內構件對提升管內氣固流動特性影響的研究進展

阮宇軍 嚴超宇

1.中國石化燕山分公司發展規劃部 北京 102500

2.中國石油大學（北京）重質油國家重點實驗室 北京 102249

提升管作為一種高效氣固接觸反應器，在石油化工等領域已得到廣泛應用。研究表明，提升管內氣固兩相流具有明顯的軸、徑向分布非均勻特征，顆粒濃度在軸向上呈現“下濃上稀”的分布形態以及顆粒的返混現象，而在徑向上存在明顯的“環-核”流動結構[1]，尤其是高密度提升管中，存在顆粒停留時間分布較寬、氣固徑向混合能力較弱、反應效果不理想等問題[2]。嚴重的顆粒濃度徑向分布的不均勻性及近壁處顆粒濃度脈動的大幅度下降，使得氣固接觸效率也存在中心低、邊壁高的不均勻性[3]，導致提升管內氣固總體接觸效率大大下降，由此帶來反應轉化率與選擇性的損失。為此，許多研究者采用加設內構件的方法來改善提升管中氣固流動特性，并從固含率、顆粒濃度分布、速度分布、顆粒軸徑向混合行為等方面對提升管中內構件的影響進行了研究。研究結果表明，內構件可以改善提升管中顆粒的徑向分布，改變顆粒的徑向混合能力，有助于提升管中傳質、傳熱能力的提高。

1 內構件對氣體混合行為的影響

提升管中氣體的徑向擴散行為對氣固混合的均勻性有著重要影響。魏飛等[4]在高11m、直徑186mm的提升管內安裝了間距800mm的3個鈍體式內構件，采用輕烴氣體示蹤技術研究了鈍體式內構件對氣體徑向混合的影響規律。實驗結果表明，引入鈍體式內構件后，在示蹤氣體從床層截面中心注入時，下游各截面示蹤氣體的分布為中心區濃度高，邊壁區濃度低，但在遠離鈍體影響區域的截面上，氣體的徑向分布逐漸均勻，大部分區域氣體的徑向傳質仍符合擬均相二維擴散模型的結果。同時，由于內構件的引入改變了氣體的流動方式，加強了邊壁區和中心區氣體之間的相互作用，在內構件作用區域提升管內示蹤氣體徑向濃度的分布更加均勻（如圖1所示），從而可以增強氣體的徑向傳質效果。此外，研究還發現由于提升管內的催化劑顆粒的團聚會阻礙氣體的徑向擴散，使得示蹤氣體在徑向的分布更加不均勻，但在引入鈍體式內構件后，當氣體繞過鈍體后，由于鈍體的作用而使氣體出現邊壁區濃度高、中心區濃度低的分布，即由于內構件的存在迫使氣體出現繞流而增強了氣體的湍動，使得氣體的徑向混合更加劇烈。

圖1 內構件對氣體徑向分布的的影響[4]

2 內構件對顆粒濃度分布的影響

提升管尤其是高密度提升管內嚴重的顆粒濃度軸徑向分布不均勻性會降低氣固兩相的接觸效果，導致反應效果不理想。因此，如何改善提升管中顆粒濃度分布不均勻所帶來的氣固混合效果差、反應器效率低的問題，是高密度提升管應用的關鍵。

楊艷輝等[5]以空氣為流化介質，考察了提升管內鈍體式內構件對FCC催化劑顆粒濃度分布的影響。結果表明，由于鈍體的存在，提高了內構件處邊壁區的氣速，減弱了邊壁顆粒的向下回流，使得鈍體上方顆粒濃度大大提高，從而改變了提升管內顆粒濃度沿軸向的S型分布形態。同時，鈍體式內構件的引入迫使氣體和顆粒繞流以及由于顆粒的彈濺，增強了氣固兩相的湍動，促進了邊壁與中心區顆粒之間的相互作用而使徑向顆粒濃度分布趨于均勻，這與魏飛等[4]利用鈍體式內構件對氣體徑向分布影響的研究結果是一致的。實驗還對兩個鈍體之間的顆粒徑向分布情況以及顆粒脈動進行了研究，認為雖然內構件可以大大提高床層顆粒脈動強度，消除提升管內近壁區的顆粒濃度環狀區，使得顆粒徑向分布更加均勻，但這種影響距離是有限的。韓超一等[6]考察了鈍體式內構件對變徑提升管內氣固流動特性的影響，發現在鈍體上方距離內構件較近截面的顆粒濃度沿徑向呈現出“Ⅴ型”分布，中心區的顆粒濃度甚至要高于邊壁區，其他截面顆粒濃度徑向分布也更加均勻。研究者認為這是由于鈍體的存在促進了邊壁區氣固的湍動，減少了顆粒聚團的發生，并且加強了邊壁與中心顆粒的相互作用，使得顆粒分布的不均勻程度減小，而且鈍體能夠在一定程度上減少外界干擾的不利影響，增強操作的穩定性。甘寧俊等[7]采用鈍體式內構件對快速床內的壓降及顆粒徑向分布情況進行了實驗研究，認為由于鈍體的截流作用造成的顆粒加速，幾乎在整個床高范圍內壓差都較自由床低，且能夠增加氣固兩相的湍動，提高氣固間接觸效率，改善顆粒密度的徑向分布。

