朱振興，唐曉津，侯拴弟，王子軍

(中國(guó)石化石油化工科學(xué)研究院，北京 100083)

漿態(tài)床渣油臨氫熱裂化反應(yīng)器流體力學(xué)性能數(shù)值模擬比較

朱振興，唐曉津，侯拴弟，王子軍

(中國(guó)石化石油化工科學(xué)研究院，北京 100083)

針對(duì)50 kta渣油臨氫熱裂化中型反應(yīng)器，應(yīng)用歐拉-歐拉模型，運(yùn)用CFD模擬方法，對(duì)比了漿態(tài)床的普通鼓泡反應(yīng)器、強(qiáng)制外循環(huán)反應(yīng)器、內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器和外環(huán)流反應(yīng)器的流體力學(xué)性能，得到了這4種反應(yīng)器內(nèi)氣漿兩相流體的流體力學(xué)規(guī)律。通過(guò)對(duì)比4種反應(yīng)器內(nèi)氣漿兩相流體的表觀速度、流動(dòng)方向和體積分?jǐn)?shù)分布等流場(chǎng)信息，初步確定強(qiáng)制外循環(huán)反應(yīng)器和外環(huán)流反應(yīng)器更適合渣油臨氫熱裂化反應(yīng)的反應(yīng)器形式。

渣油 漿態(tài)床 計(jì)算流體力學(xué) 外環(huán)流 歐拉-歐拉模型

隨著石油資源的日益匱乏，加工劣質(zhì)或重質(zhì)油品(如渣油)多產(chǎn)輕質(zhì)油的技術(shù)越來(lái)越受到重視。渣油臨氫熱裂化技術(shù)是重油加工領(lǐng)域中重要的技術(shù)路線之一，具有液體產(chǎn)品收率高、雜原子含量低和低價(jià)值副產(chǎn)物少等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)反應(yīng)器的不同，渣油臨氫熱裂化技術(shù)可分為4種工藝技術(shù)類型，分別是固定床、沸騰床、漿態(tài)床和移動(dòng)床加氫工藝[1]。其中固定床因其技術(shù)工藝成熟、投資成本低，在渣油加工技術(shù)中應(yīng)用最廣。但是由于固定床反應(yīng)器存在處理量較小、傳熱不均勻、催化劑更換困難等問(wèn)題，難以處理高黏度、高金屬含量的劣質(zhì)渣油。移動(dòng)床技術(shù)由于其設(shè)備復(fù)雜、投資高、不易于操作，也很難實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。對(duì)于殘?zhí)?、硫、氮、氧、金屬和固體顆粒物等含量高的劣質(zhì)渣油，沸騰床技術(shù)和漿態(tài)床技術(shù)成為極具競(jìng)爭(zhēng)力的選擇。然而，與沸騰床技術(shù)相比，漿態(tài)床技術(shù)具有催化劑用量少、投資低、反應(yīng)器內(nèi)溫度分布均勻、不易堵塞等特點(diǎn)，更適合用于處理雜質(zhì)含量高的渣油[2]。

渣油臨氫熱裂化過(guò)程一般在高溫高壓下進(jìn)行，反應(yīng)器內(nèi)為氣-液-固三相體系，反應(yīng)器內(nèi)各相流體的流動(dòng)狀況非常復(fù)雜。為了避免結(jié)焦，反應(yīng)器結(jié)構(gòu)一般比較簡(jiǎn)單，且盡量不設(shè)置內(nèi)構(gòu)件。為了消除內(nèi)擴(kuò)散的影響，催化劑粒徑非常小，一般為幾十微米，甚至為納米級(jí)。因此，催化劑粒子的相對(duì)運(yùn)動(dòng)可以忽略，可以與液相均勻混合成漿液，即為體系內(nèi)的連續(xù)相。氫氣是體系內(nèi)的分散相，在反應(yīng)器內(nèi)以氣泡的形式存在。根據(jù)氣相流量由小變大，反應(yīng)器內(nèi)的流場(chǎng)流型會(huì)由均勻鼓泡區(qū)過(guò)渡至湍動(dòng)鼓泡區(qū)[3-4]。反應(yīng)器結(jié)構(gòu)流體流動(dòng)情況，對(duì)反應(yīng)的最終效果有重大影響。但是由于高溫高壓下，難以進(jìn)行有效的實(shí)驗(yàn)考察流體的流動(dòng)情況，制約了漿態(tài)床渣油臨氫熱裂化工藝的工業(yè)化。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)模擬輔助多相流研究有了很大進(jìn)展。計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)是建立在經(jīng)典流體力學(xué)與數(shù)值計(jì)算方法基礎(chǔ)之上的一門新型學(xué)科，通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示的方法，在時(shí)間和空間上定量描述流場(chǎng)的數(shù)值解，從而達(dá)到對(duì)物理問(wèn)題研究的目的。Gandhi等[5]運(yùn)用CFD模擬研究了渣油加氫鼓泡漿態(tài)床中氣速的影響。Joshi[6]運(yùn)用歐拉和拉格朗日模型，研究了鼓泡塔內(nèi)氣液兩相流動(dòng)情況。

