催化裂化再生器树枝状气体分布器射流作用区的床层压力脉动特性

石睿捷，马 玲，王创博，严超宇

(中国石油大学(北京)重质油国家重点实验室，北京 102249)

催化裂化装置再生器的主风分布器多数采用树枝状结构的管式气体分布器[1]。该类型分布器主要由主管、支管、分支管以及喷嘴4部分组成，如图1所示。气体进入主管后分流到4根支管内，再分流进入各分支管，最后由分支管上的喷嘴喷出。气体分布器在再生器内起到均匀布气、使床层催化剂颗粒保持良好的流化状态，与空气均匀接触烧焦再生的作用。因此，气体分布器的布气性能对保证再生器内催化剂颗粒的活性恢复具有重要的意义。

图1 树枝状气体分布器结构示意

随着对流化床结构及局部性能研究的深入，流化床已不再被看作浑然一体了。分布器射流作用区与床层主体有许多不同，如果床层中发生快速化学反应，则大部分反应在射流作用区完成，射流区域中的流动、传热、传质及化学反应过程对整个床层至关重要。分布器是影响流化床气固分布均匀性和运行稳定性的重要构件，又是气泡的发源地，所以对分布器射流作用区的流场研究越来越受到重视。喷嘴的射流不仅对气体分布的均匀程度产生影响[2]，且其流场也是诱发分支管和喷嘴产生磨损的内在因素。计算分析[3-5]和实验[6-14]结果表明影响分布器射流作用区流动特性的主要因素有：分布器结构、物料性质、喷嘴的出口气速、直径、倾角和位置等。已有大量文献[15-25]对分布器射流作用区的流场特性进行了研究，但对分布器射流作用区的气固两相流的压力脉动特性研究较少。压力脉动特性是气固两相流动特性的重要参数，是物料流化特性的综合反映和理解流体力学行为和气泡动力学行为的重要参数[26]，也是反应器工艺设计中的重要环节。压力信号包含着丰富的系统信息[27-28]，而且是流态化工业生产中最容易获得也是最为准确的信号[29]。为此，本研究进行树枝状管式气体分布器射流作用区压力分布及压力脉动特性的系统分析，以便为气体分布器的改进和流化床稳定操作提供参考。

1 实验装置及测量方法

1.1 实验装置

图2 实验装置流程示意1—矩形床； 2—左侧分支管； 3—左侧喷嘴； 4—右侧喷嘴； 5—右侧分支管； 6—进气管； 7—玻璃转子流量计； 8—调节阀； 9—缓冲罐； 10—压力表； 11—旁路阀； 12—风机

图3 分支管和喷嘴在二维床内的安装位置和测点位置

实验装置是由有机玻璃制成的透明矩形床(尺寸为960 mm×160 mm×1 010 mm，见图2)。在矩形床下部安装工业气体分布器的分支管和喷嘴典型部分，由两根分支管和两个半圆柱型喷嘴构成，尺寸以某工业FCC装置上分布器的分支管和喷嘴尺寸确定，见图3和图4，图3中θ为喷射角度(射流喷出方向与竖直方向的夹角)。喷嘴相对错列分别安装在两根分支管上，两个喷嘴前后相错距离为100 mm，左侧喷嘴紧贴在矩形床的内壁，喷嘴的出口向下。分支管一端与床壁面采用法兰连接，通过旋转法兰角度可以改变分支管上喷嘴的喷射角度。矩形床内装有一定高度(600 mm)的催化剂颗粒(颗粒密度为1 561 kgm3，充气密度为831 kgm3，堆密度为941.5 kgm3，平均粒径为75 μm)，整个气体分布器浸没在催化剂床层内。

图4 分支管和喷嘴的尺寸

床层和喷嘴压力由动态压力传感器测量，压力传感器的量程为0～20 kPa，灵敏度为20 PamV，测得的压力由压力变送器转换为1～5 V的标准电信号，用多功能数据采集板采样，采样频率为1 000 Hz，采样时间为60 s，床层压力测点为箱体中部从下到上测点1，2，3，4，喷嘴射流压力测点A在左侧喷嘴出口位置，如图3所示。

1.2 实验参数与实验方法

气体由风机提供，经缓冲罐、分别沿两管路流经调节阀和气体转子流量计计量后，进入气体分布器的两分支管，从两分支管上的喷嘴喷出进入矩形床内，再从上方排气口排出。

实验中考察喷嘴喷射角度、喷嘴出口气速变化和初始静床高度对床层和喷嘴射流压力脉动特性的影响。通过压力传感器测量测点1，2，3，4及测点A的压力，即为不同床层高度的压力值及喷嘴出口位置的压力值，如图3所示，1～4测点高度分别为330，390，445，515 mm。实验采用的喷嘴喷射角度分别为：垂直向下喷(0°)，倾斜向下喷(22.5°，45.0°，67.5°)，实验采用的喷嘴出口气速范围为30～70 ms，初始静床高度分别为550，600，650 mm。

