多層進氣變徑提升管內顆粒固含率分布研究

宮海峰，楊朝合，徐令寶，甘潔清

（1.中國石油大學 重質油國家重點實驗室，山東 青島 266555； 2.中國石油工程建設公司華東設計分公司，山東 青島 266071）

多層進氣變徑提升管內顆粒固含率分布研究

宮海峰1，2，楊朝合1，徐令寶1，甘潔清1

（1.中國石油大學 重質油國家重點實驗室，山東 青島 266555； 2.中國石油工程建設公司華東設計分公司，山東 青島 266071）

在循環流化床新型提升管冷模裝置上，以空氣-FCC催化劑兩相體系為研究對象，分別考察了操作氣速和固體循環速率對新型提升管內催化劑固含率分布的影響。結果表明，新型提升管內催化劑固含率分布形式不同于傳統等徑提升管；對于新型提升管而言，增大操作氣速或減小固體循環速率均會提高催化劑軸、徑向分布的均勻程度，然而提升管內不同高度截面上不同徑向位置處的固含率對兩者的敏感程度有所不同。

提升管；冷模；多段進料；變徑；固含率

循環流化床提升管反應器在石油煉制工業中起著舉足輕重的作用，然而隨著原料的重/劣質化，以及市場對產品要求的提高，傳統提升管反應器越來越不能滿足生產的需求，而這也促進了各種新技術的發展[1]。為實現多產低碳烯烴，并兼顧輕油收率的煉化一體化要求，中國石油大學（華東）成功開發了兩段提升管催化裂解增產丙烯（TMP）工藝。該工藝采用了一種新型的多層進氣變徑提升管，有效結合了多段進料技術和提升管變徑技術。研究表明[2]，采用該項技術以大慶常渣為原料，可以實現在丙烯收率高達22%的情況下，總液收達到80%以上，因此該項技術具有非常廣闊的工業應用前景。

明確提升管內固含率分布規律對于研究氣-固之間的傳熱、傳質和化學反應，以及設備的設計和操作均有重要的意義[3]。然而由于多層進料結構和變徑段的存在，傳統等徑提升管內的顆粒固含率分布規律很難直接應用到新型多層進氣變徑提升管。盡管劉清華等[4-5]對此進行過相關的研究，但是由于其采用的提升管尺寸較小，并且提升管進氣結構與實際工業裝置差距較大，不能很好地解釋新型提升管內氣固流動特征。因此，本文以某TMP工業裝置的冷態模型為研究對象，詳細研究了新型提升管內顆粒固含率的分布規律，為其計算模擬和優化操作提供必要的指導。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

實驗所用裝置如圖1所示。提升管總高8.3 m（以氣體分布板為基準，下同），內徑為0.05 m。擴徑段分為頂部錐角區（30°）、中部擴徑區（內徑0.1 m、高度為0.5 m）、底部錐角區（60°）三部分。在擴徑區中下部分別設置四個噴嘴型進氣口和一個盤管型進氣口。這兩層進氣口與預提升進氣口共同構成了多層進氣結構，其進氣比例從下往上依次記為 a：b：c。沿提升管軸向設置多個測量點（其中Z=0.59 m的測量點處于中部擴徑區內），便于測得提升管內的局部顆粒固含率。

圖1 提升管裝置結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the novel riser

1.2 實驗儀器

（1）測試設備

本實驗流化氣體采用常溫空氣，操作氣速 Ug由轉子流量計測量；固體顆粒采用FCC催化劑（ρp=1 508 kg/m3，dp=56.5 μm），固體循環速率Gs由電動閥調節；局部顆粒固含率sε由中科院過程所研制的Pc6d型顆粒濃度測量儀測量。本實驗分別測量了不同軸向高度截面上5個徑向位置處（等權重法，見表 1）的局部顆粒固含率，并以除中心點外4個點的算術平均值作為截面平均固含率εs。

表1 局部固含率測試點徑向位置Table 1 Radial positions for the measurement of solid concentration

（2）固體顆粒濃度測量儀的標定

本實驗借鑒 Zhang[6]提出的方法對固體顆粒濃度測量儀進行標定，并得到Pc6d型固體顆粒濃度測量儀的標定曲線如下：

2 結果與討論

為詳細研究該新型結構提升管內氣固兩相的流動規律，分別考察了固體循環速率 Gs和操作氣速Ug對催化劑顆粒固含率分布的影響。

2.1 Gs對固含率分布的影響

圖2反映的是在相同的Ug下（注：Ug=7 m/s，進氣比例a︰b︰c = 2︰3︰2），不同Gs對平均固含率εs軸向分布的影響?？梢钥闯鯣s對εs軸向分布的整體形式并沒有明顯影響。然而隨著Gs的增加，εs~H曲線上移，提升管內尤其是擴徑段以上的εs沿軸向分布不均勻性增大。這是因為固定Ug，增加Gs時，用于加速和輸送單位顆粒的能量減小，顆粒速度降低，εs升高，進而使得顆粒加速過程延長，軸向不均勻性增加。

