催化裂化用短接觸旋流反應器內氣固滑移特性

朱麗云，趙文斌，仲理科，張玉春，王振波，金有海

（1中國石油大學（華東）重質油國家重點實驗室，山東 青島 266580；2山東理工大學農業工程與食品科學學院，山東 淄博 255049）

催化裂化用短接觸旋流反應器內氣固滑移特性

朱麗云1，趙文斌1，仲理科1，張玉春2，王振波1，金有海1

（1中國石油大學（華東）重質油國家重點實驗室，山東 青島 266580；2山東理工大學農業工程與食品科學學院，山東 淄博 255049）

利用歐拉-歐拉雙流體模型對短接觸旋流反應器分離腔內氣固滑移特性進行了數值模擬，主要研究了切向氣固滑移速度的分布規律，并考察了操作參數和物性參數對分離腔內切向滑移速度的影響。計算結果表明，分離腔內切向氣固滑移速度沿徑向呈“駝峰”分布；當氣相入口速度增大或者劑氣比減小時，切向氣固滑移速度變小，顆粒切向速度增大，離心力增大，有利于提高氣固分離效率；顆粒密度對切向滑移速度分布影響不大；顆粒粒徑較大時，在排塵口易出現堵塞，不利于長周期運行；建立了截面平均切向氣固滑移速度計算模型，計算值與模擬結果誤差在±7.0%以內。

短接觸旋流反應器；分離腔；滑移速度；模擬；分離；模型

引　言

以重質油為原料生產汽、柴油兼產丙烯等化工原料的催化裂化工藝（FCC）是世界上最重要的重油輕質化的工藝之一［1-2］。在原料劣質化和環保要求嚴格化的推動下，中國石油大學（華東）提出了短接觸旋流反應器［3］，由混合腔和分離腔組成。混合腔內切向入口進氣與軸向入口進劑接觸混合反應并進行預旋，經導向葉片旋轉加速后進入分離腔形成三維剪切流場，催化劑在離心力和重力作用下沿壁面旋轉下行，產物則向上流出，完成快速分離，從而實現反應與分離一體化過程?？梢姡眯鞣磻鲀雀飨嗷旌蠌姸雀?、停留時間短、油氣與催化劑易快速分離等特點，可以有效改善系統設備結焦、過裂化等問題，同時可以提高反應選擇性、改善產品分布和提高目標產品收率。目前，該旋流反應器處于基礎研究階段［4-12］，僅對反應器內氣相流場及氣固兩相流動開展了初步研究。

在氣-固非均勻體系中，氣固之間的速度存在一定的差異［13］，即滑移速度，它反映了氣固間相互作用，是影響氣固兩相的質量傳遞、動量傳遞和化學反應的重要因素。對催化裂化提升管反應器［14-17］來說，器內氣固滑移速度越大，顆粒返混越嚴重，氣固接觸效率越低，原油轉化深度和產品收率降低。下行床反應器［18-19］內滑移速度越大，顆粒聚集程度越大，同樣不利于反應的進行。提升管和下行床內均只在軸向上存在氣固滑移現象。

而短接觸旋流反應器，由于器內存在反應與分離的耦合過程，滑移速度對旋流反應器內氣固反應過程的影響較復雜。在混合腔內，主要為軸向滑移速度，滑移速度越大，氣固接觸效率越低，越不利于油劑接觸反應；在分離腔內，氣固兩相流為三維剪切流場，徑向遷移和螺旋下行同時存在，分離效率不僅取決于軸向和徑向上氣固滑移速度的大小，更與氣固切向滑移速度密切相關，切向滑移速度越大，顆粒跟隨性越差，顆粒切向速度減小，所受離心力也減小，不利于顆粒沿徑向向邊壁移動，則徑向滑移速度變小，顆粒易被氣體攜帶向中心區流動，并向上流出分離腔，從而導致氣固分離效率降低。因此，對旋流反應器分離腔內切向滑移速度開展研究，有助于理解旋流反應器的分離機制。

本文利用計算流體力學軟件（CFD）對旋流反應器分離腔內切向氣固滑移特性進行數值模擬，并考察操作參數和物性參數對滑移速度的影響，為短接觸旋流反應器的優化設計提供理論指導。

