新型催化裂解快速流化床內顆粒濃度分布實驗研究

王景效，賀翔宇，龔劍洪，許建良，劉海峰

（1中國石油化工股份有限公司石油化工科學研究院，北京 100083；2華東理工大學上海煤氣化工程技術研究中心，上海 200237）

引 言

以乙烯、丙烯為代表的低碳烯烴是現代化學工業重要的基礎化工原料[1]，需求日益增大。相比于傳統制取低碳烯烴的蒸汽裂解工藝，催化裂解因其反應溫度低、蒸汽消耗少、分離流程簡單、成本低廉等優點一直被研究者關注[2-4]。同時我國原油資源日益重質化、劣質化，發展重油催化裂解生產低碳烯烴技術是適合我國基本國情的一條生產路線[5-7]。

快速流態化是指催化劑顆粒在高速氣體的攜帶作用下發生聚集并因此具有較高滑落速度的氣固流動過程[8]，具有床層密度大、返混小、無鼓泡、相間傳質效率高、床層溫度均勻等優點。由于床層內氣體速度高，傳熱系數大，催化劑和油氣原料升溫速率快，有利于化學反應進行，適用于在反應過程中因催化劑失活而需要再生或用顆粒將大量熱補入、取出的工藝[9-10]。快速流化床（fast fluidized bed,FFB）是一種高效的氣固反應和傳熱傳質裝置[11-12]，已廣泛應用于煉油化工領域的流化催化裂化（FCC）。對于催化裂解反應過程，裂解產物分布不僅受反應器內相間混合與分布影響[13]，而且還受原料性質影響[14]，因此催化裂解反應器結構隨產物、原料變化而不斷優化[15-18]，以滿足不同工藝的需求[19]。Jiang[20]提出整體擴徑的新型快速床反應器，用于以重質油為原料的催化裂解過程，該反應器具有乙烯、丙烯等低碳烯烴產率高、干氣和焦炭產率低等優勢。

床層內氣固兩相流動特征及催化劑濃度分布對新型快速床反應器的設計和放大至關重要[21-22]。對于重油催化裂解反應，在一定催化劑濃度范圍內，依據催化反應動力學，增大催化劑濃度，反應速率增大[23-24]，有利于提高丙烯產率[25]。劉清華等[26]對底部變徑提升管流動特性進行了研究，得出提升管底部擴徑導致一定返混，增大催化劑固含率，有效提高了氣固接觸，但擴徑段較短，對以重質油為原料的催化裂解過程較難反應充分。Zhu等[27]和Geng等[28]對上部和中部擴徑型循環-湍動流化床反應器（C-TFB）進行了研究，這種反應器具有較強的氣固混合、高顆粒流量通量、顆粒濃度軸徑向分布較為均勻、顆粒無凈向下流動等特點。從這些研究都可以看出，反應器結構對顆粒濃度分布特性有至關重要的影響。本文以新型快速床反應器為對象，采用光學法測量反應器內顆粒分布特性，考察氣體流量對快速床反應器內顆粒濃度分布的影響規律。

1 實驗裝置和方法

1.1 實驗裝置及流程

本實驗中的新型快速床冷態實驗模型如圖1所示。根據結構可分為提升段（Ⅰ）、漸擴段（Ⅱ）、等徑段（Ⅲ）、漸縮段（Ⅳ）、輸送段（Ⅴ）等5部分，其中提升段中部裝有4個噴嘴，噴嘴與氣固提升段的軸向夾角為45°。反應器整體高度為2 m，提升段內徑d1=90 mm，中部擴徑段內徑d2=360 mm，輸送段內徑d3=140 mm。

圖1 新型催化裂解快速流化床和傳統提升管結構示意圖Fig.1 Schematic diagrams of novel fast fluidized bed and conventional riser geometries for catalytic cracking