1 計(jì)算模型

由于催化劑粒徑很小，與液相合并為一相，作為連續(xù)相，氫氣作為分散相，渣油臨氫熱裂化反應(yīng)器可虛擬為氣漿兩相過(guò)程，用歐拉-歐拉模型求解。

歐拉-歐拉模型也稱為雙流體模型，一般基于以下幾個(gè)假設(shè)：分散相視為擬均相，兩相之間互相滲透，共同占有空間區(qū)域；任意時(shí)刻在任何小的空間體積內(nèi)，都可以認(rèn)為被相含率分別為βg和βls的氣相和液相充滿；氣相為分散相，由大小均勻的球形氣泡組成[7]。

因?yàn)闈{態(tài)床反應(yīng)器內(nèi)溫度分布非常均勻，可以看作等溫過(guò)程，需要求解基本控制方程如下：

質(zhì)量守恒方程常稱作連續(xù)性方程[8]，如式(1)所示：

(1)

動(dòng)量守恒方程[9]，如式(2)和式(3)所示：

對(duì)于連續(xù)相：

(2)

對(duì)于分散相：

(3)

式中：Mls，i和Mg，i為相間作用力項(xiàng)；μls和μg分別為漿相和氣相流體動(dòng)力黏度；ρls和ρg分別為漿相和氣相的密度；uls和ug分別為漿相和氣相的流速；pls和pg分別為漿相和氣相的壓力；ux,uy,uz分別為x,y,z3個(gè)方向的速度分量。

相間動(dòng)量傳遞，即動(dòng)量守恒方程中連續(xù)相的相間作用力項(xiàng)Mls，i表示為：

(4)

式(4)中的動(dòng)量傳遞系數(shù)cls-g可用下式求出：

(5)

式中：CD為兩相間的曳力系數(shù)；dP為分散相的當(dāng)量直徑。

相間作用力包括曳力、附加質(zhì)量力和徑向力，由于影響相間動(dòng)量傳遞最主要的是連續(xù)相與分散相間的曳力，所以只考慮曳力的影響而忽略其它力的影響。選用Ishii & Zuber模型[10]模擬實(shí)際的曳力系數(shù)，如式(6)～式(8)所示。

均勻鼓泡區(qū)，假設(shè)氣泡為橢圓形，曳力系數(shù)為：

(6)

過(guò)渡區(qū)，曳力系數(shù)為：

(7)

對(duì)于不均勻鼓泡區(qū)，曳力系數(shù)為：

(8)

式中:βg為氣相的體積分?jǐn)?shù);Re為雷諾數(shù)。

對(duì)于湍流模型，本研究采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型[11]求解各相的湍流。

(9)

(10)

式中：kls為湍動(dòng)能；εls為湍動(dòng)耗散率；μls為連續(xù)相的流體動(dòng)力黏度；μls，tur為連續(xù)相的湍動(dòng)黏度，其計(jì)算式見(jiàn)式(11)；Gk表示由分散相對(duì)連續(xù)相的附加剪應(yīng)力所引起的湍動(dòng)能kls的產(chǎn)生項(xiàng)，其計(jì)算公式見(jiàn)式(12)。

μls,tur=Cμρ3〗lsk2lsεls

(11)

Gk=μ3〗ls,tur?uls,i?xj?uls,i?xj+?uls,j?xi

(12)

