短接觸旋流反應器混合腔內離散顆粒分布特性的模擬*

王振波 張玉春 徐春明

(中國石油大學重質油國家重點實驗室)

借鑒催化蒸餾工藝，設想在催化裂化工藝中將反應過程與分離過程相結合，在反應器中同時進行超短接觸反應和反應產物的實時快速分離[1]，以期解決現有提升管反應器氣固分布不均勻、較嚴重的返混及催化劑結焦失活等問題[2～4]。在這一思想的推動下，在旋風分離器基礎上研究開發的新型短接觸旋流反應器應運而生。

為深入了解和掌握新型短接觸旋流反應器內氣、固兩相湍流流動的機理性行為，為旋流反應器的改進和優化提供理論依據，筆者采用離散顆粒方法(Discrete Particle Model，DPM)，利用計算流體力學軟件(CFD)對短接觸旋流反應器內湍流氣固兩相流動狀況進行數值模擬，分析不同粒徑顆粒在反應器內的流動特點。

1 數值模擬

1.1湍流模型

筆者采用的是RNGk-ε湍流模型[5～7]。該模型中k和ε的輸運方程分別為：

(1)

(2)

1.2顆粒相模型

筆者采用隨機軌道模型模擬反應器內的兩相流動[9]，其顆粒運動方程為：

(3)

(4)

(5)

1.3模擬對象和計算參數設定

圖1為反應器的結構示意圖，在混合腔內與再生催化劑混合、流動、傳熱和反應，經過導向葉片加速作用后，油氣和催化劑在離心力作用下最終分離。圖2為網格劃分結果，網格劃分遵循結構化網格優于非結構化網格的原則[10～12]，只在切向進氣管與混合腔采用非結構化網格，最終劃分26萬網格，且經過網格無關性驗證。建立坐標系如圖1所示，圓點取在混合腔頂部中心位置。

圖1 短接觸旋流反應器結構示意圖

圖2 短接觸旋流反應器網格

介質物性：氣相采用常溫下的空氣，固相催化劑密度為2 000kg/m3，中位粒徑為60μm。入口邊界條件：在進口處，將顆粒群按初始尺寸分組，使不同的顆粒從入口截面上均勻分布射入反應器，顆粒的初始速度為2.5m/s，氣體的入口速度為5.0m/s。

根據反應器壁面軸向位置的不同，分別設定不同的碰撞系數，在混合腔取碰撞系數為1.00，環形空間為0.95，分離空間為0.85，錐體段為0.60，灰斗壁面為0.30；當顆粒運動到排氣口邊界時，從出口逃逸，此時停止對顆粒的跟蹤，設置為escape；當顆粒運動到料腿捕集口時，被壁面捕集，此時也停止對顆粒的跟蹤，設置為trap。

2 計算結果及分析

2.1模擬結果準確性驗證

筆者對比分離腔z=400mm截面的切向速度vt、軸向速度va的計算值與實驗值(圖3)，驗證模擬結果的準確性。實驗采用智能型七孔球探針測試儀測量旋流反應器內各點速度，在每個測點位置測量10次后取平均值。由圖3可以看出實驗值與模擬值吻合較好，說明模擬結果能夠有效預測反應器內的氣、固流動情況。

a. 切向速度

b. 軸向速度圖3 z=400mm截面速度模擬值與實驗值對比

2.2混合腔氣相速度分布

圖4為混合腔不同截面氣相三維速度隨徑向位置的變化曲線。由圖4a可以看出，軸向速度基本呈雙W形分布，各截面趨勢基本相同，并且隨著混合腔軸向下移梯度逐漸減小，在徑向r=±120mm和r=±50mm處向下運動的速度出現兩個峰值，且靠近混合腔壁面位置處速度最大，約為1.5m/s，在r=±75mm處速度最小。由于混合腔頂部的兩股切向進氣，由圖4b可以看到混合腔內切向速度明顯高于軸、徑向速度，邊壁附近最高值達6.0m/s，切向進氣呈現“駝峰”狀分布，且各截面的差別較小，即在混合腔內形成了一定強度的旋轉氣流。徑向速度值最小且規律性最不明顯，局部渦和旋轉氣流作用使得徑向速度分布最復雜，各截面的速度方向不完全相同，但基本都存在一個速度為零的臨界位置點。

a. 軸向速度

b. 切向速度

c.徑向速度圖4 混合腔不同截面氣相三維速度的變化曲線

2.3較小粒徑催化劑顆粒濃度分布

由于30μm以下顆粒所占比例僅為10%左右，筆者將30μm以下顆粒當做較小粒徑顆粒處理，顆粒的粒徑分布采用Rosin-Rammler分布模擬，最小粒徑為1μm，最大粒徑為30μm，中位粒徑為20μm，分布指數為3。圖5是具有代表性的混合腔內不同時刻顆粒的分布情況。由圖5a可見混合腔內的顆粒由于受到頂部切向進氣的沖擊攜帶作用，有由豎直流動變為順切向氣流方向旋轉流動的趨勢。由圖5b可見顆粒在混合腔內螺旋向下運動，顆粒向邊壁聚集，邊壁濃度高于中心濃度。大約在0.25s時顆粒已基本占據了整個混合腔空間，且部分顆粒開始進入下部的分離空間，即完成了與油氣的超短接觸反應過程。

圖5 混合腔內不同時刻較小粒徑顆粒濃度分布

另外，由圖5還可以發現，軸向進料管內顆粒濃度較高，入射顆粒在此處聚集碰撞回轉往復，沒有立刻進入混合腔而停留時間較長，出現這種情況可能是由于混合腔頂部的切向進氣形成旋轉氣流層，使進料管內的顆粒受到氣流屏蔽而不能立即進入混合腔內。

2.4較大粒徑催化劑顆粒濃度分布

為考察大粒徑顆粒的流動情況，根據實際催化劑物性，并考慮到計算精度與計算量，最終確定將顆粒劃分為50、70、100μm進行計算(圖6)。由于此時顆粒與前面計算中相比粒徑較大，顆粒受到氣流攜帶的作用并不明顯，由圖6a可見進入混合腔后由于空間的增大顆粒擴散并逐漸下行，0.2s時在兩個進料口底部出現了顆粒竄流返混現象，這是由進料口末端存在壓力梯度引起的。流動過程中在重力場和旋流場的作用下貼近壁面，出現了少量顆粒聚集的螺旋線，顆粒分布的不均勻程度隨著時間的增加而有所改善，顆粒在混合腔內逐漸擴散開來，約0.25s后開始進入下部區域。

圖6 混合腔內不同時刻較大粒徑顆粒濃度分布

3 結論

3.1混合腔內軸向與徑向速度梯度較大，分布較為復雜，而由于切向高速射流的影響，切向速度呈“駝峰”狀分布，且各截面差別較小。

3.21～30μm顆粒易受氣流的攜帶作用，在混合腔內順氣流方向旋轉擴散，充滿整個混合區域且逐漸螺旋下行，而50、70、100μm顆粒由于粒徑相對較大，不易被氣流夾帶，在混合腔內的流動更為復雜。

3.3不同粒徑的顆粒入射后經過0.25s左右離開混合腔。

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