鄭傳根等[8]考察了不同結構尺寸的圓環型、錐斗型、多孔板型內構件對提升管內顆粒徑向分布的影響，實驗結果發現旨在破壞顆粒邊壁回流、使顆粒向床層中心集中的圓環型內構件不但顆粒在床層中心區的濃度沒有增加，反而在氣速較大時導致邊壁區顆粒濃度增加，床層徑向不均勻程度加大，研究者認為其原因是圓環形內構件改變了氣體流型，使邊壁區的氣速減小，顆粒濃度增加；錐斗型內構件較圓環型略有改善，但結果仍不理想。通過對不同開孔型式的多孔板內構件的實驗結果表明，采用與提升管內壁之間留一條窄縫的多孔板能夠增大邊壁處的氣速，效果最好，可使床層顆粒的徑向分布更加均勻，且多層多孔板內構件在基本不影響顆粒徑向分布均勻性的情況下，能夠提高床層顆粒的平均濃度，其影響范圍基本相當于提升管管徑尺寸。

ZHU等[9]針對環形內構件對提升管內顆粒濃度軸、徑向分布的影響進行了較為詳細的實驗研究。結果表明，環形內構件對顆粒濃度的軸、徑向分布，尤其是對內構件附近區域顆粒濃度分布有著顯著的影響。對于兩個環形內構件之間不同軸向位置顆粒濃度的徑向分布（如圖2所示），距離下環最近的截面顆粒濃度較高，尤其是在邊壁區具有更高的顆粒濃度，隨著軸向位置升高各截面顆粒濃度的徑向分布趨于均勻；距離上環最近的截面顆粒濃度偏低。其原因研究者認為是在內構件之下，提升管邊壁區上行的顆粒撞上圓環失去動量后，會被氣體裹挾進中心區隨氣體一起通過床層，因此顆粒不會在邊壁區聚集；而內構件之上邊壁區向下流動的顆粒撞上圓環后卻沒有被氣流及時攜帶走，因此在內構件之上的截面形成了一個高顆粒濃度的邊壁區。

圖2 兩個環形內構件之間不同軸向位置空隙率的徑向分布[9]

此外，ZHU等[9]通過對環形內構件的開孔面積和表觀氣速對提升管軸、徑向顆粒濃度分布的研究發現，與沒有內構件相比，在較低的表觀氣速下環形內構件反而會使提升管邊壁區的顆粒濃度增加，顆粒的徑向分布更加不均勻（如圖6所示）；隨著氣速增加，顆粒濃度的徑向分布趨于均勻，而且在有內構件時氣速的影響更加顯著，這與鄭傳根等[8]的研究結果恰恰相反，原因可能是二者采用的環形內構件形狀（前者圓環截面為矩形，后者為三角形）、操作條件以及內構件與提升管匹配尺寸不同導致的結果；當氣速增加到一定程度后，顆粒濃度的徑向分布出現中心濃度高、邊壁濃度低的現象，且在相同操作的條件下不同開孔面積的圓環形內構件對床層局部顆粒濃度的影響不同。為了考察環形內構件對提升管內軸向顆粒濃度的影響，ZHU等[9]在提升管內沿軸向設置5個內構件后，得到了與楊艷輝等[5]相同的研究結果，即提升管顆粒濃度軸向分布由典型的S型分布變成了Z字型分布，且隨著圓環開孔面積和表觀氣速的增大，內構件上、下截面的平均顆粒濃度差距減小，床層軸向顆粒濃度增加且分布更加均勻。基于以上實驗結果，研究者認為適宜尺寸的環形內構件能夠使提升管內顆粒重新分布，提高軸向顆粒濃度且使徑向顆粒濃度分布更加均勻，有利于增加氣固接觸效率。

