閆子涵，范怡平，盧春喜，徐春明

中國石油大學(北京)化學工程與環(huán)境學院重質油國家重點實驗室，北京 102249

*通信作者, lcx725@sina.com, xcm@cup.edu.cn

收稿日期: 2019-07-25博士后科學基金面上項目(2019M650962)以及中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金(2462018YJRC016)聯(lián)合資助

0 前言

催化裂化是煉油工業(yè)中重要的二次加工過程，提供了我國市場70%以上的汽油和約30%的柴油產品。在現代的催化裂化裝置中，提升管反應器是進行裂化反應的主要場所，高價值的目的產品如汽油、柴油、液化氣等均是在其內獲得[1]。根據其功能和氣固流動特征，通常將整個提升管反應器分為4個部分，由底部至頂部分別為預提升區(qū)、進料混合區(qū)、充分反應區(qū)、出口快分區(qū)。其中的進料混合段是原料油與催化劑顆粒最初始的接觸反應區(qū)，研究表明約50%的裂化反應是在該區(qū)域完成的[2]。因此，該區(qū)域內原料油和催化劑之間的接觸及混合效果將直接影響整個裂化反應的進程。在進料混合段內，油、劑兩相較為理想的接觸及混合應具備以下幾個主要方面的要求：(1)油、劑之間實現快速、均勻地接觸及混合，噴嘴射流能夠迅速覆蓋整個提升管截面并與催化劑顆粒充分接觸，從而使霧化的原料油迅速汽化，并與催化劑發(fā)生反應。(2)射流相與催化劑顆粒的濃度、速度分布相“匹配”，以保證油、劑間實現充分接觸，提高反應效率。(3)在油、劑的初始接觸階段，二者應以更接近全混流的狀態(tài)在提升管內混合，實現快速而充分地接觸；而后油、劑混合物應以近似平推流的形式沿提升管向上運動，避免因返混而造成的過裂化。(4)在反應過程中，若能保證每一個汽化的原料油霧滴周圍都均勻地分布著數個催化劑顆粒，則油、劑間的反應可達到最佳效果。因此，在油、劑接觸過程中的每一個瞬時，催化劑顆粒應以“濃散式”顆粒相狀態(tài)，而非聚團或稀相分散狀態(tài)與原料油接觸。近年來，針對提升管進料混合區(qū)的相關研究表明，傳統(tǒng)提升管進料混合段內的實際情況與理想狀況存在較大的差別，主要體現為：在進料混合段的大部分區(qū)域里，油、劑兩相的接觸及混合狀況并不理想，原料油與催化劑顆粒在提升管截面上的濃度分布并不“匹配”，油相濃度相對較高(低)的區(qū)域，劑相濃度卻較稀(高)；油、劑混合物也并非以“活塞流”的形式向上運動，催化劑顆粒在提升管近壁區(qū)域較為濃集，呈環(huán)—核結構；在某些區(qū)域存在著較為嚴重的油汽返混，也增大了油、劑之間反復接觸的幾率，造成較為嚴重的結焦[3-6]。

針對提升管進料混合段內存在的不足，國內外許多科研院所、石油公司提出了多種改進方案，以期使上述兩個問題得到改善。常見的方法包括增加內構件、提升管變徑、改變噴嘴安裝方式和角度等[7-12]，但由于該區(qū)域內流動狀況非常復雜，影響因素眾多，多數方案都沒有建立在對傳統(tǒng)進料段內氣固兩相流動特性進行詳盡研究的基礎上。其中，改變噴嘴射流與預提升催化劑流的接觸方式，如將噴嘴由向上傾斜安裝改為水平或向下傾斜安裝的方法，可以簡單有效地提高進料混合段內油、劑的接觸及混合效果[13]。YAN等[14-15]通過初步實驗驗證分析了油劑逆流接觸進料結構中的氣固混合及分布特征，表明其具有良好的效果。然而，以往的研究主要采用“時間平均數”的方法獲得測量參數的時均分布結果，因而難以有效反應進料混合區(qū)內顆粒聚團等動態(tài)參數的特征。

