魯波娜，張景遠(yuǎn)，王維，李靜海

（中國科學(xué)院過程工程研究所，多相復(fù)雜系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190）

FCC反應(yīng)過程的CFD模擬進(jìn)展

魯波娜，張景遠(yuǎn)，王維，李靜海

（中國科學(xué)院過程工程研究所，多相復(fù)雜系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190）

流化催化裂化（fluid catalytic cracking，F(xiàn)CC）工藝是石油煉制中的重要轉(zhuǎn)化工藝，用于生產(chǎn)汽油、柴油、輕質(zhì)烯烴等重要化工原料。FCC反應(yīng)過程的CFD模擬有助于理解FCC反應(yīng)器中流動(dòng)和反應(yīng)行為，輔助設(shè)計(jì)和優(yōu)化FCC工藝設(shè)備，最終指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)現(xiàn)虛擬調(diào)控和放大。從與FCC反應(yīng)模擬相關(guān)的多相流動(dòng)模型、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型以及流動(dòng)與反應(yīng)之間耦合等方面做了回顧和總結(jié)。在流動(dòng)與反應(yīng)耦合研究方面，從湍流模型的使用、流動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響、精細(xì)化模型的發(fā)展以及原油汽化模型的重要性這4個(gè)角度做了分析比較及總結(jié)?；谝延械难芯抗ぷ鳎J(rèn)為雖然很多研究表明CFD模擬能較好地揭示工業(yè)FCC提升管反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)和反應(yīng)行為，但缺乏采用同一方法實(shí)現(xiàn)從小試到工業(yè)反應(yīng)器模擬放大的實(shí)例，從側(cè)面反映了當(dāng)前的FCC理論模型和模擬技術(shù)還遠(yuǎn)未達(dá)到可以代替實(shí)驗(yàn)的水平。展望未來的FCC反應(yīng)模擬，建議從模型精細(xì)度和計(jì)算效率上加強(qiáng)研發(fā)，并在此兩方面尋求平衡，最終實(shí)現(xiàn)虛擬調(diào)控。

催化裂化；多相流；反應(yīng)動(dòng)力學(xué)；雙流體模型；模擬

引　言

流化催化裂化工藝（fluid catalytic cracking，F(xiàn)CC）是石油煉制中最重要的轉(zhuǎn)化工藝，用于生產(chǎn)汽油、柴油、低碳烯烴等重要能源和化工產(chǎn)品，其相關(guān)反應(yīng)主要包括裂化、異構(gòu)化、氫轉(zhuǎn)移和烷基化反應(yīng)等。圖 1是典型的 FCC工藝［1］。新鮮催化劑（650～730℃）從底部進(jìn)入，在水蒸氣等推動(dòng)下經(jīng)過預(yù)提升段，與從四周噴嘴射入的霧化原油迅速接觸。原油遇熱瞬間汽化，反應(yīng)隨之發(fā)生。霧化的原料油轉(zhuǎn)化成為更輕更小的碳?xì)浞肿樱ㄆ秃拖N等）和焦炭，氣體體積迅速膨脹，其速度能提高到原來的近 10倍，成為推動(dòng)催化劑向上運(yùn)動(dòng)的主要推動(dòng)力。同時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)生的焦炭會(huì)附著在催化劑顆粒表面的活性位，降低催化活性。失活催化劑在反應(yīng)器的出口經(jīng)分離設(shè)備與裂解氣分離后，進(jìn)入再生器內(nèi)部進(jìn)行燒焦反應(yīng)重新獲得催化能力，從而完成一個(gè)反應(yīng)再生的過程。

圖1　FCC裝置［1］Fig.1　Simplified view of FCC unit［1］

流化催化裂化工藝發(fā)展已有近百年的歷史，它經(jīng)歷了多次技術(shù)革新［2］：一是催化劑技術(shù)的革新，從早期的無定形硅鋁催化劑到分子篩催化劑的發(fā)展；二是反應(yīng)器從固定床、移動(dòng)床、密相流化床到提升管反應(yīng)器的進(jìn)步；三是其他各個(gè)新技術(shù)在反應(yīng)再生系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，如兩段再生、燒焦罐等催化劑再生技術(shù)，快速汽化、快速反應(yīng)和快速分離的“三快”技術(shù)，以及催化劑預(yù)提升段技術(shù)等［3］。FCC工藝操作靈活，用途廣泛，如可生產(chǎn)汽油和烯烴，也可去除硫等有害物質(zhì)，又可作為重質(zhì)渣油的提煉器?？深A(yù)計(jì)，在以后很長一段時(shí)期內(nèi)，它仍將是石油煉制中不可缺少的工藝并逐漸得到升級(jí)改進(jìn)。

我國的催化裂化工藝從第1套流化催化裂化裝置于1965年實(shí)現(xiàn)工業(yè)化以來，發(fā)展極為迅速［4］。但是為了滿足日益嚴(yán)苛的技術(shù)指標(biāo)要求，催化裂化工藝還需要在不同方面得到改進(jìn)和提升。石油作為FCC工藝的重要原料，其可采儲(chǔ)量日益減少，且正向著重質(zhì)化、劣質(zhì)化的方向發(fā)展。近年來，為緩解環(huán)境污染問題，我國出臺(tái)了日益嚴(yán)格的環(huán)境保護(hù)法規(guī)，同時(shí)大力提倡節(jié)能減排，從原料處理、產(chǎn)物分布以及能耗等多方面都對(duì)現(xiàn)有的催化裂化工藝提出了更高的要求。在反應(yīng)器方面，各大石油公司從原油注射技術(shù)、內(nèi)構(gòu)件以及反應(yīng)終止技術(shù)等方面做了大量改進(jìn)，大幅提升了生產(chǎn)效率。在再生器方面，不斷改進(jìn)分離技術(shù)，提高經(jīng)濟(jì)效益并適應(yīng)嚴(yán)苛的環(huán)境保護(hù)法規(guī)要求［5］。在我國，也有新的FCC工藝升級(jí)成功。如石油化工科學(xué)院提出兩個(gè)反應(yīng)區(qū)串聯(lián)的概念，建立多產(chǎn)異構(gòu)烷烴新技術(shù)（maximizing iso-paraffins process，M IP）［6-7］，大幅降低烯烴含量，以滿足新的車用汽油標(biāo)準(zhǔn)。中國石油大學(xué)重質(zhì)油加工國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的兩段提升管催化裂化技術(shù)（two-stage riser FCC，TSRFCC）［8-9］，將一個(gè)長提升管改造成為兩個(gè)短提升管，兩個(gè)提升管共用一個(gè)再生器，一段反應(yīng)生成的油氣分離出目的產(chǎn)物后，進(jìn)入第2個(gè)提升管與再生劑接觸繼續(xù)反應(yīng)，從而具備短反應(yīng)時(shí)間、催化劑接力、大劑油比操作和原料可控性等特點(diǎn)，可顯著提高柴油產(chǎn)率。

