楊 連，嚴超宇，魏志剛，魏耀東

(中國石油大學(北京)重質油國家重點實驗室，北京 102249)

催化裂化再生器樹枝狀氣體分布器的氣相流場CFD模擬

楊 連，嚴超宇，魏志剛，魏耀東

(中國石油大學(北京)重質油國家重點實驗室，北京 102249)

催化裂化裝置再生器的氣體分布器通常采用樹枝狀氣體分布器，這種分布器存在著氣體分布不均勻和噴嘴的沖蝕磨損問題。為此，對樹枝狀氣體分布器區(qū)域進行計算流體力學(CFD)模擬，重點考察分布器內氣相流場的特征。計算結果表明：樹枝狀氣體分布器的各分支管內氣體速度根據(jù)分支管的長度不同存在很大的變化，而且分支管沿程各噴嘴出口的氣體流量也不同，導致噴嘴出口氣流平均速度存在很大的不均勻性；此外，氣體在分支管入口處以及近分支管入口端的噴嘴處存在偏流現(xiàn)象，壓力分布不均勻，易產生催化劑倒吸現(xiàn)象，造成噴嘴的沖蝕磨損。

催化裂化 樹枝狀氣體分布器 數(shù)值模擬 氣相流場 布氣性能

目前我國催化裂化裝置再生器的主風分布器主要采用樹枝狀氣體分布器[1]。從多年來的使用情況來看，這種氣體分布器在運行過程中存在著較大的氣體分布不均勻問題，造成床層的溫差偏大，另外其分支管和噴嘴經常發(fā)生磨損現(xiàn)象[2]。樹枝狀氣體分布器分支管內的氣體流動不同于一般管流，是一個變質量流，沿程流量和壓力存在較大的變化[3]。一些文獻分析了其磨損的原因，并提出了分布器設計上的改進措施[4]。李曉曼等[5-6]通過對樹枝狀氣體分布器噴嘴的氣相流場模擬，認為噴嘴磨損是催化劑顆粒造成的，屬于氣固兩相沖蝕磨損。徐俊等[7]對管式分布器分支管的布氣性能進行了分析，分支管內沿程壓力逐漸增大，進氣端的壓力較低，導致噴嘴壓降較小。馬艷梅等[8]對環(huán)形氣體分布器的噴嘴入口進行結構改進，使氣體分布更均勻、不易偏流。但是前人并沒有對樹枝狀氣體分布器整體的流場特性進行研究和討論。

樹枝狀氣體分布器的氣體分布不均勻和分支管與噴嘴磨損不僅造成床層溫差偏大、待生催化劑燒焦不完全的操作問題，而且縮短了分布器的使用周期。為了提高對樹枝狀氣體分布器布氣狀況的認識，本研究選擇某1.2 Mta重油催化裂化裝置再生器的樹枝狀氣體分布器為研究對象，對其進行計算流體力學(CFD)模擬[9]，重點考察分布器內部氣相流場的流動和噴嘴的布氣特征，為優(yōu)化氣體分布器的結構參數(shù)和操作參數(shù)、改善氣體分布器的布氣性能提供參考。

1 分布器尺寸和計算模型

1.1 分布器尺寸

圖1是國內某重油催化裂化再生器的樹枝狀氣體分布器，分布器由主管、支管、分支管以及噴嘴4部分組成。氣體進入主管后分流到4根支管內，再分流進入各個分支管，最后由分支管上的噴嘴噴出。主管直徑Φ 1 000 mm，4根支管為變徑管，由Φ 500 mm變徑到Φ 355 mm。每根支管上兩側對稱分布9根同直徑的Φ 145 mm分支管(見圖2)，相鄰兩分支管中心線間距為359 mm。各個分支管上間隔90 mm均布噴嘴，噴嘴為斜向下45°交替分布，為雙徑插入式結構(見圖3)，總數(shù)為846個，噴嘴布置密度為16個m2。

1.2 計算模型

計算流體力學軟件采用 FLUENT14.0，選擇標準k-ε湍流模型。主管入口為速度入口邊界，為

圖1 分布器結構

圖2 分支管示意

圖3 噴嘴結構

均勻進氣方式。計算參數(shù)取自2014年6月某日的現(xiàn)場記錄數(shù)據(jù)，再生器壓力為280 kPa，分布器的平均壓降為4.75 kPa?？諝馊肟谒俾蕿? 606 m3min(標準狀態(tài))，溫度為125 ℃，壓力為330 kPa，該操作狀態(tài)下的主管入口速度為15 ms，則理論上噴嘴出口平均噴出速度為22.7 ms。上截面為氣相出口邊界，為自由出流。壁面采用無滑移條件及標準壁面函數(shù)進行處理。壓力-速度耦合式采用SIMPLE格式離散。收斂條件為各變量殘差為10-7時收斂。為了加快計算速率，先在一階精度格式下計算，然后再轉到二階精度格式下計算。模擬計算的時長為17.3 s。模擬計算結果顯示分布器進出口質量流量守恒，分布器壓降為4.64 kPa，與現(xiàn)場操作數(shù)據(jù)較相符。

