进气喷嘴位置对循环流化床反应器循环量的影响

苏鲁书，刘丙超，张善鹤，李春义

(中国石油大学(华东)重质油国家重点实验室，山东 青岛 266580)

进气喷嘴位置对循环流化床反应器循环量的影响

苏鲁书，刘丙超，张善鹤，李春义

(中国石油大学(华东)重质油国家重点实验室，山东 青岛 266580)

在高10.6 m、内径100 mm的循环流化床冷态模拟实验装置上研究了底部预提升气以及喷嘴进气量对循环流化床反应器循环量的影响，对比了3种不同喷嘴位置结构下系统循环量的变化情况以及提升管底部和喷嘴附近气固流动行为的差异，描述了预提升段内气体分布及流动结构。结果表明：预提升气和喷嘴进气是颗粒向上输送的重要推动力，随着喷嘴进气口高度的提高，预提升气对颗粒循环速率的作用效果愈加明显；对于喷嘴进气口位置最低的结构，其系统循环量、喷嘴附近颗粒浓度以及气固接触状况均优于其它结构；在提升管底部，气体多次形成逆流接触，内循环流动和局部涡流作用有效促进了颗粒沿径向混合，有利于颗粒循环量的提高。

循环流化床 循环量 喷嘴 流动行为

近年来，石化行业的核心任务是以生产初级汽柴油为主向发展高附加值高端化工产品为主，催化裂化与化工生产联系日益密切[1]。循环流态化具有处理能力强、热质传递高效、操作灵活等优点[2]，从而使循环流化床反应器在石油化工及其相关领域占有举足轻重的地位。系统循环量(颗粒循环速率)与流化床内传质传热特性、气固接触混合程度以及固体停留时间密切相关，进而影响催化裂化反应的选择性与产品分布。提升管内固体颗粒克服重力及摩擦向上运动的能量主要来自于底部预提升气和喷嘴进料气。因此，喷嘴附近不但是气固反应发生区域，而且喷嘴进气可提供气力输送所需能量，对整个反应进程起着关键的作用。同时，对于两段提升管催化裂化多产丙烯等催化裂解工艺而言，为保证提升管内既能实现高密度反应环境又能够较迅速地将产物输送离开提升管反应器，大量固体颗粒连续稳定地循环[3]是实现最大量增产低碳烯烃的关键。为此，本课题在循环流态化冷态模拟实验装置上考察预提升气和喷嘴进气对系统循环量的影响，对比研究不同喷嘴位置下预提升段内的微观流动行为，以期为循环流化床反应器的模拟与设计提供基础数据。

1 实 验

1.1 实验装置及操作流程

循环流化床冷态模拟实验装置见图1。提升管总高10.6 m，是由内径100 mm、厚度10 mm的有机玻璃管组合而成。气体由3处注入提升管内，分别为底部的盘管型气体分布器(用于固体颗粒的初始流化)、预提升段底部的立管以及输送段底部4个对称布置的喷嘴。

工业操作中往往面临系统循环量的瓶颈问题，循环量不够导致流化床内床层无法维持，颗粒悬浮密度不断变稀，反应转化率和选择性变差。进气喷嘴的轴向分布决定了催化裂化反应和输送段的质量流率以及气固接触混合效率。对喷嘴进气口轴向高度(相对提升管底座)分别为0.9，1.9，2.7 m的3种不同结构进行对比研究，其中3种分布形式分别对应结构A，B，C。

实验过程中，催化剂颗粒经由安装电动蝶阀的斜管进入提升管底部预提升段，与初级气体混合上行；然后进入输送段底部，经二级气体加速后，颗粒开始沿提升管快速向上流动。在提升管顶部，颗粒进入旋风分离器进行气固分离，分离后的颗粒重新返回伴床完成循环流动。

图1 循环流化床冷态模拟装置流程示意

1.2 实验介质及操作条件

实验中使用FCC催化剂作为流化颗粒，其相关物性数据见表1，根据其颗粒密度和粒径值，按照Geldart颗粒分类法属于A类颗粒。流化介质为常温空气，经稳压阀控制在0.19 MPa后通过3处进气口分别引入提升管。