這些新的FCC工藝從形成到實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，需要經(jīng)歷從實(shí)驗(yàn)室、中試到示范等一系列的放大步驟和反復(fù)調(diào)試，往往時(shí)間周期長，投入成本高并且成功率較低。近年來，隨著計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynam ics，CFD）技術(shù)的逐漸成熟，CFD在開發(fā)新的 FCC工藝和技術(shù)升級(jí)過程中發(fā)揮了不可忽視的作用。如在M IP技術(shù)開發(fā)過程中，中國科學(xué)院過程工程研究所與石油科學(xué)研究院進(jìn)行了深度合作。在項(xiàng)目第1、2期中，采用基于能量最小多尺度（energy minimization multiscale，EMMS）的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)模型［10］，給出了M IP反再系統(tǒng)的壓力分布和操作流域圖，并設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的M IP反再系統(tǒng)［11］。在項(xiàng)目第3期中，采用雙流體模型對(duì)M IP反應(yīng)器進(jìn)行了等溫流動(dòng)模擬，考察了操作條件、出口結(jié)構(gòu)、分布板結(jié)構(gòu)等因素對(duì)反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)行為的影響，發(fā)現(xiàn)并揭示了“噎塞”的發(fā)生和存在條件［12］。在后續(xù)的項(xiàng)目中，結(jié)合石科院開發(fā)的十二集總反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，基于EMMS對(duì)動(dòng)量和傳熱系數(shù)進(jìn)行修正，應(yīng)用雙流體模型對(duì)某大型工業(yè) M IP反應(yīng)器進(jìn)行了三維反應(yīng)模擬，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常吻合［13］。在此基礎(chǔ)上，完成對(duì)120萬噸/年到800萬噸/年的M IP反再系統(tǒng)的放大模擬。從流域計(jì)算、流動(dòng)模擬到反應(yīng)模擬，過程中也伴隨著理論模型、CFD和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使模擬結(jié)果逐漸逼近實(shí)際操作。可以預(yù)計(jì)，在以后的FCC技術(shù)升級(jí)道路上，CFD反應(yīng)模擬將發(fā)揮越來越重要的作用。

近年來，Pinheiro等［14］回顧了FCC工藝過程中的建模、控制和優(yōu)化，重點(diǎn)關(guān)注用于工業(yè)操作的在線調(diào)控。Gupta等［15］整理了FCC反應(yīng)器模型相關(guān)的各類模型，如原油霧化和汽化模型、簡化流動(dòng)模型、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型、相間傳熱傳質(zhì)模型、催化劑失活模型等，但對(duì)各種模型的介紹都較為簡單，未做深入總結(jié)和評(píng)述，且缺乏對(duì)流動(dòng)和反應(yīng)耦合計(jì)算和相關(guān)應(yīng)用的介紹。楊朝合等［16］回顧了國內(nèi)外流動(dòng)和反應(yīng)耦合模型的研究歷程，根據(jù)流動(dòng)模型與反應(yīng)模型的不同集成方式對(duì)提升管反應(yīng)器流動(dòng)和反應(yīng)耦合模型進(jìn)行了歸納與分類，但論文更多地關(guān)注于總結(jié)和歸納，缺乏對(duì)計(jì)算模式和存在問題的深入分析。本文首先對(duì)FCC反應(yīng)模擬相關(guān)的多相流模型、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型以及流動(dòng)與反應(yīng)之間耦合等研究進(jìn)行總體闡述，隨后從湍流模型的使用、流動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響、精細(xì)化模型的發(fā)展以及汽化模型的重要性等4個(gè)方面深入總結(jié)流動(dòng)和反應(yīng)耦合方式的研究，并分析目前研究存在的問題。論文最后部分展望未來FCC反應(yīng)模擬的幾個(gè)特點(diǎn)和值得重點(diǎn)關(guān)注的方向。

1　多相流理論模型及計(jì)算方法

FCC反應(yīng)模擬需要耦合多相流模型與反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，借助數(shù)值方法求解一系列偏微分方程。有很多商業(yè)軟件，如ANSYS Fluent、ANSYS CFX、 Phoenics、StartCD、Barracuda、Comsol以及開源軟件MFIX、OpenFoam可用作求解器?；谕磺蠼馄脚_(tái)，數(shù)值解的準(zhǔn)確性取決于所依賴的理論模型，下面首先介紹多相流模型。

在顆粒流體系統(tǒng)的數(shù)值模擬中，根據(jù)對(duì)顆粒和流體描述詳細(xì)程度的不同，主要可分為3類模型：直接數(shù)值模擬（direct numerical simulation，DNS）、顆粒軌道模型以及雙流體模型（又稱為連續(xù)介質(zhì)模型或歐拉模型）。其中，直接數(shù)值模擬是將顆粒處理為運(yùn)動(dòng)壁面，而流體計(jì)算網(wǎng)格小于顆粒直徑一個(gè)數(shù)量級(jí)。顆粒采用經(jīng)典的牛頓方程來描述，流體用Navier-Stokes（NS）方程來描述，采用傳統(tǒng)的有限差分、有限元方法、無網(wǎng)格方法（如光滑動(dòng)力學(xué)，smooth particle hydrodynamics，SPH）或者格子Boltzmann方法（lattice-Boltzmann method，LBM）進(jìn)行求解，因此它計(jì)算量巨大，往往只能用來做一些簡單的機(jī)理研究，將其用于FCC提升管反應(yīng)模擬的研究未曾報(bào)道。針對(duì)FCC提升管模擬層次，歐拉-歐拉法是應(yīng)用最為廣泛的方法，而隨著計(jì)算機(jī)速度以及粗?；椒ǖ陌l(fā)展，可預(yù)計(jì)在不久的將來，顆粒軌道模型在FCC反應(yīng)模擬中將受到廣泛應(yīng)用。

1.1歐拉-歐拉法

歐拉-歐拉法是目前在FCC反應(yīng)器層次模擬中應(yīng)用最為廣泛的方法。它將氣固兩相看作連續(xù)介質(zhì)，在每個(gè)微元體內(nèi)兩相可以互相滲透，并服從流體力學(xué)基本方程組。固相應(yīng)力由顆粒動(dòng)理論［17］封閉，曳力模型可以采用經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，或采用考慮流體結(jié)構(gòu)的曳力模型，具體的控制方程如下：

