催化裂化中可压缩湍流气固两相数值模拟

2021-02-03周迪锋刘冬玉

液压与气动 2021年2期

周迪锋，刘冬玉

(1.上海仪器仪表自控系统检验测试所有限公司，上海 200233；2.浙江工业大学机械工程学院，浙江杭州 310014)

引言

催化裂化是将重油深度加工生产高辛烷值汽油、柴油、液化石油气等高附加值产品的石油炼制过程，催化裂化装置的长周期安全稳定运行一直是炼油工业所追求的目标[1]。

催化裂化装置的活力是靠流化态的催化剂颗粒循环。催化剂是粒径20～100 μm的固体球形颗粒，主要成分是氧化铝。催化剂在整个装置中都处于流化状态，通过气流的输送实现循环流动。由于大量催化剂在催化裂化装置中高速流动和多次循环，使得装置中的许多构件工作在高温、大量固体颗粒不断冲刷、撞击的环境下，会引发2方面的问题：一方面高速运动的催化剂颗粒在循环过程中，经过一些部位时线速度过高，对管壁的撞击引起催化剂颗粒的破碎,使价格昂贵的催化剂大量跑损，同时催化剂颗粒减少会使装置的流化质量恶化，对催化裂化反应有很大影响[2-3]；另一方面由于催化剂颗粒的撞击与冲刷，造成催化裂化装置中的诸多构件冲蚀磨损,对装置的长期运行产生直接威胁，这是造成设备停工停产的最主要原因之一[4]。

为了使催化裂化高效进行，装置内气流的设置显得十分重要。在装置中，气流处于湍流状态，气固两相可压缩气体的湍流问题是流固耦合领域中公认的难题之一，而湍流流动又是自然界和工程中广泛存在的现象，因此很多研究人员在这个领域做了大量的工作。尤其是在20世纪90年代，大涡模拟亚格子模型蓬勃发展，可压缩湍流的研究取得了巨大的进步。LARCHEVEQUE等[5]推导了可压缩LES的控制方程；GERMANO等[6]提出的动力涡粘模型开创了LES应用于实际工程问题计算的先例；ELGHOBASHI[7]研究了应用LES解决多种几何形状的气固两相流动。

催化裂化过程的核心步骤是原油在催化剂的作用下反应，这个步骤在沉降塔内完成。沉降塔是由圆柱直筒构成的，简化沉降塔，用一个圆柱形流道代替。分析流道中的气场和催化剂的运动特征，采用PFC-CCFD耦合的仿真方式，取代Fluent仿真方法，来观察流道中的每个催化剂的运动状态，并且通过PIV观测装置验证颗粒撞击壁面。

1 两相流控制方程

可压缩湍流的LES控制方程通过可压缩N-S方程Favre过滤得到：

(1)

(2)

(3)

式中，“-”——物理空间过滤

“～”——密度加权过滤

ρ——密度

ui，uj——速度分量

xi，xj——坐标

p——压力

σij——黏性应力项

E——总能量

qj——热通量

其中：

(4)

(5)

(6)

(7)

式中,Cs——Smagorinsky常数

λ——比热

T——温度

μ——动力黏度

2 颗粒流数值模拟

在催化裂化装置的管道中，流场是由气化状态的原油构成的，固体是催化剂颗粒，参数如表1所示，流场的管道用圆柱筒代替，尺寸如图1和表2所示。气固耦合数值仿真采用结合离散单元法[9-10]和计算流体动力学的方法[11-12]，用PFC3D和CCFD分别来仿真催化剂颗粒和气场，流道网格如图2所示。

表1 物理特性参数

表2 流道尺寸参数 mm

图1 流道尺寸

图2 流道网格

雷诺数方程为：

Re=vD/υ

(8)

式中,Re——雷诺数

v——速度

υ——运动黏度

得到Re=6956，按照雷诺数与流体运动状态的关系可知，此参数条件下气场处于湍流状态。

在PFC-CCFD的数值模拟中，在气场中加入了1000颗催化剂颗粒，气场和颗粒的初始速度是 20 m/s。

3 计算结果分析

3.1 曳力的分布

曳力是表示气固两相的相互作用和动量传递的重要参数，曳力大小决定了气流对于催化剂颗粒的运动影响[13]。

曳力的分布采用Wen&Yu模型：

Fdrag=Fden+Fint

(9)

式中，Fdrag——曳力

Fden——颗粒密相的曳力

Fint——颗粒相互作用相的曳力

其中：

Fint=βintuf

(10)

Fden=εpβdenuc

(11)

式中，εp——颗粒的体积分数

uc——气流穿过颗粒的速度

uf——气流绕过颗粒的速度

βint，βden——曳力函数

其中，βint，βden的值可以由Wen&Yu[11]模型给出：

(12)

(13)

式中,μg——气体的动力黏度

εmax——颗粒的最大体积分数

ρg——气体的密度

d——颗粒的直径

l——流道长度

Cl——尺度因子

曳力的分布如图3所示。

图3 曳力的分布

3.2 气流速度分布

曳力是气流作用在催化剂颗粒上的力，同时气流受到一个同样大小的反作用力，因此气流速度的大小应该与曳力大小的分布相反，即曳力越大，气流速度越小，曳力越小，气流速度越大。对比图3、图4印证了这一论点。

图4 气流速度分布

3.3 颗粒速度分布

催化剂的跑损主要是由于2方面引起的，一是催化剂颗粒与管壁的撞击，二是催化剂颗粒与催化剂颗粒的撞击。因此求得颗粒撞击管壁的速度及颗粒与颗粒撞击的速度是仿真的关键。

在PFC-CCFD仿真中，1000个催化剂颗粒共发生了2309次撞击，其中颗粒和颗粒撞击1653次，颗粒和管壁撞击656次，平均每个颗粒发生2.3次撞击。所有颗粒中撞击次数最多的是8次，最少的则没有撞击。

催化剂颗粒撞击速度vh分布比例如图5所示，颗粒赋予水平方向的初速度20 m/s，撞击速度大部分分布在18～20 m/s之间，由于颗粒之间的撞击作用，颗粒获得了其它方向的速度，所以颗粒的速度有可能大于初速度。大于20 m/s的撞击速度对于催化剂的使用寿命有很大的影响。

图5 催化剂颗粒撞击的速度分布

催化剂颗粒的总动能如图6所示，观察到颗粒总动能走向趋势大致可以分为3段：第1段是稳中有升，此时撞击发生次数较少，颗粒的速度基本不变，曳力也较小；第2段是快速下降段，此时是撞击发生的高峰期，有碰撞就会有动能的损失，此时的曳力也最大；第3段是趋于上升段，颗粒在出流道口趋于稳定，撞击次数减少，曳力使得动能变大。

图6 颗粒总动能随时间步的分布

颗粒在管道中轨迹如图7所示，从图中可以看到颗粒在管道中的运动轨迹，颗粒就发生一次碰撞，轨迹线就发生一次转折。

图7 颗粒轨迹图

3.4 撞击速度对颗粒磨损的影响

催化剂颗粒的撞击速度是影响催化剂使用寿命的最重要原因，撞击速度大引起颗粒较大的磨损，使得使用寿命下降。当催化剂分别以10，15，20，25 m/s的速度和壁面发生撞击时，图8为颗粒的质量损失Δm与撞击vh速度的关系。当撞击速度小于10 m/s时，基本没有质量损失；当速度为15～20 m/s时，质量损失较小；当速度大于20 m/s，随着速度的增加质量损失迅速变大。表3为壁面材料属性和催化剂材料属性。