石睿捷，馬 玲，王創(chuàng)博，嚴(yán)超宇

(中國(guó)石油大學(xué)(北京)重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249)

催化裂化裝置再生器的主風(fēng)分布器多數(shù)采用樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)的管式氣體分布器[1]。該類型分布器主要由主管、支管、分支管以及噴嘴4部分組成，如圖1所示。氣體進(jìn)入主管后分流到4根支管內(nèi)，再分流進(jìn)入各分支管，最后由分支管上的噴嘴噴出。氣體分布器在再生器內(nèi)起到均勻布?xì)?、使床層催化劑顆粒保持良好的流化狀態(tài)，與空氣均勻接觸燒焦再生的作用。因此，氣體分布器的布?xì)庑阅軐?duì)保證再生器內(nèi)催化劑顆粒的活性恢復(fù)具有重要的意義。

圖1 樹(shù)枝狀氣體分布器結(jié)構(gòu)示意

隨著對(duì)流化床結(jié)構(gòu)及局部性能研究的深入，流化床已不再被看作渾然一體了。分布器射流作用區(qū)與床層主體有許多不同，如果床層中發(fā)生快速化學(xué)反應(yīng)，則大部分反應(yīng)在射流作用區(qū)完成，射流區(qū)域中的流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)及化學(xué)反應(yīng)過(guò)程對(duì)整個(gè)床層至關(guān)重要。分布器是影響流化床氣固分布均勻性和運(yùn)行穩(wěn)定性的重要構(gòu)件，又是氣泡的發(fā)源地，所以對(duì)分布器射流作用區(qū)的流場(chǎng)研究越來(lái)越受到重視。噴嘴的射流不僅對(duì)氣體分布的均勻程度產(chǎn)生影響[2]，且其流場(chǎng)也是誘發(fā)分支管和噴嘴產(chǎn)生磨損的內(nèi)在因素。計(jì)算分析[3-5]和實(shí)驗(yàn)[6-14]結(jié)果表明影響分布器射流作用區(qū)流動(dòng)特性的主要因素有：分布器結(jié)構(gòu)、物料性質(zhì)、噴嘴的出口氣速、直徑、傾角和位置等。已有大量文獻(xiàn)[15-25]對(duì)分布器射流作用區(qū)的流場(chǎng)特性進(jìn)行了研究，但對(duì)分布器射流作用區(qū)的氣固兩相流的壓力脈動(dòng)特性研究較少。壓力脈動(dòng)特性是氣固兩相流動(dòng)特性的重要參數(shù)，是物料流化特性的綜合反映和理解流體力學(xué)行為和氣泡動(dòng)力學(xué)行為的重要參數(shù)[26]，也是反應(yīng)器工藝設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。壓力信號(hào)包含著豐富的系統(tǒng)信息[27-28]，而且是流態(tài)化工業(yè)生產(chǎn)中最容易獲得也是最為準(zhǔn)確的信號(hào)[29]。為此，本研究進(jìn)行樹(shù)枝狀管式氣體分布器射流作用區(qū)壓力分布及壓力脈動(dòng)特性的系統(tǒng)分析，以便為氣體分布器的改進(jìn)和流化床穩(wěn)定操作提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)量方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置流程示意1—矩形床； 2—左側(cè)分支管； 3—左側(cè)噴嘴； 4—右側(cè)噴嘴； 5—右側(cè)分支管； 6—進(jìn)氣管； 7—玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)； 8—調(diào)節(jié)閥； 9—緩沖罐； 10—壓力表； 11—旁路閥； 12—風(fēng)機(jī)

