環流預汽提組合旋流快分系統粒級效率的三區計算模型

黃世平，鄂承林，王子健，盧春喜

（中國石油大學（北京）重油國家重點實驗室，北京 102249）

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環流預汽提組合旋流快分系統粒級效率的三區計算模型

黃世平，鄂承林，王子健，盧春喜

（中國石油大學（北京）重油國家重點實驗室，北京 102249）

在大型提升管冷模實驗裝置上，系統地考查了帶有環流預汽提的旋流快分（CVQS）系統的氣相流場和粒級效率。結果表明，隨著旋流快分系統噴出口氣速的增加，粒徑小于7 μm顆粒的粒級效率的變化較小，7～20 μm顆粒的粒級效率逐漸變小，而超過20 μm顆粒的粒級效率則逐漸增大。根據CVQS快分系統的氣固分離原理和結構特點，建立了計算CVQS系統粒級效率的三區模型。計算結果表明，在顆粒粒徑大于20 μm時，模型預測的粒級效率與實驗值吻合較好，其最大相對偏差不超過6.1%；在顆粒粒徑小于20 μm時，模型計算的粒級效率與實驗值相差較大，其相對偏差在45.7%～80.3%之間變化，并且隨著顆粒粒徑的減小，其相對偏差逐漸增加。模型對于主要用于分離20 μm以上顆粒的CVQS系統的工程設計，具有重要參考價值。

新型旋流快分；環流預汽提器；分級效率；模型；粒度分布；流態化

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157. 20151464

引　言

提升管反應器是催化裂化的核心裝置，近年來隨著加工原料的重質化，沉降器內發生無選擇性二次熱裂化反應的概率增加，導致目的產品收率降低、沉降器內結焦嚴重。這就要求開發出更加先進的提升管出口催化劑與反應油氣的快速分離設備，以達到將油劑快速分離、油氣快速引出以及分離的催化劑快速預汽提——“三快”［1］的目的。

關于提升管末端快分技術的開發，國外比較先進的技術有Mobil公司開發的閉式直聯系統［2］，UOP公司開發的VDS系統［3］以及VSS系統［4-5］。國內主要是中國石油大學（北京）開發的CSC［6-7］、FSC［8］、VQS［9］等技術。孫鳳俠等［10-14］研究發現，VQS旋流快分噴出口處產生部分上行短路流，致使部分從快分頭噴出的催化劑直接被上行短路流吹走而降低分離效率。為此，提出了加設隔流筒和環形蓋板的SVQS旋流快分結構，消除了上行短路流。旋流快分下部的預汽提段是為了對快分分離的催化劑顆粒進行預汽提，以回收其所夾帶的油氣，同時減輕沉降器內的結焦。傳統的人形擋板或盤環形擋板汽提技術的結構復雜，制造及檢修困難，并且存在部分流化死區，增加了可結焦的區域。盧春喜等［15-16］借鑒液固環流原理，開發了氣固密相環流預汽提技術。張永民等［17］的研究表明，環流預汽提器具有更高的汽提效率，與空筒結構和盤環形擋板結構相比，最多可分別減少 82%和48%的可汽提焦炭量。

在分離效率計算模型方面，盧春喜等［18］根據提升管出口超短快分系統的氣固分離原理，在考慮了慣性分離和排氣管結構對顆粒的補集作用基礎上，建立了計算SSQS系統總分離效率的橫混模型。模型需要符合“在內部湍流區，顆粒均勻分布在任意一個約定的φ角橫斷面上”，否則需要考慮顆粒入口濃度的影響，經過修正后，計算結果與實驗結果的吻合相對較好。曹占友［19］從氣固兩相流的基本理論出發，根據測定的旋流快分系統的氣相流場，建立了旋流快分總分離效率的計算模型。該模型采用的是單顆粒動力學模型，未考慮固體顆粒的相互碰撞、夾帶、團聚和擴散的影響。模型認為粒徑分布對分離效率有一定影響，起主要影響作用的是24 μm以下的細粉含量。旋流快分的總效率在99%以上時，模型計算的相對誤差較小。陳建義等［20］根據實驗測定的旋風分離器的氣相流場及顆粒相濃度場，考慮了分離器內的短路流、顆粒間的相互作用以及細粉返混等對分離性能的影響，建立了旋風分離器分級效率的多區計算模型。在入口顆粒濃度較低時，模型計算的PV型旋風分離器的分級效率與實驗值的相對誤差較小。

