蘇魯書，劉丙超，朱晴晴，劉 璐，李春義

（中國石油大學（華東） 重質(zhì)油國家重點實驗室，山東 青島 266580）

預提升氣對循環(huán)流態(tài)化氣力輸送的影響

蘇魯書，劉丙超，朱晴晴，劉 璐，李春義

（中國石油大學（華東） 重質(zhì)油國家重點實驗室，山東 青島 266580）

在循環(huán)流化床冷態(tài)模擬實驗裝置上，對預提升氣在氣力輸送過程中的作用進行了研究，詳細分析了氣力輸送中的壓力平衡，考察了底部氣體返混及操作流型對顆粒循環(huán)速率的影響，同時描繪了提升管預提升段內(nèi)微觀氣固流動結構。實驗結果表明，提升管底部通入預提升氣可避免顆粒在床層底部的積累，增大顆粒向前輸送的推動力，從而提高系統(tǒng)循環(huán)量。其中，噴嘴進料氣體積流量的增加將加劇氣體返混，底部氣體內(nèi)循環(huán)和局部渦流導致氣流夾帶增多，顆粒循環(huán)速率逐漸提高，一定程度上可削弱預提升氣對循環(huán)量的影響；隨預提升氣體積流量的增加，底部氣固流動結構由密相流態(tài)化為主向氣力輸送為主轉(zhuǎn)變，瞬時顆粒濃度信號波動減弱，顆粒濃度顯著降低。概率密度分析結果表明，預提升氣體積流量的增大致使預提升段內(nèi)氣固兩相分布相對更均勻，有利于氣固相的混合及接觸。

預提升氣；氣力輸送；返混；操作流型；顆粒循環(huán)速率

近年來，石化行業(yè)供給側(cè)結構性改革的核心任務是由生產(chǎn)初級汽柴油向發(fā)展高附加值高端化工產(chǎn)品方向轉(zhuǎn)變，催化裂化與化工生產(chǎn)聯(lián)系日益密切［1-2］。利用重油催化裂化/裂解增產(chǎn)低碳烯技術越來越受到人們重視，國內(nèi)外相繼開發(fā)出系列新型工藝，如常壓渣油多產(chǎn)液化氣和汽油工藝（ARGG）［3］、多產(chǎn)異構烷烴和烯烴的清潔汽油工藝（MIP-CGP）［4］、兩段提升管催化裂解多產(chǎn)丙烯（TMP）工藝［5］等，預示著催化裂化在生產(chǎn)高附加值烯烴方面具有廣泛的應用前景。

由于具有處理能力強、熱質(zhì)傳遞效率高、操作靈活等優(yōu)點［6］，循環(huán)流化床反應器廣泛應用于石油化工及其相關領域。但當前大量文獻集中于對提升管進料段內(nèi)氣固流動行為［7-8］的研究，而對產(chǎn)品分布及品質(zhì)有重要影響的氣力輸送則鮮有報道。固體經(jīng)斜管進入提升管底部與預提升氣混合上行，底部氣固接觸混合程度、傳質(zhì)傳熱性能以及系統(tǒng)顆粒循環(huán)速率大小取決于預提升氣對顆粒的提升效果，進而影響整個氣力輸送進程。另外，對于TMP等新型工藝而言，為滿足反應產(chǎn)率及熱平衡的要求，提升管內(nèi)不僅需要良好的流動結構分布，而且對底部提升效果提出了更高的要求［9］。

本工作在循環(huán)流化床冷態(tài)模擬裝置上詳細研究了預提升氣對提升管中氣力輸送的影響，從而為反應器模擬和設計、催化反應控制及操作條件優(yōu)化提供基礎性數(shù)據(jù)。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置及操作流程

循環(huán)流化床冷態(tài)模擬實驗裝置見圖1。該裝置主要由提升管、伴床、測量筒、氣固分離設備、顆粒濃度信號采集及分析系統(tǒng)、空壓機、三通切換閥、氣體流量計以及相應的連接管路等部分構成。其中提升管總高10.61 m，是由內(nèi)徑100 mm、厚度10 mm的有機玻璃管組合而成。采用多層進氣的方式（底部盤管型氣體分布器、預提升段底部的立管以及輸送段底部4個對稱布置的噴嘴）將氣體注入提升管內(nèi)。

圖1 循環(huán)流化床冷態(tài)模擬實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the circulating fluidized bed system.