2 结果与讨论

2.1 床层平均压力分布规律

图5 不同喷射角度下轴向压力分布喷射角度：■—0°； ●—22.5°； ▲—45.0°；

图6 不同喷嘴出口气速下轴向压力分布喷嘴出口气速，ms：●—57.8； ▲—54.2； ◆—39.7；

图7 不同初始静床高度下轴向压力分布初始净床高度，mm：●—650； ■—600； ▲—550

2.2 床层压力脉动标准偏差分析

式中：N为采样数据个数；Sd表征压力脉动强度[30]。

图8为在初始静床高度为600 mm、喷嘴气速为39.7 ms时，不同喷射角度下床层压力标准偏差沿床层轴向高度的变化曲线。图9为在初始静床高度为600 mm、喷射角度为45.0°时，不同喷嘴出口气速下床层压力标准偏差沿床层轴向高度的变化曲线。图10为在喷射角度为45.0°、喷嘴出口气速为46.9 ms时，不同初始静床高度下床层压力标准偏差沿床层轴向高度的变化曲线。

图8 不同喷射角度下床层压力脉动标准偏差沿轴向高度的变化喷射角度：■—0°； ●—22.5°； ▲—45.0°；

由图8可以看出：当喷射角度为0°和22.5°时，压力脉动先增大后减小，此时测点均处于床层密相区，流化床中密相区引起压力脉动的主要原因是气泡的生成、聚并以及最后的破碎[31]。随床层轴向高度的上升，气泡在上升过程中不断聚并成大气泡，压力脉动逐渐增大，当气泡接近床层上表面时开始破裂，又分解成小气泡，压力脉动逐渐减弱。本实验床层高度较低，气泡在上升聚并成大气泡的过程中很快因为接近床层上表面而破裂，所以压力脉动先增大后又略微减小。当喷射角度为45.0°和67.5°时，测点处于射流形成的稀相区，即分布器影响区，由于射流速度很大，分布器影响区中影响压力脉动大小的主要因素是气体射流所引起的气体湍流强度[32]，而自由射流的湍流度非常大，可达到40%[33]，所以引起的压力脉动高于床层密相区[32]。沿床层轴向高度向上，压力脉动先增大又迅速减小，因为气流通过两个分支管间时，截面积先减小，过缝气速增大，气流湍流度增强，压力脉动增大。气流通过两个分支管后截面积增大，所以气流速度减小，湍流度减小，此处稀相区空间很大，且固体颗粒浓度较小，气体为连续相，局部压力的变化在较大的连续空间内得到缓冲，所以压力脉动又迅速减小。

图9 不同喷嘴出口气速下床层压力脉动标准偏差沿轴向高度的变化喷嘴出口气速，ms：●—54.2； ▲—46.9； ◆—32.5

图10 不同静床高度下床层压力脉动标准偏差沿轴向高度的变化初始净床高度，mm：●—650； ■—600； ▲—550

由图9可以看出，压力脉动随喷嘴出口气速增大而增大。因为气速越大，气流湍流度越大，导致测点压力脉动越大。由图10可以看出，随静床高度增大，床层压力脉动增大。因为静床高度较大时，床层的静压较大，气流受到床层的背压较大，增大了气流的湍流度，所以压力脉动增大。

通过压力脉动标准偏差变化趋势的分析，可以判断分支管间处于床层密相区还是射流形成的稀相空间。当处于密相区时，可以通过压力脉动对气泡行为进行识别；当射流形成稀相空间时，喷嘴射流可能出现直接冲击到相邻分支管及喷嘴的情况，而夹带催化剂的高速射流是对分支管外壁造成冲蚀磨损的主要原因。工业上可以此为依据进行分布器的结构改进来减小磨损。

2.3 喷嘴射流压力脉动标准偏差分析

图11是在静床高度为600 mm时，不同喷射角度下喷嘴射流压力脉动标准偏差随喷嘴出口气速的变化曲线。由图11可以看出：当喷嘴气速小于50 ms时，压力脉动从大到小的喷射角度依次是45.0°，67.5°，0°，22.5°，而当气速增大至53 ms以上时，喷射角度为22.5°时的喷嘴射流脉动突然增至最大；喷射角度为0°，45.0°，67.5°时的喷嘴射流压力脉动随气速增大变化较小。这是因为喷嘴射流压力脉动大小主要取决于气流的湍流度，气流的湍流度受到右侧喷嘴射流的冲击和颗粒两方面的影响。其中右侧喷嘴射流的冲击起主要作用，右侧喷嘴射流对左侧喷嘴出口位置的直接冲击能够使左侧喷嘴射流的湍流度显著增强，增大了压力脉动；颗粒起次要作用，在喷嘴出口附近的区域内颗粒的存在会引起气相速度的剧烈波动，速度梯度大幅增加，而速度梯度的增强则意味着气体的剪切程度增强，导致气相湍流度随速度梯度增大而增强[34]。当气速小于50 ms、喷射角度为45.0°和67.5°时，右侧喷嘴射流可以冲击到左侧喷嘴射流，使射流压力脉动显著增强，而喷射角度为0°和22.5°时，右侧喷嘴射流不能直接冲击到左侧喷嘴，所以喷射角度为45.0°和67.5°时的射流压力脉动高于0°和22.5°时；而喷射角度越小，射流方向越接近于竖直向下，喷嘴射流受到颗粒的阻力越大，颗粒引起的气相速度的波动越剧烈，更大地增强了射流的压力脉动，所以喷射角度为45.0°时的压力脉动高于67.5°时，同时喷射角度为0°时的压力脉动高于22.5°时。相邻喷嘴射流的冲击起主要作用，颗粒起次要作用，所以压力脉动从大到小的喷射角度为45.0°，67.5°，0°，22.5°。当喷嘴气速增加至大于53 ms时，喷射角度为22.5°时的射流压力脉动突然增至最大，这是因为在试验气速30～70 ms范围内，喷射角度为0°时的右侧喷嘴射流一直都不会直接冲击到左侧喷嘴出口位置，而喷射角度为45.0°和67.5°时的右侧喷嘴射流一直可以对左侧喷嘴出口位置产生冲击，但喷射角度为22.5°时会产生一个临界气速，当气速小于该临界值时，右侧喷嘴射流不能对左侧喷嘴出口位置产生冲击，当气速大于该临界值时，右侧喷嘴射流就能够对左侧喷嘴出口位置产生冲击，在受到右侧喷嘴射流冲击的情况下，喷射角度为22.5°时的喷嘴射流更接近竖直向下射流，受到颗粒的阻力大于45.0°和67.5°时，所以当气速大于53 ms时，喷射角度为22.5°时的喷嘴射流压力脉动最大，本实验中测得的气速临界值即处于50～53 ms范围内。