2 漿態(tài)床外環(huán)流反應(yīng)器CFD模擬驗(yàn)證

為了確保計(jì)算結(jié)果的可靠性，首先對(duì)直徑為280mm的漿態(tài)床外環(huán)流反應(yīng)器進(jìn)行CFD模擬計(jì)算，然后運(yùn)用相同結(jié)構(gòu)、相同尺寸的冷模實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。圖1為漿態(tài)床反應(yīng)器軸向高度各個(gè)徑向截面的平均氣含率CFD模擬數(shù)據(jù)與冷模實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比值。由圖1可知，CFD模擬結(jié)果與冷模實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較吻合，說(shuō)明CFD模擬計(jì)算可靠。后續(xù)計(jì)算依照本算例確定的方法進(jìn)行模型離散化和模擬參數(shù)設(shè)置，可以確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖1 反應(yīng)器不同軸向高度徑向截面平均氣含率■—冷模實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)； ◆—CFD模擬數(shù)據(jù)

3 50 kta漿態(tài)床渣油臨氫熱裂化反應(yīng)器流體力學(xué)性能比較

目前可用于渣油臨氫熱裂化的反應(yīng)器主要有鼓泡床反應(yīng)器、強(qiáng)制外循環(huán)反應(yīng)器、內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器和外環(huán)流反應(yīng)器。針對(duì)50kta中型裝置，建立4種塔徑為1m、高為20m的反應(yīng)器計(jì)算模型，如圖2所示。

圖2 4種漿態(tài)床臨氫熱裂化反應(yīng)器示意

反應(yīng)器內(nèi)的溫度為420 ℃，壓力為20MPa，鼓泡床、內(nèi)環(huán)流和外環(huán)流反應(yīng)器按氣油比為3 000，強(qiáng)制外循環(huán)反應(yīng)器氣油比為1 500，但是抽出的油分由泵輸送回反應(yīng)器底部，循環(huán)油與新鮮進(jìn)料比為4∶1。4種反應(yīng)器的入口氣相和漿相流速如表1所示。

表1 入口氣液相流速

4種反應(yīng)器的漿相速度分布和漿相流動(dòng)方向分布見(jiàn)圖3和圖4。由圖3和圖4可見(jiàn)，4種反應(yīng)器中，外環(huán)流反應(yīng)器的上升管和內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器的內(nèi)套筒內(nèi)的流體漿相流動(dòng)最均勻，普通鼓泡床內(nèi)的流動(dòng)最不規(guī)則。外環(huán)流的下降管和內(nèi)環(huán)流的內(nèi)外套筒間隙漿相均向下流動(dòng)，外環(huán)流下降管中的流動(dòng)更均勻，流速更高。這是因?yàn)橥猸h(huán)流和內(nèi)環(huán)流使?jié){相在反應(yīng)器內(nèi)形成定向流動(dòng)，從而使?jié){相的流動(dòng)更均勻。由于漿相流動(dòng)更集中在軸向，徑向的分量減少，所以相應(yīng)的流速更高。

圖3 漿相表觀速度分布

圖4 漿相流動(dòng)方向分布

4種反應(yīng)器的氣相速度分布見(jiàn)圖5。

圖5 氣相表觀速度分布

由圖5可見(jiàn)，強(qiáng)制外循環(huán)反應(yīng)器內(nèi)氣相流動(dòng)最均勻，外環(huán)流反應(yīng)器次之，普通鼓泡床流動(dòng)最不規(guī)則。而內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)套筒內(nèi)氣相的流速最高，這是由于流動(dòng)截面減小。