實驗流程如圖2所示。來自羅茨鼓風機的壓縮空氣經過4個轉子流量計計量后，由反應器下部的4個對置式噴嘴（inlet 2）進入；顆粒由鋼瓶空氣經減壓閥壓迫給料罐進行下料，由變頻螺桿給料機計量后，在輸送空氣作用下從快速床底部入口（inlet 1）進入反應器；在輸送氣和工藝氣的作用下，顆粒在反應器內向上運動，當顆粒到達反應器頂部時，經折流管回收至布袋進行顆粒收集。

圖2 實驗流程Fig.2 Flow chart of experiment

1.2 顆粒及流化介質

實驗使用的氣相介質為常溫空氣，固體顆粒為玻璃微珠，其顆粒密度為2490 kg/m3，松散堆積密度為1500 kg/m3，采用Mastersizer 2000激光粒度分析儀測量顆粒粒徑分布如圖3所示，顆粒平均粒徑為101μm。

圖3 顆粒粒徑分布Fig.3 Distribution of particle size

1.3 測量方法及實驗條件

為探究新型催化裂解快速床內顆粒濃度分布情況，考察了在3種進氣量條件下的氣固流動特性，實驗工況見表1。

表1 實驗工況Table 1 Experimental conditions

采用中國科學院過程工程研究所研制的PC6M型光纖測量儀對快速流化床中的顆粒濃度進行測量[29-30]，為保證測定結果的準確性，采樣頻率為1000 Hz，采樣時間為15 s，且連續測量3次。在反應器軸向上每隔10 cm設置一個測量點，徑向每隔1～3 cm設置一個測量點。本文采用固含率來表示顆粒濃度，即顆粒在快速床橫截面氣固兩相中所占的體積分數。理論上，床層截面平均顆粒濃度εˉs用式（1）計算[31]：

2 實驗結果與討論

2.1 顆粒濃度軸向分布

圖4是在顆粒流量為Gs=1000 kg/h，空氣流量分別為Gg=340,392,444 m3/h的條件下，新型快速床顆粒濃度的軸向截面平均分布、軸線分布、近壁面分布。從整體上看，3種進氣量條件下，顆粒濃度的軸向分布趨勢相似。在噴嘴位置以下區域，不同氣量下的顆粒濃度基本相等，即原料加入對下部區域的流動影響可以忽略。在噴嘴位置以上區域，顆粒濃度呈下濃上稀分布；當H>1.25 m時，床層上部的顆粒濃度基本保持不變。另外從噴嘴上部分布可以看出，氣量減小，顆粒濃度整體升高。

由圖4(b)、(c)分別給出了顆粒濃度的軸線和近壁面分布。顆粒濃度分布的主要差異體現在等徑段（Ⅲ），近壁面顆粒濃度值很高，隨著進氣量減小，S形分布規律更明顯，表明近壁面區域顆粒濃度更易達到飽和。

圖4 顆粒濃度軸向截面平均分布（a）、軸線分布(b)和近壁面分布(c)Fig.4 Axial profiles of cross-sectional averaged solids concentration(a),center solids concentration(b)and near wall solids concentration(c)

2.2 顆粒濃度徑向分布

圖5給出不同操作條件下，反應器不同高度處的顆粒濃度徑向分布情況。實驗表明，3種氣量條件下，顆粒濃度的徑向分布趨勢基本相似。整體來看，在快速床不同高度的徑向濃度基本呈現為中心低、邊壁高的規律；氣量增大，整體顆粒濃度減小，且對邊壁附近影響更為顯著。圖5(a)為快速床漸擴段（Ⅱ）的顆粒濃度徑向分布情況。顆粒濃度沿徑向呈V形分布，這說明顆粒在漸擴段壁面形成富集。在等徑段（Ⅲ），隨著流動的進行，徑向上顆粒濃度趨于均勻。在床層高度為0.54 m時，從中心到邊壁，顆粒濃度中心區分布均勻，在r/R=±0.8處，顆粒濃度開始增大，呈U形分布；隨著流動發展，等徑段壁面富集濃度逐漸降低。圖5(e)為漸縮段（Ⅳ）的顆粒濃度徑向分布情況。從中心到邊壁，中心區顆粒濃度基本相等，到r/R=±0.6處，顆粒濃度開始增大。與等徑段相比，漸縮段的中心均勻區較窄，邊壁聚集區較寬，這說明在反應器器型的約束下，壁面附近顆粒部分返混。圖5(f)為輸送段（Ⅴ）的顆粒濃度徑向分布情況。顆粒濃度呈現中心低、邊壁也較低、過渡區較高的M形分布，這主要是由于來自漸縮段（Ⅳ）的顆粒在慣性作用下，運動至近壁面處的數量較少。

