下行床內提高顆粒濃度及改善顆粒分布研究進展

王成秀，祝京旭,2，藍興英，高金森

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下行床內提高顆粒濃度及改善顆粒分布研究進展

王成秀1，祝京旭1,2，藍興英1，高金森1

（1中國石油大學（北京）重質油國家重點實驗室，北京 102249；2Department of Chemical and Biochemical Engineering, University of Western Ontario, London N6A 3K7, Canada）

重質油高效轉化和優化利用是國民經濟發展的重大需求，具有十分重要的現實意義和戰略意義。提升管催化裂化一直是重油輕質化的重要手段，但提升管的不均勻環核結構及氣固返混特性降低了重油轉化率和產品選擇性。相對于提升管，下行床具有近平推流流型及氣固短停留時間的優點，處理重油具有潛在優勢。但下行床內顆粒濃度過低且氣固初始接觸較差限制其推廣及應用。本文綜述了提高下行床顆粒濃度及改善顆粒初始分布的相關文章，指出了深入研究下行床的顆粒增濃機制及氣固初始混合可以豐富下行床的基礎研究并推動其工業應用。

流化床；流體動力學；反應器；下行床；高密度；顆粒濃度；入口結構

引 言

石油資源作為工業血液和重要化工原料來源，由于其不可替代和不可再生性，使之成為20世紀以來國際社會爭奪最為激烈的經濟戰略資源，更是關系到我國在21世紀發展戰略的重大問題。目前，由于常規石油的可采儲量已大大減少，而重油及油砂瀝青的可采儲量卻相當可觀，可以利用的石油資源正向著重質化、劣質化的方向發展[1-2]。如何將重質化和劣質化的原油加工成符合國際標準的輕質清潔燃料，最大限度地利用重質油生產出社會所急需的輕質清潔燃料和化工原料，成為當前煉油工業的重大技術難題。

催化裂化是煉廠處理重質油和用渣油生產輕質清潔燃料的核心技術，具有原料適應性強、輕質產品收率高等優點，其總加工能力超過其他重要工藝如加氫裂化、焦化和減黏裂化三者之和，對煉油行業輕質油品收率、經濟效益的提高具有至關重要的作用。業內人士稱，作為當今重油高效轉化的主要工藝過程，催化裂化技術在相當長一段時期內都不可替代。更具有長遠意義的是，催化裂化的任務不單純是生產清潔燃料，它亦將成為今后煉油-化工一體化的核心。催化裂化裝置如圖1所示。

與許多化學反應過程類似，催化裂化是平行-順序的快速反應，且目的產物為中間生成物。依據反應工程理論，這類反應需要在物料停留時間短而一致、無返混的平推流反應器中進行，才能獲得較高的目的產物收率。由于提升管反應器基本具備了上述特性，自開發以來在世界范圍內得到了廣泛應用。然而，隨著生產的發展和研究的深入，提升管反應器仍表現出較多不足之處[3-5]。例如：提升管內顆粒分布并不均勻，表現為“上稀下濃”的軸向結構及“中間稀邊壁濃”的徑向結構；并且，提升管內催化劑顆粒容易發生聚集產生滑落和返混（圖2）。不均勻的軸徑向結構導致氣固停留時間不均一，嚴重偏離平推流；返混則很容易引起催化劑的活性和選擇性降低。此外，催化劑滑落的同時容易夾帶油氣一并向下返混，導致提升管內的油氣無法達到“短反應時間”的工藝要求，進而導致油氣過裂化和產物分布惡化。

針對提升管反應器內存在的氣固濃度分布不均勻、返混嚴重、停留時間不均一等問題，20世紀70年代中期，一些國際知名的石油公司，如Stone-Webster、UOP、Texco等提出了氣固超短接觸下行床的概念[3,6-7]。下行床內顆粒與流體的順重力場運動，使氣體徑向分布比單相氣體流動時更為均勻[圖3（a）]，也使得顆粒速度及顆粒濃度的徑向分布均較提升管中更為均勻[圖3（b）及3（c）]，氣固流型更加接近平推流[8-10]。