表1 FCC颗粒的物性参数

1.3 测量方法

实验过程中通过转子流量计测量注入提升管内的气体体积流量(预提升、预流化以及喷嘴进气流量三者之和)。考虑到实际操作条件下气体偏离标准状态，实际流量(Q1)应采用式(1)校正。

(1)

式中：P0、T0分别为标准状态时的压力(101.325 kPa)和开尔文温度(293.15 K)；P1、T1分别为实验过程中气体的压力(kPa)和开尔文温度(K)；Q0为转子流量计示数，m3/h。

将式(1)代入式(2)中可得提升管输送段内的表观气速Ug。

(2)

整个系统的固体颗粒循环量采用切换法测量，即通过切换伴床顶部的三通换向阀至测量筒，从而改变催化剂的流向使催化剂进入测量筒，记录一定时间Δt(10 s)内催化剂在测量筒的累积体积Vb，按式(3)计算颗粒循环速率Gs。

(3)

(4)

2 结果与讨论

2.1 不同结构下预提升气量Vp对固体颗粒循环速率Gs的影响

实验中通过改变预提升气量和喷嘴进气量的相对大小来维持提升管内总进气量不变(预提升气量Vp：0，10，20，30，35 m3/h；对应喷嘴进气量Vn：175，165，155，145，140 m3/h)，考察了不同条件下底部预提升气量Vp对Gs的影响，结果如图2所示。由图2可以看出：①系统内颗粒储量一般通过伴床初始静床高度L来衡量，随着颗粒储量的增多，Gs明显升高；由于伴床内较大的颗粒储料量可以形成较高的背压，给颗粒向提升管中流动提供了足够大的推动力，因而可以将更多的颗粒送入提升管底部，大大提高了提升管内颗粒循环率和颗粒密度。②维持提升管内总进气量不变，系统循环量并未随着喷嘴进气量的减少(预提升气量相对增加)而降低，反而出现逐渐增加的现象。这是因为底部预提升气的通入可以有效降低下料管口处颗粒堆积密度，将来自伴床内的颗粒快速提升至喷嘴处，从而保证足够的颗粒进入提升管中上部气固分离区。另外，喷嘴进气口轴向高度对Gs的影响较大。③3种结构下的颗粒循环速率由大到小的顺序为A>B>C，且较高料位(L=460 cm)时3种结构的Gs差异显著。提升管底部流化床层高度由于喷嘴进气口高度的升高而被迫增加，预提升段内更多的颗粒通过沉降作用返回浓相，喷嘴部分或完全暴露，喷嘴附近的颗粒密度降低，气固流动行为发生改变。同时，在L较高的情况下，固定Vp而提高进气口高度，会为了维持颗粒的运动状态，将大量颗粒推入提升管顶部而消耗更多的能量，所以此时的Gs受喷嘴进气口轴向高度的影响更大。

图2 3种结构下Vp对Gs的影响■—结构A； ●—结构B； ▲—结构C。图3～图5同

图3 3种结构下Vn对Gs的影响

2.2 不同结构下喷嘴进气量Vn对固体颗粒循环速率Gs的影响

进一步考察了双层进气结构(Vp=0)中，不同条件下喷嘴进气量Vn对Gs的影响，如图3所示。由图3可以看出：在未通入预提升气的情况下，随着Vn的增加，Gs变化趋势相对平缓，一方面是由于推动力不足，限制了喷嘴进料气对颗粒的输送，从而验证预提升气在气力输送中的重要作用，另一方面可以归因于气体返混，随着Vn的增加，更多的进料气进入预提升段内形成内循环流动，颗粒不断被带出，在一定程度上可缓解预提升气减少对系统循环量的影响；在颗粒储量较高(L=460 cm)的情况下，3种结构Gs差异明显，这与图2反映的变化趋势一致。说明在较低位置下设置喷嘴进气口，可以有效缩短气固接触与混合距离，充分发挥喷嘴进气的推动作用，这将有助于实现提升管内高颗粒通量和高颗粒密度反应环境。