顆粒團聚現象是快速流化床和提升管(輸送床)內氣固兩相流動的典型特征，顆粒團聚物的時空特征將對氣固兩相在提升管內軸徑向的分布及運動狀態(tài)、傳質、傳熱等產生重要影響[16-18]。因此，提升管進料混合段內的顆粒聚團行為將對裂化反應進程及產品分布產生直接影響，有必要對其進行深入研究。早期的研究表明[19-20]，提升管內的團聚物與局部顆粒濃度之間存在較強的相關性，團聚物的形態(tài)隨軸、徑向位置的變化有顯著差異，根據局部瞬時顆粒濃度的時間序列信號，可以較為有效地鑒別提升管內的顆粒聚團。為此，本文在一套大型冷模實驗裝置中，通過分析顆粒濃度動態(tài)特征，對不同形式進料混合段內(油劑并流和逆流接觸)的顆粒聚團行為進行研究。

1 實驗

1.1 實驗裝置及進料段結構

實驗在一套大型冷模循環(huán)流化床實驗裝置中進行，圖1為裝置示意圖。其中，提升管內徑Ф186 mm，裝置總高14 000 mm。

本文主要研究油劑并流接觸(噴嘴向上傾斜)和油劑逆流接觸(噴嘴向下傾斜)兩種進料混合段結構內的顆粒聚團行為，圖2所示為進料段部分的結構示意圖。為方便對比，兩種結構中噴嘴與軸向的夾角均設為30o。

圖1 實驗裝置流程圖Fig. 1 Experimental setup

1.2 實驗介質

實驗中的固體顆粒采用典型的FCC平衡劑，該顆粒為Geldart-A類顆粒，平均粒徑為79 μm，顆粒密度為1200 kg/m3，堆積密度為930 kg/m3。預提升氣體介質為常溫空氣。受冷模實驗條件所限，噴嘴射流采用常溫空氣，由于實際工業(yè)反應中原料油的汽化時間極短(約為0.2 s)[21]，因此在冷模實驗中忽略了該過程。

1.3 實驗儀器及測試方法

提升管內局部顆粒濃度的測定采用中國科學院過程所開發(fā)的PV-6D型光纖顆粒濃度測量儀，其原理如圖3所示[22]。測量顆粒濃度時，由光源發(fā)出的光經光纖照射到顆粒群，反射光被另外一束光纖接收后被轉換成電壓信號，該電壓信號的強度與輸入光信號的強度成正比，放大后的電壓信號經A/D轉換以及計算機的處理可以得出顆粒的濃度值。

2 實驗結果與分析

2.1 提升管進料混合段內顆粒濃度的動態(tài)特征

實驗中，光纖探頭的采樣頻率為50 kHz，采樣時間為3 s。在每個軸向測量截面分布有6個徑向測點，分別為r/R=0，0.25，0.5，0.7，0.8 & 0.95。結合范怡平等[23]以及閆子涵等[24]在油劑并流和逆流接觸進料結構內獲得的顆粒濃度、速度時均分布特征，在進料段內不同的混合區(qū)域分別選取典型截面，用以反映顆粒濃度時間序列信號的動態(tài)特征。其中，噴嘴所在截面用H0表示，測量截面用H表示。為方便對比，在油劑并流和逆流接觸兩種結構中選用相同的操作條件，即預提升氣速Ur為3.5 m/s，噴嘴出口射流速度Uj為64.2 m/s，提升管內顆粒循環(huán)強度Gs為98.5 kg/(m2·s)。

圖2 提升管進料段結構示意圖Fig. 2 Sketch of the feed injection schemes

圖3 PV-6D光纖顆粒濃度測量儀工作原理示意圖Fig. 3 Sketch of the measuring principle of PV-6D

2.1.1 油劑并流接觸進料結構

(1)噴嘴以上0.375 m截面(主射流影響區(qū))

圖4(a)～(f)所示是噴嘴以上0.375 m截面各徑向位置的顆粒濃度時間序列特征。從圖中可以看出，在該區(qū)域內，瞬時顆粒濃度存在一定程度的波動，且提升管中心區(qū)和邊壁區(qū)的波動程度略大。在r/R≈0.5～0.8的徑向位置，會出現瞬時固含率為零的情況。在該截面，射流的主流并沒有完全擴散至提升管中心[25]，在主射流中心附近，高速射流難以與催化劑顆粒充分混合，因而部分時刻只有氣相通過光纖探頭，所測得的瞬時固含率為零。由于射流相與顆粒相尚未充分混合，在未被主射流占據的徑向位置(邊壁區(qū)和中心區(qū))出現了一定的顆粒聚集，導致這一區(qū)域瞬時顆粒濃度的波動有所增加。

