進氣噴嘴位置對循環流化床反應器循環量的影響

蘇魯書，劉丙超，張善鶴，李春義

(中國石油大學(華東)重質油國家重點實驗室，山東 青島 266580)

進氣噴嘴位置對循環流化床反應器循環量的影響

蘇魯書，劉丙超，張善鶴，李春義

(中國石油大學(華東)重質油國家重點實驗室，山東 青島 266580)

在高10.6 m、內徑100 mm的循環流化床冷態模擬實驗裝置上研究了底部預提升氣以及噴嘴進氣量對循環流化床反應器循環量的影響，對比了3種不同噴嘴位置結構下系統循環量的變化情況以及提升管底部和噴嘴附近氣固流動行為的差異，描述了預提升段內氣體分布及流動結構。結果表明：預提升氣和噴嘴進氣是顆粒向上輸送的重要推動力，隨著噴嘴進氣口高度的提高，預提升氣對顆粒循環速率的作用效果愈加明顯；對于噴嘴進氣口位置最低的結構，其系統循環量、噴嘴附近顆粒濃度以及氣固接觸狀況均優于其它結構；在提升管底部，氣體多次形成逆流接觸，內循環流動和局部渦流作用有效促進了顆粒沿徑向混合，有利于顆粒循環量的提高。

循環流化床 循環量 噴嘴 流動行為

近年來，石化行業的核心任務是以生產初級汽柴油為主向發展高附加值高端化工產品為主，催化裂化與化工生產聯系日益密切[1]。循環流態化具有處理能力強、熱質傳遞高效、操作靈活等優點[2]，從而使循環流化床反應器在石油化工及其相關領域占有舉足輕重的地位。系統循環量(顆粒循環速率)與流化床內傳質傳熱特性、氣固接觸混合程度以及固體停留時間密切相關，進而影響催化裂化反應的選擇性與產品分布。提升管內固體顆粒克服重力及摩擦向上運動的能量主要來自于底部預提升氣和噴嘴進料氣。因此，噴嘴附近不但是氣固反應發生區域，而且噴嘴進氣可提供氣力輸送所需能量，對整個反應進程起著關鍵的作用。同時，對于兩段提升管催化裂化多產丙烯等催化裂解工藝而言，為保證提升管內既能實現高密度反應環境又能夠較迅速地將產物輸送離開提升管反應器，大量固體顆粒連續穩定地循環[3]是實現最大量增產低碳烯烴的關鍵。為此，本課題在循環流態化冷態模擬實驗裝置上考察預提升氣和噴嘴進氣對系統循環量的影響，對比研究不同噴嘴位置下預提升段內的微觀流動行為，以期為循環流化床反應器的模擬與設計提供基礎數據。

1 實 驗

1.1 實驗裝置及操作流程

循環流化床冷態模擬實驗裝置見圖1。提升管總高10.6 m，是由內徑100 mm、厚度10 mm的有機玻璃管組合而成。氣體由3處注入提升管內，分別為底部的盤管型氣體分布器(用于固體顆粒的初始流化)、預提升段底部的立管以及輸送段底部4個對稱布置的噴嘴。

工業操作中往往面臨系統循環量的瓶頸問題，循環量不夠導致流化床內床層無法維持，顆粒懸浮密度不斷變稀，反應轉化率和選擇性變差。進氣噴嘴的軸向分布決定了催化裂化反應和輸送段的質量流率以及氣固接觸混合效率。對噴嘴進氣口軸向高度(相對提升管底座)分別為0.9，1.9，2.7 m的3種不同結構進行對比研究，其中3種分布形式分別對應結構A，B，C。

實驗過程中，催化劑顆粒經由安裝電動蝶閥的斜管進入提升管底部預提升段，與初級氣體混合上行；然后進入輸送段底部，經二級氣體加速后，顆粒開始沿提升管快速向上流動。在提升管頂部，顆粒進入旋風分離器進行氣固分離，分離后的顆粒重新返回伴床完成循環流動。

圖1 循環流化床冷態模擬裝置流程示意

1.2 實驗介質及操作條件

實驗中使用FCC催化劑作為流化顆粒，其相關物性數據見表1，根據其顆粒密度和粒徑值，按照Geldart顆粒分類法屬于A類顆粒。流化介質為常溫空氣，經穩壓閥控制在0.19 MPa后通過3處進氣口分別引入提升管。

表1 FCC顆粒的物性參數

1.3 測量方法

實驗過程中通過轉子流量計測量注入提升管內的氣體體積流量(預提升、預流化以及噴嘴進氣流量三者之和)。考慮到實際操作條件下氣體偏離標準狀態，實際流量(Q1)應采用式(1)校正。