图11 不同喷射角度下喷嘴射流压力脉动标准偏差随喷嘴气速的变化喷射角度：■—0°； ●—22.5°； ▲—45.0°；

为了验证右侧喷嘴射流的冲击，在喷射角度为22.5°时，对双喷嘴射流和关闭右侧喷嘴、只有左侧喷嘴射流两种工况下的压力脉动进行了对比试验，图12是在静床高度为600 mm、喷射角度为22.5°时，双喷嘴射流和关闭右侧喷嘴、只有左侧喷嘴射流两种工况的喷嘴射流压力脉动标准偏差随喷嘴出口气速的变化曲线。由图12可以看出，双喷嘴射流时，当喷嘴出口气速增大至53 ms以上时，喷嘴射流压力脉动突然增大，而关闭右侧喷嘴时，气速增大至大于53 ms后，没有出现压力脉动标准偏差突然变大的情况。所以喷射角度为22.5°时存在一个临界气速，当气速大于该临界值时，右侧喷嘴的射流会对左侧射流产生影响。

图12 喷射角度为22.5°时双喷嘴与单喷嘴射流压力脉动标准偏差随气速的变化■—双喷嘴； ●—单喷嘴

图13是在喷射角度为45.0°时，不同静床高度下喷嘴射流压力脉动标准偏差随喷嘴出口气速的变化曲线。由图13可以看出，喷嘴射流压力脉动标准偏差随静床高度增大而增大，随气速增大变化较小。这是因为喷射角度为45.0°时，左侧喷嘴会一直受到右侧喷嘴射流的冲击，此时颗粒因素决定压力脉动大小，当静床高度增加时，喷嘴出口位于床层中的位置更深，所以此处颗粒浓度更大，从而导致了喷嘴射流的压力脉动幅值增大。

图13 不同静床高度下喷嘴射流压力脉动标准偏差随喷嘴气速的变化初始净床高度，mm：●—650； ■—600； ▲—550

通过对喷嘴射流压力脉动标准偏差的分析，一方面可以对不同工况下喷嘴射流的稳定性进行判断，另一方面能够对是否受到相邻喷嘴射流的冲击进行判断，当喷嘴出口受到相邻喷嘴射流的直接冲击时，夹带催化剂颗粒的高速射流不仅能够对喷嘴及分支管外壁造成冲蚀磨损，而且可能出现使催化剂颗粒进入喷嘴的现象，造成分支管和喷嘴内部严重的冲蚀磨损。为工业上减小磨损的结构改进提供了理论依据。

3 结 论

(1)分支管间床层压力沿床层轴向高度增加逐渐减小，随喷射角度增大而减小，随喷嘴出口气速和静床高度增大而增大，因为测点压力取决于测点和床层上表面间的物料量，物料量越大，压力越大。

(2)喷射角度为0°和22.5°时，分支管间测点处于密相区，压力脉动先增后减，对应着气泡的生成、聚并和破碎的规律；喷射角度为45.0°和67.5°时，分支管间形成射流引起的稀相区，压力脉动由气流湍流度决定，压力脉动高于密相区，当气速减小同时湍流度减小时，压力脉动迅速减小，因为此处气体为连续相，在较大空间内压力脉动很快得到缓冲。分支管间压力脉动随喷嘴出口气速增大而增大，随静床高度增大而增大，由气流湍流度决定，湍流度越大，压力脉动越大。

(3)影响喷嘴射流压力脉动的主要因素为相邻喷嘴射流的冲击，次要因素为颗粒的作用。其中喷射角度为22.5°时的射流压力脉动存在临界气速，取决于是否受到相邻射流的冲击。