目前對旋風分離器的研究有很多，而關于提升管末端旋流快分的研究卻還相對較少，且已有的相關研究主要針對旋流快分的總分離效率方面，而對旋流快分系統粒級效率方面的研究還未見報道。為此，本文在一套由新型旋流快分與密相環流預汽提相耦合的大型冷模裝置上，根據測定的其內部氣相流場及顆粒粒級效率，針對提升管出口旋流快分系統的結構特點，在前人建立的旋風分離器粒級效率計算模型基礎上，建立了計算提升管出口旋流快分系統（CVQS）粒級效率的三區計算模型，以供工程設計參考。

1　實　驗

1.1實驗裝置及流程

大型冷模實驗裝置如圖1所示。裝置主要由提升管、快分段、預汽提段及汽提段等組成，其高度分別為：13.7 m、4.0 m、1.7 m、1.3 m，提升管的內徑為100 mm，快分段、預汽提段及汽提段的內徑均為572 mm。快分段、預汽提段及汽提段為有機玻璃制造，其余部分采用不銹鋼制造。實驗介質為FCC平衡劑，其粒度分布采用英國馬爾文公司生產的MS2000激光粒度分析儀測量，其粒度分布和主要物性參數分別如圖2和表1所示。

圖1　實驗裝置Fig.1　Schematic diagram of experimental apparatus1— air blower； 2— surge tank； 3— air rot meter； 4，10—butterfly valve；5— pre-lift section； 6—regenerated inclined tube； 7，15—solid flow meter；8—riser； 9—spent inclined tube； 11—stripping section； 12—circulating pre-stripping section； 13—separation segment； 14—supper vortex quick separator； 16，17— cyclone； 18—regenerator

圖2　FCC平衡劑的粒度分布Fig.2　Particle size distribution curve of FCC equilibrium catalyst

表1　RFCC平衡催化劑物性參數Table 1　Properties of FCC equilibrium catalyst particles

實驗中，再生器內的FCC顆粒經再生斜管進入提升管，在提升風的作用下進入提升管末端的旋流快分進行氣固分離，分離下來的FCC顆粒，依次經分離段、環流預汽提段和汽提段返回再生器。

1.2實驗方法

1.2.1氣相流場的測量旋流快分內部氣相流場采用智能型五孔探針測量，測量系統由五孔探針、坐標架、前置放大器、微處理單片機、計算機、穩壓電源和直流電源等組成。實驗中將圖3所示的五孔探針置于流場中的某一測點，根據球體繞流原理測得5個小孔的壓力相對值，分別接入5個壓力傳感器，由多路開關掃描采集這些壓力信號，然后經過放大以電壓信號輸入到微處理單片機，信號再經A/D轉換輸入到微處理單元并通過專用元件進行運算處理，最后將計算結果通過串口輸出到計算機中。實驗選用儀器內置的半對向測量程序對氣相流場進行測量，經單片機處理后，可以測量氣相流場的軸向流動角α、徑向流動角β、總壓、靜壓和氣體來流速度V∞。實驗中對每個測點采集多組數據，以減少實驗誤差。根據測量的α角、β角及V∞，如圖4所示，采用式（1）～式（3）分別計算旋流快分空間氣相流場的切向速度Vt、徑向速度Vr及軸向速度Vz。

圖4　五孔球探針測壓孔布置和速度分解示意圖Fig. 4　Schematic diagram of pressure measurement points on probe and velocity decomposition

1.2.2顆粒循環量的測量實驗中，根據兩臺HDLDG-06固體流量計測定的進入旋流快分頭的顆粒流量Gsd和進入頂旋的顆粒流量Gsu，采用式（4）計算旋流快分系統的總分離效率。

圖3　五孔探針示意圖Fig.3　Schematic diagram of five-hole probe

HDLDG-06固體流量計對顆粒循環量的測量原理是基于法拉第電磁感應定律。通電后流量計測量管內將產生與測量管道軸線相垂直的電磁場。當實驗介質高速通過測量管道時，將會切割磁感線而產生電動勢，電動勢信號由轉換器放大處理后，可顯示固體顆粒流量。為了保證測量結果的準確性，首先采用容積法對固體流量計的測量結果進行了校正。容積法是通過關閉蝶閥14，測量單位時間內再生器18中FCC顆粒的下料高度，再換算成顆粒循環量。圖5為固體流量計的校正曲線，圖中Gs和Gs1分別為容積法和固體流量計測量的顆粒循環量。