1.2 實驗介質(zhì)

采用常溫空氣作為流化介質(zhì)，催化裂化平衡劑為固體顆粒。壓縮空氣經(jīng)穩(wěn)壓閥控制在0.19 MPa，通過3處進氣口分別引入提升管。固體顆粒密度1 500 kg/m3，堆積密度937 kg/m3，平均粒徑76.36 μm。

1.3 測量設備及方法

實驗過程中通過轉(zhuǎn)子流量計測量注入提升管內(nèi)的氣體體積流量?？紤]到壓縮機提供的氣體偏離標準狀態(tài)，實際流量應采用式（1）校正。

本工作中的表觀氣速均由預流化氣、預提升氣和噴嘴進料氣3部分氣速組成，計算式見式（2）。

顆粒循環(huán)速率采用切換法測量，即通過切換伴床頂部的三通換向閥至測量筒，記錄一定時間（10 s）內(nèi)催化劑在測量筒內(nèi)積累的體積，按照式（3）進行計算。

局部顆粒濃度（εs）的測定采用中國科學院過程工程研究所研制的PC6D型顆粒濃度測量儀，具體測量原理及方法見文獻［10-11］。截面平均顆粒濃度指除中心點以外10個徑向位置εs的平均值，按式（4）進行計算。

2 結果與討論

2.1 氣力輸送的壓降分析

實際應用中，提升管主要用作催化裂化反應器，而伴床作為催化劑再生器。為了實現(xiàn)催化劑在兩器之間的大量循環(huán)，工業(yè)裝置中通常采用密相輸送的方法。此時氣固混合物在斜管內(nèi)可以像流體一樣自由流動，如圖2所示。

圖2 氣固混合物流動壓力平衡Fig.2 Pressure balance of gas-solid mixture flow.

由于松動氣含量較少且氣體速度和動能變化不大，在上述前提下，流動壓降可以用靜壓頭、固體顆粒的動能和混合物與管壁及蝶閥間的摩擦阻力之和來表示，在斜管之間基于能量平衡得出式（5）。

氣固混合物的平均密度見式（6）。

當Gs/Gg＞＞1，且εs≈1時，則有ρ≌ρs。

固體顆粒的動能見式（9）。

流經(jīng)管路的摩擦阻力降由氣體和固體兩項組成，見式（10）。

其中，流體摩擦系數(shù)是管的Ret的函數(shù)，由式（11）或（12）進行計算。

固體摩擦系數(shù)由式（14）求得［12］。

將式（11）和式（14）代入式（10），可得關聯(lián)式（15）。

由于常溫下μ= 17.9×10-6Pa·s，ρg= 1.29 kg/ m3，且通入的松動氣量較小，則式（15）可化簡為式（16）。

流體流經(jīng)蝶閥產(chǎn)生的壓降采用局部損失系數(shù)和氣固混合物的平均密度來計算，見式（17）。

式中，ξ值取決于蝶閥本身的結構及形狀特點。

合并式（5），（9），（16），（17），可以得到催化劑流動推動力和顆粒速度的關聯(lián)式，見式（18）。

由式（18）可看出，流動推動力是顆粒速度的單調(diào)函數(shù)，且與顆粒速度呈正相關。

2.2 預提升氣對氣力輸送的影響

提升管內(nèi)固體顆?？朔亓澳Σ亮ο蛏线\動的能量均來源于氣體［13］，而系統(tǒng)顆粒貯量主要提供顆粒流動的初始壓降，可通過伴床靜床高度來衡量。為了研究預提升氣在氣力輸送中的作用，實驗考察了表觀氣速為11.51 m/s（預提升氣體積流量（Vp）為0，10，20，30，35 m3/h，對應噴嘴進料氣體積流量（Vn）為175，165，155，145，140 m3/h）時，不同伴床靜床高度下顆粒循環(huán)速率隨Vp的變化，結果見圖3。

圖3 Vp對顆粒循環(huán)速率的影響Fig.3 Effect of pre-lifting gas volume flow rate on the solids circulation rate.