氣固相連續(xù)性方程（q=g，s）

式中，ε、ρ和u分別是體積分?jǐn)?shù)、密度和速度向量。

氣固相動(dòng)量守恒方程

式中，p、ps、τ 、g和β分別是壓力、顆粒壓力、應(yīng)力、重力加速度和相間動(dòng)量傳遞系數(shù)。

氣固相應(yīng)力

組分守恒方程（q=g，s）

式中，Y為組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)；下角標(biāo)i為組分?jǐn)?shù)的序號(hào)；右邊第1、2項(xiàng)分別是組分輸運(yùn)項(xiàng)和反應(yīng)源項(xiàng)；R為化學(xué)反應(yīng)速率。

能量守恒方程

式中，h、Qq、Sq和Qpq分別為比焓、熱通量、熱量源項(xiàng)（包括化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量或輻射等）和相間熱量傳遞；右邊第2項(xiàng)是熱量耗散項(xiàng)。

顆粒溫度守恒方程

式中，Θs為顆粒溫度；右邊4項(xiàng)分別為顆粒應(yīng)力引起的能量生成項(xiàng)、能量擴(kuò)散相、顆粒碰撞耗散項(xiàng)以及相間能量交換項(xiàng)。對(duì)于固相應(yīng)力及固相黏度等物理量的封閉，除了采用經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式外，目前最常用的方法是采用顆粒動(dòng)理論模型［18］。

在FCC提升管的模擬中，相比于顆粒應(yīng)力，曳力的作用更為關(guān)鍵，而非均勻結(jié)構(gòu)對(duì)曳力的重要影響已取得普遍共識(shí)。如何在曳力模型中考慮非均勻結(jié)構(gòu)的影響，文獻(xiàn)中有兩種主流方法。

（1）關(guān)聯(lián)型在底層模擬結(jié)果中尋找規(guī)律，是一種自下而上的方法，以Sundaresan課題組［19-25］的工作為代表。他們假設(shè)基于顆粒動(dòng)理論和均勻分布假設(shè)的雙流體模型能準(zhǔn)確描述氣固非均勻系統(tǒng)，只需網(wǎng)格足夠細(xì)就能求得準(zhǔn)確的數(shù)值解。該方法的思路是：先利用一個(gè)濾波函數(shù)對(duì)各項(xiàng)守恒方程進(jìn)行平均化處理，產(chǎn)生的未封閉量被視為與亞網(wǎng)格結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的物理量，然后對(duì)細(xì)網(wǎng)格模擬結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)歸納得到相應(yīng)的關(guān)聯(lián)式。這個(gè)思想類似單相湍流中的大渦模擬。除了增加上述未封閉量外，平均化后的控制方程與濾波前的一致。該方法的詳細(xì)推導(dǎo)可參見Andrews Ⅳ以及Igci等的報(bào)道［22， 25］。Sundaresan課題組從 2001年 Agrawal［23］發(fā)表第1篇相關(guān)報(bào)道后，陸續(xù)有Andrews Ⅳ、Igci、M ilioli等［22， 24-25］在此方面開展工作。

（2）極值型以 EMMS模型為代表，通過建立穩(wěn)定性條件將宏觀整體行為和單顆粒作用行為進(jìn)行耦合。EMMS模型原先用于穩(wěn)態(tài)計(jì)算，而微元體內(nèi)的曳力和顆粒重力并不平衡，Yang等［26-27］提出引入加速度的概念，并假設(shè)稀密相加速度相等，從而使EMMS模型拓展至非平衡體系，可求得結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)而建立依賴于結(jié)構(gòu)的曳力模型。該曳力模型成功模擬了FCC/air快速床，模擬預(yù)測(cè)的顆粒通量、徑向分布等與實(shí)驗(yàn)值吻合較好。在此基礎(chǔ)上，Wang等［28］區(qū)分了稀密相加速度，并采用兩步法求解模型，使得模型進(jìn)一步拓展至亞格子尺度。得到的曳力修正因子是微元體空隙率和滑移速度的函數(shù)，以矩陣的形式存儲(chǔ)，因此稱為EMMS/matrix模型。該模型可適用于Geldart A、B及D類顆粒的流化床模擬［29］。隨后，Wang等［30-33］相繼開展了EMMS模型的相關(guān)研究。目前，已開發(fā)了EMMS軟件。Qi等［34-35］、Wang等［36-39］、Nikolopoulos［40-41］、Shah等［42-43］也開展了與 EMMS相關(guān)的曳力模型的研究工作。表 1列出了由中國科學(xué)院過程工程研究所EMMS團(tuán)隊(duì)開發(fā)的在FCC領(lǐng)域應(yīng)用較好的EMMS曳力模型以及由普林斯頓Sundaresan課題組開發(fā)的Filtered模型。

1.2歐拉-拉格朗日法

歐拉-拉格朗日方法又稱為顆粒軌道模型，它以連續(xù)方法（歐拉方法）處理流體相，以離散方法（拉格朗日方法）處理顆粒相，求解N-S方程獲得每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的流體運(yùn)動(dòng)情況，應(yīng)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律得到每個(gè)離散顆粒運(yùn)動(dòng)的詳細(xì)信息。顆粒軌道模型采用的流體網(wǎng)格尺度遠(yuǎn)大于單個(gè)顆粒，因此無法描述每個(gè)固體顆粒周圍的流場細(xì)節(jié)，過濾掉的網(wǎng)格內(nèi)流固不均勻分布往往通過修正本構(gòu)關(guān)系來補(bǔ)償，如修正相間曳力作用等。顆粒與顆粒之間相互作用的處理方式可劃分為以下 3類：① 直接數(shù)值 Monte Carlo （direct simulation Monte Carlo，DSMC）；② 硬球模型；③ 軟球模型，也稱為離散單元法（discrete element method，DEM）。在DSMC方法中，通過概率抽樣的方法判斷和處理顆粒間的碰撞，可大大節(jié)省計(jì)算量，但存在不確定性的統(tǒng)計(jì)偏差。在硬球模型中，顆粒間的碰撞是二體瞬時(shí)碰撞，應(yīng)用動(dòng)量守恒原理處理顆粒間的相互作用，即利用碰撞前兩顆粒運(yùn)動(dòng)的已知狀態(tài)（如顆粒速度、角速度及位置等）就可得到碰撞后顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。硬球模型一般采用事件驅(qū)動(dòng)法，系統(tǒng)時(shí)間的推進(jìn)依賴于碰撞發(fā)生的次數(shù)，這意味著對(duì)于碰撞次數(shù)很少的系統(tǒng)模擬進(jìn)行得很快。但這一方式要求顆粒碰撞時(shí)間相對(duì)其自由運(yùn)動(dòng)時(shí)間要短很多，適用于顆粒含量較低的快速顆粒流動(dòng)系統(tǒng)，不適用于存在顆粒靜止接觸或者多顆粒間碰撞頻繁的系統(tǒng)。在軟球模型中，顆粒被視作具有彈性的球，顆粒間的相互作用有一定的接觸時(shí)間，而且允許一個(gè)顆粒和多個(gè)顆粒同時(shí)接觸。顆粒之間的相互作用通過由彈簧器、緩沖器和滑動(dòng)器組成的簡單力學(xué)模型來表示。軟球模型一般采用固定的時(shí)間步長驅(qū)動(dòng)體系演化，其時(shí)間步長足夠小可精確量化顆粒碰撞細(xì)節(jié)。軟球模型是處理氣固兩相流中應(yīng)用最多的歐拉-拉格朗日法。