圖2 固體循環速率Gs對平均固含率軸向分布的影響Fig.2 Effects of Gs on the axial distribution of εs

圖3反映的是與圖2相同的操作條件下，Gs對提升管內s徑向分布的影響?？梢钥闯?，Gs越大，同一徑向位置處s越大，并且這種影響隨著軸向高度的增加越來越明顯，但是同時也使得其徑向分布變得越發不均勻。

圖3 固體循環速率Gs對局部固含率徑向分布的影響Fig.3 Effects of Gs on the radial distribution of sε

在底部擴徑段內sε較高，徑向分布為中心處（0≤r/R≤0.8，下同）低，邊壁處（0.8＜r/R≤1，下同）高的形式。改變Gs對sε徑向分布形式無明顯影響，如軸向高度為0.59 m的截面上sε分布圖所示。

在擴徑段以上的一段范圍內sε大幅下降，并表現為中心處高、邊壁處低的拋物線型分布形式。與邊壁處相比，改變Gs對中心處的sε影響較大，如軸向高度為2.03 m和5.33 m的截面上sε徑向分布圖所示。這是由于當氣固兩相經由擴徑段進入等徑段時，受上部錐角的約束作用，催化劑向提升管中心區聚集，因此使得sε在徑向中心處較高，不同于傳統等徑提升管內的環-核式分布形式[7]。這種“逆環-核式”的拋物線型分布形式有利于油劑之間的均勻接觸[8,9]，減輕提升管邊壁處的生焦現象。

在催化劑的這種分布形式下，固定 Ug而增加Gs勢必會使得中心處為維持顆粒的運動狀態而消耗更多的能量，所以該位置處的sε受Gs的影響更大。在提升管上部，sε徑向分布表現為中心處比邊壁處稍低的分布形式，邊壁處sε受Gs的影響更大，如軸向高度為7.53 m的截面上sε徑向分布圖所示。這是因為在該位置處，氣固流動發展更為充分，中心處sε較小，邊壁處的較高，再加上壁面效應的影響，邊壁處局部氣速較小，因此固定Ug而增加Gs定會使得邊壁處的催化劑濃度增加較為顯著。

2.1 Ug對固含率分布的影響

提升管內催化劑顆?？朔亓澳Σ亮Χ蛏线\動的所有能量均由氣體提供，因此操作氣速Ug的大小將對催化劑顆粒的軸、徑向分布產生重要的影響（注：當Ug= 5 m/s，進氣比例a︰b︰c=2︰2︰1；當Ug=7 m/s，進氣比例a︰b︰c=2︰3︰2；當Ug=9 m/s，進氣比例a︰b︰c=2︰4︰3）。本節在固定Gs的條件下，通過分析不同Ug時多個軸向高度上不同徑向位置處εs的分布情況，詳細研究操作氣速的影響，實驗結果分別如圖4和圖5所示。

圖4 操作氣速Ug對平均固含率軸向分布的影響Fig.4 Effects of Ug on the axial distribution ofεs

由圖4可以看出，在一定的Gs下，提高操作氣速使得提升管內εs降低，同時使得其軸向分布更加均勻。這是由于在較高的Ug下，單位質量的顆粒獲得了更多的能量，顆粒速度增加，固含率降低，氣固兩相更容易達到較為穩定的充分發展狀態。

從圖5可以看出：提升管底部擴徑段內sε總體處于較高的狀態（甚至達到0.48），并在徑向上表現為邊壁處較高、中心處較低的環-核式分布形式。不同Ug對sε的大小及徑向分布形式均沒有明顯的影響，如軸向高度為0.59 m的截面上sε徑向分布所示。在提升管擴徑段以上各軸向高度處，sε總體處于比較低的狀態，均處于0.01以下。Ug的大小對sε的影響也變得更加明顯：Ug越高，所對應的sε越低、徑向分布越均勻，然而其對不同軸向高度截面上各徑向位置處sε大小的影響程度不盡相同。在提升管的中下部，Ug對提升管中心位置處和邊壁處的影響程度基本一致，如軸向高度為2.03 m的截面上sε的徑向分布圖所示。

在提升管的上部，隨著Ug的增加，提升管中心處sε受Ug改變的影響更為明顯，而邊壁處的sε受其影響卻較小，如軸向高度為5.33 m和7.53 m的兩個截面上sε的徑向分布圖所示。