由圖3可見，在表觀氣速一定的條件下，顆粒循環(huán)速率并未因Vn的減少而降低，而底部通入預提升氣可以顯著提高顆粒循環(huán)速率。隨伴床靜床高度的增加，顆粒循環(huán)速率逐漸增大。根據(jù)2.1節(jié)對管路中氣固流動的壓降分析，氣力輸送過程中推動力消耗與顆粒速度呈正相關，底部通入預提升氣可以避免顆粒在床層底部的積累，流動推動力增大，從而使得系統(tǒng)循環(huán)量明顯提高。由圖3還可見，在較低的Vp下顆粒循環(huán)速率變化趨勢較為平緩，隨著Vp的增大顆粒循環(huán)速率增幅明顯。該現(xiàn)象一方面可歸因于氣體返混；另一方面，可能是由于預提升段內(nèi)Vp較高，底部由氣固濃相懸浮流態(tài)化向氣力輸送轉(zhuǎn)變，預提升氣可以將充足的催化劑提升至噴嘴處，噴嘴不再暴露在自由空域中而是完全浸沒于密相之中。

2.3 氣體返混對顆粒循環(huán)速率的影響

2.3.1 Vn對顆粒循環(huán)速率的影響

為進一步分析氣體返混對循環(huán)量的影響，在提升管底部僅通入少量預流化氣維持噴嘴位置以下處于鼓泡床流化狀態(tài)，考察了多個伴床靜床高度上Vn對顆粒循環(huán)速率的影響，結果見圖4。由圖4可見，增加Vn在一定程度上有助于提高顆粒循環(huán)速率。由于高速氣體射流經(jīng)4個對稱布置的噴嘴注入提升管，劇烈的沖擊作用會迫使部分氣體向下流動，由于流體與顆粒及邊壁間的相互作用，氣體到達床層底部時會迅速翻轉(zhuǎn)向上，從而形成循環(huán)流動。氣體循環(huán)會導致顆粒夾帶增加，底部顆粒不斷被帶出。同時，局部形成的渦流可以強化氣固接觸及混合，提高兩相湍動程度。另外，當伴床靜床高度為460 cm時，氣體返混對顆粒循環(huán)速率的影響較大，一定程度上可削弱預提升氣減少對顆粒循環(huán)速率的影響，這與圖3反映的變化趨勢一致，驗證了氣體返混現(xiàn)象。

圖4 Vn對顆粒循環(huán)速率的影響Fig.4 Effect ofVnon the solids circulation rate.

2.3.2 提升管底部氣固流動結構

根據(jù)提升管氣固流動特性和多層進氣結構特點，不同Vn下預提升段內(nèi)微觀氣固流動結構見圖5。

圖5 提升段內(nèi)微觀氣固流動結構Fig.5 Schematic diagram of gas-solid micro-flow structure in the pre-lifting section of the riser.

由圖5a可見，當Vn為0時，采用預提升和預流化雙層進氣形式，氣固流動明顯不均勻，氣體由兩側(cè)流向中心區(qū)域，而大部分固體顆粒聚集于邊壁區(qū)，呈現(xiàn)典型的環(huán)-核［14］流動結構。由圖5b可見，當進料氣由噴嘴注入提升管時，劇烈的沖擊作用會致使部分氣體顯現(xiàn)出較強的向下流動傾向，當達到床層底部時，這股氣流則翻轉(zhuǎn)向上運動，從而形成漩渦流，將下部顆粒不斷帶到床層上部。由圖5c可見，采取高Vn時，氣體向下躥動增多，在原有氣體內(nèi)循環(huán)的基礎上形成局部渦流，固體顆粒循環(huán)的更加強勁猛烈，顆粒不斷被卷入氣流中，同時有利于緩解氣固分離。由此可見，Vn的上升增加了氣體返混的傾向，質(zhì)動傳遞速度加快，氣流夾帶增多，從而導致循環(huán)倍率增加。

