催化裂化沉降器内流场数值模拟与连接结构优化

刘美丽，毛 羽，王江云，王 娟

(中国石油大学重质油国家重点实验室，北京 102249)

催化裂化沉降器内流场数值模拟与连接结构优化

刘美丽，毛 羽，王江云，王 娟

(中国石油大学重质油国家重点实验室，北京 102249)

对一种催化裂化(FCC)沉降器内的流动状况进行全尺寸数值模拟，考察粗旋与顶旋采用不同连接方式时沉降器内的油气流动规律，应用雷诺应力模型模拟单个旋风分离器内的气相流场。通过标量输运方程计算简单圆管内气体的停留时间，并与经验公式进行比较，验证采用标量输运方程计算停留时间的可靠性。在此基础上，考察粗旋与顶旋的两种连接结构对沉降器内流动状况以及油气停留时间的影响。结果表明：计算结果与实验数据吻合较好，雷诺应力模型可以用于FCC沉降器内气相流动研究;改进粗旋出口与顶旋入口的相对位置，绝大部分油气直接进入顶旋，可以减少进入沉降器空间的油气量，降低油气结焦的几率。

催化裂化沉降器;相对位置;标量输运方程;停留时间;数值模拟

催化裂化反应沉降系统(含油浆系统)的结焦问题是制约催化裂化装置长周期安全运行的主要因素之一［1-4］。由于沉降器尺寸庞大、结构复杂，难以用实验测量的方法获得其内部油气流动和催化剂分布的详细情况。王娟等［5］利用数值模拟的方法获得了工业尺度下沉降器全部空间内的流场，发现现有结构下粗旋出口与顶旋入口的连接状况是造成大量油气进入沉降器空间的主要原因;王江云等［6-7］在此基础上改进了粗旋与顶旋的连接方式，提出了带导流段的连接结构，并考察了导流段长度对油气流动规律的影响。笔者在细致考察粗旋排气管出口油气流动状况的基础上，优化粗旋出口与顶旋入口的相对位置，对两种结构下的油气流动状况进行对比分析，并通过标量输运方程考察优化前后油气在沉降器内的停留时间分布情况，为沉降器的结构改进提供理论依据。

1 数学模型及模型验证

1.1 控制方程与湍流模型

假设沉降器内的油气流动是一个等温不可压缩过程，可以用不可压缩流体的连续方程和动量方程来描述。计算时通过Reynolds平均法对控制方程进行时间平均，利用湍流模型封闭Reynolds时均方程组［8］。

沉降器内部的流场较为复杂，油气在不同区域呈现不同的流动状态，沉降器空间内的油气以及汽提气流动较为缓慢，而两级分离系统内的油气流动是湍流状态下的三维强旋流，具有强烈的各向异性。因此，准确描述分离系统内的流场是正确模拟沉降器内油气流动规律的关键。研究表明［9-12］，从湍流各向异性出发的雷诺应力模型，通过直接求解湍流脉动应力的微分方程，全面地考虑了各向异性效应，可以较好地预测旋风分离器内部的流场，故选择雷诺应力模型(RSM)对沉降器内的气相流场进行模拟。

1.2 停留时间分布的计算方法

获得沉降器内油气的稳态流场之后，在极短的时间内向沉降器入口注入一股物性参数与气相介质完全相同的气体作为示踪气体，以示踪气体的浓度作为标量输运的考察对象，耦合求解标量输运方程与基本控制方程，获得沉降器出口气体浓度随时间的变化情况，然后根据Fogler［13］提出的方法计算出气体在沉降器内的停留时间。

对于常温不可压缩流动，示踪气体的扩散由速度场确定，示踪气体的浓度c对速度场没有反馈作用，其控制方程为无反应标量的输运方程，如下式所示［14］：

其中

式中，t为时间，s;xj为j方向的坐标，m;uj为 j方向的速度分量，m/s;κ为浓度的扩散系数;Dm为分子扩散系数，m2/s;μt为湍流黏度，Pa·s;ρ为气体密度，kg/m3;Sct为湍流施密特数。