1　數值模擬方法

1.1模型的選擇

結合前期結果，多相流模型選用歐拉-歐拉雙流體模型［7］，對催化劑顆粒采用擬流體的處理方法，將其視為連續相介質。湍流模型選用RNG k-ε湍流模型［4-6，8］。兩個模型涉及的連續方程、動量方程、能量方程、κ-ε運輸方程等見表1。方程中的各系數參見文獻［7］。

1.2幾何建模與網格劃分

模擬過程中所用的短接觸旋流反應器如圖1所示，分離腔直徑為100 mm，混合腔直徑為250 mm，計算坐標采用直角坐標系，原點設在混合腔頂部中心，Z軸沿軸向向下，X軸與切向入口方向平行?？紤]到計算精度，網格劃分本著結構化網格優于非結構化的原則［20］，采用分區劃分網格的方法，將短接觸旋流反應器劃分為26萬個網格。

表1　模型中涉及的方程Table 1　Equations in models

圖1　短接觸旋流反應器幾何模型Fig.1　Geometric model of short-contact cyclone reactor

1.3數值解法及邊界條件

求解方法采用非耦合隱式，時間依賴采用非穩態模型［21］。在離散化格式中，壓力插值格式采用PRESTO算法，壓力速度耦合插值采用SIMPLE算法［22］。為了計算結果的真實性，采用非穩態計3～6 s的數據平均值作比較。

1.3.1進口邊界采用速度入口，根據已知流量以及入口直徑，直接得到氣相入口速度并計算出其他相應的湍流參數，包括湍流強度和水力直徑。固相濃度和入口速度根據顆粒循環量計算獲得。具體操作參數：切向入口氣速ug1=2.5 m·s-1，軸向入口氣速ug2=5 m·s-1，催化劑入口速度us=1.2 m·s-1（對應劑氣比為16），催化劑中位粒徑70 μm，催化劑顆粒密度為2000 kg·m-3。

1.3.2出口邊界出口按照湍流流動充分發展處理，采用自由出流邊界。

1.3.3固壁邊界壁面為無滑移邊界條件，壁面粗糙度為0.5，采用標準壁面函數法處理邊界湍流。其他參數設置見文獻［7］。

1.4切向氣固滑移速度

本文定義切向氣固滑移速度為氣相切向速度與固相切向速度之差，即

2　模擬結果與討論

2.1模擬結果可靠性驗證

圖2　模擬值與實驗值對比Fig.2　Comparison between experimental data and simulation results

氣固在旋流反應器分離腔內形成三維剪切流場，尚未有精確的測量儀器可以準確測量出分離腔內固含率和顆粒速度的分布情況，因此，通過比較混合腔內z=200 mm截面上實驗測量的固含率分布與模擬結果進行對比，以此驗證模擬結果的可靠性。實驗裝置、測量方法等見文獻［7］。圖2為在 ug1= 2.5 m·s-1，ug2=5 m·s-1的條件下，實驗測量結果與模擬結果的對比。在z=200 mm截面上，固含率沿徑向呈現中心小、邊壁大的分布，且實驗值與模擬值吻合較好。因此，選用歐拉-歐拉雙流體模型來模擬短接觸旋流反應器內氣固兩相流動分布，并研究氣固兩相滑移速度分布情況是可行的。

2.2操作參數對切向氣固滑移速度的影響

2.2.1氣相入口速度（處理量）對切向氣固滑移速度的影響為考察氣相入口速度（處理量）對反應器分離腔內滑移速度分布的影響，分別設置：①ug1=1.5 m·s-1，ug2=3.0 m·s-1（Qg=53 m3·h-1）；②ug1=2.0 m·s-1，ug2=4.0 m·s-1（Qg=70 m3·h-1）；③ug1=2.5 m·s-1，ug2=5.0 m·s-1（Qg=88 m3·h-1）；④ug1=3.0 m·s-1，ug2=6.0 m·s-1（Qg=106 m3·h-1）。