2.3 不同结构下颗粒浓度εs轴向径向分布

图4 3种结构下提升管底部轴向s分布

图5 L=230 cm时3种结构下提升管底部和喷嘴区域径向s分布

2.4 预提升段流动结构

图6 环核流动结构及预提升段流动结构示意

研究发现，提升管内气、固两相沿径向存在不均匀的环-核流动结构，如图6(a)所示，气体倾向于从提升管中心区通过，而大量固体颗粒则聚集于边壁区且向下流动，这种不均匀的流动结构不利于气、固之间充分地接触与混合。图6(b)给出了提升管底部区域气体的流动状况。由图6(b)可以看出，经喷嘴注入提升管内的气体分成了两部分：一部分由于剧烈地冲击作用向下流动，与底部向上流动的气体逆流接触；另一部分则携带颗粒继续向上流动进入提升管中上部区域。提升管中向下流动气体与中心预提升立管喷出的气体射流逆流接触，两股气体混合之后沿径向向外侧流动，而在近边壁处，由于气体与颗粒及壁面间摩擦作用，气体改为向下运动，在预提升段底部又与上升气流发生剧烈的逆流混合继而翻转向上流动，形成气体内循环流动结构。在结构A中，两股气体会发生强烈的逆流混合，内循环流动明显，气体不断地将底部颗粒带入中上部反应区域，一定程度上有利于颗粒循环速率的提高；同时，由于强烈的扰动作用，在内循环的基础上容易形成局部涡流，进一步强化了颗粒沿径向混合。

2.5 径向不均匀指数

(5)

式中：εsmf为初始流化固含率，本实验中εsmf=0.570。

图7 3种结构下提升管底部和喷嘴附近RNI比较条件1：■—底部区域； ■—喷嘴区域；条件2：■—底部区域； ■—喷嘴区域

2.6 瞬时颗粒浓度信号分析

图8是不同结构下提升管底部和喷嘴附近瞬时εs波动信号。由图8可以看出，底部区域的εs明显高于喷嘴附近，这表明底部区域密相悬浮流占优势，但是其中也有一些较低的峰，这标志着局部颗粒团聚物的分散以及气泡的快速产生与破碎；相比于结构C，结构A的波动频率明显增加，波动幅值也更大，气固一直处于剧烈的湍动状态，说明结构A中气固混合接触效果更好。

图8 3种结构下提升管底部和喷嘴附近瞬时颗粒浓度信号分析结果

3 结 论

(1)颗粒在提升管内向上运动需要的推动力主要来自预提升气和喷嘴进气，但两者对于提高循环量的促进机理各不相同。相比喷嘴进气对颗粒的直接加速作用，预提升气在气力输送过程中主要起到催化剂的接力作用。

(2)相同操作条件下，结构A中底部气体与颗粒间传递速率加快，系统循环量明显高于其它结构，喷嘴附近固含率相对更高。进气喷嘴高度的降低对提高循环量有明显的促进作用。

(3)喷嘴进气和预提升气在提升管底部区域会多次发生逆向混合，进气口高度的适当降低有利于强化预提升段内循环流动和局部涡流作用，有效促进了颗粒沿径向的混合。

[1] 戴厚良.把握发展新趋势实现我国石油化工产业的转型发展[J].当代石油石化，2015，23(8)：1-3

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[3] Geng Qiang，Zhu Xiaolin，Yang Jie.Flow regime identification in a novel circulating-turbulent fluidized bed[J].Chemical Engineering Journal，2014，244(10)：493-504

[4] Chenglin，Lu Chunxi，Xu Chunming.A new method for measurement of local solid flux in gas-solid two-phase flow[J].Chinese Journal of Chemical Engineering，2003，11(6)：617-621

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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。

苏鲁书，硕士研究生，主要从事炼油工艺及流体动力学方面的研究工作。

李春义，E-mail：chyli@upc.edu.cn。