基于EMMS模型的大型催化裂化裝置再生器氣固分布數值模擬

劉雅寧，魯波娜，盧利強，陳飛國，葛蔚，吳雷，王韶華，李靜海

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基于EMMS模型的大型催化裂化裝置再生器氣固分布數值模擬

劉雅寧1，魯波娜1，盧利強1，陳飛國1，葛蔚1，吳雷2，王韶華2，李靜海1

（1中國科學院過程工程研究所多相復雜系統國家重點實驗室，北京 100190；2中國石化工程建設有限公司，北京100101）

大型催化裂化裝置中再生器的規模龐大，其中的氣固分布裝置對整體性能有重要影響。與傳統的冷模實驗相比，對再生器整體和氣固分布器局部的多尺度計算機模擬有利于更深入地了解其流動規律，高效便捷地考察不同結構設計與操作條件對氣固分布的影響，輔助其優化設計。結合雙流體模型和EMMS曳力模型，首先模擬了中石化現有3.5 Mt·a-1大規模清潔汽油生產裝置的再生反應器，進而模擬并分析了基于同一工藝設計的7 Mt·a-1超大規模再生反應器內不同氣體和固體分布器對流動與混合過程的影響。模擬結果表明：3環較2環分布器能有效改善氣體分布的均勻性，但增加每個環上的氣體入口數對其分布的改善有限；而對固體分布器，開孔率減小可增加其阻力，并在一定程度上改善混合性能。進一步討論了研究分布環噴口處的氣固流動與混合細節的必要性，初步展示了基于EMMS模型的離散顆粒模擬方法（EMMS-DPM）對其的有效性。

EMMS模型；EMMS-DPM；催化裂化再生器；氣體分布器；固體分布器；混合

引 言

催化裂化（fluid catalytic cracking, FCC）是由重質油生產輕質油品的主要工藝，在我國其份額高達80%[1-4]。其生產裝置的大型化是提高煉油效益、改善油品質量的重要途徑，因此對大型催化裂化裝置的深入研究與優化設計在石化行業一直備受關注。大型FCC裝置中，失活催化劑的再生過程在再生器內進行，其中的關鍵部件氣體分布環及固體分布器的設計對整個裝置中氣固兩相的均布、系統穩定性及能耗等至關重要。目前已對這些關鍵組件進行了一些實驗探索和理論分析[5-6]。

隨著計算機技術和計算流體力學(computational fluid dynamics, CFD)的快速發展，數值模擬被越來越多地應用于反應器內的流場分析，并以此指導反應器的結構設計。巫春連等[7]對泡罩氣體分布器的壓降特性進行了單相CFD模擬，系統研究了各項參數對塔內氣體分布不均勻度及阻力等指標的影響。王偉文等[8]也采用單相CFD方法計算了雙錐導流式進氣分布器，優化了導流槽的位置和尺寸。Li等[9]采用雙流體模型和多氣泡簇MUSIG模型計算了5種四管氣體分布器中分布管位置對動力學特性、氣含率及混合性能的影響。Akbari等[10]采用耦合群平衡模型的歐拉雙流體模型模擬了孔排分布器對流動形態的影響。Bahadori等[11]采用假定的氣泡尺寸研究了通氣孔數對含氣率及速度分布的影響。

作為典型的氣固系統，再生器內的流場也存在典型的多尺度稀密相結構[12]，但迄今大部分模擬沒有考慮網格內非均勻結構的影響，從而導致顯著的計算誤差[13]。近年來EMMS模型與雙流體模型的結合為改進氣固兩相流模擬提供了一條有效途徑。Yang等[14-15]和肖海濤等[16]嘗試將兩者結合時，假設稀密相加速度相同并基于整體的操作參數計算網格內的結構特征，已能明顯改進雙流體模型的精度。之后Wang等[17]認為稀密兩相加速度差異很大，需分別表征，并采用兩步法確定網格內的結構參數，即介觀結構相關的動態參數，如曳力系數和各相的局部慣性力大小，還需局部的空隙率、速度等信息來決定。Wang等[18]進一步分析了稀密兩相中的虛擬質量力，得到了稀密相加速度之間的關系，避免了之前EMMS模型對難以確定的最大空隙率max的敏感性。隨著這些改進，EMMS模型在氣固兩相流模擬中的應用也逐步擴大。對于催化裂化裝置的模擬，Lu等[19-20]以此得到了與裝置運行數據吻合良好的結果。