圖3為不同氣相入口速度下旋流反應器分離腔內不同截面上切向滑移速度的分布曲線。由圖3（a）可知，在z=600 mm截面上，不同氣相入口速度下切向滑移速度沿徑向的分布與切向速度曲線變化規律基本一致，近似為“駝峰”形分布［8-9，23］，在中心區切向滑移速度出現最小值，說明顆粒在中心區跟隨性較好，有利于顆粒在氣體攜帶下獲得切向速度，并在離心力作用下向邊壁區聚集；切向滑移速度較大值出現在近邊壁區（r/R=±0.8），說明顆粒在該區域的跟隨性變差，分析其原因可能是在邊壁區顆粒由于邊壁效應以及顆粒之間相互作用使得顆粒切向速度減小，增大了切向氣固滑移速度。隨著氣相入口速度增大，由ug1=2.5 m·s-1，ug2=5.0 m·s-1和ug1=3.0 m·s-1，ug2=6.0 m·s-1曲線可知，滑移速度在逐漸變小，數值在0～1.5 m·s-1之間，且大多數區域滑移速度小于0.5 m·s-1，說明隨著氣相入口速度的不斷增大，氣固之間速度越接近，顆粒的跟隨性越好，顆粒所受的離心力越大，越利于顆粒向邊壁區移動，從而更有利于氣固的分離，這是因為氣相入口速度增大時，氣體進入反應器的能量增大，即加速和輸送顆粒的能量增大，顆粒跟隨氣體做切向運動。

圖3　氣相入口速度對切向氣固滑移速度分布的影響Fig.3　Effect of gas velocity at inlets on tangential slip velocity

如圖3（b）所示，在z=1000 mm截面，隨著氣相入口速度的增大，滑移速度不斷減小，當氣相入口速度達到ug1=3.0 m·s-1，ug2=6.0 m·s-1時，滑移速度為零，說明氣相入口速度小時顆粒跟隨性差，而氣相入口速度大時顆粒獲得的輸送能量最大，顆粒跟隨性也最好，最有利于顆粒在氣體攜帶下做離心運動。當氣相入口速度較小時，滑移速度方向不同，大小各異，曲線波動較大，甚至出現負值，分析其原因可能是z=1000 mm截面位于排塵段區域，由于結構的變化使得上、下行氣流在此處速度較大，造成強烈的動量交換，使得該區域內存在二次渦流，當氣體氣相入口速度較小時，顆粒獲得的輸送能力較小，顆粒跟隨性變差，則顆粒容易受局部渦流區的影響，使其運動軌跡發生偏轉，即出現所謂的“龍擺尾”［24］，部分顆粒被卷入渦流區，并在中心上行流的夾帶下被走，從而不利于氣固的分離。

2.2.2劑氣比對切向氣固滑移速度的影響本文模擬是在冷態下進行，定義催化劑與空氣質量比為劑氣比（catalyst to air，CTA）來對應反應條件下的劑油比。在保持氣相入口速度不變（88 m3·h-1）時，考察不同劑氣比（分別為16、22、26、30）對分離腔內切向氣固滑移速度的影響，如圖4所示。

由圖4（a）可看出，在z=600 mm截面上，不同劑氣比下切向氣固滑移速度沿徑向分布趨勢變化不大，仍近似為“駝峰”形分布，但是隨著劑氣比的增大，切向滑移速度逐漸變大，這是因為劑氣比的增大導致旋流反應器內顆粒體積分數增大，其所需的輸送能量也隨之增大，在氣相入口速度（ug1=2.5 m·s-1，ug2=5.0 m·s-1）不變的情況下，顆粒跟隨性變差。

由圖4（b）可知，在z=1000 mm截面滑移速度則沒有明顯變化規律，劑氣比最大時曲線波動最大，滑移速度最大值可達3.0 m·s-1，氣固相速度差增大，顆粒跟隨性變差，則顆粒所受的離心力會變小，不利于顆粒做離心運動，從而會影響到氣固的分離效率。然而，對于重油催化裂化來說，增大劑油比可以提高氣固接觸效率，從而有效提高產品的收率。另外，短接觸旋流反應器內催化裂化反應是一個短時接觸的過程，需要在較大的劑油比下才能達到較高的產品收率。雖然增大劑氣比理論上不利于提高氣固分離效率，但是考慮到旋流反應器是反應分離一體化設備，較大的劑氣比會促進反應器內油劑接觸混合反應，因此，需要綜合考慮各個因素選擇合適的劑氣比。