圖3 分支管和噴嘴在二維床內(nèi)的安裝位置和測(cè)點(diǎn)位置

實(shí)驗(yàn)裝置是由有機(jī)玻璃制成的透明矩形床(尺寸為960 mm×160 mm×1 010 mm，見(jiàn)圖2)。在矩形床下部安裝工業(yè)氣體分布器的分支管和噴嘴典型部分，由兩根分支管和兩個(gè)半圓柱型噴嘴構(gòu)成，尺寸以某工業(yè)FCC裝置上分布器的分支管和噴嘴尺寸確定，見(jiàn)圖3和圖4，圖3中θ為噴射角度(射流噴出方向與豎直方向的夾角)。噴嘴相對(duì)錯(cuò)列分別安裝在兩根分支管上，兩個(gè)噴嘴前后相錯(cuò)距離為100 mm，左側(cè)噴嘴緊貼在矩形床的內(nèi)壁，噴嘴的出口向下。分支管一端與床壁面采用法蘭連接，通過(guò)旋轉(zhuǎn)法蘭角度可以改變分支管上噴嘴的噴射角度。矩形床內(nèi)裝有一定高度(600 mm)的催化劑顆粒(顆粒密度為1 561 kgm3，充氣密度為831 kgm3，堆密度為941.5 kgm3，平均粒徑為75 μm)，整個(gè)氣體分布器浸沒(méi)在催化劑床層內(nèi)。

圖4 分支管和噴嘴的尺寸

床層和噴嘴壓力由動(dòng)態(tài)壓力傳感器測(cè)量，壓力傳感器的量程為0～20 kPa，靈敏度為20 PamV，測(cè)得的壓力由壓力變送器轉(zhuǎn)換為1～5 V的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，用多功能數(shù)據(jù)采集板采樣，采樣頻率為1 000 Hz，采樣時(shí)間為60 s，床層壓力測(cè)點(diǎn)為箱體中部從下到上測(cè)點(diǎn)1，2，3，4，噴嘴射流壓力測(cè)點(diǎn)A在左側(cè)噴嘴出口位置，如圖3所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)與實(shí)驗(yàn)方法

氣體由風(fēng)機(jī)提供，經(jīng)緩沖罐、分別沿兩管路流經(jīng)調(diào)節(jié)閥和氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)計(jì)量后，進(jìn)入氣體分布器的兩分支管，從兩分支管上的噴嘴噴出進(jìn)入矩形床內(nèi)，再?gòu)纳戏脚艢饪谂懦觥?/p>

實(shí)驗(yàn)中考察噴嘴噴射角度、噴嘴出口氣速變化和初始靜床高度對(duì)床層和噴嘴射流壓力脈動(dòng)特性的影響。通過(guò)壓力傳感器測(cè)量測(cè)點(diǎn)1，2，3，4及測(cè)點(diǎn)A的壓力，即為不同床層高度的壓力值及噴嘴出口位置的壓力值，如圖3所示，1～4測(cè)點(diǎn)高度分別為330，390，445，515 mm。實(shí)驗(yàn)采用的噴嘴噴射角度分別為：垂直向下噴(0°)，傾斜向下噴(22.5°，45.0°，67.5°)，實(shí)驗(yàn)采用的噴嘴出口氣速范圍為30～70 ms，初始靜床高度分別為550，600，650 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 床層平均壓力分布規(guī)律

圖5 不同噴射角度下軸向壓力分布噴射角度：■—0°； ●—22.5°； ▲—45.0°；

圖6 不同噴嘴出口氣速下軸向壓力分布噴嘴出口氣速，ms：●—57.8； ▲—54.2； ◆—39.7；

圖7 不同初始靜床高度下軸向壓力分布初始凈床高度，mm：●—650； ■—600； ▲—550

2.2 床層壓力脈動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)偏差分析

式中：N為采樣數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)；Sd表征壓力脈動(dòng)強(qiáng)度[30]。

圖8為在初始靜床高度為600 mm、噴嘴氣速為39.7 ms時(shí)，不同噴射角度下床層壓力標(biāo)準(zhǔn)偏差沿床層軸向高度的變化曲線。圖9為在初始靜床高度為600 mm、噴射角度為45.0°時(shí)，不同噴嘴出口氣速下床層壓力標(biāo)準(zhǔn)偏差沿床層軸向高度的變化曲線。圖10為在噴射角度為45.0°、噴嘴出口氣速為46.9 ms時(shí)，不同初始靜床高度下床層壓力標(biāo)準(zhǔn)偏差沿床層軸向高度的變化曲線。

圖8 不同噴射角度下床層壓力脈動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)偏差沿軸向高度的變化噴射角度：■—0°； ●—22.5°； ▲—45.0°；