本文將在上述工作基礎上，針對中石化3.5和7 Mt·a-1催化裂化裝置的再生器，采用EMMS模型和商用CFD軟件對氣固分布器操作的穩定性、均勻性、壓降及混合特性等評價指標進行定量分析與比較，為其優化設計提供依據和參考。

1 計算模型

采用歐拉-歐拉模型模擬反應器內的氣固流動過程，以FLUENTò6.3作為求解器，氣固多流體模型作為基本控制方程，固相應力采用顆粒動理論封閉，顆粒溫度方程選用代數形式求解，模型的具體表達及動力學方程可參見FLUENTò6.3的幫助文檔。氣固相間作用力僅考慮曳力，但FLUENT中原有的曳力模型未考慮網格內非均勻結構的顯著影響，為此引入了基于EMMS模型的修正系數d，具體方式如下。

對再生器整體計算，因其主要運行在鼓泡流化狀態，d由EMMS/bubbling模型[21-22]提供。針對本文涉及的物性及操作條件，可簡化為如下的具體表達式

其中

對本文第5節的固相分布器模擬，為了直接獲得兩相加減速過程的信息，采用Wang等[18]基于虛擬質量力分析的修正方式

其中，根據相應的計算條件，d的簡化表達式為

2 模擬對象及參數

模擬對象為大規模清潔汽油催化裂化裝置中的再生器，其內良好的氣固分布及充分混合是裝置穩定運行的重要保證，也是模擬將探討的主要內容。模擬的3.5 Mt·a-1再生器總高約50 m，直徑逾17 m，內部含有復雜的氣固分布裝置，第一再生器（一再）中含有環形氣體分布環、板式分布器和底部開孔的固體分布器，第二再生器（二再）中使用多管式氣體分布器。一再各分布環風量及開口面積、二再分布器風量和藏料量如表1所示。反應器構造見圖1(a)。再生器中氣體主要由一氧化碳、二氧化碳、氮氣、氧氣和水蒸氣等組成，模擬中采用操作條件下的混合氣體平均密度和黏度，顆粒粒徑為平均粒徑，參數見表1。

表1 操作條件及物性參數

3 3.5 Mt·a-1再生器模擬分析

模擬旨在了解3.5 Mt·a-1FCC裝置中的再生器內各高度上的氣固流動規律，并與運行數據對比，以進一步驗證模擬結果的可靠性，也為再生器的后續模擬及優化設計提供支持和指導。

圖1顯示了采用Gambitò2.4完成的該再生器的主體構體及相應計算網格的劃分，氣體分布環區域采用四面體非結構網格，而其他區域采用結構化網格，分布環小孔采用7 cm左右的較密網格，結構網格尺寸約20 cm，總體網格數約為7.1×105個。該網格數是在前期使用多組更粗網格試算, 確認網格無關性的基礎上確定的。由于采用了考慮非均勻介尺度結構的EMMS模型，在此較粗網格下模擬仍能較準確預測氣固流動情況。在計算中，底部“air-1”為二再流化氣入口，一再流化氣從“air-2”和“air-3”兩個速度入口進入，頂部“top-out”處設為壓力出口。計算時，再生器中已堆有的催化劑顆粒量（藏料量）見表1。從“top-out”移出的顆粒在計算中被送回到s-in-3，以保持再生器內催化劑顆粒總量不變。其他主要的計算條件和參數見表2。

由于網格數較多、流動為氣固兩相復雜流動、兩相方程求解收斂較慢等原因，該系統的三維模擬計算量較大，計算速度較慢。如從物料堆積開始計算，開車過程將占據很大份額。為此，采用基于EMMS整體模型的初場分布加快計算[23-24]。即便如此，在采用6個IntelòXeonòE5520 2.27GHz CPU進程并行計算時，對60 s的流動過程，每個工況仍需約7 d。

