提升管進(jìn)料段油劑間傳質(zhì)傳熱及混合特性研究

朱曉麗，崔運(yùn)靜，仇性啟

（1.中國石油大學(xué)（華東） 化學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266580 2.中國石油大學(xué)（華東） 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266580）

提升管進(jìn)料段油劑間傳質(zhì)傳熱及混合特性研究

朱曉麗1，崔運(yùn)靜2，仇性啟1

（1.中國石油大學(xué)（華東） 化學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266580 2.中國石油大學(xué)（華東） 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266580）

基于催化劑顆粒完全流態(tài)化理論，建立了提升管反應(yīng)器進(jìn)料段氣液兩相流數(shù)值模型，探究了射流油霧與連續(xù)氣相間傳質(zhì)傳熱特性及油劑接觸分布狀況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，進(jìn)料噴嘴所在軸向位置處油霧粒徑、混合流體溫度、油相組分含量沿提升管徑向“環(huán)-核”不均勻分布程度最大；隨軸向位置的增加，油霧氣化程度增大，最終實(shí)現(xiàn)完全氣化，管內(nèi)溫度和油劑間混合分布趨于均勻；適當(dāng)增大噴霧錐角有助于促進(jìn)油霧氣化和改善“環(huán)-核”不均勻分布狀況，提高催化裂化反應(yīng)效率。

提升管進(jìn)料段；射流油霧；液滴蒸發(fā)；油劑混合；噴霧錐角

原料油由進(jìn)料噴嘴霧化后噴射進(jìn)入提升管反應(yīng)器，與管內(nèi)上行的催化劑和預(yù)提升蒸汽流混合，油霧氣化后附著在催化劑表面發(fā)生裂解反應(yīng)，生成汽油、柴油等輕質(zhì)油品［1］。油霧氣化速率及油劑間的接觸與混合狀況能夠直接影響催化裂化反應(yīng)效率，因此提升管進(jìn)料段內(nèi)油劑傳質(zhì)傳熱及混合分布狀況具有非常重要的研究價值。

提升管進(jìn)料段內(nèi)的流場可概括為氣液固多股交錯射流在受限空間內(nèi)的流動混合和傳質(zhì)傳熱，流場結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。目前的研究多側(cè)重于提升管內(nèi)流體力學(xué)及催化裂化動力學(xué)，認(rèn)為原料油直接以氣相進(jìn)料，忽略油霧蒸發(fā)過程，從而轉(zhuǎn)化為氣固兩相湍流問題［2］。范怡平等［3-7］以氣體代替油霧進(jìn)料，通過實(shí)驗(yàn)手段測量射流氣相與顆粒相速度場、濃度場相關(guān)參數(shù)，得到油氣運(yùn)動及油劑分布規(guī)律。萬曉濤等［8-9］建立提升管進(jìn)料段內(nèi)氣固兩相數(shù)值模型，探討油劑間流動、傳熱及混合分布特性。高金森等［10-13］探索性地將原料油液霧的流動、傳熱及氣化納入模型中，考查了油霧與催化劑介質(zhì)間流動、傳熱、反應(yīng)的規(guī)律。

本工作基于催化劑顆粒完全流態(tài)化理論，建立了提升管反應(yīng)器進(jìn)料段氣液兩相流數(shù)值模型，探究了射流油霧與連續(xù)氣相間傳質(zhì)傳熱特性及油劑接觸分布狀況。以噴霧錐角為例，通過探究進(jìn)料參數(shù)對于提升管進(jìn)料段內(nèi)混合流場特性的影響，實(shí)現(xiàn)進(jìn)料參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計，達(dá)到提升催化裂化反應(yīng)效率的目的。

1 數(shù)值模型建立及驗(yàn)證

1.1 數(shù)學(xué)模型的建立

基于固態(tài)催化劑顆粒完全流態(tài)化理論，將預(yù)提升蒸汽和催化劑作為一種混合氣體處理，用歐拉方法進(jìn)行求解，將油霧液滴作為離散相，用拉格朗日法追蹤求解。氣相和液相分別獨(dú)立計算，并通過相間耦合計算實(shí)現(xiàn)兩相的作用和傳質(zhì)傳熱。根據(jù)工業(yè)中提升管內(nèi)油霧進(jìn)料方式，選取FLUENT材料庫中提供的錐形噴射源，相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)見表1。

表1 進(jìn)料段結(jié)構(gòu)及操作參數(shù)Table 1 Structure and operating parameters of the FCC riser reactor

