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        雙層噴嘴進(jìn)料提升管內(nèi)氣固流動(dòng)混合特性的大型冷模實(shí)驗(yàn)研究

        2021-08-31 06:58:14許峻王智峰侯凱軍高永福范怡平盧春喜
        化工學(xué)報(bào) 2021年8期
        關(guān)鍵詞:區(qū)域

        許峻,王智峰,侯凱軍,高永福,范怡平,盧春喜

        (1中國石油大學(xué)(北京)重質(zhì)油國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102249;2中國石油重質(zhì)油加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅蘭州 730060)

        引 言

        提升管反應(yīng)器以其良好的氣固接觸混合性能被廣泛應(yīng)用于煉油、化工、環(huán)保及能源等領(lǐng)域,尤其在催化裂化工藝中,是重油輕質(zhì)化的核心裝置之一[1]。根據(jù)提升管反應(yīng)器在催化裂化過程中的功能,自下而上可以分為預(yù)提升段、進(jìn)料混合段、快速反應(yīng)段以及出口分離段[2]。而進(jìn)料混合段內(nèi)原料油與催化劑的接觸混合效果將直接影響裂化反應(yīng)效率及目標(biāo)產(chǎn)品分布[3-5]。前人研究表明,傳統(tǒng)單層噴嘴向上進(jìn)料(進(jìn)料噴嘴與軸線夾角30°~40°)的提升管反應(yīng)器,在其進(jìn)料混合段內(nèi)存在油劑分布不均,催化劑顆粒邊壁返混劇烈等非理想工況[6-8],使得該區(qū)域內(nèi)油劑接觸效率降低,接觸時(shí)間過長,導(dǎo)致邊壁易結(jié)焦,目標(biāo)產(chǎn)品收率下降。針對(duì)這些問題,研究人員提出了多種提升管結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。劉丙超等[9]提出了一種擴(kuò)大預(yù)提升段直徑來強(qiáng)化氣固接觸的變徑提升管結(jié)構(gòu);鐘孝湘等[10-11]提出了一種進(jìn)料噴嘴上方縮頸以形成平推流的變徑提升管結(jié)構(gòu);Mauleon等[12]則提出了一種擴(kuò)大進(jìn)料段直徑降低顆粒速度來提高顆粒濃度的變徑結(jié)構(gòu)。由于缺少對(duì)提升管內(nèi)氣固流動(dòng)、混合規(guī)律的深入研究,上述變徑結(jié)構(gòu)僅給出了優(yōu)化思路,缺少定量的優(yōu)化效果,難以判斷擴(kuò)徑與縮徑兩種相互矛盾結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣。

        范怡平等[13-14]通過實(shí)驗(yàn)與理論研究發(fā)現(xiàn),提升管進(jìn)料段噴嘴射流存在二次流現(xiàn)象,加劇了進(jìn)料段邊壁附近顆粒的返混。在此基礎(chǔ)上,開發(fā)了抑制射流二次流影響的CS噴嘴[15-16]。許峻等[17]研究表明,提升管內(nèi)向上的射流二次流有先向邊壁,后向中心運(yùn)動(dòng)的趨勢;而向下的射流二次流則持續(xù)向中心運(yùn)動(dòng)(具體原因后文分析)。因此傳統(tǒng)提升管噴嘴向上的進(jìn)料結(jié)構(gòu)無法避免二次流造成的邊壁返混,而改為噴嘴向下進(jìn)料則可以利用二次流攜帶顆粒一起向中心運(yùn)動(dòng),從理論上說,能夠促進(jìn)催化劑顆粒在提升管截面的均勻分布。Yan等[18-19]的實(shí)驗(yàn)研究證明了上述結(jié)論,采用向下進(jìn)料結(jié)構(gòu),催化劑顆粒在油劑初始接觸區(qū)域內(nèi),沿徑向濃度分布更為均勻。邊京等[20]進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),將噴嘴向下進(jìn)料與提升管變徑結(jié)構(gòu)耦合,局部固含率分布更加均勻,更有利于油劑混合。然而需要注意到,趙鳳靜等[21]實(shí)驗(yàn)表明,向下進(jìn)料會(huì)使噴嘴附近區(qū)域壓力脈動(dòng)顯著提高。由于提升管進(jìn)料射流流速一般在50~80 m/s,而預(yù)提升氣速在2~4 m/s[2],與傳統(tǒng)向上進(jìn)料結(jié)構(gòu)相比,向下逆流進(jìn)料在促進(jìn)油劑混合的同時(shí),會(huì)導(dǎo)致進(jìn)料段壓降增大,提高設(shè)備能耗水平。

        近年來,研究人員提出一種雙層噴嘴進(jìn)料的提升管反應(yīng)工藝,即在傳統(tǒng)向上進(jìn)料噴嘴下方設(shè)置“副噴嘴”,噴入成品汽油或柴油,進(jìn)料量為原料油的10%~20%,從而改善最終產(chǎn)品分布。對(duì)于此類雙層噴嘴結(jié)構(gòu),其上下層噴嘴射流之間,射流與顆粒之間,射流、顆粒以及預(yù)提升來流三者之間的流動(dòng)混合特性,目前尚未有相關(guān)研究。因此本研究以傳統(tǒng)向上30°(與軸線夾角)進(jìn)料噴嘴為“主噴嘴”,與向下30°的“副噴嘴”組合,通過大型冷模實(shí)驗(yàn),考察這種雙層噴嘴進(jìn)料結(jié)構(gòu)對(duì)提升管進(jìn)料段內(nèi)氣固相流動(dòng)混合的影響,同時(shí)結(jié)合“二次流”理論,進(jìn)一步完善對(duì)多股射流軌跡發(fā)展的理論描述。