圖5　固體流量計標定Fig. 5　Calibration for solid rotameter

經線性擬合，得到根據固體流量計測量值Gs1計算床內顆粒循環量的校正關系式

采用該式計算的顆粒循環量與容積法測量的顆粒循環量間的最小相對偏差為0，最大相對偏差為15.3%，平均相對偏差為7.2%。因此經過校正，本文采用的固體流量計可以相對簡單、準確地測量床內顆粒循環量。

根據式（4）計算的旋流快分總分離效率以及旋流快分入口和出口采樣顆粒的粒度組成，采用式（6）計算不同粒徑顆粒的粒級效率。

圖6　取樣示意圖Fig.6　Schematic diagram of sampling

式中，fo（δ）為快分出口各粒徑顆粒的質量分數；

fi（δ）為快分入口各粒徑顆粒的質量分數。

1.2.3采樣方法實驗中采用濕法直接取樣，如圖6所示。通過兩根采樣管分別從快分入口和快分出口將氣固混合物引向裝有去離子水的沖擊瓶中。為保證采樣的準確性，每個操作工況下均在3個不同徑向位置（r/R=0、0.5、0.94）進行采樣，每個徑向位置均采樣3次以上，將不同徑向位置3次采樣的樣品進行混合后作為最終的粒度分析實驗結果。

2　流場及分離性能的實驗結果

2.1流場實驗結果及分析

圖7為在不同噴出氣速Up下，旋流快分內部氣相流場的軸向速度Vz、切向速度Vt和徑向速度Vr的徑向分布曲線。

由圖7（a）可知，軸向速度Vz主要為下行流，在隔流筒邊壁附近有部分上行流。由于上部環形蓋板的存在會強制使這部分氣流向下流動，有利于快分效率的提高。另外，隨著噴出速度增加，氣體向下的軸向速度逐漸增加，有利于分離后的顆粒向下沉降。切向速度Vt是旋流快分進行氣固分離的主要動力，由圖7（b）可知，隨著噴出速度增加，切向速度逐漸增加，氣固分離的動力增加，有利于快分效率的提高，此外，切向速度沿徑向由內而外先增大后減小，呈典型的“雙渦”流型。由圖7（c）可見，沿徑向由內而外，徑向速度由“向心流”逐漸轉變為“離心流”。值得注意的是，隨著噴出速度的增加，“離心流”區域逐漸增大，這有利于將粉體顆粒富集于旋流快分系統的邊壁區域，而此區域內作為氣固相分離主要推動力的切向速度是最大的，因此，這對于快分分離效率的提高是非常有利的。

2.2粒級效率實驗結果及分析

圖8給出了不同噴出速度下快分粒級效率的實驗結果。

由圖8、圖9可知，不同粒徑顆粒的分離效率隨噴出速度的變化規律不同。（1）粒徑小于7 μm顆粒的分離效率較低（低于40%）且受噴出口氣速的影響較小。因為該粒徑范圍內的顆粒對于氣相的跟隨性較好，且由于其自身的重力較小，易被氣流揚起而出現“二次夾帶”，導致該部分顆粒很難被補集，故而其分離效率較難提高。（2）粒徑分布在7～20 μm區間內的顆粒，隨著噴出口氣速的增加，旋流快分的粒級效率逐漸變小。這是因為隨著噴出口氣速的增加，粒徑較小的顆粒受到的揚析作用更加明顯，7～20 μm區間內的顆粒向上逃逸的數量增多，從而導致粒級效率逐漸減小。（3）當顆粒粒徑大于某一臨界值（dp=20 μm左右）后，旋流快分的粒級效率隨著噴出口氣速的增大而逐漸增大。這是因為粒徑大于20 μm的顆粒質量較大，且在跟隨氣體運動的過程中可能會發生聚團現象而使整個顆粒團的離心力更大，因此，噴出口氣速越大，分離效率就越高。

圖7　不同噴出氣速下快分內部氣相流場分布Fig.7　Distribution of internal gas flow field under different injection gas velocity

圖8　不同噴出口氣速下粒級效率分布Fig.8　Fractional efficiency distribution under different injection gas velocity

圖9　噴出速度對顆粒分離效率的影響Fig.9　Effect of ejection velocity on particle separation efficiency