下行床內均勻的流動結構保證了氣固軸向返混小、停留時間分布窄，加上因順重力場流動導致的顆粒高流速，實現了真正意義上的“氣固短接觸時間”甚至“超短接觸時間”。將下行床用于催化裂化，可克服提升管催化過程中結焦催化劑在提升管中因停留時間過長和反應油氣返混造成的過裂化問題，從而充分利用催化劑初始活性高、選擇性好等特點，使反應選擇性及催化裂化輕油收率得到提高。尤其對重油催化裂化過程，氣固超短接觸反應新工藝可抑制原料中重金屬、硫、氮等雜質對催化劑選擇性、催化劑活性劑的不利影響，并減弱殘炭前身物對焦炭產率的增加效應，使催化裂化過程對原料的適應能力大幅度提高，其潛在的經濟效益和社會效益十分巨大[11]。

除了在重質油催化裂化方面具有重要作用外，下行床反應器對研發其他技術也具有重要意義。例如，利用下行床進行等離子體裂解煤粉制乙炔可以獲得高達34%的乙炔產率且比乙炔電石法節省電能25%[12]。對下行床超短接觸反應器的進一步研究開發，對煤炭等資源的充分利用、節能和抑制污染等具有重要意義[11]。比如，采用下行床進行低階煤熱解提質可以改善產品分布，有效提高低階、劣質煤的利用價值。另外，超短接觸反應器還可以用于生物質的高溫熱裂解，裂解得到的產物不僅可以作為燃料而且可以成為化工產品，其前景十分誘人[3-4]。

下行床是一種具有廣泛應用前景的循環流化床反應器，因而受到國內外學者和工業界的普遍關注和研究。隨著研究的深入，特別是在推動下行床工業應用的過程中，研究者也發現了下行床的一些不足之處。一個尤為嚴重的缺陷是下行床內顆粒濃度太低：相對于提升管反應器來說，下行床反應器內的顆粒濃度通常低于3%，僅為提升管恒速段顆粒濃度的1/4～1/2[13-14]。低固含率的下行床作為反應器必將降低氣固接觸概率進而導致反應器效率變差。另一個不足是下行床內氣固初始接觸較難控制，往往受制于床層入口結構：不理想的入口結構會直接導致入口處氣固分布變差，使整個床層內氣固流動結構偏離平推流流型[15-16]。因此，如何提高顆粒濃度并強化高密度條件下的氣固接觸是下行床研究和推廣應用的瓶頸難題。

１ 研究現狀

事實上，針對下行循環流化床顆粒增濃的研究比較少，一方面是由于下行床的研究開展得較提升管晚[13]，另一方面是由于現階段對下行床增濃機制還沒有詳盡、系統的研究[3-4,17-20]。針對下行循環流化床顆粒增濃的問題，較早的報道是2001年加拿大Zhu課題組[21]在小型下行床（直徑為25 mm）內進行的大顆粒循環量實驗。基于實驗結果，他們參考Bi等[22]關于高密度循環流化床提升管的標準為高密度下行床做了界定：顆粒循環量大于200 kg·m-2·s-1，并且，顆粒濃度在5%以上。隨后，清華大學流態化實驗室、中國科學院過程工程研究所等也開展了下行床顆粒增濃方面的研究。

Zhu課題組[21]提高下行床顆粒循環量的突破點在于設計了一個漏斗狀進料結構，如圖4（a）所示。顆粒自提升管輸送進入旋風分離器經氣固分離后以初始流化狀態進入漏斗進料器，通過漏斗進料器的加速后以接近顆粒終端速度進入下行床。采用該結構，FCC顆粒循環量可達400 kg·m-2·s-1，在較低氣速（g= 1 m·s-1）時充分發展段顆粒濃度可以達到15%。與Zhu課題組設計的進料器結構類似，中國科學院過程工程所的Chen等[14,23-24]設計了一個特殊進料器，如圖4（b）所示。該進料器亦采用漏斗式進料結構但同時在其下方增加了一個高約1 m的預加速段，使顆粒獲得較大速度后再進入下行床。這種特殊結構實現了顆粒的預加速，大量顆粒以較大速度快速通過下行床，FCC顆粒循環通量可以達到258 kg·m-2·s-1，氣體速度在0.8 m·s-1時相應的顆粒濃度則可以達到10%。