4種反應(yīng)器的漿相體積分?jǐn)?shù)分布和氣相體積分?jǐn)?shù)分布見(jiàn)圖6和圖7。

圖6 漿相體積分?jǐn)?shù)分布

圖7 氣相體積分?jǐn)?shù)分布

由圖6可知，強(qiáng)制外循環(huán)和外環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)漿相的分布最均勻，鼓泡床和內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)套筒內(nèi)漿相的分布比較不規(guī)則。外環(huán)流反應(yīng)器由于耦合了高分罐，氣液分離比較充分，能確保油分不被氣體夾帶出反應(yīng)器，從而保證收率。內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)外套筒間隙的下方氣液分離比較充分，上部不太充分。因此如果采用此種反應(yīng)器進(jìn)行渣油臨氫熱裂化反應(yīng)，不可避免地會(huì)有油分被氣相夾帶出反應(yīng)器，影響收率。由圖7可知，外環(huán)流反應(yīng)器、強(qiáng)制外循環(huán)反應(yīng)器和鼓泡床反應(yīng)器內(nèi)氣相的分布都比較均勻，內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)套筒內(nèi)氣相分布不規(guī)則。4種反應(yīng)器中，強(qiáng)制外環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)氣相體積分?jǐn)?shù)最小。渣油臨氫熱裂化過(guò)程，氫氣除了有使渣油裂化的作用，還有封閉自由基，防止結(jié)焦的作用。因此，氫氣體積分?jǐn)?shù)越高，反應(yīng)的速率越高，而分布越均勻，反應(yīng)器內(nèi)各處的反應(yīng)器速率就越一致，局部反應(yīng)速度過(guò)快導(dǎo)致結(jié)焦的可能性就越小。因此，強(qiáng)制外循環(huán)反應(yīng)器和外環(huán)流反應(yīng)器比較適合進(jìn)行渣油臨氫熱裂化反應(yīng)，而外環(huán)流反應(yīng)器最適合。為了進(jìn)一步比較4種反應(yīng)器的性能，可以通過(guò)反應(yīng)器內(nèi)各相流體的氣液相速度和體積分?jǐn)?shù)宏觀數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果如表2所示。

表2 4種反應(yīng)器內(nèi)各相體積分?jǐn)?shù)和表觀速度對(duì)比

由表2可知，在有效反應(yīng)區(qū)域內(nèi)，內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)套筒內(nèi)的平均氣相體積分?jǐn)?shù)最高，外環(huán)流反應(yīng)器上升管內(nèi)的平均氣相體積分?jǐn)?shù)略小于內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器，強(qiáng)制外循環(huán)反應(yīng)器氣相平均體積分?jǐn)?shù)最小。內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)套筒內(nèi)的漿相平均速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它反應(yīng)器，說(shuō)明漿相在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其它反應(yīng)器。同等處理量情況下，內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器的高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它反應(yīng)器，導(dǎo)致投資增加。強(qiáng)制外循環(huán)反應(yīng)器內(nèi)漿相的表觀速度最小，說(shuō)明漿相在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間最長(zhǎng)，雖然能降低反應(yīng)器的高度，但是若停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，有可能造成渣油過(guò)度裂化而結(jié)焦。外環(huán)流反應(yīng)器下降管內(nèi)氣相的體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器的內(nèi)外套筒間隙的氣相體積分?jǐn)?shù)，說(shuō)明氣液分離更充分，有利于提高收率。綜合比較，強(qiáng)制外循環(huán)反應(yīng)器和外環(huán)流反應(yīng)器都比較適合進(jìn)行渣油臨氫熱裂化反應(yīng)，外環(huán)流反應(yīng)器性能更優(yōu)。

4 結(jié) 論

運(yùn)用歐拉-歐拉多相流模型，對(duì)塔徑為280 mm的漿態(tài)床冷模試驗(yàn)裝置進(jìn)行了CFD模擬，然后用冷模實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)CFD模擬進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)比反應(yīng)器不同軸向高度的徑向截面平均氣相體積分?jǐn)?shù)分布，表明CFD模擬結(jié)果與冷模實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是吻合的，證明CFD模擬是可靠的。

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NUMERICAL SIMULATIONS OF FLUID DYNAMICS INSIDE SLURRY REACTORS FOR THERMAL CRACKING OF RESIDUE IN PRESENCE OF HYDROGEN

Zhu Zhenxing， Tang Xiaojin， Hou Shuandi， Wang Zijun

(SINOPECResearchInstituteofPetroleumProcessing，Beijing100083)

The flowing behaviors of both gas phase and slurry phase in four types of slurry reactors of bubble column， inner loop reactor， forced recycling reactor and outer loop reactor were simulated and compared by Euler-Euler model with CFD in accordance with the development of a 50 kta slurry bed residue hydrotreating unit. According to the information of both flowing phases， like apparent velocity， flow direction and volume fraction distribution， the forced recycling reactor and outer loop reactor are considered preliminary as the most suitable reactors for residue thermal cracking in presence of hydrogen.

residue； slurry bed； CFD； outer loop； Euler-Euler model

2015-11-11。

朱振興，博士，高級(jí)工程師，主要從事計(jì)算流體力學(xué)模擬、漿態(tài)床反應(yīng)器和內(nèi)構(gòu)件開(kāi)發(fā)、模擬移動(dòng)床吸附分離內(nèi)構(gòu)件開(kāi)發(fā)等方面的研究工作。

朱振興，E-mail：zhuzx.ripp@sinopec.com。

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2012CB224806)。