分布的影響。從圖中可以看出，預(yù)提升氣速對油劑匹配指數(shù)的影響主要體現(xiàn)在氣固擴(kuò)散區(qū)內(nèi)。當(dāng)預(yù)提升氣速較小時(shí)，油劑匹配指數(shù)的數(shù)值較大，不利于油劑混合，隨著預(yù)提升氣速的增大，油劑匹配指數(shù)明顯減小，將會(huì)促進(jìn)油劑間的接觸及混合。這主要是因?yàn)轭A(yù)提升氣速較低時(shí)，高速噴嘴射流的影響更為顯著，造成該區(qū)域內(nèi)氣固的擴(kuò)散過程更加不匹配，從而影響油、劑間的接觸效果。因此，當(dāng)采用噴嘴向下傾斜的進(jìn)料方式時(shí)，應(yīng)當(dāng)在操作條件范圍內(nèi)適當(dāng)提高預(yù)提升氣速，以獲得更好的油劑匹配效果。在本文實(shí)驗(yàn)條件下，較優(yōu)的預(yù)提升氣速為Ur=4.1 m·s-1。

2.3.2噴嘴氣速的影響噴嘴氣速對油劑匹配指數(shù)沿軸向分布的影響如圖7所示。從圖中可以看出，在油劑初始接觸區(qū)內(nèi)，噴嘴氣速Uj為41.8 m·s-1和64.2 m·s-1時(shí)，油劑匹配指數(shù)的數(shù)值差別不大，當(dāng)噴嘴氣速較高時(shí)（Uj=78.5 m·s-1），油劑匹配指數(shù)有所增大；在氣固擴(kuò)散區(qū)和恢復(fù)過渡區(qū)內(nèi)，噴嘴氣速對油劑匹配指數(shù)的影響不明顯，但隨著噴嘴氣速的提高，油劑匹配指數(shù)略有增大。因此，在油劑逆流接觸提升管進(jìn)料段中，為了獲得更好的油劑接觸效果，噴嘴出口氣速不應(yīng)過高。在本文實(shí)驗(yàn)條件下，較適宜的噴嘴氣速為Ur=64.2 m·s-1。

圖7　噴嘴氣速對截面平均油劑匹配指數(shù)的影響Fig. 7 Effect of jet gas velocity on average oil/catalyst matching index（Ur=3.5 m·s-1）

2.4截面平均油劑匹配指數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)

在本文提出的油劑逆流接觸提升管進(jìn)料段結(jié)構(gòu)中，氣、固相的分布特征及油、劑間的匹配情況與傳統(tǒng)進(jìn)料段結(jié)構(gòu)都有較大差異。綜合考慮各種影響因素，對油劑逆流接觸提升管進(jìn)料段中油劑匹配指數(shù)沿軸向的分布情況進(jìn)行了回歸，用以反映該新型進(jìn)料段結(jié)構(gòu)內(nèi)油、劑的匹配情況。

在進(jìn)料混合段內(nèi)，固含率的軸向分布主要受到提升管內(nèi)表觀氣速Uf，系統(tǒng)循環(huán)強(qiáng)度Gs，提升管直徑D，催化劑顆粒密度ρp，氣相密度ρg，催化劑平均粒徑dp，射流相與預(yù)提升混合相動(dòng)量比K以及量綱1軸向位置H/D等因素的影響。將各參數(shù)量綱1化后可得到如下形式［20］

其中，Reap=Gsdp/μ，為顆粒 Reynolds數(shù)；Reag=UfDρg/μ，為氣相Reynolds數(shù)。

因此，截面平均油劑匹配指數(shù)可表示為

根據(jù)油劑逆流接觸進(jìn)料混合段內(nèi) λm的分布特征，對油劑混合過程3個(gè)軸向區(qū)域內(nèi)的油劑匹配指數(shù)分別進(jìn)行了回歸，得到如下結(jié)果。

油劑初始接觸區(qū)（H-H0≈-D～0）

式（8）～式（10）計(jì)算所得結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值的對比如圖8所示，二者吻合較好，平均相對誤差處于工程允許范圍內(nèi)，可為油劑逆流接觸新型提升管進(jìn)料段結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。

3　結(jié)　論

（1）與傳統(tǒng)提升管進(jìn)料段相比，采用噴嘴向下傾斜的進(jìn)料方式可以顯著提高油劑初始接觸區(qū)域油、劑間的匹配效果，有利于原料油與催化劑間的均勻混合。與此同時(shí)，油、劑的混合區(qū)高度可縮短約 1/3，從而促使原料油與催化劑實(shí)現(xiàn)更加快速、高效的混合。

（2）根據(jù)局部及整體油劑匹配情況的特點(diǎn)，可以將油劑逆流接觸進(jìn)料段內(nèi)的油、劑混合過程分為3個(gè)階段，分別是油劑初始接觸區(qū)、氣固擴(kuò)散區(qū)、過渡恢復(fù)區(qū)。