表2 模型的計算條件和參數

圖2為再生器中顆粒濃度及氣體軸向速度的分布。從圖中可以看出，在氣體分布器內部和出口處，氣相速度非常大，產生了具有一定剛度的射流，而在分布器上方1 m處，氣相速度在截面上分布比較均勻。計算中發現，固相在再生器內經歷較復雜的流動過程，在空間上具有明顯波動。一再和二再分布板上方區域固相濃度較高，其他部分較低；在高速氣流的作用下，氣體分布器噴嘴附近固相濃度很低，但離開約1 m高度后，噴嘴的影響基本消失，氣固流動過程主要受主流氣體控制。

氣體軸向速度及固相濃度沿床高變化的統計結果分別如圖3和表3所示，統計區間為40～50 s。從中可見，除了氣體分布器處氣體速度明顯增大，在一再和二再主體區域中氣相平均速度基本一致，而到擴展段和稀相區域后明顯變小。對于一再密相段、過渡段及稀相段統計得到的固相密度，計算結果與裝置運行狀況基本一致，進一步驗證了模型的合理性。

表3 一再反應器內各段濃度

4 7 Mt·a-1再生器氣體分布環模擬分析

將裝置處理量提高至7 Mt·a-1后，會帶來各方面復雜的放大效應，其中最關鍵的是氣體分布環在更大規模裝置中的結構設計及其流化效果，為此，對不同分布環管數及入口布置方案進行了模擬。

4.1 分布環方案設計及評價指標

對于7 Mt·a-1的超大規模裝置，若仍基于以前的環管設計簡單增大管徑，有可能造成系統內流化狀態的惡化，對此問題特別設計了3個算例加以考察，見圖4。其中圖4（a）為兩個環管，每個環管1個入口；圖4（b）為3個環管，每個環管1個入口；圖4（c）為3個環管，每個環管2個入口。并保證各方案總流量及開孔面積相同，以研究環管數及環上入口數的影響。

一般情況下，分布器性能主要從流化的穩定性、均勻性及壓降幾方面進行考察和評價。流化穩定性是指流場內場量隨時間變化的劇烈程度[6]，可用脈動強度來表征，計算方法為

式中X為時刻點的物理量值；表示點處個取樣時刻的平均值。

流化均勻性是指空間上相關物理量分布的均勻程度，可采用式（7）定義的相對標準偏差定量表征

式中，X為第個點的量值；表示個取樣點的平均值。對氣速、濃度等的分布值越小，均勻性就越好，分布器性能就更加優良，而分布器的阻力損失性能可由其兩端的壓降表征。根據上述評價方法和標準，以及再生器內部流場細節的計算和分析，可以全面考察不同氣體分布環的性能。

4.2 分布環流率分布

3種分布環結構下，不同象限角度上的氣體質量流率的分布見圖5，其中軸正向為0°，逆時針旋轉1周為360°。時間統計范圍均為20～80 s。可見各分布器中不同象限的小噴口上的氣體質量流率略有變化，接近環管入口處較小，而遠離時稍有提高。這是因為環內氣體的壓力沿流動方向小幅逐次升高，沿程不同角度上噴嘴的流出量也逐漸增加，為變質量流動。此流動規律與Jin等[5]的研究相符合。但從圖中也可以看到，這種流率差異隨著環管數的增加而減小。每個環上開口數由一個增加為兩個時，各個象限噴口流率的差異進一步減小。各個環上流率的相對標準偏差值在3個方案的大、中、小環中分別為：(3.23%,—,2.84%)，(1.25,2.44%,3.56%), (1.73%,2.03%,1.76%)，可見增加分布環數以及進口數都能改善各噴口間氣體質量流率分布的均勻性。

4.3 壓降分布

表4給出了不同分布環方案下的分布器壓降及布氣功率。可見，在當前的環管、流量分配及開孔設計工況下，不同方案中各分布環的壓降在11～15.6 kPa。方案2比方案1總布氣功率提高了2.2%左右，而方案3比方案2提高了約14.6%，這可能是因為分布環直徑變小，環內氣體流速增大，造成阻力損失增加。