通过C语言以宏定义的形式分别将方程(1)的非稳态项、对流项和扩散项编写成相应的程序模块，利用FLUENT提供的用户自定义程序功能，将程序模块读入并进行编译连接。然后，在FLUENT的对应接口设置好各项的参数。最后设定初始条件和边界条件，对标量输运方程和基本控制方程进行耦合求解，获得标量的输运过程。在计算过程中，应用有限容积积分法离散方程组。

1.3 可靠性验证

1.3.1 湍流模型的验证

为了验证湍流模型的可靠性，将单蜗入口旋风分离器的流场模拟结果与实验测量数据进行对比，单蜗入口旋风分离器的结构尺寸和详细的计算条件见文献［15］。图1为数值模拟与实验测量的旋风分离器内典型截面上切向速度和轴向速度的对比结果。可以看出，无论是切向速度还是轴向速度，RSM的计算值都与实验测量结果吻合较好，表明所采用的数值模拟方法能够正确预报旋风分离器内的气相流场，可以用于沉降器内气相流动研究。

图1 旋风分离器内气相流场模拟结果与实验值的对比Fig.1 Comparison between simulation results and experimental data of gas flow field in cyclone

1.3.2 标量输运方程的验证

通过模拟水平圆管内气体的停留时间验证利用自定义标量输运方程计算停留时间的可靠性。圆管内径为0.1 m，长3 m，选择常温空气作为气相介质，采用标准k-ε模型计算流场，控制方程和标量输运方程均采用QUICK差分格式进行离散。将停留时间分布的模拟结果与扩散模型［16］的计算值进行比较，如图2所示。可以看出，4种气体速度下数值模拟结果都与扩散模型的计算值吻合较好，并且能够反应出流体在圆管内的流动特征：随着入口气速增大，停留时间的分布曲线变窄;气速增大流体流过圆管的时间减小，曲线的峰值左移。上述结果证明采用标量输运方程计算停留时间的可靠性。

图2 不同气速下气体停留时间分布的CFD模拟结果与扩散模型计算值的对比Fig.2 Comparison of RTD calculated results by CFD simulation and dispersion model at different velocities

2 几何模型和计算条件

2.1 几何模型

国内某炼油厂1.4 Mt/a催化装置的沉降器如图3(a)所示。沉降器总高21 m，直径为7 m。提升管出口的油气通过水平管进入粗旋(2个)进行气固初级分离，分离后的油气从粗旋排气管左、右两侧的矩形出口流入沉降器空间，然后再流进顶旋(4个)进行气固二级分离，最后油气从顶旋排气管排出进入后续工序;分离下来的催化剂沿旋风分离器料腿进入沉降器下部的密相床层，经底部入口的蒸汽汽提后排出沉降器，而汽提气则与粗旋排气管出口的

图3 沉降器结构及网格示意图Fig.3 Sketch map of structure and grid of FCC disengager

油气一起进入顶旋。粗旋排气管矩形出口的几何中心与顶旋入口的几何中心位于同一轴向高度。

沉降器内粗旋排气管出口与顶旋入口的相对位置不利于油气的快速引出，因此笔者提出优化的结构形式，不改变粗旋和顶旋的位置，改变粗旋排气管出口与顶旋入口的相对位置，使过粗旋矩形出口几何中心和对应顶旋入口几何中心的直线与顶旋入口截面垂直，并且保证顶旋蜗壳入口的直管段有一个竖直壁面与粗旋排气管相切，如图3(b)所示。对上述2种沉降器结构进行模拟计算，建立了全尺寸的结构化网格，如图3(c)所示。