以上實驗裝置能實現高密度操作的關鍵因素除了特殊設計進料器外，還在于采用了較低的操作氣速。然而，對于下行床的實際應用過程，如催化裂化過程，通常要求在較高的氣速下操作，低氣速會導致反應器單位處理量下降，這成為限制高密度下行床應用的因素之一。研究者進一步發現，即使采用了特殊的進料器，進一步提高顆粒循環量，大量顆粒離開進料器涌入下行床入口時很容易發生“堵塞”，導致顆粒無法連續進料，下行床連續運轉難以維持。

為了避免使用特殊進料器，清華大學流態化實驗室提出了一種“提升管-下行床-提升管”組合反應器（圖5）[25]。他們從全床壓力平衡的角度，通過提高儲料量、優化各設備風量的措施提高了下行床顆粒循環量和床層濃度。實驗表明，當氣速為3.6 m·s-1，顆粒循環量為400 kg·m-2·s-1時，全床平均顆粒濃度可以達到5%，實現了下行床顆粒增濃。但是，該組合反應器通過增加一個額外的提升管來實現高通量顆粒運輸，增加了設計和操作難度。

在探索提高顆粒密度研究同時，人們發現強化氣固混合及實現氣固良好接觸對高密度下行床尤其重要[10]。由于高密度操作條件下，下行床內大量顆粒受到很強的慣性作用及重力加速作用，顆粒沿橫向的遷移作用較弱，造成大量顆粒無法與氣體實現強烈混合及有效接觸，導致氣固分布不均勻，降低了單位體積內氣固接觸效率，削弱了高密度下行床反應器的優勢。關于實現下行床氣固均勻分布的大量研究表明，入口段氣固分布是否均勻對氣固接觸及氣固整體流動結構具有重要影響。均勻的入口氣固分布有利于全床氣固流動的發展，同時可獲得更接近平推流的氣固混合模式[15-16]。

1—gas distributor; 2—riser A; 3—quick separator; 4—measurement device; 5—butterfly valve; 6—downer; 7—elbow pipe; 8—riser B; 9—solids inventory; 10—cyclone; 11—solids return pipe

針對下行床入口構型及其對流動的影響方面的工作，許多研究者進行了大量研究。例如，陳丙瑜等[26]給出了3種典型的下行床進料器：兩種單管式（側吹式及文丘里式）和一種多管式進料器，如圖6所示。他們的研究結果表明，采用這3種進料結構，氣固在進料器中完成預混合后一起流入下行床，一定程度上改善了氣固接觸。但是，由于進料采用非對稱的方式，導致下行床進口段氣固存在“偏流”的不穩定操作區，影響可能波及至70～100倍的管徑處。

針對上述單管式進料結構，程易等[27]將原有的非對稱式顆粒氣體進料系統改為軸對稱式，如圖7（a）所示。這種入口型式比較簡單，而且便于理論模型的計算。實驗和理論研究均發現，單管進料容易在下行床入口處形成氣固射流區，射流區內強烈的湍動強化了氣固混合，取得了良好的氣固接觸效果。但是，由于射流區的存在導致整個下行床內顆粒流動結構難以快速達到充分發展。此外，強射流對裝置產生較大的擾動，不利于下行床的穩定運行。

針對射流影響氣固流動的問題，錢震等[28]設計了一種新型的基于強湍流分散機制的下行床氣固混合入口結構，如圖7（b）所示。該結構的設計思路是在進料器自由空間內形成一個密相床層，并在該密相床層中引入高速氣體射流，希望密相床層中的氣體射流碰撞能夠將氣體的動能轉變為氣體與顆粒的脈動能量，以此促進氣固的微觀混合。因為密相區的高度較高（環隙高度為600 mm），為了保證在大循環量下自由空間內的顆粒能夠正常流化，密相床松動風應該維持一定的氣速（通常大于0.5 m·s-1），維持密相床層內顆粒處于鼓泡或湍動床狀態。實驗結果表明，與以往基于單管或多管射流的入口相比，該入口結構可以實現大質量流率條件下氣固兩相的快速均勻分布。值得指出的是，由于該入口結構存在一個密相流化床，可能產生的氣泡將會堵塞顆粒下料管，影響裝置運轉的穩定性和連續性。