3 內構件對顆?；旌闲袨榈挠绊?/h2>

對于FCC這類以中間產物作為目的產品的快速反應而言，提升管中顆粒的軸、徑向混合行為及停留時間的均勻性對于反應的轉化率與選擇性有著重要的影響。劉會娥等[10]采用磷光顆粒示蹤技術對加設了鈍體式內構件的提升管內顆粒的軸、徑向混合行為進行了研究。結果表明，由于內構件的加入縮小了氣固的流通面積，在同樣的操作條件下顆粒的平均停留時間變短，但停留時間分布（RTD）曲線與未引入內構件時相似，仍表現為雙峰及較大的拖尾，這意味著內構件的引入不會使提升管中顆粒的軸向混合行為發生明顯的變化（如圖3所示）。但研究者發現，隨著表觀氣速和床層固含率的提高，內構件會使不同軸向位置邊壁區顆粒的脈動速度大幅度提高，從而破壞提升管在邊壁區所形成的顆粒濃環，使得顆粒的徑向混合得到顯著加強。

圖3 有無內構件顆粒停留時間分布曲線[10]

針對FCC進料段提升管壁面與原料射流“背面”會產生二次流區域[11]，導致該區域的油劑停留延長、壁面結焦傾向增加問題，范怡平等[12]在原料噴嘴處另外引入一股蒸汽以一定角度噴入提升管中，并稱之為“氣體內構件”，以此代替實體內構件控制和利用二次流。據研究，“氣體內構件”能有效減弱該區域油氣及催化劑的返混、縮短停留時間，促進提升管內的油劑混合。許克家等[13]在下行式提升管的研究中發現，在催化劑提升段設置開孔板型內構件后，床層內的氣泡得以破碎，可以明顯改善提升段催化劑的流化狀態，有效地抑制催化劑返混。

4 內構件對氣固傳熱特性的影響

目前眾多研究者的研究工作主要集中在內構件對提升管內氣固傳質特性的影響，對提升管中氣固流動徑向傳熱影響的研究很少。闞偉等[14]采用圓棒形內構件，對提升管內溫度的徑向分布進行了研究。結果表明，提升管內溫度的徑向分布存在一個明顯的拐點，拐點之內為溫度變化較大的內構件影響區，拐點之外為環形流體溫度穩定區；隨著催化劑的引入，內構件影響距離變小，拐點處溫差增大，環形穩定區內流體溫度升高的同時分布更加均勻；隨著內構件散熱量增加，其影響區的流體溫度升高、拐點處溫差增大，但環形溫度影響區的徑向位置基本沒有發生變化；隨著固體顆粒循環速率和床層密度增加，內構件影響區減小、流體溫度降低，環形溫度穩定區增大、流體溫度升高，即內構件能夠在一定程度上提高提升管內徑向的傳熱能力。王焱鵬等[15]通過對循環流化床固-固換熱的實驗研究，也得出了隨著提升管床層密度的增加床層傳熱系數增大的結論。朱曉麗等[16]對FCC提升管內的溫度分布的模擬結果表明，提升管內不同軸向位置混合流體的溫度呈現中心低、邊壁高的環-核分布狀態，且隨著軸向位置升高（相對進料噴嘴），溫度沿徑向分布趨于均勻。

5 結論與展望

提升管內發生反應的首要條件是氣固的有效接觸，而提升管內氣固的不均勻分布是影響反應效果的重要因素之一。從當前的研究結果看，在提升管內設置內構件的確能夠在一定程度上改善氣固兩相的分布狀態，促進氣固充分接觸，減少顆粒返混，從而提高目的產品的收率，具有良好的應用前景。目前尚未見到有實體內構件工業應用的相關報道，主要原因是性能良好的內構件不但要能夠改善提升管內的氣固流動狀態和混合效果，而且要能夠減少死區并具有耐磨性和耐腐蝕性?，F有研究結果也表明了不同型式的內構件對提升管內氣固流動的影響并不相同，甚至類似型式的內構件在不同尺寸、不同操作條件下，不同研究者得出了相反的結論，且目前針對內構件對于提升管內氣固流動影響的定性研究較多，而對其機理及定量研究很少，難以進行工業放大設計。因此，在今后的研究工作中，一是有必要借助計算機輔助模擬，對內構件的影響機理進行研究；二是加強內構件與提升管尺寸、操作條件及安裝位置適宜匹配關系的研究，確定其定量關系，為設計放大及工業化應用提供可靠的依據；三是“氣體內構件”在一定程度上能夠避免實體內構件的許多弊端，也為內構件的研究及應用提供了一個很好的思路和方向。