圖4　劑氣比對切向氣固滑移速度分布的影響Fig.4　Effect of CTA on tangential slip velocity

2.3物性參數對切向氣固滑移速度的影響

2.3.1顆粒粒徑對切向氣固滑移速度的影響一般地，相對小的顆粒通過曳力的作用會降低氣相湍流強度，而由于顆粒尾渦的作用，大顆粒的加入則有可能增強氣相的湍流強度。因此，分別采用平均粒徑為50、60和70 μm的催化劑顆粒進行數值計算，考察催化劑顆粒粒徑對旋流反應器分離腔內切向氣固滑移速度的影響規律，計算結果如圖5所示。

由圖5可知，在z=600 mm截面上，粒徑為50 和 60 μm顆粒切向氣固滑移速度（最大值為 4.0 m·s-1）大于70 μm顆粒（2.0 m·s-1左右），這是因為在離開導向葉片時，顆粒與氣相切向速度較接近，在旋轉向下運動時，相較于粒徑小的顆粒，粒徑大的顆粒因自身慣性力較大，受短路流、徑向氣流等的影響較小，顆粒切向速度變化小，切向氣固滑移速度要小，跟隨性好。由圖5（b）可知，與z=600 mm截面相比，在z=1000 mm截面處，粒徑為50 和 60 μm 的顆粒最大切向氣固滑移速度由 4.0 m·s-1左右降低到1.0 m·s-1左右，而70 μm顆粒切向滑移速度變化不大，且沿徑向呈現不規則分布，最大值出現在r/R≤±0.3附近，而在邊壁區切向滑移速度較小，且出現負值，說明此處產生了次級流動［25］，其擾流作用不容忽視。z=1000 mm截面處于分離腔與灰斗連接的重要部位，次級流動的產生會導致顆粒返混夾帶的發生，對于油氣與催化劑的分離效果以及催化劑顆粒的順利排出都會產生較大影響，進而影響整個循環系統的長周期運行。

圖5　顆粒粒徑對切向氣固滑移速度分布的影響Fig.5　Effect of dpon tangential slip velocity

2.3.2顆粒密度對切向氣固滑移速度的影響圖6為不同催化劑顆粒密度（1800、2000和2200 kg·m-3）對旋流反應器內切向滑移速度的影響規律。由圖 6可看出，在z=600 mm截面切向滑移速度近似呈對稱分布，r/R=-1～0三條曲線重合度很高，在r/R=0～1范圍內則存在差別，ρp=1800， 2000kg·m-3沒有出現較為明顯的切向滑移速度最大值。在z=1000 mm截面，ρp=1800 kg·m-3時切向滑移速度在0.1 m·s-1以下，氣固兩相速度較接近，顆粒在氣體攜帶下做螺旋向下運動，利于顆粒從排塵口排出而實現氣固分離。圖中在 0.4＜r/R＜1范圍內出現不對稱現象，分析原因是氣固兩相在分離腔內主要以螺旋的流動形態向下流動，則在同一軸向截面處沿徑向方向兩側處在不同的螺旋帶上，并不是完全對稱的，因此出現了如圖所示的不對稱現象。

圖6　顆粒密度對切向氣固滑移速度分布的影響Fig.6　Effect of ρpon tangential slip velocity

2.4切向氣固滑移速度模型的建立

計算結果表明z=1000 mm位置處于旋流反應器的排塵錐段，旋流強度已明顯減弱且由于存在各種次級流動，使其流動狀況變得更為隨機和復雜，規律性差，因此選取z=600 mm截面為特征截面，研究截面平均切向氣固滑移速度（vmean，slip）與各操作參數（氣相處理量 Qg，劑氣比 CTA，催化劑粒徑dp，顆粒密度ρp）的變化關系。根據局部切向氣固滑移速度計算得到截面平均切向氣固滑移速度，假設其與主要影響因素的關聯式為

通過將模擬數據進行回歸可得到

對比模擬值和理論模型計算值，如圖7所示。兩者間相對誤差為±7.0%。由關聯模型可知，對氣固滑移速度影響最大的是催化劑顆粒粒徑，后續將系統研究顆粒粒徑對氣固滑移速度的影響。