圖5 不同氣量下顆粒濃度徑向分布Fig.5 Radial profiles of solids concentration at different air flux rates

為了更好地理解新型快速床反應器內復雜的氣固流動現象，量化顆粒濃度的徑向變化，采用Zhu等[35]提出的徑向不均勻性指數（radial nonuniformity index，RNI）來表示顆粒濃度徑向分布的不均勻性。顆粒濃度徑向分布的不均勻指數RNI(εs)為：

式中，εs,mf為初始流化顆粒濃度（在本實驗條件下，由顆粒松散堆積密度與顆粒密度比值可得εs,mf=0.6）；σmax(εs)為歸一化參數；RNI(εs)在0～1變化，其值越大表示顆粒濃度徑向分布越不均勻；σ(εs)的物理意義與RNI(εs)相似。

如圖6所示，整體上看，在噴嘴位置以下，不同氣量下的RNI(εs)和σ(εs)基本相等，表明床層下部顆粒加入后的徑向分布趨勢基本不變。在噴嘴位置以上，RNI(εs)和σ(εs)逐漸降低，即隨著氣固流動的發展，顆粒濃度徑向分布逐漸均勻；在H>1.25 m的漸縮段和輸送段，3種氣量下的RNI(εs)和σ(εs)基本相等，處于平衡狀態。另外從噴嘴以上分布可以看出，氣量增大，RNI(εs)和σ(εs)整體減小，表明進氣量越大，顆粒濃度徑向分布不均勻度越小。

圖6顆粒濃度徑向不均勻度分布與圖4顆粒濃度軸向分布曲線相似，隨著顆粒濃度沿軸向梯度減小，對應高度的顆粒濃度徑向分布不均勻度降低。

圖6 不同高度截面顆粒濃度徑向分布不均勻指數（a）和標準差的軸向分布(b)Fig.6 Axial profiles of radial non-uniformity index(a)and standard deviation of solids concentration at different heights(b)

2.3 兩種反應器內顆粒濃度分布比較

圖7 新型快速床與傳統提升管內顆粒濃度分布比較Fig.7 Comparison of solids concentration between the novel fast fluidized bed and the conventional riser

3 結 論

為了解重質原料油催化裂解多產低碳烯烴在新型快速床內的氣固流態化特征，本文考察了在不同進氣量條件下，新型快速床內氣固混合流動的顆粒濃度分布情況，得到以下結論：反應器內顆粒濃度沿軸向呈上稀下濃分布，且稀相與密相間有明顯的分界；高進氣量時呈指數函數形分布，進氣量降低，呈S形分布，且到達稀相分界后，稀相顆粒濃度基本保持不變；反應器內顆粒濃度沿徑向呈中心低、邊壁高的環-核分布；沿軸向向上，顆粒濃度徑向不均勻度分布曲線與顆粒濃度軸向分布曲線相似，隨著顆粒濃度沿軸向梯度減小，對應高度的顆粒濃度徑向分布不均勻度降低。同時，與傳統提升管反應器相比，在相同操作條件下，新型快速床反應器顯著提高了顆粒濃度。

符號說明

di——快速床各部分直徑，mm

H——快速床高度，m

Gg——空氣體積流量，m3/h

Gs——顆粒質量流量，kg/h

ri,rj——橫坐標，mm

R——快速床截面半徑，mm

r/R——無因次半徑

εs——顆粒濃度，顆粒體積分率

——截面平均顆粒濃度

σ(εs)——局部顆粒濃度沿截面的標準偏差

σmax(εs)——給定截面平均顆粒濃度εˉs的最大可能標準偏差