2.2 计算条件

计算时以粗旋料腿底部为标高起点，竖直向上为z正方向。首先，采用RSM计算气相流场，根据实际生产工况，给定水平管入口的油气速度为18 m/s，并从沉降器底部施加相当于汽提蒸汽的气量。顶旋排气管(长径比约为5.5)内的流动状态已趋于稳定，故施加压力出口边界条件。鉴于实际生产中沉降器下部催化剂密相段对料腿有料封作用，故假设粗旋和顶旋料腿下部为封闭状态，其余部分则施加固壁边界条件。流场稳定后，加入标量输运方程(定义此时t=0)，在0.1 ms的时间内向水平管入口注入示踪气体，其余边界给定浓度梯度为零。

3 计算结果分析

3.1 沉降器内整体流场

图4为沉降器内粗旋入口中心横截面(z1=7.3 m)、粗旋中心纵截面(y1=－2.19 m)、顶旋入口中心横截面(z2=13.2 m)以及顶旋中心纵截面(y2=－1.35 m)上的速度分布。由图4可以看出，从水平管进入的油气沿切向流入两个粗旋风分离器，在蜗壳壁面的约束下形成旋转流动，外层的旋转气流沿轴向向下螺旋流动，到达粗旋下部时向中心集中最终变为向上的内旋流，内旋气流旋转向上进入粗旋排气管由左右两侧的矩形出口排入沉降器空间，然后再进入4个顶旋，继续做外层向下旋转、内层向上旋转的双螺旋流动，最后油气由顶旋排气管排出。可见，油气在粗旋与顶旋内的流动具有旋风分离器内流动的典型特征。另外，油气在两级旋风分离器内的流动速度较高，而在外部沉降器空间，只有粗旋排气管出口射流的影响区域内油气速度稍大，其余部分油气流动较为缓慢，停留较长时间后才能进入顶旋。因此，选择合理的粗旋出口与顶旋入口之间的连接方式，减少油气在沉降器空间内的停留时间，是缩短油气停留时间的关键。

图4 沉降器内典型截面上的速度分布Fig.4 Velocity distribution of typical sections in FCC disengager

3.2 粗旋出口到顶旋入口的局部流场

通过对整体流场的分析可以看出，对于粗旋和顶旋采用非密闭连接的沉降器，粗旋出口到顶旋入口这一范围内的油气流动情况直接决定了油气在沉降器内的停留时间。

图5是沉降器内轴向高度为z=13.2 m的横截面上粗旋排气管出口到顶旋入口区域的速度矢量分布。图5(a)为现有结构下的油气流动状况，可以看出，虽然粗旋出口的几何中心对准了顶旋入口的几何中心，但是由于油气在粗旋排气管内做旋转运动，油气流出排气管时仍具有切向速度分量，因此粗旋出口气流偏离了顶旋入口，导致相当一部分油气没有直接进入顶旋，而是从顶旋入口的侧面进入了沉降器空间。这部分油气由于流动空间突然扩大，流速迅速降低，会在沉降器空间停留较长时间，在高温条件下形成结焦隐患。图5(b)为结构改进后的情形，经过深入研究工况条件下粗旋排气管出口油气的流动状况，精确设计粗旋排气管出口和顶旋入口的相对位置，使顶旋入口对准了粗旋出口油气的流动方向，保证了绝大部分油气从粗旋排气管流出后直接进入顶旋，使进入沉降器空间的油气大为减少，从而降低了油气在沉降器内结焦的几率。