表1　關(guān)聯(lián)型和極值型兩種方法得到的代表性曳力模型Table 1　Typical drag m odels based on correlative and variational approaches

顆粒軌道模型中大部分計(jì)算用于處理流固體系中眾多顆粒的運(yùn)動(dòng)和相互作用，而實(shí)際體系中顆粒數(shù)目大大超過目前計(jì)算能力所能承受范圍，而在流固系統(tǒng)中顆粒以聚團(tuán)等形式發(fā)揮作用，沒有必要追蹤每個(gè)顆粒的行為。近年來，為進(jìn)一步提高歐拉-拉格朗日法的計(jì)算效率，一些粗粒化方法應(yīng)運(yùn)而生［45-48］。該方法將大量在統(tǒng)計(jì)意義上屬性相近（如速度相同、位置相近）的顆粒作為一個(gè)粗顆粒計(jì)算，從而直接降低顆粒數(shù)量。根據(jù)顆粒碰撞處理方式的不同，粗?；椒煞譃閮深悾阂活愐远嘞辔镔|(zhì)點(diǎn)法（multi-phase particle in cell，MP-PIC）［46］為代表，不直接計(jì)算顆粒之間的碰撞力，因此能極大節(jié)省計(jì)算量，且能選用更大的固相時(shí)間步長，但氣固之間的動(dòng)量傳遞仍需考慮非均勻結(jié)構(gòu)的影響，才能準(zhǔn)確模擬FCC提升管中的非均勻流動(dòng)［49］。另一類則從離散單元法出發(fā)，直接計(jì)算粗顆粒之間的碰撞作用，但粗顆粒之間的碰撞力如何確定，成為此類方法的難點(diǎn)。Sakai等［45］直接假定兩個(gè)粗顆粒碰撞時(shí)，每個(gè)粗顆粒中的所有真實(shí)顆粒都發(fā)生相同的碰撞，但其粗?；嚷蕛H為3（一個(gè)粗顆粒代表27個(gè)實(shí)際顆粒），遠(yuǎn)不能滿足工程計(jì)算需求。Lu等［50］考慮顆粒聚團(tuán)實(shí)際結(jié)構(gòu)，利用EMMS模型獲得相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定粗粒化模型中的顆粒作用力，加大粗粒化比率，并且借助大規(guī)模并行計(jì)算將粗?；幚淼念w粒軌道模型應(yīng)用于實(shí)際工程計(jì)算中。

2　反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型

催化裂化反應(yīng)中存在成百上千的物質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)，且反應(yīng)間高度偶聯(lián)，是一個(gè)典型的復(fù)雜反應(yīng)體系。在建立反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型時(shí)，根據(jù)考慮對(duì)象的不同，其動(dòng)力學(xué)模型的復(fù)雜性以及預(yù)測(cè)能力也隨之變化。Chang等［51］給出了模型復(fù)雜度與預(yù)測(cè)能力的關(guān)系圖。如圖2所示，Yield lumps和Chemical lumps屬于集總反應(yīng)動(dòng)力學(xué)范疇，而 Pathways和Mechanistic可近似認(rèn)為是分子水平動(dòng)力學(xué)模型。

圖2　反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型的總結(jié)［51］Fig.2　Summary of kinetic models［51］

2.1集總方法

集總方法是研究 FCC反應(yīng)動(dòng)力學(xué)最為普遍的一種方法。它是將復(fù)雜石油反應(yīng)體系中許多單一的化合物按其反應(yīng)動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的相似性劃分為若干虛擬組分，每一個(gè)虛擬組分看作一個(gè)集總，從而構(gòu)建集總間的反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。20世紀(jì)60年代，集總理論由Aris［52］、Wei和 Kuo［53］提出以來，很快成為催化裂化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究的主流方法，大大提升了催化裂化工藝研發(fā)的進(jìn)程。段良偉等［54］總結(jié)了催化裂化集總反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型的集總劃分原則及建模過程中的數(shù)據(jù)來源、參數(shù)估計(jì)和輔助模型開發(fā)等方面的研究進(jìn)展，這里不再贅述。

吳飛躍［55］將集總反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型分為3種。

（1）按餾程劃分集總組分，代表性模型如Weekman和 Nace［56］建立的餾分油催化裂化三集總動(dòng)力學(xué)模型。該模型的集總組分有原料油A、汽油G和氣體+焦炭C。它可較好地預(yù)測(cè)同一原料在不同反應(yīng)條件下的轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)率分布，但由于它將整個(gè)原料視為一個(gè)集總，模型動(dòng)力學(xué)參數(shù)需根據(jù)原料油組成的變化重新估算或調(diào)整。

（2）按餾程-烴族-結(jié)構(gòu)族劃分集總組分，代表模型如Jacob等［57］開發(fā)的催化裂化十集總反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，它是在三集總模型的基礎(chǔ)上細(xì)分了原料油集總。首先按餾程將原料油和產(chǎn)物分為重燃料油（HFO）、輕燃料油（LFO）、汽油（G）以及焦炭+裂化氣（C）。然后按烴類和結(jié)構(gòu)族組成將重燃料油和輕燃料油又分別劃分為烷烴（P）、環(huán)烷烴（N）、芳烴中的碳原子（CA）和芳環(huán)上的取代基團(tuán)（A）等4個(gè)集總。該模型可成功預(yù)測(cè)各種組成的進(jìn)料下的原料油轉(zhuǎn)化率、汽油選擇性、輕燃料油產(chǎn)率以及輕質(zhì)產(chǎn)品的分布。此類模型按裂化性能相似的特點(diǎn)將原料油分為多個(gè)集總，使其不受原料組成的限制而具有較好的外推性，但它原料分析手段復(fù)雜，限制了其在工業(yè)界的推廣應(yīng)用。

（3）按餾程-結(jié)構(gòu)族劃分集總組分，代表性模型如任杰等［58］建立的八集總模型。該模型把餾分油按餾程歸并為重餾分油、輕餾分油、汽油、氣體+焦炭，其中重餾分油和輕餾分油又分為烷基碳、環(huán)烷碳、芳香碳，這樣就形成了八集總模型反應(yīng)體系。與前一種模型相比，該模型可采用常規(guī)分析方法，然后通過一些關(guān)聯(lián)式計(jì)算即可確定原料油集總組分的集總濃度，因此符合工業(yè)催化裂化裝置因原料油變化而需確定其性質(zhì)的這一需求。