由圖8可以看出：當(dāng)噴射角度為0°和22.5°時(shí)，壓力脈動(dòng)先增大后減小，此時(shí)測(cè)點(diǎn)均處于床層密相區(qū)，流化床中密相區(qū)引起壓力脈動(dòng)的主要原因是氣泡的生成、聚并以及最后的破碎[31]。隨床層軸向高度的上升，氣泡在上升過(guò)程中不斷聚并成大氣泡，壓力脈動(dòng)逐漸增大，當(dāng)氣泡接近床層上表面時(shí)開(kāi)始破裂，又分解成小氣泡，壓力脈動(dòng)逐漸減弱。本實(shí)驗(yàn)床層高度較低，氣泡在上升聚并成大氣泡的過(guò)程中很快因?yàn)榻咏矊由媳砻娑屏眩詨毫γ}動(dòng)先增大后又略微減小。當(dāng)噴射角度為45.0°和67.5°時(shí)，測(cè)點(diǎn)處于射流形成的稀相區(qū)，即分布器影響區(qū)，由于射流速度很大，分布器影響區(qū)中影響壓力脈動(dòng)大小的主要因素是氣體射流所引起的氣體湍流強(qiáng)度[32]，而自由射流的湍流度非常大，可達(dá)到40%[33]，所以引起的壓力脈動(dòng)高于床層密相區(qū)[32]。沿床層軸向高度向上，壓力脈動(dòng)先增大又迅速減小，因?yàn)闅饬魍ㄟ^(guò)兩個(gè)分支管間時(shí)，截面積先減小，過(guò)縫氣速增大，氣流湍流度增強(qiáng)，壓力脈動(dòng)增大。氣流通過(guò)兩個(gè)分支管后截面積增大，所以氣流速度減小，湍流度減小，此處稀相區(qū)空間很大，且固體顆粒濃度較小，氣體為連續(xù)相，局部壓力的變化在較大的連續(xù)空間內(nèi)得到緩沖，所以壓力脈動(dòng)又迅速減小。

圖9 不同噴嘴出口氣速下床層壓力脈動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)偏差沿軸向高度的變化噴嘴出口氣速，ms：●—54.2； ▲—46.9； ◆—32.5

圖10 不同靜床高度下床層壓力脈動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)偏差沿軸向高度的變化初始凈床高度，mm：●—650； ■—600； ▲—550

由圖9可以看出，壓力脈動(dòng)隨噴嘴出口氣速增大而增大。因?yàn)闅馑僭酱?，氣流湍流度越大，?dǎo)致測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)越大。由圖10可以看出，隨靜床高度增大，床層壓力脈動(dòng)增大。因?yàn)殪o床高度較大時(shí)，床層的靜壓較大，氣流受到床層的背壓較大，增大了氣流的湍流度，所以壓力脈動(dòng)增大。

通過(guò)壓力脈動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)偏差變化趨勢(shì)的分析，可以判斷分支管間處于床層密相區(qū)還是射流形成的稀相空間。當(dāng)處于密相區(qū)時(shí)，可以通過(guò)壓力脈動(dòng)對(duì)氣泡行為進(jìn)行識(shí)別；當(dāng)射流形成稀相空間時(shí)，噴嘴射流可能出現(xiàn)直接沖擊到相鄰分支管及噴嘴的情況，而夾帶催化劑的高速射流是對(duì)分支管外壁造成沖蝕磨損的主要原因。工業(yè)上可以此為依據(jù)進(jìn)行分布器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)來(lái)減小磨損。