表4 不同分布環數下的布氣壓降及功率分布

4.4 流動穩定性

計算中統計了固相濃度的均方差值，并根據前面定義的脈動強度RMS來表征系統的穩定性，結果見表5。從中可以明顯看出，3環較2環體系的固相體積份額的脈動值均減小，也就是說體系內的場量隨時間的變化更加平緩。而單進口較雙進口體系的相應脈動值均增大，說明體系內流動的時間變化更加劇烈。其成因可能是雙進口方案中環管直徑較細，各個環路中氣速差異較大。

表5 不同環管數引起的不同截面上的固相濃度均方差值

4.5 固相分布均勻性

再生器內顆粒空間分布的均勻性直接決定了反應速率和溫度等的分布。為此，采用4.1節中定義的值加以衡量，結果如表6所示。可見3環較2環的分布均勻性在距分布環較近的高度上得到了較明顯提升，但越往上差距越小。說明分布環的作用范圍有限，在此之外主要由整體氣體動力學決定，與具體的分布環結構相關性減小。而進口數的影響也有相同的規律。同時，進口數的增加還改善了分布環上0.5 m處的固相濃度空間均勻性，這與每個象限上的出口氣量更加均勻一致有關。

表6 不同分布環數下固相濃度的空間不均勻性（Mε-s）

5 7 Mt·a-1再生器固體分布器結構優化

催化裂化再生器中的另一關鍵部件為固體分布器，其主要功能為完成固相的布料，實現新舊物料的快速、均勻混合。物料通過固體分布器以一定的速度進入系統，不同的分布器設計決定了不同的壓降及固固混合效果，對含快速反應的過程有較大影響。為此首先模擬了物料從不同開孔率分布器進入再生器的過程。模擬采用三流體模型，分別為氣相、再生器內已有物料及新進物料，其中兩個固相的屬性相同。計算得到的兩種開口率的固體分布器下物料分布演化過程見圖6，其中曲面為固相濃度為0.05的等值面。采用全開口固體分布器時形成的物料分散面較寬，而半開口固體分布器造成的入射速度較大，物料能較快地達到底部區域。但是全開口分布器的壓降為3134 Pa，而半開口時為5029 Pa，開孔率的降低帶來的氣體阻力增大也是設計時應考慮的另一個因素。

模擬還采用混合區濃度的相對標準偏差（-s2，見式（7））來定量表征兩種物料的混合狀況，統計區間為脈沖進料后的5 s內。

由圖7可見，半開口分布器在瞬間脈沖進樣約1.5 s后即達到很好的混合效果，而全開口分布器則需約2.5 s才達到大致相同的混合效果。可見較低的開孔率和較高的入射速度更有利于物料的快速混合。

6 展望：分布環噴口區微尺度大規模并行離散模擬

從前述工作中可以發現，在氣體或固體分布器噴口附近的流動變化劇烈，并對整體流場有重要影響，其模擬精度應進一步提高。雖然采用EMMS模型能改進傳統雙流體模型未考慮網格內非均勻性的問題，但對固相應力等方面的改進還不夠深入，而雙流體模型中對顆粒相的流體化處理也從本質上限制了模擬精度。采用更微觀的計算方法，如離散顆粒法（DPM）可以更精確和準確地描述噴口處流動過程，但對工業規模反應器其計算量較大，往往缺乏可行性。近來，基于EMMS模型的粗粒化離散模擬（EMMS-DPM）為此提供了可能[25]。下面以此探索7 Mt·a-1再生器噴口處的氣固流動。

模擬采用的氣固相物性及操作條件等與前文模擬一致，離散模擬本身涉及的幾何參數及操作條件見表7。模擬采用CPU-GPU耦合并行計算，由中科院過程所建成的Mole-8.5超級計算系統(http://www.top500.org/system/176899)執行，在20塊NVIDIA Tesla C2050 GPU卡上模擬241萬粗顆粒(顆粒團)時，物理上每秒約需計算1 h。