油霧材料選取FLUENT材料庫中的fuel-oilliquid模型；催化劑流態(tài)化處理后得到的混合氣相與預(yù)提升蒸汽相比，氣流密度的增加最為顯著，其余物性參數(shù)的改變則較為有限。依據(jù)工業(yè)中催化劑所占體積分率，將混合氣流密度設(shè)置為600 kg/ m3，保留水蒸氣的其余物性參數(shù)。邊界條件的設(shè)定為：混合氣相采用速度入口，自由出口，壁面設(shè)置為無滑移邊界條件，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。離散相在入口及壁面處設(shè)置為補(bǔ)集類型，出口為逃逸類型。數(shù)值求解方法的設(shè)定為：選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，霧滴軌跡的追蹤采用顆粒隨機(jī)軌道模型，離散相和連續(xù)相間的質(zhì)量、動量和能量的耦合采用PISO算法。

1.2 數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證

為驗(yàn)證本數(shù)值模型的準(zhǔn)確性，以Behjat等［14］實(shí)驗(yàn)中所采用的進(jìn)料參數(shù)為模擬參數(shù)，將z/z0=0.3（z為軸向位置，z0為進(jìn)料段高度）軸向位置處催化劑含量（φ）沿徑向分布曲線的模擬值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對比，見圖1。數(shù)值模擬所得催化劑含量（φ）沿提升管徑向分布曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為吻合，兩曲線均呈現(xiàn)中心低邊壁高的“環(huán)-核”形態(tài)分布，只是模擬所得曲線相較實(shí)驗(yàn)更為平緩。分布曲線之間存在差異的原因是：數(shù)值模擬中將催化劑流態(tài)化，催化劑在氣流中跟隨性好，而實(shí)驗(yàn)中催化劑顆粒與氣流之間的曳力作用導(dǎo)致催化劑顆粒具有擴(kuò)散性。總體來看，兩曲線誤差在一定范圍內(nèi)，說明本數(shù)值模型是準(zhǔn)確可靠的。

圖1 催化劑含量（φ）沿徑向分布曲線的模擬值與實(shí)驗(yàn)值對比Fig.1 Comparison between the calculated and experimental data for the radial distribution of the catalyst content(φ).

2 模擬計算結(jié)果與分析

以油霧粒徑（Dd）、管內(nèi)溫度（T）及油相組分含量（c）三個參數(shù)作為油霧氣化效率、相間傳熱規(guī)律及油劑混合分布狀況的評價指標(biāo)，考察不同軸向位置處Dd，T，c沿徑向分布的規(guī)律，從而得到提升管內(nèi)油霧氣化和油劑混合的分布規(guī)律。

圖2為Dd的宏觀分布及提升管中心縱截面上不同軸向位置處Dd沿徑向分布曲線。由圖2可知，油霧噴射進(jìn)入提升管反應(yīng)器后向提升管中心擴(kuò)散，同時在底部連續(xù)氣流作用下沿提升管上行。霧滴粒徑減小為10 μm即可認(rèn)為油霧完全氣化。進(jìn)料位置橫截面上Dd較大，隨z的增大，Dd先增大后減小，最終在管內(nèi)某一高度處完全氣化。進(jìn)料位置上方Dd增大的原因是進(jìn)料油霧大量匯聚，阻礙高溫氣流穿透厚霧滴群，因此造成尚未氣化的霧滴黏附合并成大液滴。伴隨著油霧在提升管內(nèi)繼續(xù)擴(kuò)散，不斷從高溫催化劑中吸熱蒸發(fā)，粒徑減小至完全氣化。

圖2 Dd分布圖（a）及不同軸向位置處Dd沿徑向分布曲線（b）Fig.2 Image of droplet diameter(Dd)(a) and the radial distributions ofDdat different axial positions(b).

圖3為提升管中心縱截面上溫度分布云圖及不同軸向位置處T沿徑向分布曲線。由圖3可知，管內(nèi)混合流體溫度呈現(xiàn)中心低邊壁高的“環(huán)-核”分布狀態(tài)。在油霧進(jìn)料軸向位置上，T沿徑向分布曲線呈“U”型，邊壁處溫度最高，噴口至提升管中心整個徑向范圍均處于較低溫度。遠(yuǎn)離噴嘴安裝位置，T整體升高，且管內(nèi)流體溫度沿徑向分布趨于均勻。

圖3 中心縱截面溫度分布云圖（a）及不同軸向位置處溫度沿徑向分布曲線（b）Fig.3 Temperature distribution in center longitudinal section(a) and the radial distributions of temperature at different axial positions(b).

圖4為提升管中心縱截面上c分布云圖及各軸向位置處c沿徑向分布曲線。由圖4可知，噴嘴安裝軸向位置c最高，且從中心到邊壁穩(wěn)定在較高水平；遠(yuǎn)離噴嘴安裝位置，c整體降低，各軸向位置處均呈現(xiàn)中心高邊壁低的“環(huán)-核”不均勻分布；噴嘴安裝位置以上與安裝位置以下相比，c分布等值線較為稀疏，說明油霧在混合氣流作用下的向上偏移擴(kuò)散程度較大。

圖4 中心縱截面c分布云圖（a）和不同軸向位置處c沿徑向分布曲線（b）Fig.4 Image of feed mass fraction(c) in center longitudinal section(a) and the radial distributions ofcat different axial positions(b).