除了上述通過增加集總數(shù)目或者改進(jìn)劃分規(guī)則提高模型適用性和預(yù)測(cè)性外，有不少研究工作聚焦于改進(jìn)催化劑失活函數(shù)。催化劑失活函數(shù)一般認(rèn)為是對(duì)催化裂化所有反應(yīng)具有同樣效應(yīng)的單一函數(shù)。Bollas等［59］提出了一個(gè)具有選擇性的催化劑失活函數(shù)，以進(jìn)料性質(zhì)和產(chǎn)品性質(zhì)等為依據(jù)。Nevicato等［60］認(rèn)為導(dǎo)致催化劑失活的直接原因是催化劑上附著的焦炭，而不是催化劑停留時(shí)間。隨著催化裂化工藝的不斷升級(jí)和改進(jìn)，催化裂化集總反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型也不斷演化和發(fā)展，熊凱和盧春喜［61］認(rèn)為可將動(dòng)力學(xué)模型的發(fā)展分為3個(gè)階段，依次分為蠟油催化裂化集總反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型階段、重油催化裂化集總動(dòng)力學(xué)模型階段和基于新工藝的催化裂化集總動(dòng)力學(xué)模型階段。

2.2分子水平的動(dòng)力學(xué)模型

由于傳統(tǒng)集總模型不涉及烴類分子的結(jié)構(gòu)，其適用性無法滿足各種日益精細(xì)的質(zhì)量指標(biāo)，因此亟需發(fā)展分子水平的更具機(jī)理性的動(dòng)力學(xué)模型。張旭等［62］介紹了近年來國內(nèi)外催化裂化反應(yīng)分子水平動(dòng)力學(xué)模型具有代表性的研究成果，對(duì)比了各類模型的特點(diǎn)、適用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)。最常見的有以下兩種：① 單事件模型（single event kinetic model，SEKM），以Baltanas等［63］基于三配位正碳離子理論的動(dòng)力學(xué)模型為代表。該模型的主要思路是既要保留每個(gè)進(jìn)料組分和中間產(chǎn)物反應(yīng)歷程的全部細(xì)節(jié)，又要盡量減少計(jì)算參數(shù)。但對(duì)于復(fù)雜原料，受限于分析手段的不足很難獲得全部分子級(jí)組成數(shù)據(jù)，且計(jì)算耗時(shí)過大，因而制約了該模型的發(fā)展。② 結(jié)構(gòu)導(dǎo)向集總方法（structural oriented lumping，SOL），由Exxon Mobile公司的Quann和Jaffe［64］提出。該方法是將烴類分子用向量來表示，向量的元素代表分子結(jié)構(gòu)特征，可以構(gòu)成任何分子。吳飛躍［55］認(rèn)為該類方法是一種分子尺度上的集總，可將體系中的分子數(shù)由以萬計(jì)減少至幾千個(gè)。該方法包含了數(shù)量龐大的虛擬分子，雖能提供反應(yīng)性能的詳細(xì)信息，但仍沒有完全脫離集總的概念，而速率參數(shù)的計(jì)算依賴于大量實(shí)驗(yàn)，無法從公開發(fā)表的文獻(xiàn)中獲得。更多的分子水平動(dòng)力學(xué)模型可參看張旭等［62］的介紹。

3　流動(dòng)與反應(yīng)的耦合

在流動(dòng)與反應(yīng)的耦合模擬中，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)很少采用基于分子水平的模型，可能的主要原因有：①基于分子水平的動(dòng)力學(xué)模型還處于發(fā)展期；② 涉及組分?jǐn)?shù)太多導(dǎo)致計(jì)算量巨大，組分?jǐn)?shù)目超出CFD商業(yè)軟件的使用限制，因而需要開發(fā)專有的模型。若采用基于分子水平的動(dòng)力學(xué)模型，往往需要舍棄一部分流動(dòng)模型的精度。如Dewachtere等［65］采用單事件動(dòng)力學(xué)模型模擬高50 m的工業(yè)提升管反應(yīng)器時(shí)，流動(dòng)模型選用了一維穩(wěn)態(tài)的平推流模型，模擬揭示了 646個(gè)組分沿提升管高度的變化情況。Quintana-Solórzano等［66］也是采用一維流動(dòng)模型結(jié)合單事件微觀動(dòng)力學(xué)模擬了高30 m的工業(yè)提升管反應(yīng)器，涉及678個(gè)組分。模擬考察了操作條件的影響，指出再生催化劑溫度和劑油比是最重要的兩個(gè)參數(shù)。

若要更多地考慮流動(dòng)細(xì)節(jié)，則動(dòng)力學(xué)模型一般采用集總方法。由于真實(shí)的FCC反應(yīng)器尺寸較大，催化劑顆粒數(shù)目巨大，歐拉-拉格朗日法受限于計(jì)算量很少被采用。Wu等［67］曾采用CFD-DEM模型結(jié)合4集總方法模擬二維FCC提升管和下降管反應(yīng)器，但計(jì)算的顆粒數(shù)只有4萬～20萬個(gè)，與真實(shí)反應(yīng)器存在較大差別。限于目前的計(jì)算水平，歐拉-歐拉法是FCC反應(yīng)模擬中使用最廣泛的方法，但涉及氣液固三相時(shí)，如需考慮原油汽化過程，則更多地采用拉格朗日方法跟蹤原油霧滴。在現(xiàn)有的FCC反應(yīng)模擬的報(bào)道中，子模型的選用存在較多差異。下面針對(duì)上述差異進(jìn)行總結(jié)和梳理。