表7 幾何參數及操作條件

圖8顯示了高速射流的形成過程，在均勻固相分布下氣流以氣泡形式進入，隨著氣泡的長大，氣泡尾部夾帶了部分顆粒向上運動，形成射流。圖9為0.2 s時氣固相瞬時速度矢量圖，可見只有噴口上方一定區域內顆粒和氣相在高速運動，遠離噴口后，固相速度迅速降低，說明該方法能有效捕捉射流強烈的不均勻流動特征。

從這一探索性模擬來看，如采用更大的計算規模，并延長計算時間，對分布器周圍區域的高分辨率離散模擬是完全可行的。由此可進一步揭示射流影響范圍、顆粒停留時間等更深入的流場信息，為分布器的精細優化提供可能。

7 結 論

采用基于EMMS的雙流體模型及粗粒化離散顆粒模型（EMMS-DPM）模擬了大規模FCC裝置中再生器內的兩相流動與混合過程。模擬發現：3環較2環分布器能有效改善氣體分布的均勻性，但增加每個環上的氣體入口數對其分布的改善有限；而對固體分布器，開孔率減小可有效提高其阻力，并在一定程度上改善混合性能。本文還進一步討論了考察分布環噴口處的氣固流動與混合細節的必要性，并初步展示了基于EMMS模型的離散顆粒模擬方法（EMMS-DPM）對其的有效性。模擬結果表明，基于EMMS的連續與離散模擬方法可有效揭示大型氣固反應器中的流動特征，可為工業設計提供有效的指導與參考。

符 號 說 明

CD0——單顆粒標準曳力系數 dp——顆粒直徑，m Hd——非均勻修正系數 M——相對標準偏差 Re——Reynolds數 Dt——時間步長，s u——微元速度，m·s-1 b——相間曳力系數，kg·m-3·s-1 e——體積分數 m——黏度，Pa·s r——密度，kg·m-3 下角標 g——氣體 s——固體顆粒

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EMMS-based numerical simulation on gas and solids distribution in large-scale FCC regenerators

LIU Yaning1, LU Bona1, LU Liqiang1, CHEN Feiguo1, GE Wei1, WU Lei2, WANG Shaohua2, LI Jinghai1

State Key Laboratory of Multiphase Complex SystemsInstitute of Process EngineeringChinese Academy of SciencesBeijingChinaSINOPEC Engineering IncorporationBeijingChina

Micro-scale discrete particle method (DPM) and meso-scale computational fluid dynamics (CFD) simulations, both based on the energy-minimization multi-scale (EMMS) model, were carried out on the complex gas-solid flow in the regenerators of fluid catalytic cracking (FCC), aiming to provide visualized quantitative analysis for the performance improvement of the newly designed systems with unprecedented 7 Mt·a-1throughput. For verification, a current 3.5 Mt·a-1regenerator was first successfully simulated. Then, a 7 Mt·a-1regenerator was simulated to investigate the performance of the air and solids distributors. The simulation results showed that increasing the gas ring number from 2 to 3 can improve the homogeneity of solids distribution significantly, while increasing the gas inlet number from 1 to 2 for the 3-gas-ring case made little improvement. For solid phase distributor, the injection of solids and their mixing with the internal material were simulated and analyzed. It was demonstrated that decreasing the hole fraction can effectively increase the resistance and improve the mixing performance. The necessity of understanding the detailed flow field around the nozzles for further improvements is demonstrated, and EMMS-DPM can be a powerful tool for this purpose.

EMMS model; EMMS-DPM;FCC regenerator; gas distributor; solids distributor; mixing

2015-06-03.

Prof. GE Wei, wge@ipe.ac.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20150821

TQ 021.1

A

0438—1157（2015）08—2911—09

葛蔚。

劉雅寧（1982—），女，助理研究員。

國家自然科學基金項目（21306201，21225628）；國家科技支撐計劃項目（2012BAE05B01）。

2015-06-03收到初稿，2015-06-23收到修改稿。

supported by the National Natural Science Foundation of China (21306201, 21225628) and the National Science and Technology Infrastructure Program (2012BAE05B01).