3　三區模型的建立

3.1區域劃分

由新型旋流快分頭的結構以及其內部氣相流場和顆粒濃度分布的特點，可將新型旋流快分大致劃分3個區域，見圖10。其中區域1為入口影響區，該區受噴出氣速的影響較大，切向速度占主導地位。由于上部環形蓋板的強制約束作用，消除了直接向上的氣相短路流，故該區域的軸向速度均向下，該區域的徑向速度較小，顆粒在該區可被全部分離向下。區域2為下行流區，該區域內切向速度仍占主導地位，徑向速度和軸向速度均較小。固相顆粒在該區域的停留時間越長將越有利于氣固兩相的分離。區域3為上行流區，該區處于內旋流區，切向速度比區域2小，軸向速度向上，在區域3內，細小顆粒跟隨氣相向上逃逸。

圖10　新型旋流快分器的幾何模型Fig.10　Geometry of a novel vortex quick separator

3.2模型假設

根據新型旋流快分內部氣相流場以及顆粒粒級效率實驗的測試結果，做出如下基本假設：

（1）旋流快分內部氣相流場為三維湍流模型，在整個旋流快分過程中，離心力起主導作用，氣固相在分離過程中呈稀相運動狀態，顆粒的存在對于氣相運動的影響不大；

（2）氣相流場中切向速度分為雙旋流模型，即分為內、外旋流，氣相流場的徑向速度為軸對稱的，結果可由實驗測得，氣相流場的軸向速度也為軸對稱的，且假定在各區域的橫截面上是均勻分布的，即軸向速度僅為軸向高度Z的函數；

（4）各區之間的質量傳遞通過相鄰區域的交界面進行，忽略交界面上的濃度擴散。

3.3模型建立

根據質量守恒定律，列出各區域的顆粒相方程如下

式中，Qv（z）表示每個區域顆粒的軸向體積流率，Qv0為區域1的顆粒體積流率，并且等于顆粒總流率，m3·s-1；ni（i=1，2，3）為各區域的顆粒質量濃度，kg·m-3；Γw（z）為邊壁處的顆粒通量、Γv（z）表示區域2向區域3遷移的顆粒通量，kg·（m2·s）-1；Rw為封閉罩半徑，Rv（z）為區域3半徑，r為提升管半徑，m；Ur0為區域1氣相徑向速度，m·s-1；l為新型旋流快分有效長度，m。

邊壁處的徑向顆粒速度Upw（此處氣相徑向速度為零）可由Stokes定律求出，即慣性力與曳力平衡

在區域2以及區域3邊界處的氣固流動更加復雜，首先應該找到曳力與離心力的平衡以求得顆粒速度，再由顆粒速度與顆粒質量濃度的乘積求得顆粒通量。值得注意的是，在此邊界范圍內，氣相的徑向速度需考慮在內。

由假設中忽略交界面上的濃度擴散，即忽略顆粒相的徑向速度，可由離心力與曳力平衡計算得出顆粒速度Upv

由圖11可知，區域2以及區域3的顆粒通量由兩部分組成：①由氣相徑向速度Ur（z）裹挾細顆粒由區域2向區域3運動；②在離心力的作用下，固體顆粒以顆粒速度Upv由區域3向區域2運動。因此顆粒通量可由式（17）表示

將求得的各參數代入顆粒相方程，求解非定常系數常微分方程組可得到如下解析解

圖11　新型旋流快分器的模型簡化圖Fig.11　Modified vortex quick separator for analysis

因此，可得到新型旋流快分器的分級效率為

3.4模型驗證

圖12為不同粒徑顆粒的粒級效率的模型計算值與實驗值對比曲線，圖13為20 μm以上和20 μm以下顆粒的粒級效率的計算值與實驗值的偏差對比。

圖12　粒級效率實驗值與模型預測值對比曲線Fig.12　Comparison between experimental value of fractional efficiency and model predictive value

由圖12和圖13可見，在顆粒粒徑約小于5 μm前及大于20 μm后，模型計算值與實驗值間的變化趨勢基本相同，二者僅在數值上存在一些差別；在顆粒粒徑約為5～20 μm之間時，模型計算值與實驗值間的變化趨勢及數值均存在一定差別。在顆粒粒徑大于20 μm時，模型預測的粒級效率與實驗值吻合較好，其最大相對偏差不超過6.1%；而在顆粒粒徑小于20 μm時，模型計算的粒級效率與實驗值相差較大，與實驗值相比，模型的計算值相對較大，其相對偏差在45.7%～80.3%之間變化，并且隨著顆粒粒徑的減小，其相對誤差逐漸增加。

圖13　實驗值與計算值偏差對比Fig.13　Comparison between experimental value of fractional efficiency and model predictive value