3.1湍流與層流模式

Gao等較早地開展了 FCC反應(yīng)模擬的研究工作，建立了Reynolds平均的氣固兩相歐拉模型并在冷態(tài)模擬中得到驗(yàn)證，然后將模型應(yīng)用于工業(yè)提升管反應(yīng)器的三維穩(wěn)態(tài)模擬。模擬揭示了提升管內(nèi)的顆粒濃度、溫度以及產(chǎn)物的不均勻分布，發(fā)現(xiàn)原油入射區(qū)是流動(dòng)和物性變化最復(fù)雜的區(qū)域［68］。他們又將 Reynolds平均模型拓展至氣液固三相的反應(yīng)模擬，結(jié)合十三集總方法，考察原油霧滴汽化對(duì)反應(yīng)帶來的影響［69］。Lan等［70］采用 Zheng等［71］開發(fā)的k-ε-kp-εp-Θ法模擬兩段提升管。其中，氣相采用k-ε模型，顆粒相采用類似氣相湍流模型的kp-εp模型且啟用顆粒動(dòng)理論，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型采用十四集總法。模擬得到的顆粒濃度和顆粒速度的徑向分布與文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。繼而考察了停留時(shí)間、反應(yīng)溫度、劑油比對(duì)產(chǎn)物分布的影響，但缺乏與反應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比。需要注意的是，以上工作都是穩(wěn)態(tài)計(jì)算，沒有考慮流動(dòng)與反應(yīng)行為的瞬態(tài)變化過程。Chang等［72］也采用與上相同的湍流模型，但改用三維瞬態(tài)計(jì)算結(jié)合九集總方法，模擬直徑 0.8 m、高36.7 m的等直徑工業(yè)反應(yīng)器，涉及1664334個(gè)網(wǎng)格數(shù)，得到的出口組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)與工業(yè)數(shù)據(jù)吻合較好。Chang等［73］利用相同方法進(jìn)行了氣液固的三維非穩(wěn)態(tài)計(jì)算，用以考察原油霧滴尺寸、入射角度等對(duì)產(chǎn)物分布等的影響。Tang［74］采用雙流體模型結(jié)合四集總和十四集總模型模擬三維工業(yè) FCC提升管反應(yīng)器。其中，氣固兩相都采用realizable k-ε湍流模型，聲稱得到合理的模擬結(jié)果。Wu等［67］利用CFD-DEM進(jìn)行反應(yīng)模擬時(shí)，只在氣相中采用realizable k-ε湍流模型。Lopes等［75］的模擬工作中，也只對(duì)氣相啟用了湍流模型，計(jì)算所得的出口汽油產(chǎn)率和焦炭濃度及溫度與實(shí)驗(yàn)值誤差較小。

Gan等［76］基于雙流體模型的層流模式結(jié)合十一集總反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型模擬了變徑工業(yè)反應(yīng)器，揭示同一提升管反應(yīng)器內(nèi)有多種流態(tài)共存的現(xiàn)象，模擬所得的顆粒通量、出口產(chǎn)物組成與實(shí)驗(yàn)較為一致。魯波娜等［13］也采用層流模式結(jié)合十二集總反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型模擬M IP工業(yè)反應(yīng)器，模擬得到的出口產(chǎn)物分布、焦炭含率以及溫度軸向分布等都與工業(yè)數(shù)據(jù)吻合較好。Benyahia等［77］同樣采用層流模式結(jié)合三集總方法，對(duì)工業(yè)提升管單元進(jìn)行了二維等溫瞬態(tài)模擬，計(jì)算得到的反應(yīng)產(chǎn)率與設(shè)計(jì)值較為吻合。楊朝合等［16］總結(jié)了 FCC提升管反應(yīng)器的流動(dòng)與反應(yīng)的耦合模式。文中列出了各類FCC反應(yīng)模擬報(bào)道中對(duì)湍流或?qū)恿鞯倪x擇情況。從上述總結(jié)中可看到，湍流模型的選用存在一定的隨意性。對(duì)于是否需要湍流模型，選用哪類湍流模型，是否每相都需考慮湍流模型，目前沒有給出明確的標(biāo)準(zhǔn)。在今后的FCC模擬研究工作中，需系統(tǒng)分析上述問題并給出相應(yīng)答案。

3.2流動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響

流動(dòng)結(jié)構(gòu)與反應(yīng)行為密切相關(guān)，即使采用簡化的流動(dòng)模型，仍需考慮流動(dòng)結(jié)構(gòu)的典型特征。如前面提到的 Dewachtere等［65］采用復(fù)雜的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型模擬工業(yè)提升管反應(yīng)器時(shí)，流動(dòng)模型雖選用了一維平推流模型，但考慮了氣固兩相間存在滑移的非均勻特征。Berry等［78］采用二維環(huán)核模型結(jié)合四集總方法模擬直徑0.8 m、高33 m的FCC提升管單元。在他們的二維環(huán)核模型中，納入了滑移因子關(guān)聯(lián)式，使得模型更具預(yù)測(cè)性。研究表明，當(dāng)活化能稍作調(diào)整情況下，模型預(yù)測(cè)的汽油轉(zhuǎn)化率、溫度及壓力分布都與文獻(xiàn)中的工業(yè)數(shù)據(jù)吻合較好。Yang等［79］采用一種簡化的二維流動(dòng)模型模擬了催化裂化汽油中的二次反應(yīng)過程，其中軸向顆粒濃度分布采用Kwauk等［80］提出的具有“S”形分布的經(jīng)驗(yàn)公式，徑向顆粒濃度和氣體速度分布采用程從禮等［81］提出的關(guān)聯(lián)式，滑移速度和顆粒速度分布采用基于EMMS模型的計(jì)算公式。模擬預(yù)測(cè)的提升管中的二次反應(yīng)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)吻合較好。Zhu等［2］認(rèn)為由顆粒加速、顆粒間碰撞以及氣固間的滑移導(dǎo)致的流動(dòng)結(jié)構(gòu)的非均勻性對(duì)FCC反應(yīng)有著重要的影響。通常在確定FCC反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)以及反應(yīng)速率常數(shù)時(shí)，一般都采用小的反應(yīng)器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這樣做的目的是為了獲得所謂的“本征”動(dòng)力學(xué)參數(shù)，消除外部擴(kuò)散、混合等的影響。然而，從上述實(shí)驗(yàn)所測(cè)的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型在模擬工業(yè)反應(yīng)器時(shí)，其效果往往不好，這是因?yàn)槿狈?duì)反應(yīng)器放大帶來的流動(dòng)結(jié)構(gòu)差異的考慮。魯波娜等［13］的M IP工業(yè)反應(yīng)器的模擬工作中，采用的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)來源于工業(yè)數(shù)據(jù)。他們比較了均勻曳力模型和考慮結(jié)構(gòu)的非均勻曳力模型對(duì)反應(yīng)行為的影響。研究發(fā)現(xiàn)，采用這兩種曳力模型計(jì)算得到的反應(yīng)區(qū)顆粒濃度有顯著區(qū)別，但出口產(chǎn)物組成非常接近。而對(duì)于溫度軸向分布和焦炭含率的預(yù)測(cè)上，采用非均勻曳力模型的計(jì)算結(jié)果要比均勻曳力模型更接近實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從上述工作所知，流動(dòng)結(jié)構(gòu)與反應(yīng)行為之間的耦合作用非常復(fù)雜。雖然很多FCC研究工作都表明模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合，但缺乏采用同一方法實(shí)現(xiàn)從小試到工業(yè)反應(yīng)器放大模擬的成功實(shí)例，這說明人們還未深層次地認(rèn)識(shí)和掌握流動(dòng)結(jié)構(gòu)與反應(yīng)行為的耦合規(guī)律和作用機(jī)制。