2.4 預提升段流型對顆粒循環(huán)速率的影響

2.4.1 顆粒濃度軸徑向分布

顆粒濃度是研究循環(huán)流化床提升管內(nèi)氣固流動行為的重要方面［15］。因此，考察了雙層進氣（預提升+預流化）結構下操作條件對預提升段內(nèi)截面平均顆粒濃度軸向分布的影響，結果見圖6。由圖6可見，不同操作條件下沿軸向均呈逐漸減小的趨勢；Vp較低時，預提升段內(nèi)總體上處于比較高的狀態(tài)，不同伴床靜床高度上εs分別為0.23～0.39和0.33～0.41；Vp增至35 m3/h時，明顯降低，不同伴床靜床高度上分別為0.19～0.28和0.31～0.36；在低料位（伴床靜床高度為230 cm）下受Vp改變的影響更為明顯，底部最大值從0.39降為0.28。這是由于在較高Vp下，預提升段內(nèi)氣速增加的速度大于伴床向提升管的供料速率，致使流型由密相流態(tài)化向氣力輸送方向轉(zhuǎn)變，固體顆粒更新速度加快，顆粒濃度隨之降低。

圖6 底部εs軸向分布Fig.6 Axial distribution of solids concentration in the bottom section of the riser.

提升管雙層進氣結構下底部不同軸向位置（z= 0.60，1.25，1.75 m）局部顆粒濃度徑向分布情況見圖7。由圖7可見，伴床靜床高度一定時，隨Vp的增加，預提升段不同高度截面各徑向位置均顯著降低，且在預提升段中下部Vp的大小對εs的影響更為明顯，進一步預示著底部顆粒速度的增加以及流動形態(tài)的轉(zhuǎn)變；在Vp一定時，隨伴床靜床高度的增加，各徑向位置εs均增大，且邊壁區(qū)εs增加的速率要高于中心區(qū)，εs沿軸向分布相對更均勻。

圖7 不同軸向高度εs的徑向分布Fig.7 Radial distributions of solids concentration at different axial positions in the bottom section of the riser.

2.4.2 瞬時εs信號分析

為進一步研究預提升氣對氣固微觀流動行為的影響，分析了在伴床靜床高度為230 cm以及軸向高度z= 1.00 m處瞬時εs信號波動情況，結果見圖8。由圖8可見，Vp=20 m3/h時預提升段內(nèi)瞬時εs信號整體水平高于Vp=35 m3/h時的，這與εs徑向分布情況一致，并且在過渡區(qū)（r/R= 0.59）瞬時εs信號波動幅度更大，頻率也更高，呈現(xiàn)出類似湍動流化特征。

2.4.3 瞬時εs概率密度分析

為了更為直接地反映預提升段內(nèi)氣固相結構及接觸情況，對圖8中瞬時εs信號進行概率密度分析，得到瞬時εs信號概率密度分布曲線，結果見圖9。

圖8 軸向高度z= 1.00 m處瞬時εs信號波動Fig.8 Transient fluctuation of solids concentration signals at the bottom positionz=1.00 m of the riser.

圖9 軸向高度z=1.00 m處瞬時εs信號概率密度分布Fig.9 Probability density distribution of transient solids concentration signals at the bottom positionz=1.00 m of the riser.

由圖9可見，兩種情況下的概率密度分布曲線在中心區(qū)（r/R=0）均呈現(xiàn)高強度的稀相峰和低強度的濃相峰，但更多的預提升氣會導致濃相峰更低，分布更寬，相應地降低稀相峰的峰值，說明有更多的顆粒進入氣體；雖然過渡區(qū)（r/R=0.59）稀濃雙峰的區(qū)別減弱，但Vp較高時的稀相峰更為明顯，曲線較為平坦，氣固相分布相對更加均勻；由于顆粒壁面效應的存在，兩種情況下的概率密度分布曲線在邊壁區(qū)（r/R=0.87）發(fā)展為單一濃相峰，但高Vp時的濃相峰出現(xiàn)較早，濃度明顯降低，說明有更多的氣體進入邊壁區(qū)，氣固相分離現(xiàn)象得以有效抑制。

3 結論

1）預提升氣作為系統(tǒng)內(nèi)催化劑向前輸送的中間推動力，可加快兩相流發(fā)展過程，有助于提高系統(tǒng)內(nèi)顆粒循環(huán)速率，在整個氣力輸送過程中發(fā)揮重要作用。預提升段內(nèi)氣體返混程度以及氣固流動形態(tài)是影響系統(tǒng)循環(huán)量的重要因素。

2）氣體經(jīng)4個對稱布置的噴嘴注入提升管，強烈的射流效應引起氣體分流，氣體下行流動傾向增加，內(nèi)循環(huán)和局部渦流使得顆粒不斷被卷入氣流向上運動，從而導致循環(huán)量的提高。另外，隨著系統(tǒng)顆粒貯量的增加，底部氣體返混對循環(huán)量的影響愈加明顯。