針對多管式進料器，魏飛等[29]設計了七管溢流式氣固分布器，如圖7（c）所示。與陳丙瑜等提出的多管式進料器相比較，該設計的溢流式分布器將氣固兩相進料分開通過不同入口流進下行床，增加了操作靈活性。并且，由于采用多管進料，固體顆粒在床層截面上分布比較均勻更接近于工業操作，其研究結果具有一定參考性。然而，該入口結構采用多根細管運輸顆粒，當大顆粒循環量操作時，大量顆粒進入進料器后很可能堵塞細管導致“堵塞”的發生。因此，采用該種入口結構限制了下行床顆粒增濃。

近期，Zhu所帶領的研究小組[21,30-31]針對下行床入口結構在原有研究基礎上，進一步對比了多管式反應器結構對下行床流動結構的影響，包括考察下行床顆粒入口處顆粒分布器型式、顆粒分布管的排布以及顆粒再分布板的開孔型式對下行床入口處顆粒均勻分布的影響，如圖8（a）所示。

分析認為，采用細管輸送顆粒時，下行床入口處顆粒分布較為均勻。然而，當顆粒循環速率增加至300 kg·m-2·s-1時，顆粒無法及時通過細管輸送至下行床內，并且大量顆粒在分布器上部的筒體內積累，最終導致下行床無法正常運行。采用較粗銅管稀疏排布方式進行顆粒輸送時，顆粒可以以較大速度順暢流入下行床，顆粒循環量可達300 kg·m-2·s-1。但是，速度較大的顆粒進入下行床入口處后由于慣性仍然保持“射流束”的形式，導致入口處顆粒與氣體的混合程度變差。由于顆粒束的存在，在下行床整個截面上無法得到均勻分布的顆粒流動形式。可見，采用多管束的顆粒分布器無法同時實現下行床高密度操作和獲得均勻的入口顆粒流動結構。

基于以上研究，Zhu研究小組[31]設計并考察了新型顆粒進料器對入口處流動結構的影響，如圖8（b）所示。新型顆粒分布器的主要特點是在原有的分布器下方增加一個較長的錐形結構。該結構有兩個作用：一是作為加速段，保證顆粒進入下行床前具有一定的加速度；二是作為顆粒儲存器，使得顆粒在此有一定的累積，形成一定的“料封”為顆粒流動提供一定的“推動力”，使得顆粒可以快速通過錐形結構；此外，在漏斗加速器出口設計了多孔進氣結構使該處氣體以高速射流的形式噴出，顆粒受到高速氣流的強烈“攪動”后處于劇烈湍動狀態，這有效地降低了“堵塞”發生的可能性。這種顆粒入口結構可以保證顆粒以較大的初始速度連續地進入下行床。并且，由于該結構采用水平進氣，有效地避免了射流的產生。采用該結構下行床內的顆粒循環量可以達到500～800 kg·m-2·s-1。這是迄今為止在下行床中所能達到的最高顆粒循環量。

2 結 論

綜上所述，不同構型的下行床入口結構，在一定程度上實現了顆粒均勻分布的要求，也起到了強化氣固初始混合的作用。然而，這些入口結構卻限制了下行床反應器內顆粒濃度的進一步增加。也就說，高密度下行床內顆粒的均勻分布和氣固的良好接觸往往以犧牲顆粒濃度的代價來滿足，這對于充分發揮高密度下行床的優勢、推動其工業化應用十分不利。

此外，已有的研究往往局限于從入口結構出發，通過調控顆粒和氣固入口結構來提高下行床內的顆粒濃度并兼顧顆粒的均勻分布。然而，下行床入口結構對顆粒增濃及顆粒均勻分布的影響的內在機制及其調控方法并沒有得到較好的研究。因此，深入研究進料結構對下行床高密度操作的影響，設計具有促進顆粒增濃與均布雙重功能的合理入口結構，是實現下行循環流化床高密度操作，加快下行床推廣應用的關鍵。

[1] Xu Chunming (徐春明), Yang Chaohe(楊朝合). Oil Refining Processing (石油煉制工程)[M]. 4th ed. Beijing: Petroleum Industry Press, 2009.