3 噴霧錐角的影響分析

對不同進(jìn)料噴霧錐角（θ）下管內(nèi)油霧氣化及油劑混合分布狀況進(jìn)行研究，得到θ的影響規(guī)律，從而將θ進(jìn)行優(yōu)化，以提高催化裂化反應(yīng)效率和輕質(zhì)油品收率。

圖5不同θ下管內(nèi)Dd分布。對比分析可知，θ= 0°時，油霧在進(jìn)料位置擴(kuò)散性差，大量霧滴在提升管中心堆積，造成Dd大，氣化程度低。隨θ的增大，油霧在提升管內(nèi)沿軸向和徑向的擴(kuò)散范圍越廣，油霧堆積現(xiàn)象緩解，油霧氣化越容易實(shí)現(xiàn)。

圖6為不同軸向位置處Dd沿徑向分布曲線。由圖6可知，在各軸向位置處，θ越大，Dd整體數(shù)值越小，且Dd沿徑向分布越均勻。因此，適當(dāng)增大θ可加速油霧氣化，有利于提高催化裂化反應(yīng)效率。

圖5 不同θ下管內(nèi)Dd分布Fig.5 Images of feedDddistributions at different nozzle spray angle(θ).

圖6 不同軸向位置處Dd沿徑向分布曲線Fig.6 Radial distributions ofDdat different axial positions and different nozzle spray angles.

圖7為不同軸向位置處溫度沿徑向分布曲線。由圖7可知，θ越小，T的“環(huán)-核”不均勻分布程度越大。

圖8為不同軸向位置處c沿徑向分布曲線。由圖8可知，θ越小，c沿提升管徑向“環(huán)-核”不均勻分布程度越大。三種θ下，從噴口至提升管中心處，c平穩(wěn)維持在0.8左右；其余軸向位置處，θ越大，油霧沿徑向分布越均勻。

圖7 不同軸向位置處溫度沿徑向分布曲線Fig.7 Radial distributions of temperature at different axial positions and different nozzle spray angles.

圖8 不同軸向位置處c沿徑向分布曲線Fig.8 Radial distributions ofcat different axial positions and different nozzle spray angles.

4 結(jié)論

1）Dd沿徑向呈現(xiàn)“環(huán)-核”分布，提升管中心油霧氣化程度低于邊壁；自噴嘴安裝位置向上，Dd先增大后減小，最終在管內(nèi)某一軸向高度完全氣化。

2）T沿徑向呈現(xiàn)“環(huán)-核”分布，噴嘴軸向位置處T最低，遠(yuǎn)離噴嘴軸向位置溫度整體升高，且溫度沿徑向分布趨于均勻。

3）c沿徑向呈現(xiàn)“環(huán)-核”分布，噴嘴軸向位置處c最高，遠(yuǎn)離噴嘴軸向位置c遞減，且油霧沿徑向分布趨于均勻。

4）增大進(jìn)料θ，能夠提高油霧氣化效率，減小管內(nèi)的溫度和油劑混合的“環(huán)-核”不均勻分布程度，有利于提高催化裂化效率，因此應(yīng)盡可能選用具有較大θ的進(jìn)料噴嘴。

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（編輯 楊天予）

敬告讀者：從2016年第7期開始，本刊“專題綜述”欄目將連續(xù)刊出中國石化北京化工研究院分析研究室的系列專題綜述。該專題主要報道石油化工領(lǐng)域先進(jìn)表征技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展，包括本研究室的表征研究成果，以及近年來發(fā)展壯大的新型特色表征手段在石油化工領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展，敬請廣大讀者給予關(guān)注。

專題報道：本期對程序升溫表面反應(yīng)（TPSR）技術(shù)在固體催化劑上的應(yīng)用進(jìn)行了綜述，簡要介紹了TPSR技術(shù)的基本原理、裝置和實(shí)驗(yàn)條件的選擇，重點(diǎn)綜述了近十年來該技術(shù)在烯烴烷烴的重整氧化、費(fèi)托合成、NOx的催化還原、醇醛的氧化還原、CO的氧化、硫氮氯化合物的分解等氣固相催化反應(yīng)中的應(yīng)用，也提出了一些對TPSR技術(shù)今后發(fā)展趨勢的看法。見本期384-390頁。