(1)

式中：P0、T0分別為標準狀態時的壓力(101.325 kPa)和開爾文溫度(293.15 K)；P1、T1分別為實驗過程中氣體的壓力(kPa)和開爾文溫度(K)；Q0為轉子流量計示數，m3/h。

將式(1)代入式(2)中可得提升管輸送段內的表觀氣速Ug。

(2)

整個系統的固體顆粒循環量采用切換法測量，即通過切換伴床頂部的三通換向閥至測量筒，從而改變催化劑的流向使催化劑進入測量筒，記錄一定時間Δt(10 s)內催化劑在測量筒的累積體積Vb，按式(3)計算顆粒循環速率Gs。

(3)

(4)

2 結果與討論

2.1 不同結構下預提升氣量Vp對固體顆粒循環速率Gs的影響

實驗中通過改變預提升氣量和噴嘴進氣量的相對大小來維持提升管內總進氣量不變(預提升氣量Vp：0，10，20，30，35 m3/h；對應噴嘴進氣量Vn：175，165，155，145，140 m3/h)，考察了不同條件下底部預提升氣量Vp對Gs的影響，結果如圖2所示。由圖2可以看出：①系統內顆粒儲量一般通過伴床初始靜床高度L來衡量，隨著顆粒儲量的增多，Gs明顯升高；由于伴床內較大的顆粒儲料量可以形成較高的背壓，給顆粒向提升管中流動提供了足夠大的推動力，因而可以將更多的顆粒送入提升管底部，大大提高了提升管內顆粒循環率和顆粒密度。②維持提升管內總進氣量不變，系統循環量并未隨著噴嘴進氣量的減少(預提升氣量相對增加)而降低，反而出現逐漸增加的現象。這是因為底部預提升氣的通入可以有效降低下料管口處顆粒堆積密度，將來自伴床內的顆粒快速提升至噴嘴處，從而保證足夠的顆粒進入提升管中上部氣固分離區。另外，噴嘴進氣口軸向高度對Gs的影響較大。③3種結構下的顆粒循環速率由大到小的順序為A>B>C，且較高料位(L=460 cm)時3種結構的Gs差異顯著。提升管底部流化床層高度由于噴嘴進氣口高度的升高而被迫增加，預提升段內更多的顆粒通過沉降作用返回濃相，噴嘴部分或完全暴露，噴嘴附近的顆粒密度降低，氣固流動行為發生改變。同時，在L較高的情況下，固定Vp而提高進氣口高度，會為了維持顆粒的運動狀態，將大量顆粒推入提升管頂部而消耗更多的能量，所以此時的Gs受噴嘴進氣口軸向高度的影響更大。

圖2 3種結構下Vp對Gs的影響■—結構A； ●—結構B； ▲—結構C。圖3～圖5同

圖3 3種結構下Vn對Gs的影響

2.2 不同結構下噴嘴進氣量Vn對固體顆粒循環速率Gs的影響

進一步考察了雙層進氣結構(Vp=0)中，不同條件下噴嘴進氣量Vn對Gs的影響，如圖3所示。由圖3可以看出：在未通入預提升氣的情況下，隨著Vn的增加，Gs變化趨勢相對平緩，一方面是由于推動力不足，限制了噴嘴進料氣對顆粒的輸送，從而驗證預提升氣在氣力輸送中的重要作用，另一方面可以歸因于氣體返混，隨著Vn的增加，更多的進料氣進入預提升段內形成內循環流動，顆粒不斷被帶出，在一定程度上可緩解預提升氣減少對系統循環量的影響；在顆粒儲量較高(L=460 cm)的情況下，3種結構Gs差異明顯，這與圖2反映的變化趨勢一致。說明在較低位置下設置噴嘴進氣口，可以有效縮短氣固接觸與混合距離，充分發揮噴嘴進氣的推動作用，這將有助于實現提升管內高顆粒通量和高顆粒密度反應環境。