图6为过粗旋中心的竖直截面上粗旋出口到顶旋入口区域的速度矢量分布。其中，图6(a)为现有结构下油气的速度分布，图6(b)为改变粗旋出口和顶旋入口相对位置后的情形。从图6(a)可以看出，尽管粗旋排气管两侧矩形出口的几何中心与顶旋入口的几何中心处于同一高度位置，但是粗旋排气管内的气流具有向上的分速度，因此粗旋出口气流不能对准顶旋入口，有很大一部分油气进入了沉降器空间。另外，粗旋右侧出口到右顶旋的距离较远，油气从矩形出口流出后速度迅速降低，在沉降器空间内缓慢流动，在高温条件下容易过度反应，形成结焦。结构改进后虽然没有改善粗旋出口和顶旋入口的轴向相对位置，但是缩短了粗旋出口和顶旋入口之间的距离，在出口射流作用减弱之前就使油气直接进入了顶旋，避免了油气速度的迅速降低，仅使少量油气从顶旋入口的上部进入了沉降器空间，粗旋右侧出口到右顶旋区域的油气流动改善比较明显(图6(b))。

3.3 油气的停留时间

图7 两种结构下油气的停留时间累积分布函数Fig.7 Cumulative RTD function of oil-gas in different disengagers

在沉降器入口注入示踪气体，在左、右顶旋入口检测气体浓度，获得的停留时间累积分布函数F(t)如图7所示(停留时间累积分布函数F(t)表示停留时间小于t的油气与油气总量之比)。由图7可知：现有结构下停留时间累积分布函数的增长较慢，表明从粗旋排气管出口排出的油气首先在沉降器大空间内扩散，然后再缓慢进入顶旋，约有37%的油气在沉降器空间内的滞留时间超过4 s;结构改进后绝大部分油气从粗旋排气管出口直接流进顶旋，因而停留时间累积分布函数在短时间内快速增长，大约90%的油气在4 s内进入了顶旋。由此可见，优化结构可以大幅减少滞留在沉降器空间内的油气量，缩短油气的平均停留时间，从而减少油气结焦的几率和干气的产量。

4 结论

(1)建立沉降器的全尺寸几何模型，通过雷诺应力湍流模型能较好地预测油气在沉降器内部的不同流动状态，不做简化的全区模拟能够反映局部结构变化对整体流场的影响，是一种研究沉降器防止结焦的有效手段。

(2)改变粗旋出口和顶旋入口的相对位置后，在水平截面上顶旋入口对准了粗旋出口油气的流动方向，使绝大部分油气从粗旋排气管流出后直接进入顶旋，减少了进入沉降器空间的油气量，从而降低了油气在沉降器内结焦的几率。但是，由于粗旋出口油气具有向上的速度分量，仍有少量油气从顶旋入口上部进入沉降器空间。

(3)结构改进后滞留在沉降器空间内的油气量大幅减少，油气的平均停留时间显著降低。

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Numerical simulation of flow field and optimization of linkage structure in FCC disengager

LIU Mei-li，MAO Yu，WANG Jiang-yun，WANG Juan
(State Key Laboratory of Heavy Oil Processing in China University of Petroleum，Beijjing 102249，China)

A full-scale numerical simulation was carried out to investigate gas flow behavior in FCC disengager，especially the flow under different linkage types between primary and secondary cyclone.Reynolds stress model(RSM)was applied to simulate gas flow field in a single cyclone.Moreover，a scalar transport equation was adopted to calculate residence time distribution(RTD)of gas in a simple tube.The RTD curves obtained by simulation agree well with the results from the empirical formula，which verifies the reliability of the scalar transport equation.On the basis，the numerical simulation of flow in FCC disengager was carried out，and flow condition as well as gas residence time under different linkage types was analyzed.The results show that gas flow behavior and residence time distribution are significantly affected by relative position of primary cyclone's outlet to secondary cyclone's inlet.The optimized structure makes the majority of gas directly into secondary cyclone，which reduces the gas quantity into disengager and effectively lowers the chances of coke generation.

FCC disengager;relative position;scalar transport equation;residence time;numerical simulation

TE 624;TQ 052

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2011.03.034

1673-5005(2011)03-0173-06

2011－02－03

国家重点基础研究发展规划项目(2010CB226902)

刘美丽(1985－)，女(汉族)，山东菏泽人，博士研究生，从事多相流动与分离技术的数值模拟研究。

(编辑 刘为清)