鼓泡床反應(yīng)器多相流CFD建模及流場(chǎng)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(zhì)含量最高、最難以加工的桶底油[1]。隨著原油重質(zhì)化、劣質(zhì)化的不斷加劇，減壓渣油的性質(zhì)也不斷劣化。為解決減壓渣油加氫處理反應(yīng)過程中催化劑床層結(jié)焦堵塞的問題，需要采用新的反應(yīng)器形式。漿態(tài)床催化劑具有較小的粒徑，可以隨著減壓渣油一起流動(dòng)，因而不會(huì)發(fā)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(tài)床反應(yīng)器可采用類似鼓泡床反應(yīng)器的形式，通過液體自身流動(dòng)帶動(dòng)反應(yīng)器內(nèi)部流體循環(huán)，從而達(dá)到延長停留時(shí)間、提高傳質(zhì)效率和增加反應(yīng)深度的目的[3]。然而復(fù)雜的反應(yīng)器內(nèi)部循環(huán)與反應(yīng)進(jìn)程存在相互耦合作用，需要理論工具對(duì)其進(jìn)行模擬計(jì)算，才能充分反應(yīng)反應(yīng)器內(nèi)部的多相流動(dòng)現(xiàn)象。因此，本文針對(duì)鼓泡床反應(yīng)器渣油臨氫熱裂化體系建立了基于歐拉法的多相反應(yīng)CFD模型，系統(tǒng)考察了鼓泡床反應(yīng)器內(nèi)部的流場(chǎng)動(dòng)態(tài)演化規(guī)律，為反應(yīng)器設(shè)計(jì)和內(nèi)部流場(chǎng)考察提供了指導(dǎo)。

1 模型建立

1.1 流體力學(xué)模型

鼓泡床反應(yīng)器中，氫氣以氣泡形式上升運(yùn)動(dòng)采用歐拉法進(jìn)行模擬；催化劑顆粒粒徑較小，其流動(dòng)狀態(tài)可采用Granular歐拉法模擬。

多相歐拉法的連續(xù)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(wǎng)格劃分

圖1 鼓泡床反應(yīng)器網(wǎng)格

CFD模型的關(guān)鍵在于網(wǎng)格劃分質(zhì)量。網(wǎng)格通過ICEM軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)性劃分，各分塊示意圖如圖X所示。利用分塊劃分網(wǎng)格的方法，可以保證網(wǎng)格質(zhì)量。從圖1中可以看出，漿態(tài)床反應(yīng)器的網(wǎng)格質(zhì)量非常良好，可以充分保證多相流計(jì)算的準(zhǔn)確性和收斂性。

1.3 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型

渣油的組成十分復(fù)雜，根據(jù)質(zhì)譜分析，其分子量分布構(gòu)成就多達(dá)數(shù)十萬至數(shù)百萬種[4]。在反應(yīng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算，尤其是CFD流體力學(xué)模擬過程中，無法設(shè)計(jì)、擬合復(fù)雜的反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，因此必須采用集總模型對(duì)其進(jìn)行簡化。根據(jù)渣油反應(yīng)過程中產(chǎn)品切割標(biāo)準(zhǔn)，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(yīng)動(dòng)力學(xué)模型采用6集總動(dòng)力學(xué)模型反應(yīng)動(dòng)力學(xué)網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

圖2 渣油臨氫熱裂化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)網(wǎng)絡(luò)

反應(yīng)動(dòng)力學(xué)速率由阿倫尼烏斯公式計(jì)算

(5)

反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)見表1。

通過分析活化能可以發(fā)現(xiàn)，渣油的轉(zhuǎn)化反應(yīng)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(zhuǎn)化以熱裂化為主，需要在高溫下進(jìn)行；渣油生焦的反應(yīng)速率較低，但活化能低、溫度升高時(shí)反應(yīng)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(yīng)轉(zhuǎn)化規(guī)律一致。

表1 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)器相含率分布

鼓泡床反應(yīng)器中，影響反應(yīng)最顯著的因素是反應(yīng)器的相含率分布。圖3為反應(yīng)器中液含率分布的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間的進(jìn)行，反應(yīng)器中的液相逐漸上升，最后在反應(yīng)器中形成循環(huán)流動(dòng)。

鼓泡床反應(yīng)器的氣相相含率分布如圖4所示。通過對(duì)比圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn)，鼓泡床反應(yīng)器內(nèi)由于氣液同時(shí)進(jìn)入反應(yīng)器，二者的流場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化規(guī)律有一定一致性。這種現(xiàn)象是由于反應(yīng)器內(nèi)氣泡處于均勻分散狀態(tài)，不會(huì)形成柱塞流等非理想流動(dòng)狀態(tài)，因而氣泡可以被液體夾帶移動(dòng)，使二者流場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化規(guī)律較為接近。

圖3 鼓泡床反應(yīng)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(yīng)器液體相含率分布

2.2 反應(yīng)器速度分布

圖5為反應(yīng)器內(nèi)氣速與液速分布的對(duì)比。從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，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(dòng)。

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

圖5 速度分布對(duì)比

Fig.5 Velocity distributions in the reactor

2.3 反應(yīng)器流動(dòng)特點(diǎn)