2.3 噴嘴射流壓力脈動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)偏差分析

圖11是在靜床高度為600 mm時(shí)，不同噴射角度下噴嘴射流壓力脈動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)偏差隨噴嘴出口氣速的變化曲線。由圖11可以看出：當(dāng)噴嘴氣速小于50 ms時(shí)，壓力脈動(dòng)從大到小的噴射角度依次是45.0°，67.5°，0°，22.5°，而當(dāng)氣速增大至53 ms以上時(shí)，噴射角度為22.5°時(shí)的噴嘴射流脈動(dòng)突然增至最大；噴射角度為0°，45.0°，67.5°時(shí)的噴嘴射流壓力脈動(dòng)隨氣速增大變化較小。這是因?yàn)閲娮焐淞鲏毫γ}動(dòng)大小主要取決于氣流的湍流度，氣流的湍流度受到右側(cè)噴嘴射流的沖擊和顆粒兩方面的影響。其中右側(cè)噴嘴射流的沖擊起主要作用，右側(cè)噴嘴射流對(duì)左側(cè)噴嘴出口位置的直接沖擊能夠使左側(cè)噴嘴射流的湍流度顯著增強(qiáng)，增大了壓力脈動(dòng)；顆粒起次要作用，在噴嘴出口附近的區(qū)域內(nèi)顆粒的存在會(huì)引起氣相速度的劇烈波動(dòng)，速度梯度大幅增加，而速度梯度的增強(qiáng)則意味著氣體的剪切程度增強(qiáng)，導(dǎo)致氣相湍流度隨速度梯度增大而增強(qiáng)[34]。當(dāng)氣速小于50 ms、噴射角度為45.0°和67.5°時(shí)，右側(cè)噴嘴射流可以沖擊到左側(cè)噴嘴射流，使射流壓力脈動(dòng)顯著增強(qiáng)，而噴射角度為0°和22.5°時(shí)，右側(cè)噴嘴射流不能直接沖擊到左側(cè)噴嘴，所以噴射角度為45.0°和67.5°時(shí)的射流壓力脈動(dòng)高于0°和22.5°時(shí)；而噴射角度越小，射流方向越接近于豎直向下，噴嘴射流受到顆粒的阻力越大，顆粒引起的氣相速度的波動(dòng)越劇烈，更大地增強(qiáng)了射流的壓力脈動(dòng)，所以噴射角度為45.0°時(shí)的壓力脈動(dòng)高于67.5°時(shí)，同時(shí)噴射角度為0°時(shí)的壓力脈動(dòng)高于22.5°時(shí)。相鄰噴嘴射流的沖擊起主要作用，顆粒起次要作用，所以壓力脈動(dòng)從大到小的噴射角度為45.0°，67.5°，0°，22.5°。當(dāng)噴嘴氣速增加至大于53 ms時(shí)，噴射角度為22.5°時(shí)的射流壓力脈動(dòng)突然增至最大，這是因?yàn)樵谠囼?yàn)氣速30～70 ms范圍內(nèi)，噴射角度為0°時(shí)的右側(cè)噴嘴射流一直都不會(huì)直接沖擊到左側(cè)噴嘴出口位置，而噴射角度為45.0°和67.5°時(shí)的右側(cè)噴嘴射流一直可以對(duì)左側(cè)噴嘴出口位置產(chǎn)生沖擊，但噴射角度為22.5°時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)臨界氣速，當(dāng)氣速小于該臨界值時(shí)，右側(cè)噴嘴射流不能對(duì)左側(cè)噴嘴出口位置產(chǎn)生沖擊，當(dāng)氣速大于該臨界值時(shí)，右側(cè)噴嘴射流就能夠?qū)ψ髠?cè)噴嘴出口位置產(chǎn)生沖擊，在受到右側(cè)噴嘴射流沖擊的情況下，噴射角度為22.5°時(shí)的噴嘴射流更接近豎直向下射流，受到顆粒的阻力大于45.0°和67.5°時(shí)，所以當(dāng)氣速大于53 ms時(shí)，噴射角度為22.5°時(shí)的噴嘴射流壓力脈動(dòng)最大，本實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的氣速臨界值即處于50～53 ms范圍內(nèi)。

圖11 不同噴射角度下噴嘴射流壓力脈動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)偏差隨噴嘴氣速的變化噴射角度：■—0°； ●—22.5°； ▲—45.0°；