3.3原油汽化模型的重要性

霧化原油從噴嘴進(jìn)入反應(yīng)器，與高溫再生催化劑以及水蒸氣等接觸后，會(huì)經(jīng)歷一個(gè)汽化的過程。霧化原油的液滴尺寸、入射的角度以及與周圍媒介混合的程度與汽化效率密切相關(guān)，也會(huì)影響反應(yīng)的進(jìn)程。一個(gè)完整的FCC反應(yīng)模擬需要考慮原油汽化的過程。文獻(xiàn)中報(bào)道的只考慮氣固兩相流的FCC反應(yīng)模擬一般假設(shè)原油在入口處已瞬間汽化。在魯波娜等［13］的研究工作中，其入口處的原油已發(fā)生反應(yīng)且已知各反應(yīng)產(chǎn)物含率。但大多數(shù)情況下，這種入口處的工業(yè)反應(yīng)數(shù)據(jù)是很少監(jiān)測(cè)或很難獲得的，因此在模擬中考慮原油汽化的過程更接近實(shí)際操作情況。

Nayak等［82］采用歐拉-拉格朗日法結(jié)合四集總和十集總方法同時(shí)模擬了原油霧滴汽化和反應(yīng)過程，其中氣相采用歐拉法，液固兩相采用拉格朗日法，基于一維流動(dòng)模型，采用 FLUENT?6.1.18進(jìn)行求解。汽化模型不僅考慮了氣液間傳熱，還考慮氣固間的傳熱，將汽化速率與顆粒碰撞相聯(lián)系。他們研究工作雖然局限于一維模擬，但開啟了同時(shí)在提升管模擬中考慮流動(dòng)、反應(yīng)和汽化的模式。Patel等［83-84］在模擬中采用氣液固三相，其中氣固兩相用對(duì)流控制的歐拉輸送方程，原油霧滴采用拉格朗日法進(jìn)行跟蹤，反應(yīng)模型采用典型的四集總方法，考慮了霧滴和顆粒之間的碰撞和多股液體噴射。采用FLUENT軟件對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行分區(qū)計(jì)算，在進(jìn)料區(qū)考慮氣液固三相輸送加反應(yīng)，在主要輸送區(qū)考慮氣固兩相輸送和反應(yīng)。研究表明，進(jìn)料區(qū)的預(yù)裂解反應(yīng)對(duì)于整個(gè)FCC提升管的表現(xiàn)有著非常重要的影響。這種分區(qū)模型允許更復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)模型與其結(jié)合，用于預(yù)測(cè)FCC過程。Behjat等［85］對(duì)直徑0.14 m、高11 m的提升管進(jìn)行了三維瞬態(tài)計(jì)算，其中氣固兩相采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流歐拉模型，液相采用拉格朗日法跟蹤，動(dòng)力學(xué)模型選用六集總方法。研究表明，同時(shí)考慮汽化和反應(yīng)引起顆粒和氣體速度的快速增大，對(duì)氣固兩相流動(dòng)和溫度分布的影響很大。Nguyen等［86］比較了不同的汽化模型對(duì)霧化時(shí)間和溫度變化的影響，并在其報(bào)道中列出了各FCC模擬工作中使用汽化模型的情況。研究表明均相汽化模型預(yù)測(cè)的汽化時(shí)間比異相汽化模型大一個(gè)數(shù)量級(jí)，可作為汽化區(qū)設(shè)計(jì)中一個(gè)保守估計(jì)。他們還提出了一個(gè)基于霧滴和顆粒間碰撞的新的異相汽化模型，其預(yù)測(cè)的汽化時(shí)間和溫度變化趨勢(shì)與已有的其他異相模型較為一致。

3.4其他因素的影響

除了考慮上述影響外，有不少研究者嘗試在模型中考慮更多的細(xì)節(jié)。如Dutta等［1］采用多相歐拉法結(jié)合十二集總模型對(duì)一個(gè)工業(yè)尺度的 FCC提升管進(jìn)行了三維瞬態(tài)的模擬，除了考慮湍流外，還考慮顆粒尺寸分布的影響。其中，顆粒尺寸分布采用群平衡模型（population balance model，PBM）來表達(dá)，利用動(dòng)量直接求積法（direct quadrature method of moments）進(jìn)行求解。研究表明，考慮顆粒尺寸分布后，模擬得到的轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物分布比均一尺寸模型要有所改進(jìn)。Li等［87］模擬了2.4×105t·a-1的減壓蠟油FCC提升管單元，也采用動(dòng)量直接求積法求解群平衡模型考慮顆粒尺寸分布的影響。他們的模擬工作中，還提到考慮了顆粒的聚并和破碎，其大致的求解路徑如圖3所示。研究表明，考慮顆粒團(tuán)聚和破碎模型后對(duì)提升管內(nèi)的流場有重要的影響，但缺乏相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)闡明考慮上述模型后是否有助于改進(jìn)對(duì)產(chǎn)物分布、溫度分布等重要數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)。從圖3可看到，考慮顆粒尺寸以及顆粒聚并破碎作用需求解額外的方程，這進(jìn)一步加重了三維瞬態(tài)反應(yīng)的計(jì)算負(fù)擔(dān)，因此需要綜合考慮模型的“精細(xì)度”和“計(jì)算成本”的問題。

圖3　考慮PBM的雙流體求解框圖［87］Fig.3　Schematic diagram of CFD-PBM coupled model［87］

Chen和Luo［88］除了考慮顆粒尺寸分布外，進(jìn)一步考慮了單個(gè)顆粒內(nèi)部的作用。大致的求解路徑如下：① 先用動(dòng)量求積法表示顆粒尺寸分布，得到顆粒平均直徑和顆粒濃度；② 將上述信息作為雙流體模型的初始化條件，然后求解得到壓力、溫度、組分含率等信息；③ 將上述的流場和濃度信息作為單顆粒模型的邊界條件，用以求解真實(shí)的平均體積反應(yīng)速率和反應(yīng)熱；④ 將上步求得的平均體積反應(yīng)速率和反應(yīng)熱數(shù)據(jù)返回給雙流體模型層次的組分輸送方程和其他控制方程，更新流場數(shù)據(jù)。他們采用該模型模擬了實(shí)驗(yàn)室尺寸（0.05 m×2 m）的提升管，計(jì)算得到的反應(yīng)有效因子與文獻(xiàn)中的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式誤差較小。然后將其應(yīng)用于工業(yè)尺度的提升管反應(yīng)器的計(jì)算，研究認(rèn)為這種顆粒內(nèi)部傳質(zhì)作用對(duì)快速或者強(qiáng)吸熱反應(yīng)尤為重要，但其有效性有待于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