（3）為了獲得更好的油劑匹配效果，采用噴嘴向下傾斜的進(jìn)料方式時(shí)，原料油噴嘴與提升管軸向的夾角不宜過大，在操作條件范圍內(nèi)應(yīng)適當(dāng)提高預(yù)提升氣速，不宜采取較高的噴嘴氣速。在本文實(shí)驗(yàn)條件下，較優(yōu)的組合為：噴嘴與軸向夾角α=30°，預(yù)提升氣速Ur=4.1 m·s-1，噴嘴氣速Uj=64.2 m·s-1。

圖8　計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的對比Fig. 8　Comparison between calculated data and experimental data

（4）綜合考慮各影響因素，對油劑逆流接觸提升管進(jìn)料段中油劑匹配指數(shù)沿軸向的分布情況進(jìn)行了經(jīng)驗(yàn)回歸，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值吻合較好，結(jié)果可為油劑逆流接觸新型提升管進(jìn)料段結(jié)構(gòu)的工業(yè)設(shè)計(jì)提供參考。

符號(hào)說明

A——提升管橫截面積，m2

Cj——射流相對濃度

Cp——顆粒相對濃度

c——采樣點(diǎn)處氦氣濃度

D——提升管直徑，m

Gs——顆粒循環(huán)強(qiáng)度，kg·m-2·s-1

H——軸向高度，m

H0——噴嘴入射高度，m

K——噴嘴射流與預(yù)提升動(dòng)量比

Qj——噴嘴射流流量，m3·h-1

Qr——預(yù)提升氣量，m3·h-1

Uf——提升管內(nèi)表觀氣速，m·s-1

Uj——噴嘴出口氣速，m·s-1

Ur——預(yù)提升氣速，m·s-1

α——噴嘴與提升管軸向夾角，（°）

εp——局部固含率

λ——局部油劑匹配指數(shù)

λm——截面平舉油劑匹配指數(shù)

μ——?dú)怏w運(yùn)動(dòng)黏度，Pa·s

ρg——?dú)怏w密度，kg·m-3

ρm——局部顆粒濃度，kg·m-3

ρp——顆粒密度，kg·m-3

下角標(biāo)

i——測量點(diǎn)

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M atching between oil and catalyst in new scheme of FCC feed injection

YAN Zihan， WANG Zhao， CHEN Sheng， FAN Yiping， LU Chunxi
（State Key Laboratory of Heavy Oil， China University of Petroleum， Beijing 102249， China）

The matching between oil and catalyst in a downward pointed feed injection scheme was investigated in a large scale model cold riser. Two new parameters were introduced as relative concentration of feed jets and that of catalyst particles， which an oil/catalyst matching index was calculated from the concentration distributions of feed jets and catalyst particles. Experimental results showed that the downward pointed feed injection quickly covered the whole cross section of the riser and significantly shortened the m ixing height of oil and catalysts such that the feed oil and the catalyst particles could contact rapidly and uniform ly. According to axial distributions of the oil/catalyst matching index， the feed segment under the proposed new scheme of feed injection were divided into three regions， i.e. the initial contact region， the gas-solid diffusion region and the recovery region. A better matching between oil and catalyst could be obtained through a lower nozzle setting angle α， a higher prelift gas velocity Urand a moderate jet gas velocity Uj. The optimal operating condition was Ur=4.1 m·s-1， Uj=64.2 m·s-1and α=30°. Furthermore， the simulation of axial distribution of the average oil/catalysts matching index were performed by combination w ith experimental data， which could certainly provide some guidance for the design of downward pointed feed injection scheme.

riser； feed injection zone； two-phase flow； mixing； oil/catalyst matching index

date: 2016-03-28.

LU Chunxi， lcx725@sina.com

supported by the National Basic Research Program of China （2012CB215000）.

TQ 016

A

0438—1157（2016）08—3304—09

10.11949/j.issn.0438-1157.20160351

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2012CB215000）。其在反應(yīng)過程中的不同作用，通?？蓪⒄麄€(gè)提升管反應(yīng)器由下至上分為預(yù)提升段、進(jìn)料混合段、充分反應(yīng)段以及出口快速分離區(qū)4部分［1］。在預(yù)提升段內(nèi)，預(yù)提升蒸汽從提升管底部進(jìn)入，與再生斜管引入的催化劑混合并攜帶催化劑顆粒群向上運(yùn)動(dòng)；當(dāng)?shù)竭_(dá)進(jìn)料混合段時(shí)，催化劑顆粒與霧化噴嘴噴入的原料油混合、接觸并迅速開始反應(yīng)；在充分反應(yīng)段，油、劑混合物邊向上運(yùn)動(dòng)邊繼續(xù)進(jìn)行裂化反應(yīng)；最終，在末端出口快分系統(tǒng)的作用下實(shí)現(xiàn)油氣與催化劑的快速分離。