圖7　旋流反應器vmean，slip模擬值與計算值的比較Fig 7　Comparison of simulated and calculated values of vmean，slip

3　結　論

（1）切向氣固滑移速度沿徑向呈“駝峰”形分布，在中心區顆粒跟隨性較好，而在近邊壁區由于顆粒團聚的影響氣固滑移速度增大。

（2）隨著氣相入口速度增大，顆粒加速和輸送顆粒的能量增大，切向氣固滑移速度減小，顆粒切向速度增大，離心力增大，有利于顆粒做離心運動，提高氣固分離效率。

（3）當氣相入口速度不變時，降低劑氣比，切向氣固滑移速度變小，顆粒跟隨性變好，有利于顆粒在氣體攜帶下做離心運動而提高分離效率。但過低的劑氣比將引起產品收率的降低，因此要選擇合適的劑氣比，匹配催化裂化反應過程和分離過程。

（4）根據不同操作參數和物性參數下切向氣固滑移速度分布規律，建立了截面平均切向滑移速度關聯模型，計算值與模擬值誤差為±7.0%。從模擬結果和關聯模型中可知，顆粒粒徑對切向滑移速度影響最大。

符號說明

CTA——劑氣比

c1，c2——根據經驗確定的常數

dp——顆粒直徑，μm

g——重力加速度，m·s-2

pk——壓力，Pa

Qg——處理量，m3·h-1

r/R——量綱1半徑

u slip——滑移速度，m·s-1

ut——切向速度，m·s-1

vmean，slip——截面平均切向滑移速度，m·s-1

β ——相間動量轉換系數，kg·m-3·s-1

γs——能量碰撞耗散，kg·m-3·s-1

εg——氣含率

εp——固含率

θ ——顆粒溫度，m2·s-2

κs——脈動能傳導率，kg·m-3·s-1

ρ ——密度，kg·m-3

φ ——湍能耗散率，m2·s-3

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Characteristics of slip velocity between gas and solid in short-contact cyclone FCC reactor

ZHU Liyun1， ZHAO Wenbin1， ZHONG Like1， ZHANG Yuchun2， WANG Zhenbo1， JIN Youhai1
（1State Key Laboratory of Heavy Oil Processing， China University of Petroleum， Qingdao 266580， Shandong， China；2School of Agricultural Engineering and Food Science， Shandong University of Technology， Zibo 255049， Shandong， China）

The characteristics of slip velocity between gas and solid in a short-contact cyclone FCC reactor was simulated using the Eulerian-Eulerian two fluid model， especially about radial distribution of the tangential slip velocity between gas and solid as well as its dependence on operational and physical parameters in the separation chamber. Simulation results showed that the tangential slip velocity between gas and solid had a two-humped distribution in the radial direction. With increase of the inlet gas velocity or decrease of the ratio of catalyst to gas，the tangential slip velocity between gas and solid weakened but the tangential velocity of solid particles enhanced，which would strengthen the centrifugal force on particles and improve the gas-solid separation efficiency. The particle density exhibited little influence on radial distribution of the tangential slip velocity between gas and solid. However， when the particle diameters were increased， the dust outlet would easily be clogged which was not conducive to running the reactor for a long cycle of time. Finally， a model of the average cross-section tangential slip velocity between gas and solid was established w ith no more than ±7.0% difference among model simulations and calculated results.

short-contact cyclone reactor； separation chamber； slip velocity； simulation； separation； model

date: 2016-03-29.

Prof. WANG Zhenbo， wangzhb@upc.edu.cn

supported by the National Basic Research Program of China （2012CB215000） and the National Natural Science Foundation of China （21276281）.

TQ 051.8

A

0438—1157（2016）08—3468—08

10.11949/j.issn.0438-1157.20160369

2016-03-29收到初稿，2016-05-13收到修改稿。

聯系人：王振波。第一作者：朱麗云（1987—），女，博士后。

國家重點基礎研究發展計劃項目（2012CB215000）；國家自然科學基金項目（21276281）；中國博士后基金項目（2016M 592266）。