圖4 計算模型及網格劃分

2 結果與討論

2.1 分布器的流場分析

圖5為分布器流場的速度云圖。來自主管的氣體進入支管后沿支管流動，同時向各個分支管分流。圖6為分支管內氣流的軸向平均速度Vn分布。由圖6可見，對每一分支管而言，軸向各沿程截面上的平均速度存在很大的變化，氣體進入分支管的入口端并沿軸向流向封閉段，截面平均速度逐漸減小，說明分支管內的氣體介質的流動為變質量流動。由圖6還可看出，分支管越長，噴嘴數(shù)量越多，進入該分支管的氣體流量越大，分支管入口的軸向速度也越大。說明分配到各分支管中的氣體流量不同。

圖5 分布器內速度云圖

圖6 分支管內氣流軸向平均速度

圖7 各分支管上噴嘴出口氣流平均速度分支管編號： ■—9； ●—8； ▲—7； —6； ◆—5；—4； —3； ※—2； ★—1。 圖8同

圖7為各分支管上噴嘴出口氣流平均速度分布，圖8為各分支管上噴嘴出口氣流質量流量。由圖7和圖8可知：分支管上各噴嘴的出口速度分布有較大的不均勻性；沿著分支管內氣體流動方向，噴嘴出口氣流平均速度有增大的趨勢，計算結果表明，長分支管和短分支管上，噴嘴出口氣流平均速度最大差值達到8 ms；短分支管上噴嘴出口氣流平均速度較大，而長管上的噴嘴出口氣流平均速度小于理論上噴嘴出口氣流平均速度(22.7 ms)。由于噴嘴出口氣流平均速度不同，導致分布器的布氣不均勻。同時，各噴嘴的壓降也有很大的變化，尤其是壓降低的噴嘴操作彈性差，當操作發(fā)生波動時，這些噴嘴外部的壓力可能大于內部的壓力，導致催化劑倒流進入噴嘴。

圖8 各分支管上噴嘴出口氣流質量流量

2.2 噴嘴出口氣流速度分布不均勻度

為描述分支管上各噴嘴出口平均速度分布不均勻的特性，采用氣體分布不均勻度M來表征，定義式為：

(1)

式中：F為噴嘴出流面積，m2；F0為所有噴嘴出流面積之和，m2；ui為i噴嘴的出口氣流速度，ms；為設計噴嘴的平均出口氣流速度，ms，ui，n為噴嘴個數(shù)。

M越小，氣體速度分布越均勻。對有限個噴嘴的氣體分布不均勻度M，式(11)可修改為：

(2)

圖9為各分支管上噴嘴出口氣流速度不均勻度。由圖9可知，沿著分支管編號增大的方向，噴嘴出口氣流速度的不均勻度有增加的趨勢，但長分支管上的不均勻度有所減小。

圖9 各分支管上噴嘴出口氣流速度不均勻度

噴嘴出口氣流速度的不均勻度一方面取決于噴嘴的壓力降，另一方面取決于管孔截面積比(分支管橫截面積與噴嘴出口總截面積之比)[10]。由分布器的結構參數(shù)可得到各分支管的管孔截面積比，如表1所示。由表1可知，長分支管的管孔截面積比過小，導致分支管上噴嘴出口氣流平均速度偏小，甚至小于設計速度，而短分支管上的噴嘴出口氣流平均速度偏大，高于設計速度(見圖7)，影響布氣的均勻性。

表1 各分支管參數(shù)

各分支管上噴嘴出口氣流平均速度與管孔截面積比分布如圖10所示。由圖10可知，分支管上噴嘴出口氣流平均速度與管孔截面積比的變化趨勢較吻合。因此在設計時可適當增加長管的直徑，減小短管的直徑，使管孔截面積比在2.2～2.7之間。

圖10 各分支管上噴嘴平均速度與管孔截面積比

2.3 支管和分支管入口的偏流現(xiàn)象

圖11為支管入口處的速度矢量圖。由圖11可知，氣體在支管入口處發(fā)生轉向，出現(xiàn)偏流現(xiàn)象。

圖11 支管入口處氣流速度矢量圖

圖12為第4～第7根分支管入口處的速度矢量圖。由圖12可知，氣流由支管流向分支管時，在各分支管入口處出現(xiàn)第二次轉向，并產生偏流現(xiàn)象。這種偏流在分支管入口段的作用具有一定的長度范圍，尤其對于長分支管，入口處的軸向速度較大，這種偏流現(xiàn)象較為明顯。分支管迎風一側的出流速度較高，背風一側的出流速度較低；迎風側形成一個低壓區(qū)，而背風側形成一個回流區(qū)。分支管的入口低壓區(qū)直接影響設置在此處的噴嘴壓降，如果噴嘴恰好設置在低壓區(qū)內，那么會導致噴嘴實際壓降過低，催化劑顆粒被卷吸進入分支管。