鼓泡床反應(yīng)器的流動(dòng)特點(diǎn)為中心向上、邊壁向下。但本研究中，鼓泡床反應(yīng)器具有液相采出口，因而造成其內(nèi)部流動(dòng)必然存在非對(duì)稱性。圖6對(duì)比了反應(yīng)器流動(dòng)初始狀態(tài)下流場(chǎng)特點(diǎn)和運(yùn)行317 s后的流場(chǎng)流動(dòng)特點(diǎn)。可以發(fā)現(xiàn)，在流體流動(dòng)初期，由于上升流體并未接觸非對(duì)稱的液相采出口取余，因而其流場(chǎng)呈現(xiàn)對(duì)稱的中心向上、邊壁向下的流動(dòng)形式，這與景點(diǎn)的鼓泡床反應(yīng)器一致；然而隨著內(nèi)部流動(dòng)趨向于穩(wěn)定，進(jìn)出反應(yīng)器的流量相平衡，此時(shí)反應(yīng)器內(nèi)部的流動(dòng)變?yōu)榱四鏁r(shí)針環(huán)流。

圖6 反應(yīng)器流動(dòng)特點(diǎn)

Fig.6 Streamlines of the reactor flows

這種現(xiàn)象說明在具有側(cè)面液相采出口的鼓泡床反應(yīng)器中，由于反應(yīng)器非對(duì)稱的特點(diǎn)，必然造成反應(yīng)器內(nèi)部流場(chǎng)呈現(xiàn)一定的不對(duì)稱性。但從停留時(shí)間角度考量，進(jìn)入反應(yīng)器中的流體都將經(jīng)歷向上和向下流動(dòng)，因而從宏觀角度來講，反應(yīng)器中的物流停留時(shí)間并未發(fā)生顯著改變。但出于工程角度考慮，鼓泡床反應(yīng)器應(yīng)增加內(nèi)構(gòu)件等幫助糾正改善流場(chǎng)，減少非對(duì)稱性可能造成的影響。

2.4 渣油轉(zhuǎn)化反應(yīng)與流場(chǎng)耦合作用

圖7 流場(chǎng)、反應(yīng)耦合效應(yīng)

鼓泡床反應(yīng)器中渣油的轉(zhuǎn)化效果與相含率分布、速度分布、組分濃度分布密切相關(guān)。圖7考察了反應(yīng)器內(nèi)液相相含率、渣油組分濃度、液相速度分布對(duì)渣油轉(zhuǎn)化反應(yīng)速率的影響。

從圖7中可以發(fā)現(xiàn)，液相相含率高、渣油組分濃度較高的區(qū)域，渣油轉(zhuǎn)化反應(yīng)速率更高。此外，對(duì)比反應(yīng)器中液相速度分布與渣油反應(yīng)速率分布的關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，液相速度較高的區(qū)域并不一定對(duì)應(yīng)反應(yīng)劇烈的區(qū)域。這是由于反應(yīng)進(jìn)行需要一定時(shí)間，而當(dāng)反應(yīng)發(fā)生后，由于液體流動(dòng)的關(guān)系，體現(xiàn)出的轉(zhuǎn)化速率并不一定和該處的速度分布相關(guān)聯(lián)。

結(jié)合圖7(a～d)可以發(fā)現(xiàn)，鼓泡床反應(yīng)器內(nèi)的流場(chǎng)與反應(yīng)速率具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)特性。利用該性質(zhì)，可在冷模反應(yīng)器中考察流場(chǎng)，進(jìn)而推斷反應(yīng)器內(nèi)可能的反應(yīng)構(gòu)造，提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的適用范圍。同時(shí)，通過本文建立的渣油臨氫熱裂化鼓泡床反應(yīng)器模型，可以有效的對(duì)反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)與反應(yīng)耦合作用進(jìn)行考察，進(jìn)而指導(dǎo)實(shí)際反應(yīng)器設(shè)計(jì)過程。

3 結(jié)論

本研究建立了多相流鼓泡床反應(yīng)器的反應(yīng)模型。該模型通過嵌入渣油臨氫熱裂化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，系統(tǒng)考察了反應(yīng)器內(nèi)的流場(chǎng)特點(diǎn)、相含率分布、速度分布和流場(chǎng)-反應(yīng)耦合特性。研究結(jié)果表明，在氣體以氣泡形式充分分散在反應(yīng)器內(nèi)部時(shí)，氣液兩相的流場(chǎng)分布具有一致性；由于反應(yīng)器液相出口破壞了反應(yīng)器的對(duì)稱性，隨著內(nèi)部流體的運(yùn)動(dòng)，反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)從初始的對(duì)稱狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檎w環(huán)流，但對(duì)停留時(shí)間幾乎無影響。對(duì)流場(chǎng)-反應(yīng)耦合作用的考察表明，鼓泡床反應(yīng)器中流場(chǎng)分布與反應(yīng)速率分布具有一定的一致性，可通過流場(chǎng)推測(cè)反應(yīng)進(jìn)程和反應(yīng)效果，進(jìn)而指導(dǎo)反應(yīng)器和工藝設(shè)計(jì)。