4　結(jié)論與展望

對(duì)流化催化裂化反應(yīng)模擬涉及的多相流動(dòng)模型、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型以及流動(dòng)與反應(yīng)之間耦合的研究做了回顧和總結(jié)。限于計(jì)算量問題，目前應(yīng)用最廣的 FCC反應(yīng)模擬的計(jì)算模式是多相歐拉方法結(jié)合集總反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，很多研究均表明該模式能較好模擬工業(yè) FCC提升管反應(yīng)器中的流動(dòng)和反應(yīng)行為，但缺乏采用同一方法實(shí)現(xiàn)從小試到工業(yè)尺度反應(yīng)器模擬放大的實(shí)例，從側(cè)面說明目前的理論模型和模擬技術(shù)還遠(yuǎn)未達(dá)到可以代替實(shí)驗(yàn)的水平。在理論模型上，是否需要采用湍流模型，還未有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。在反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型上，還缺乏成熟的基于分子水平的動(dòng)力學(xué)模型或者普適性強(qiáng)的集總反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型。在反應(yīng)和流動(dòng)耦合上，還缺乏對(duì)它們的耦合規(guī)律和作用機(jī)制的深層次認(rèn)識(shí)。在未來的道路上，還需要從以下幾個(gè)方面加強(qiáng)研究。

（1）加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，發(fā)展更精細(xì)化的理論模型。催化裂化反應(yīng)的核心是催化劑，反應(yīng)最終產(chǎn)物的分布與催化劑性質(zhì)和結(jié)焦過程緊密相關(guān)。采用底層數(shù)值模擬方法對(duì)催化劑顆粒層次，包括內(nèi)部孔道等結(jié)構(gòu)進(jìn)行機(jī)理性模擬，結(jié)合精細(xì)實(shí)驗(yàn)，真實(shí)復(fù)現(xiàn)催化劑顆粒表面發(fā)生的反應(yīng)行為，為反應(yīng)器層次的數(shù)值模擬方法提供合理的本構(gòu)關(guān)系或者反應(yīng)模型。在此基礎(chǔ)上，逐級(jí)考慮流動(dòng)的影響，探索反應(yīng)和流動(dòng)的耦合影響規(guī)律，為實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器放大模擬研究奠定基礎(chǔ)。

（2）合理簡化計(jì)算模型加速計(jì)算。FCC反應(yīng)模擬的最終目的是服務(wù)工業(yè)生產(chǎn)。對(duì)于工業(yè)尺寸的反應(yīng)器，以M IP工業(yè)反應(yīng)器為例，從啟動(dòng)到趨近穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)的時(shí)間至少需要30 s，而基于高效并行計(jì)算平臺(tái)采用雙流體模型結(jié)合簡單的集總方法進(jìn)行計(jì)算，約需要6 d時(shí)間。若采用組分更多的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，則需更長的時(shí)間。這種時(shí)間尺度的巨大差異無法滿足工業(yè)生產(chǎn)和設(shè)計(jì)需求，因此需要在模型精度和計(jì)算效率之間尋求平衡。目前，有不少研究者在這方面進(jìn)行了初步探索，如Du等［89］利用CFD模擬結(jié)果作為參考，建立等價(jià)的反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)模型并結(jié)合集總方法，模擬中試FCC反應(yīng)器，計(jì)算速度從一周縮短至5 s，但前期建模工作復(fù)雜，依賴于CFD模擬結(jié)果的做法也需一定時(shí)間。He等［90］提出建立兩區(qū)模型（進(jìn)料區(qū)和充分發(fā)展區(qū)），根據(jù)區(qū)域特點(diǎn)分別建立簡化的理論模型。該模型計(jì)算效率高，可用于在線控制，優(yōu)化操作條件，但其精度有待檢驗(yàn)。

（3）實(shí)現(xiàn)全回路模擬計(jì)算，實(shí)現(xiàn)虛擬調(diào)控。FCC提升管反應(yīng)器只是整個(gè)反應(yīng)-再生系統(tǒng)中的一部分，孤立地研究提升管單元無法揭示反應(yīng)與再生系統(tǒng)之間的物料、熱量和動(dòng)量的交互關(guān)系。將整個(gè)反應(yīng)-再生系統(tǒng)作為一個(gè)有機(jī)的整體進(jìn)行模擬是實(shí)現(xiàn)虛擬調(diào)控的最基本環(huán)節(jié)。在此基礎(chǔ)上，從合理簡化模型、優(yōu)化計(jì)算模式、發(fā)展快速算法等多個(gè)方面入手，最終實(shí)現(xiàn)虛擬調(diào)控，服務(wù)于實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)。

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CFD modeling of FCC reaction process: a review

LU Bona， ZHANG Jingyuan， WANG Wei， LI Jinghai
（State Key Laboratory of Multiphase Complex Systems， Institute of Process Engineering， Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190， China）

Fluid catalytic cracking （FCC） is a crucial conversion process in a petroleum refinery， which produces important chemicals， e.g. gasoline， diesel， light olefins， etc. Computational fluid dynamics （CFD） modeling of FCC reaction processes assists to understand the behaviors of flow and reaction in FCC riser reactors， design and optimize the FCC units， and finally provide the guidance for production and implement the virtual tuning and scale up of processes. This study reviews the recent processes in the multiphase flow models， reaction kinetics and the coupling between flow and FCC reaction. In terms of the coupling approaches， summaries and critical comments are present from the usage of turbulent models， the impact of flow structures， more sophisticated models to crude oil vaporization models. Based on the previous studies， it is pointed out by the authors that although CFD modeling can well reveal the behaviors of flow and reaction in FCC riser reactor of industrial scale，the current theoretical models and modeling techniques have a long way to run up w ith the experiment counterpart since there is no successful application of CFD reactive modeling of a series of FCC riser reactors ranging from a bench scale to the industrial scale. For the future of FCC reactive modeling， it is very necessary to emphasize the studies on the modeling and the computing efficiency， then strike a balance between them to realize the virtualprocess engineering.

FCC； multiphase flow； reaction kinetics； two-fluid model； simulation

date: 2016-03-31.

LU Bona， bnlu@ipe.ac.cn

supported by the National Basic Research Program of China （2012CB215003）， the National Natural Science Foundation of China （21576263） and the Youth Innovation Promotion Association CAS.

TQ 021.1； O 359

A

0438—1157（2016）08—3121—12

10.11949/j.issn.0438-1157.20160404

2016-03-31收到初稿，2016-04-27收到修改稿。

聯(lián)系人及第一作者：魯波娜（1979—），女，博士，副研究員。

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2012CB215003）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（21576263）；中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)。