圖12 分支管入口處氣流速度矢量圖

2.4 噴嘴內的流場

圖13為第6根分支管上1號、12號和23號噴嘴出口氣流速度矢量圖。由圖13可知，近分支管入口端的噴嘴內部氣流出現(xiàn)明顯的偏流現(xiàn)象，偏流造成的速度不均會導致噴嘴內壓力分布不均(見圖14)，如果分布器的操作不穩(wěn)定，再生器內的顆粒就容易沿著該處的噴嘴倒吸進入分布器，并隨著分支管內的氣流從下游噴嘴噴出，產生噴嘴的內磨損現(xiàn)象(見圖15)。

圖13 噴嘴出口氣流速度矢量圖

圖14 1號噴嘴內氣體壓力分布云圖參考壓力為330 kPa

圖15 顆粒對噴嘴內壁的沖蝕磨損示意

3 結 論

樹枝狀氣體分布器內的流場計算結果表明，分支管沿程內氣體的流動為變質量流動，分支管內氣體軸向速度沿程逐漸減小，但較長分支管的入口端的流速較大；分布器各分支管上噴嘴的出口速度存在較大的不均勻性，短分支管上噴嘴出口氣流速度較大，而長管上的噴嘴出口氣流速度小于其設計速度，噴嘴的壓降小，導致分布器布氣不均勻，增加長分支管直徑有助于改善布氣性能；分支管入口處以及近分支管入口端的噴嘴內氣流存在偏流現(xiàn)象，壓力分布不均勻，易產生催化劑倒吸現(xiàn)象，造成噴嘴的沖蝕磨損。

[1] 陳俊武.催化裂化工藝與工程[M].中國石化出版社，2005：548-558

[2] 楊光福，孫文勇.重油催化裂化裝置再生器主風分布器的磨損及其危害分析[J].安全，2010，31(10)：11-14

[3] 金涌，俞芷青，孫竹范，等.流化床多管式氣流分布器的研究：Ⅱ.分布器設計參數(shù)的確定[J].化工學報，1984(3)：203-212

[4] 張韓.流化催化裂化再生器主風分布管的設計改進[J].煉油設計，1998，28(5)：20-24

[5] 李曉曼，萬古軍，魏耀東.FCC 裝置主風分布管噴嘴磨損的氣相流場分析[J].煉油技術與工程，2006，36(6)：13-16

[6] Li Xiaoman,Song Jianfei,Sun Guogang,et al.Investigation of different coke samples adhering to cyclone walls of a commercial RFCC reactor[J].China Petroleum Processing and Petrochemical Technology,2016,18(1):8-14

[7] 徐俊，秦新潮，李曉曼，等.流化床管式分布器內流場模擬和布氣性能分析[J].化工學報，2010，61(9)：2280-2286

[8] 馬艷梅，王松江，張振千，等.催化裂化氣體分布器的CFD模擬及優(yōu)化[J].煉油技術與工程，2014，44(6)：52-54

[9] Liu Bo,Wang Yuanhua,Xu Hong.Numerical study of air nozzles on mild combustion for application to forward flow furnace[J].China Petroleum Processing and Petrochemical Technology,2016,18(1):108-122

[10]張成芳，朱子彬，徐懋生，等.多孔管分布器流體均布的設計[J].石油煉制，1980(10)：17-28

CFD SIMULATION OF GAS FLOW FIELD IN GAS PIPE DISTRIBUTOR IN REGENERATOR OF FCCU

Yang Lian， Yan Chaoyu， Wei Zhigang， Wei Yaodong

(StateKeyLaboratoryofHeavyOilProcessing，ChinaUniversityofPetroleum，Beijing102249)

A gas pipe distributor is widely used in regenerator of FCCU. However， there are problems of gas maldistribution and nozzle erosion in the pipe distributor. Therefore， the gas flow field in pipe distributor was simulated by using the CFD commercial software. The result shows that the gas velocity in each branch tube is different， depending on the length of the tube. The gas flow rate through each nozzle is also different which leads to a big inhomogeneity of gas distribution. In addition， there exists an obvious deflective flow at the inlet side of nozzle tube and a non-uniform of pressure distribution， which may cause low pressure drop of nozzle， leading to catalyst entrainment into banching pipe and erosion.

FCC； gas pipe distributor； numerical simulation； gas flow field； gas distribution performance

2016-04-25；修改稿收到日期：2016-07-25。

楊連，碩士研究生，主要從事氣固流態(tài)化研究工作。

嚴超宇，E-mail：yanchaoyu@sina.com。

國家自然科學基金資助項目(21176250)；中國石油大學(北京)科研基金資助項目(2462015YQ0301)。