為了驗(yàn)證右側(cè)噴嘴射流的沖擊，在噴射角度為22.5°時(shí)，對(duì)雙噴嘴射流和關(guān)閉右側(cè)噴嘴、只有左側(cè)噴嘴射流兩種工況下的壓力脈動(dòng)進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，圖12是在靜床高度為600 mm、噴射角度為22.5°時(shí)，雙噴嘴射流和關(guān)閉右側(cè)噴嘴、只有左側(cè)噴嘴射流兩種工況的噴嘴射流壓力脈動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)偏差隨噴嘴出口氣速的變化曲線。由圖12可以看出，雙噴嘴射流時(shí)，當(dāng)噴嘴出口氣速增大至53 ms以上時(shí)，噴嘴射流壓力脈動(dòng)突然增大，而關(guān)閉右側(cè)噴嘴時(shí)，氣速增大至大于53 ms后，沒(méi)有出現(xiàn)壓力脈動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)偏差突然變大的情況。所以噴射角度為22.5°時(shí)存在一個(gè)臨界氣速，當(dāng)氣速大于該臨界值時(shí)，右側(cè)噴嘴的射流會(huì)對(duì)左側(cè)射流產(chǎn)生影響。

圖12 噴射角度為22.5°時(shí)雙噴嘴與單噴嘴射流壓力脈動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)偏差隨氣速的變化■—雙噴嘴； ●—單噴嘴

圖13是在噴射角度為45.0°時(shí)，不同靜床高度下噴嘴射流壓力脈動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)偏差隨噴嘴出口氣速的變化曲線。由圖13可以看出，噴嘴射流壓力脈動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)偏差隨靜床高度增大而增大，隨氣速增大變化較小。這是因?yàn)閲娚浣嵌葹?5.0°時(shí)，左側(cè)噴嘴會(huì)一直受到右側(cè)噴嘴射流的沖擊，此時(shí)顆粒因素決定壓力脈動(dòng)大小，當(dāng)靜床高度增加時(shí)，噴嘴出口位于床層中的位置更深，所以此處顆粒濃度更大，從而導(dǎo)致了噴嘴射流的壓力脈動(dòng)幅值增大。

圖13 不同靜床高度下噴嘴射流壓力脈動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)偏差隨噴嘴氣速的變化初始凈床高度，mm：●—650； ■—600； ▲—550

通過(guò)對(duì)噴嘴射流壓力脈動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)偏差的分析，一方面可以對(duì)不同工況下噴嘴射流的穩(wěn)定性進(jìn)行判斷，另一方面能夠?qū)κ欠袷艿较噜弴娮焐淞鞯臎_擊進(jìn)行判斷，當(dāng)噴嘴出口受到相鄰噴嘴射流的直接沖擊時(shí)，夾帶催化劑顆粒的高速射流不僅能夠?qū)娮旒胺种Ч芡獗谠斐蓻_蝕磨損，而且可能出現(xiàn)使催化劑顆粒進(jìn)入噴嘴的現(xiàn)象，造成分支管和噴嘴內(nèi)部嚴(yán)重的沖蝕磨損。為工業(yè)上減小磨損的結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了理論依據(jù)。

3 結(jié) 論

(1)分支管間床層壓力沿床層軸向高度增加逐漸減小，隨噴射角度增大而減小，隨噴嘴出口氣速和靜床高度增大而增大，因?yàn)闇y(cè)點(diǎn)壓力取決于測(cè)點(diǎn)和床層上表面間的物料量，物料量越大，壓力越大。

(2)噴射角度為0°和22.5°時(shí)，分支管間測(cè)點(diǎn)處于密相區(qū)，壓力脈動(dòng)先增后減，對(duì)應(yīng)著氣泡的生成、聚并和破碎的規(guī)律；噴射角度為45.0°和67.5°時(shí)，分支管間形成射流引起的稀相區(qū)，壓力脈動(dòng)由氣流湍流度決定，壓力脈動(dòng)高于密相區(qū)，當(dāng)氣速減小同時(shí)湍流度減小時(shí)，壓力脈動(dòng)迅速減小，因?yàn)榇颂帤怏w為連續(xù)相，在較大空間內(nèi)壓力脈動(dòng)很快得到緩沖。分支管間壓力脈動(dòng)隨噴嘴出口氣速增大而增大，隨靜床高度增大而增大，由氣流湍流度決定，湍流度越大，壓力脈動(dòng)越大。

(3)影響噴嘴射流壓力脈動(dòng)的主要因素為相鄰噴嘴射流的沖擊，次要因素為顆粒的作用。其中噴射角度為22.5°時(shí)的射流壓力脈動(dòng)存在臨界氣速，取決于是否受到相鄰射流的沖擊。