[2] Li C, Yang C, Shan H. Maximizing propylene yield by two-stage riser catalytic cracking of heavy oil [J]., 2007, 46(14): 4914-4920.

[3] Zhu J X, Yu Z Q, Jin Y, Grace J R, Issangya A. Cocurrent downflow circulating fluidized bed (downer) reactors — a state of the art review [J]., 1995, 73(5): 662-677.

[4] Cheng Y, Wu C, Zhu J, Wei F, Jin Y. Downer reactor: from fundamental study to industrial application [J]., 2008, 183(3): 364-384.

[5] Zhu H, Zhu J. Comparative study of flow structures in a circulating-turbulent fluidized bed [J]., 2008, 63(11): 2920-2927.

[6] Zhu Jingxu(祝京旭), Wei Fei(魏飛), Yang Yonglin(楊勇林). Gas-solid downward fluidized bed reactor (Ⅰ): The development and application of the downward pipe reactor [J].(化學反應工程與工藝), 1996, 12(2): 214-224.

[7] Jin Y，Zhu J，Wang Z，Yu Z. Fluidization Engineering Principles [M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2001.

[8] Cao C, Jin Y, Yu Z, Wang Z. The gas-solids velocity profiles and slip phenomenon in a concurrent downflow circulating fluidized bed// Avidan A A. Circulating Fluidized Bed Technology Ⅳ[C]. New York: AIChE, 1994: 406-413.

[9] Yang W C. A model for the dynamics of a circulating fluidized bed loop// Avidan A A. Circulating fluidized bed technology Ⅱ[C]. Oxford, England: Pergamon Press, 1988: 181.

[10] Zhang H, Zhu J X, Bergougnou M A. Hydrodynamics in downflow fluidized beds (Ⅰ): Solids concentration profiles and pressure gradient distributions [J]., 1999, 54(22): 5461-5470.

[11] Cao Chunshe(曹春社), Jin Yong(金涌), Yu Zhiqing(俞芷青), Wang Zhanwen(汪展文). Study on gas-solids velocity profiles and slip phenomenon in a circulating fluidized bed downer [J].()(化工學報), 1995, 46(2): 180-187.

[12] Zhou Rujin(周如金), Wei Fei(魏飛). Research on super short contacting time reactors [J].(石化技術), 2000, 7(2): 109-111.

[13] Zhang H, Huang W X, Zhu J X. Gas-solids flow behavior: CFB riser. downer [J]., 2001, 47(9): 2000-2011.

[14] Chen H, Li H. Characterization of a high-density downer reactor [J]., 2004, 146(1/2): 84-92.

[15] Zhu J X, Ma Y, Zhang H. Gas-solids contact efficiency in the entrance region of a co-current downflow fluidized bed (downer) [J]., 1999, 77(A): 151-158.

[16] Johnston P M, Zhu J X, de Lasa H I, Zhang H. Effect of distributor designs on the flow development in downer reactor [J]., 1999, 45(7): 1587-1592.

[17] Deng R, Liu H, Gao L, Wang L, Wei F, Jin Y. Study on the FCC process in a novel riser-downer-coupling reactor (Ⅱ): Simulation and hot experiments [J]., 2005, 44(5): 1446-1453.

[18] Liu H, Deng R, Gao L, Wei F, Jin Y. Study on the FCC process in a novel riser-downer-coupling reactor (Ⅰ): Hydrodynamics and mixing behaviors [J]., 2005, 44(4): 733-741.

[19] Wei F, Wan X, Hu Y, Wang Z, Yang Y, Jin Y. A pilot plant study and 2-D dispersion-reactor model for a high-density riser reactor [J]., 2001, 56(2): 613-620.

[20] Wei F, Zhu J X. Effect of flow direction on axial solid dispersion in gas-solids cocurrent upflow and downflow systems [J]., 1996, 64(3): 345-352.

[21] Liu W, Luo K B, Zhu J X, Beeckmans J M. Characterization of high-density gas-solids downward fluidized flow [J]., 2001, 115(1): 27-35.