中國石化北京化工研究院分析研究室簡介：中國石化北京化工研究院分析研究室成立于2006年，擁有X射線光電子能譜、X射線衍射、高分辨透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡、質(zhì)譜、固體核磁共振、原位紅外光譜、高分辨顯微拉曼光譜、熱分析在線光譜聯(lián)用系統(tǒng)等大型儀器五十多臺套。分析研究室下設(shè)表面分析、結(jié)構(gòu)表征、原料分析三個專題組，主要從事分子結(jié)構(gòu)表征研究，催化劑結(jié)構(gòu)機(jī)理研究以及催化劑、功能材料、有機(jī)原料等分析方法的研究，并提供相應(yīng)的測試服務(wù)。

原料分析專題組立足于烯烴原料、基本化工有機(jī)原料和微量元素等分析方面的研究。具備石油化工和煤化工工藝路線中生產(chǎn)的聚合級烯烴原料的近100種雜質(zhì)的成套分析技術(shù)，有多項(xiàng)分析技術(shù)獲得了中國石化的科技進(jìn)步獎。起草制定了多項(xiàng)國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，同時形成一整套烯烴原料分析監(jiān)測工藝包及分析儀器改造方案。

表面分析專題組主要從事催化表征技術(shù)開發(fā)。以微觀結(jié)構(gòu)化學(xué)環(huán)境為基礎(chǔ)，運(yùn)用原位吸附、原位分子光譜、原位XRD、原位XPS等技術(shù)，研究催化劑表面結(jié)構(gòu)、價態(tài)、化學(xué)吸附態(tài)、反應(yīng)動力學(xué)，在原子水平上獲取催化劑反應(yīng)活性中心的信息，探討活性中心的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)與催化性能的關(guān)系，在分子水平上獲取活性中心上動態(tài)反應(yīng)物種的信息，從本質(zhì)上認(rèn)識催化反應(yīng)過程，闡釋反應(yīng)機(jī)理。

結(jié)構(gòu)表征課題組集合了光譜、色譜、質(zhì)譜、核磁共振、元素分析、熱分析聯(lián)用系統(tǒng)等研究手段，主要針對聚烯烴催化劑的機(jī)理進(jìn)行基礎(chǔ)研究，同時開展有機(jī)、無機(jī)化合物定性定量分析和復(fù)雜物質(zhì)剖析等工作。近年來針對新型聚烯烴催化劑研發(fā)和企業(yè)聚烯烴聚合物產(chǎn)品質(zhì)量控制建立了一系列成套分析方法，如聚合物中揮發(fā)性有機(jī)物的分析方法、聚合物中添加劑的快速篩查分析方法、催化劑的固體核磁共振表征分析方法等。

分析研究室堅(jiān)持服務(wù)與研究并重，于2016年獲得CNAS實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可資質(zhì)，集成現(xiàn)有儀器設(shè)備優(yōu)勢成立了五大分析平臺：輕烴雜質(zhì)分析平臺、異味分析平臺、元素定量分析平臺、剖析平臺、催化表征平臺，創(chuàng)建了高水平高素質(zhì)的科研、檢驗(yàn)檢測隊(duì)伍，采用先進(jìn)的測試技術(shù)和創(chuàng)新的分析方法，為研究者提供高水平的分析測試綜合解決方案。

Heat transfer，mass transfer and mixing characteristics in feeding section of FCC riser reactor

Zhu Xiaoli1，Cui Yunjing2，Qiu Xingqi1

（1. College of Chemical Engineering，China University of Petroleum(East China)，Qingdao Shandong 266580，China；2. School of Mechanical and Electrical Engineering，China University of Petroleum(East China)，Qingdao Shandong 266580，China）

Based on the solid catalyst fluidization theory，a computational fluid dynamics(CFD) model for two phase fl ow in the feeding section of a FCC riser reactor was established，and the heat transfer and mass transfer between the feed injection and the continuous gas phase，and mixing characteristics of the feed and catalyst were investigated. It was showed that，the extents of the uneven“wall-core”distributions of the feed volume fraction，droplet diameter and temperature along the riser radius were the maximum. With the increase of axial position，the evaporation of the feed droplets was enhanced and fi nally the entire evaporation was achieved，so the heat transfer and mass transfer in the riser were improved. The increase of nozzle spray angle could promote the droplet evaporation rate，weaken the extents of the uneven “wall-core” distributions，and thus improve the FCC reaction efficiency.

riser reactor；feed injection；droplet evaporation；feed-catalyst mixing；spray angle

1000-8144（2017）03-0309-06

TQ 021.4

A

10.3969/j.issn.1000-8144.2017.03.008

2016-10-27；［修改稿日期］2016-12-13。

朱曉麗（1991—），女，山東省濰坊市人，碩士生，電話 18266207980，電郵 zhuxiaolizi@126.com。聯(lián)系人：崔運(yùn)靜，電話 18366262979，電郵 cuiyj@upc.edu.cn。

中國石油大學(xué)（華東）研究生創(chuàng)新工程基金項(xiàng)目（YCXJ2016051）。