這是由于在旋流快分系統的徑向方向，向內的曳力和向外的離心力共同控制著顆粒的運動，兩種力的綜合作用對旋流快分的粒級效率具有重要影響。（1）粒徑大于20 μm的顆粒，離心力的作用明顯大于曳力，故大部分顆粒能被分離，模型的計算偏差相對較小。（2）當顆粒粒徑小于5 μm時，曳力的作用明顯大于離心力，導致其運動完全依附于氣體的運動，受氣相擾動的影響較大，同時在模型假設中忽略了交界面上濃度擴散的影響，導致在該粒度分布范圍內，模型預測值與實驗值間的變化趨勢基本相同，但計算的數值卻相對較大。（3）對于粒徑為5～20 μm之間的顆粒，隨著粒徑的減小，離心力的變化相對較小，而曳力的變化逐漸增大，使得離心力與曳力之間的數量差變小，其值可能會小于氣體湍流作用在某些區域引起的曳力變化值，顆粒的最終走向會由氣體的湍流在局部所引起的曳力變化情況決定。因此在該粒徑范圍內的顆粒，模型預測值與實驗值間的變化趨勢及數值均存在一定差別。

鑒于旋流快分的結構特點，在工程實際應用中，為了將反應油氣快速分離和引出，提升管出口旋流快分系統主要用于分離粒徑20 μm以上的催化劑顆粒，而對于粒徑小于20 μm的催化劑顆粒則主要由與旋流快分系統出口相連接的沉降器頂部旋風分離器進行分離。為此，雖然本文建立的粒級效率模型對粒徑小于20μm顆粒的預測結果較差，但由于其對大于20 μm顆粒的預測結果較好，因此該模型在旋流快分系統的工程設計中仍具有重要的參考價值。

4　結　論

不同粒徑顆粒的粒級效率隨噴出速度的變化規律不同。隨著噴出口氣速的增加，粒徑小于7 μm顆粒的粒級效率變化不大，7～20 μm顆粒的粒級效率逐漸變小，而超過20 μm顆粒的粒級效率則逐漸增大。

針對新型旋流快分的結構特點，在分析其氣相流動規律和氣固相分離特性的基礎上，建立了計算新型旋流快分粒級效率的三區模型。在顆粒粒徑大于20 μm時，模型的預測值與實驗值的吻合較好，其最大相對偏差不超過6.1%；而在顆粒粒徑小于20 μm時，模型計算值與實驗值相差較大，其相對偏差在45.7%～80.3%之間變化，并且隨著顆粒粒徑的減小，其相對偏差逐漸增加。由于在工程實際應用中，為了將反應油氣快速分離和引出，提升管出口旋流快分系統主要用于分離粒徑20 μm以上的催化劑顆粒，因此所建立的粒級效率三區模型在旋流快分系統的工程設計中具有一定的應用價值。

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Triple region model for calculating fractional efficiency of combined system of circulation pre stripper and vortex quick separator

HUANG Shiping， E Chenglin， WANG Zijian， LU Chunxi
（State Key Laboratory of Heavy Oil Processing， China University of Petroleum（Beijing）， Beijing 102249， China）

The gas flow field and the fractional efficiency of a novel combined system of circulation pre stripper & vortex quick separator （CVQS） were investigated via a large-scale cold model. The results showed that the separation efficiency of particles under 7 μm almost unchanged with increasing ejection gas speed， while getting smaller when the particle size was between 7 μm to 20 μm， and higher as the particle size is beyond 20 μm. On the basis of above investigations， the gas-solid separation mechanism of CVQS was talked over， and a triple region model used for analyzing the fractional efficiency of CVQS was proposed. The calculated results showed that this model was in good agreement with experimental data within the larger particle size distribution （beyond 20 μm）and the maximum relative deviation was under 6.1%. For the particle under 20 μm， there was an obvious difference between experimental and model values， whose relative deviation was within 45.7% and 80.5%，respectively. Therefore， the triple region model had important reference value in CVQS engineering design for separating particles beyond 20 μm.

novel vortex quick separator； circulation pre stripper； fractional efficiency； model； particle size distribution； fluidization

date： 2015-09-16.

Prof. LU Chunxi， lcx725@sina.com

supported by the National Basic Research Program of China（2012CB215004）.

TQ 051.8

A

0438—1157（2016）05—1922—09

2015-09-16收到初稿，2016-02-20收到修改稿。

聯系人：盧春喜。第一作者：黃世平（1992—），男，碩士研究生。

國家重點基礎研究發展計劃項目（2012CB215004）。