3）采用雙層進氣結構，在顆粒貯量相同的情況下，隨Vp的增大，預提升段內(nèi)εs逐漸降低，瞬時信號波動減弱，表現(xiàn)出明顯的氣力輸送特征；概率密度分析結果表明，增大Vp可以強化兩相間相互作用，氣固混合更充分，接觸更好。

符 號 說 明

dt管路直徑，m

ΔE固體顆粒的動能，kg/（m·s2）

fg流體的摩擦系數(shù)

fs固體顆粒的摩擦系數(shù)

Gg氣體的質(zhì)量流率，kg/（m2·s）

Gs顆粒循環(huán)速率，kg/（m2·s）

g重力加速度，m/s2

L伴床靜床高度，cm

l斜管長度，m

p操作壓力，Pa

p0標準狀態(tài)下的壓力，101.325 kPa

p1，p2斜管上1，2兩點間的壓力，Pa

Δpfg流體摩擦阻力降，Pa

Δpfs固體顆粒摩擦阻力降，Pa

ΔpfT流經(jīng)管路的摩擦阻力降，Pa

Δpfv流經(jīng)蝶閥的阻力損失，Pa

Q實際體積流量，m3/h

Q0轉(zhuǎn)子流量計示數(shù)，m3/h

R床層半徑，m

Ret基于管道直徑的雷諾數(shù)

r徑向坐標，m

T操作溫度，K

T0標準狀態(tài)下的溫度，293.15 K

Δt時間范圍，10 s

Ug提升管內(nèi)表觀氣速，m/s

ug斜管內(nèi)氣體速度，m/s

us顆粒速度，m/s

u0斜管內(nèi)表觀氣速，m/s

Vb顆粒的堆積體積，m3

Vp預提升氣體積流量，m3/h

Vn噴嘴進料氣體積流量，m3/h

z相對于提升管底座的高度，m

εs局部顆粒濃度

εs截面平均顆粒濃度

ξ局部損失系數(shù)

θ管道與水平線的夾角，°

μ常溫下流化氣體黏度，Pa·s

ρ氣固混合物的平均密度，kg/m3

ρb顆粒的堆積密度，kg/m3

ρg氣體的密度，kg/m3

ρs顆粒的密度，kg/m3

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（編輯 王 馨）

Influence of pre-lifting gas on circulating fluidized pneumatic transportation

Su Lushu，Liu Bingchao，Zhu Qingqing，Liu Lu，Li Chunyi
（State Key Laboratory of Heavy Oil，China University of Petroleum(East China)，Qingdao Shandong 266580，China）

The effect of pre-lifting gas in pneumatic transportation process was studied in a cold model experimental installation with circulating fluidized bed. Pressure balance in the pneumatic transportation was analyzed，the influences of gas back-mixing and gas-solid flow pattern at the bottom of the riser on solids circulation rate were investigated，and the f l ow structure inside the prelifting section was described. It was showed that，the injection of the pre-lifting gas into the riser was favorable to avoiding solids depositing on the bottom，pushing the solids upwards and increasing the solids circulation flux. Increasing the volume flow rate of nozzle-feeding gas at the inlet could intensify the gas back-mixing，the internal recycle and local vortex led to air entrainment increasing，so the solids circulation rate increased and the impacts of the pre-lifting gas on the solids f l ux reduced. With increasing the pre-lifting gas flow rate，the gas-solid flow regime in the bottom region was transformed from dense-phase fluidization to the pneumatic transportation，meanwhile，transient solids holdup f l uctuation weakened and solids concentration decreased significantly. The analysis of probability density distribution indicated that，increasing the pre-lifting gas flow-rate could lead to more uniform solids distribution，which was beneficial to gas-solid mixing.

pre-lifting gas；pneumatic transportation；back-mixing；f l ow regime；solids circulation rate

1000-8144（2017）05-0572-08

TQ 051

A

10.3969/j.issn.1000-8144.2017.05.009

2016-11-21；［修改稿日期］2017-02-27。

蘇魯書（1991—），男，山東省日照市人，碩士生，電話 18354219923，電郵 1551069382@qq.com。聯(lián)系人：李春義，電話13225324293，電郵 chyli@upc.edu.cn。