圖5 操作氣速Ug對局部固含率徑向分布的影響Fig.5 Effects of Ug on the radial distribution of sε

這是與提升管不同軸向高度截面處sε徑向分布狀態存在差異有關的。在提升管的中下部，盡管sε的徑向分布為中心處較高，邊壁處較低的形式，邊壁處顆粒似乎更容易被加速，然而由于壁面效應的存在，邊壁處的局部氣速較低，隨Ug的變化較小，所以使得Ug對這兩個區域內sε的影響基本一樣。在提升管的上部，催化劑向邊壁處富集，sε在徑向上逐步形成中心處較低，邊壁處較高的分布形式。由于壁面效應的存在，提升管邊壁處的局部氣速較小，因此該區域sε受Ug變化的影響也較小，而中心處局部氣速較高，sε較低，顆粒更容易被加速，所以sε受Ug的影響更為明顯。

綜上可以看出，新型提升管內的氣固兩相流動情況與文獻中報道的傳統提升管[7]相比有明顯的不同。其沿軸向從下往上有三個特征不同的區域，可以大致分為：底部變徑段影響區、中部過渡區和上部充分發展區。

3 結 論

（1）對于新型提升管而言，增大Ug或減小Gs均有利于催化劑固含率軸、徑向的均勻分布。提升管底部擴徑段內固含率受操作條件變化的影響較??；在提升管中部等徑段，與邊壁處相比，改變Gs對中心處催化劑濃度的影響更大，改變Ug對整個截面的影響基本一致；在提升管的上部，改變Gs對邊壁處催化劑濃度的影響較大，而改變Ug對中心處濃度的影響更為明顯。

（2）底部變徑段影響區內催化劑固含率較高，并呈現出不規則的環-核式分布形式；中部過渡區內催化劑固含率的徑向分布呈中心處較高、邊壁處較低的拋物線形分布形式；上部充分發展區內催化劑固含率較低，并呈現出較為規則的環-核結構，接近充分發展的狀態。

[1] 山紅紅,李春義.催化裂化技術進步近況[J].當代石油石化,2006,14(1):29-31.

[2] 李春義,袁起民,陳小博,等.兩段提升管催化裂解多產丙烯研究[J].中國石油大學學報(自然科學版),2007,31(1):118-121.

[3] Berruti F, Chaouki J, Godfroy L, Pugsley R S,et al. Hydrodynamics of circulating fluidized bed risers: a review [J]. Can J Chem Eng,1995,54:579-602.

[4] 劉清華,楊朝合,趙輝,等.變徑提升管內顆粒流動特性的研究[J].石油化工,2009,38(1):40-45.

[5] 劉清華,孫偉,鈕根林,等.變徑結構提升管反應器內顆粒流動特性的研究[J].煉油技術與工程,2007,37(10):32-36.

[6] Zhang Hui, Johnston, P.M., et al. A Novel Calibration Procedure for a Fiber Optic Solids Concentration Probe[J]. Powder Techno, 1998,100:260-272.

[7] 漆小波. 循環流化床提升管氣固兩相流動力學研究[D]. 成都：四川大學，2003.

[8] 汪申,時銘顯.我國催化裂化提升管反應系統設備技術的進展[J].石油化工動態,2000,8(5):46-50.

[9] 范怡平.催化裂化提升管內氣固兩相流動特性的研究[D].北京:石油大學,2000.

Stydy on the Distribution of Solid Holdup in a Diameter-Changing Riser With Multi-Injections

GONG Hai-feng1，2，YANG Chao-he1，XV Ling-bao1，GAN Jie-qing1
(1.State Key Laboratory of Heavy Oil Processing, China University of Petroleum, Shandong Qingdao 266555，China；2. CPECC East-China Design Branch, Shandong Qingdao 266071, China）

The influence of air velocity （Ug） and solid circulation rate （Gs）on distribution of solid holdup in the cold-model of a novel riser was studied by using air and FCC catalyst as research object. The experimental results show that the distribution of solid holdup in the novel riser is different from the conventional equal-diameter riser. For the novel riser, increasing Ugor decreasing Gswill lead to more uniform distribution of particles, but they have different influence on radial particles distribution at different axial heights.

cold-model; multi-injection; diameter-changing; solid holdup

TE 624.4

A

1671-0460（2011）01-0041-04

2010-11-29

宮海峰（1985-），男，山東泰安人，助理工程師，碩士，2010年畢業于中國石油大學化學工程以技術專業，從事煉油設計工作。E-mail：gonghaifeng@cnpccei.cn，電話：0532-80950185。

楊朝合（1964-），男，教授。E-mail： yangch@upc.edu.cn。