2.3 不同結構下顆粒濃度εs軸向徑向分布

圖4 3種結構下提升管底部軸向s分布

圖5 L=230 cm時3種結構下提升管底部和噴嘴區域徑向s分布

2.4 預提升段流動結構

圖6 環核流動結構及預提升段流動結構示意

研究發現，提升管內氣、固兩相沿徑向存在不均勻的環-核流動結構，如圖6(a)所示，氣體傾向于從提升管中心區通過，而大量固體顆粒則聚集于邊壁區且向下流動，這種不均勻的流動結構不利于氣、固之間充分地接觸與混合。圖6(b)給出了提升管底部區域氣體的流動狀況。由圖6(b)可以看出，經噴嘴注入提升管內的氣體分成了兩部分：一部分由于劇烈地沖擊作用向下流動，與底部向上流動的氣體逆流接觸；另一部分則攜帶顆粒繼續向上流動進入提升管中上部區域。提升管中向下流動氣體與中心預提升立管噴出的氣體射流逆流接觸，兩股氣體混合之后沿徑向向外側流動，而在近邊壁處，由于氣體與顆粒及壁面間摩擦作用，氣體改為向下運動，在預提升段底部又與上升氣流發生劇烈的逆流混合繼而翻轉向上流動，形成氣體內循環流動結構。在結構A中，兩股氣體會發生強烈的逆流混合，內循環流動明顯，氣體不斷地將底部顆粒帶入中上部反應區域，一定程度上有利于顆粒循環速率的提高；同時，由于強烈的擾動作用，在內循環的基礎上容易形成局部渦流，進一步強化了顆粒沿徑向混合。

2.5 徑向不均勻指數

(5)

式中：εsmf為初始流化固含率，本實驗中εsmf=0.570。

圖7 3種結構下提升管底部和噴嘴附近RNI比較條件1：■—底部區域； ■—噴嘴區域；條件2：■—底部區域； ■—噴嘴區域

2.6 瞬時顆粒濃度信號分析

圖8是不同結構下提升管底部和噴嘴附近瞬時εs波動信號。由圖8可以看出，底部區域的εs明顯高于噴嘴附近，這表明底部區域密相懸浮流占優勢，但是其中也有一些較低的峰，這標志著局部顆粒團聚物的分散以及氣泡的快速產生與破碎；相比于結構C，結構A的波動頻率明顯增加，波動幅值也更大，氣固一直處于劇烈的湍動狀態，說明結構A中氣固混合接觸效果更好。

圖8 3種結構下提升管底部和噴嘴附近瞬時顆粒濃度信號分析結果

3 結 論

(1)顆粒在提升管內向上運動需要的推動力主要來自預提升氣和噴嘴進氣，但兩者對于提高循環量的促進機理各不相同。相比噴嘴進氣對顆粒的直接加速作用，預提升氣在氣力輸送過程中主要起到催化劑的接力作用。

(2)相同操作條件下，結構A中底部氣體與顆粒間傳遞速率加快，系統循環量明顯高于其它結構，噴嘴附近固含率相對更高。進氣噴嘴高度的降低對提高循環量有明顯的促進作用。

(3)噴嘴進氣和預提升氣在提升管底部區域會多次發生逆向混合，進氣口高度的適當降低有利于強化預提升段內循環流動和局部渦流作用，有效促進了顆粒沿徑向的混合。

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EFFECTOFINLETNOZZLEPOSITIONONSOLIDFLUXINCIRCULATINGFLUIDIZEDBEDREACTOR

Su Lushu， Liu Bingchao， Zhang Shanhe， Li Chunyi

(StateKeyLaboratoryofHeavyOil，ChinaUniversityofPetroleum(EastChina)，Qingdao，Shandong266580)

Circulating fluidization，as an efficient and bubble-free contacting technology for gas and solid，is the research frontier of fluidization techniques.By a cold simulation apparatus with a riser of 10.6 m height and inner diameter of 100 mm，the effect of volume of pre-lifting gas as well as inlet jet gas on solid flux in circulating fluidized bed was studied.Especially，a comparative study of the solid flux with inlet nozzle at different positions as well as the difference of gas-solid flow behavior between region in the bottom and adjacent to nozzles was conducted.The gas distribution and flow structures in pre-lifting section in riser were described.The results show that pre-lifting gas and jet injection gas are the two important driving forces in pushing particles upward in riser.With the increase of jet inlet height，the effect of pre-lifting gas on solid flux becomes more obvious；the lower nozzle position shows the better performance in overall solid flux，solid holdup as well as gas-solid contact in nozzle region；Multiple gas countercurrent contact along with internal circulation flow as well as local vortex in bottom region of riser promote effectively the radial particle mixing and solid flux.

circulating fluidized bed； solid flux； nozzle； flow behavior

2017-03-23；修改稿收到日期：2017-05-18。

蘇魯書，碩士研究生，主要從事煉油工藝及流體動力學方面的研究工作。

李春義，E-mail：chyli@upc.edu.cn。