(2)噴嘴以上0.675 m截面(二次流影響區(qū))

噴嘴以上0.675 m截面各徑向位置的顆粒濃度時間序列特征如圖5(a)～(f)所示。由圖可見，該截面各徑向位置處的瞬時顆粒濃度都存在較大的波動，尤其是在靠近提升管邊壁的區(qū)域。此外，瞬時固含率為零出現的幾率也大大增加，且在靠近提升管中心區(qū)較為明顯。在該截面，噴嘴射流的主流已經擴散至提升管中心，且多股射流在中心處匯聚，因此中心區(qū)氣相出現的幾率大大增加，表明噴嘴射流與催化劑顆粒在此處并不能充分混合。范怡平等[26]的研究表明，該截面是受二次流影響最為嚴重的區(qū)域，在二次流的影響下，大量的催化劑顆粒被攜帶至提升管邊壁，受高速射流的影響，不斷地有顆粒被帶入或帶出，因此靠近邊壁處瞬時顆粒濃度的波動極大。

圖4 噴嘴以上0.375 m截面的固含率時間序列信號Fig. 4 Fluctuations of solids hold-up at 0.375 m above the nozzles

圖5 噴嘴以上0.675 m截面的固含率時間序列信號Fig. 5 Fluctuations of solids hold-up at 0.675 m above the nozzles

(3)噴嘴以上1.075 m截面(混合發(fā)展區(qū))

圖6(a)～(f)所示是噴嘴以上1.075 m截面各徑向位置的顆粒濃度時間序列特征。從圖6可以看出，在該截面，氣相(瞬時固含率為零)出現的幾率大大減小，表明氣、固間的混合較為充分。由于顆粒相的濃度在提升管內呈現邊壁高、中心低的分布趨勢，因此該截面邊壁區(qū)的瞬時顆粒濃度數值偏大，且波動較大。這也表明射流的影響在逐漸減小，提升管內的流動逐漸恢復為穩(wěn)定的“環(huán)—核結構”。

2.1.2 油劑逆流接觸進料結構

(1)噴嘴以下0.185 m截面(油劑初始接觸區(qū))

圖7(a)～(f)所示是噴嘴以下0.185 m截面各徑向位置的顆粒濃度時間序列特征。從圖中可以看出，在噴嘴以下0.185 m截面，各徑向位置瞬時固含率的波動均不大，都在平均值附近變化。在各測點處，基本沒有出現瞬時固含率為零的情況。該截面位于噴嘴向下傾斜進料段結構中射流與催化劑的初始接觸區(qū)，顆粒濃度時間序列信號的這一特征表明該區(qū)域油、劑間的混合較為均勻，原料油能在短時間內與大量催化劑顆粒充分接觸。

(2)噴嘴以上0.185 m截面(氣固擴散區(qū))

噴嘴以上0.185 m截面各徑向位置的顆粒濃度時間序列特征如圖8(a)～(f)所示。從圖中可以看出，在氣固擴散區(qū)內，靠近提升管中心區(qū)的固含率平均值較低，但存在一定的波動。在靠近邊壁的r/R≈0.8位置，固含率的平均值明顯增大，波動也相對較大，表明在該截面大量的顆粒相擴散至該徑向位置，與時均固含率沿徑向分布的結果一致[24]。

(3)噴嘴以上0.675 m截面(過渡恢復區(qū))

圖9(a)～(f)所示是噴嘴以上0.675 m截面各徑向位置的顆粒濃度時間序列特征。在過渡恢復區(qū)內，提升管中心區(qū)的固含率平均值較低，波動也較??；靠近邊壁處的固含率平均值較高，波動相對較大。這一特征與提升管內典型的顆粒濃度時間序列特征近似[27]，表明在該截面噴嘴射流的影響已經較弱，提升管內的流動逐漸恢復為穩(wěn)定的“環(huán)—核結構”。