[22] Bi H, Zhu J. Static instability analysis of circulating fluidized beds and concept of high-density risers [J]., 1993, 39(8): 1272-1280.

[23] Chen H, Li H, Kwauk M. Two-phase structure in a high-density downer [J]., 2005, 158(1-3): 115-123.

[24] Chen H, Li H, Tan S. Mechanism of achieving a dense downer: modeling and validation [J]., 2006, 45(10): 3488-3495.

[25] Li Zhiqiang(李志強), Wu Changning(吳昌寧), Wei Fei(魏飛), Jin Yong(金涌). High density gas-solids flow in downer-riser coupled circulating fluidized bed [J].()(化工學報), 2005, 56(5): 816-822.

[26] Chen Bingyu(陳丙瑜), Fang Guoping(方國平), Yang Chengyan(楊成硯). Experimental study on the inlet structure of gas-solids concurrent downer reactor [J].(化工冶金), 1992, 13(1): 44-50.

[27] Cheng Yi(程易), Wei Fei(魏飛), Lin Qian(林仟), Jin Yong(金涌), Yu Zhiqing(俞芷青). Chaos study of the developed region in a riser-downer system [J].()(化工學報), 1998, 49(2): 185-193.

[28] Qian Zhan(錢震), Zhang Minghui(張明輝), Yu Hao(余皓), Wei Fei(魏飛), Jin Yong(金涌). Downer entrance structure based on strong turbulence dispersion [J].()(化工學報), 2004, 55(8): 1249-1255.

[29] Wei Fei(魏飛), Liu Jinzhong(劉金忠), Jin Yong(金涌). Hydrodynammics and mixing behavior in the inlet region of a downer [J].()(化工學報), 1998, 49(1): 28-38.

[30] Tian Yuanyu(田原宇), Qiao Yingyun(喬英云), Liu Feng(劉鋒). Challenges and countermeasures of inferior quality heavy oil processing technology: effects of light passenger car electricity on heavy oil processing [J].(石油與天然氣化工), 2013, 42(5): 463-467.

[31] Wang C, Li C, Zhu J. Axial solids flow structure in a high density gas-solids circulating fluidized bed downer [J]., 2015, 272: 153-164.

Research progress of solids holdup increase and solids distribution enhancement in downer reactors

WANG Chengxiu1，ZHU Jingxu1, 2，LAN Xingying1，GAO Jinsen1

State Key Laboratory of Heavy Oil ProcessingChina University of PetroleumBeijingBeijingChinaDepartment of Chemical and Biochemical EngineeringUniversity of Western OntarioLondonCanada

The efficient conversion and optimal utilization of heavy oil has great practical significance to the national economic development. Fluid catalytic cracking (FCC) is an effective vehicle for heavy oil upgrading. However, the riser, as a key component of the FCC unit, is characterized by the non-uniform “core-annuals” flow structure with relatively significant gas and solids backmixing which may result in low reactant conversion and product selectivity. The downer reactor, where gas and solids move downward co-currently has unique features such as the plug-like flow structure and much more uniform gas-solid distribution compared to the riser reactor. The downer is therefore acknowledged as a novel multiphase flow reactor with great potential in upgrading heavy oil. However, low solids holdup and poor initial gas-solid contacting hinder the promotion of the downer reactors. In this paper, previous studies on increasing solids concentration and initial gas-solid mixing in the downer reactors are summarized. Studies on the mechanism of increasing solids concentration and promoting initial mixing will not only enrich the fundamental research but also benefit the promotion of the downer reactor in its applications.

fluidized-bed; hydrodynamics; reactors; downer; high density; solids distribution; inlet structure

2015-06-12.

Prof. ZHU Jingxu, jzhu@uwo.ca

10.11949/j.issn.0438-1157.20150911

TQ 028.8

A

0438—1157（2015）08—2810—07

祝京旭。

王成秀（1984—），女，博士，副教授。

中國石油大學（北京）科研啟動基金項目（2462014YJRC018）。

2015-06-12收到初稿，2015-06-18收到修改稿。

supported by the Science Foundation of China University of Petroleum (Beijing) (2462014YJRC018).