2.2 提升管進料混合段內的顆粒聚團特征

提升管內顆粒濃度的瞬時時間序列信號可以充分反映固體顆粒的團聚、解體、運動狀況等顆粒動力學特征。因此，許多研究者利用顆粒濃度的瞬時信號來確定提升管內的顆粒聚團行為。Soong等[28]提出了根據顆粒濃度(固含率)信號判斷聚團的標準，并指出聚團內部的顆粒濃度會顯著高于該位置的時均顆粒濃度，通?？捎萌缦卤磉_式描述：

εpi為瞬時固含率在采樣時間內的時均值，n為εpcr高于σ(εpi)的倍數；σ(εpi)為顆粒濃度在采樣時間段內的標準偏差。

圖6 噴嘴以上1.075 m截面的固含率時間序列信號Fig. 6 Fluctuations of solids hold-up at 1.075 m above the nozzles

由式1可見，n值的選取將會直接影響聚團的分析結果。為此，Manyele等[29]采用敏感分析法來確定n值。隨著n值增大，聚團的時間分率Fc(聚團時間分率=聚團出現時間/采樣時間)必然隨之減小，當顆粒處于“散式相”和“聚團相”兩種不同的狀態(tài)時，n隨Fc的變化梯度不同，因此在Fc-n曲線中，斜率出現突變的位置可以作為n的取值。

圖8 噴嘴以上0.185 m截面的固含率時間序列信號Fig. 8 Fluctuations of solids hold-up at 0.185 m above the nozzles

基于上述方法，對2.1節(jié)所得的顆粒濃度動態(tài)數據進行分析，可以得到提升管進料混合段內的顆粒聚團特征，采用如式2所示的聚團時間分率Fc對顆粒聚團特征進行描述。

式中，T為采樣時間，s；Tc為采樣時間內顆粒聚團的持續(xù)時間，s。

圖10和圖11所示分別為油劑并流和逆流接觸進料結構內聚團時間分率的分布情況。對比圖10 和圖11可以看出，油劑并流接觸進料結構內的聚團時間分率總體上要高于油劑逆流接觸結構內的數值，尤其是在靠近提升管邊壁的區(qū)域。當噴嘴斜向上傾斜時，在射流影響區(qū)域內(噴嘴以上0.185～0.675 m)，顆粒聚團時間分率與噴嘴以上1.075 m截面(混合發(fā)展區(qū))相比均顯著提高，表明斜向上的噴嘴射流將加劇提升管內顆粒聚團的形成，不利于油劑間的混合及反應。而噴嘴改為向下傾斜時，油劑初始接觸區(qū)域內(H-H0=-0.185 m)的聚團時間分率與過渡恢復區(qū)(HH0=0.675 m)相比有所降低，表明斜向下的噴嘴射流將抑制提升管內顆粒聚團的形成，聚團時間分率的降低意味著以散式顆粒相狀態(tài)與射流接觸的催化劑比例增加，這對于油、劑間的反應是十分有利的。

圖9 噴嘴以上0.675 m截面的固含率時間序列信號Fig. 9 Fluctuations of solids hold-up at 0.675 m above the nozzles

圖10 油劑并流接觸進料結構內聚團時間分率分布Fig. 10 The time fraction of clusters in the concurrent feed injection structure

圖11 油劑逆流接觸進料結構內聚團時間分率分布Fig. 11 The time fraction of clusters in the counter-current feed injection structure

3 結論

本文在一套大型冷模實驗裝置中，采用PV-6D型光纖顆粒濃度測量儀獲得了提升管進料混合區(qū)內的固含率時間序列信號，并對比了油劑并流和逆流接觸兩種條件下的結果，以此為基礎獲得了進料混合段內的聚團時間分率分布特征。得到以下主要結論：

(1)油劑并流接觸時，主射流影響區(qū)和二次流影響區(qū)內的瞬時固含率存在較大波動，尤其是在靠近提升管邊壁的區(qū)域，表明射流二次流對該區(qū)域的氣固流動產生較大影響。

(2)油劑逆流接觸時，進料混合區(qū)各徑向位置瞬時固含率的波動均不大，都在平均值附近變化，表明油劑間的混合較為均勻，原料射流容易與催化劑顆粒充分接觸。

(3)油劑并流接觸時，射流影響區(qū)內的聚團時間分率較高；與之相反，油劑逆流接觸時，聚團相的時間分率顯著降低，意味著以散式顆粒狀態(tài)與射流接觸的催化劑比例增加，有利于提高油劑間的接觸和反應效率。