        1 噴嘴向下的射流二次流的產(chǎn)生機(jī)理模型

        提升管向上進(jìn)料噴嘴射流的軌跡以及射流二次流的發(fā)展變化趨勢在“催化裂化提升管進(jìn)料段噴嘴射流運(yùn)動(dòng)-擴(kuò)散特性的分析”[17]一文中已有詳細(xì)分析,本文進(jìn)一步發(fā)展了該方法,分析向下進(jìn)料噴嘴射流二次流的發(fā)展變化趨勢。為便于后文敘述,在此簡要介紹提升管內(nèi)的Kutta-Joukowski橫向力現(xiàn)象,對(duì)此現(xiàn)象的詳細(xì)分析請(qǐng)參閱文獻(xiàn)[17]。

        1.1 提升管內(nèi)Kutta-Joukowski橫向力現(xiàn)象簡介

        Kutta-Joukowski力的定義[22]是:當(dāng)某一物體周圍存在一個(gè)速度環(huán)量Γ,若此時(shí)另一股來流以相對(duì)速度Vs流經(jīng)該物體,則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)垂直于來流方向的力Fk(力的方向?yàn)閷砹鞣较蚰姝h(huán)量旋轉(zhuǎn)90°)。對(duì)于提升管內(nèi)存在的介尺度結(jié)構(gòu)[23-24]如顆粒聚團(tuán),可以將其認(rèn)為是某一單連通域內(nèi)具有相同物理性質(zhì)的顆粒群。顆粒群自身的速度環(huán)量Γ,疊加預(yù)提升來流的相對(duì)速度Vs,使其受到一個(gè)垂直于預(yù)提升來流并指向提升管邊壁的力Fk的作用。故而將此現(xiàn)象稱為提升管內(nèi)Kutta-Joukowski橫向力現(xiàn)象。Kutta-Joukowski橫向力Fk的表達(dá)式為[17]:

        1.2 模型的簡化設(shè)定

        考慮到提升管進(jìn)料段內(nèi)本身高度湍動(dòng)的流場狀態(tài),再加上向下進(jìn)料射流與預(yù)提升來流逆向沖擊混合,更加劇了進(jìn)料噴嘴附近流場運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜程度,為便于分析,作出如下簡化[17]:

        (1)射流是不可壓縮的二元流動(dòng);

        (2)噴嘴射流對(duì)射流影響區(qū)以外不產(chǎn)生影響;

        (3)催化劑顆粒在遠(yuǎn)離噴嘴入口區(qū)域僅作軸向運(yùn)動(dòng)。

        如圖1所示,建立平面直角坐標(biāo)系,坐標(biāo)原點(diǎn)在提升管中心。上下虛線之間為射流影響區(qū),進(jìn)料射流與來流催化劑在此區(qū)域內(nèi)接觸混合,二次流也在此區(qū)域內(nèi)形成并發(fā)展。虛線外為遠(yuǎn)離噴嘴的充分發(fā)展區(qū),認(rèn)為進(jìn)料射流對(duì)該區(qū)域不產(chǎn)生影響,提升管內(nèi)處于穩(wěn)定的“環(huán)核分布”結(jié)構(gòu)。對(duì)于“環(huán)核分布”的形成原因在文獻(xiàn)[17]中有詳細(xì)分析,本文不再贅述。

        當(dāng)預(yù)提升氣攜帶催化劑顆粒向上運(yùn)動(dòng)至射流影響區(qū)時(shí),聚集于提升管邊壁的顆粒與高速逆向射流接觸,被迅速帶向提升管中心。此時(shí)對(duì)于圖1中某一單連通域的顆粒群來說,射流使其獲得了徑向加速度,即徑向速度沿軸向的梯度?Vp,x?y≠0,因此由式(1),單位面積(A=1)顆粒群所受的Kutta-Joukowski力為

        由于提升管內(nèi)以向上運(yùn)動(dòng)為主,受射流作用逆流向下運(yùn)動(dòng)的顆粒在軸向上會(huì)受到極大的阻礙,同時(shí)由于流場內(nèi)的耗散作用,顆粒徑向速度也會(huì)持續(xù)降低,即?Vp,x?y和?Vp,y?x均小于零為負(fù)梯度。如圖2所示,以噴嘴附近某一邊壁顆粒群為研究對(duì)象,考察其運(yùn)動(dòng)軌跡。可以看到,顆粒群在向下、向中心運(yùn)動(dòng)過程中,由于軸向速度與預(yù)提升來流速度方向相反,其軸向動(dòng)量損失遠(yuǎn)大于徑向動(dòng)量損失,就速度梯度而言,應(yīng)存在如式(3)的關(guān)系。

        圖2 顆粒群運(yùn)動(dòng)過程示意圖Fig.2 Schematic diagram of particle group motion process

        根據(jù)習(xí)慣約定,速度環(huán)量Γ以逆時(shí)針方向?yàn)檎较?。那么x正半軸內(nèi)的顆粒群速度環(huán)量即為逆時(shí)針方向,由上文Kutta-Joukowski橫向力定義可以判斷,顆粒群所受Kutta-Joukowski橫向力指向x軸正方向。由于對(duì)稱性,x軸負(fù)方向內(nèi)的顆粒,則受到指向x軸負(fù)方向的Kutta-Joukowski橫向力。也就是說,對(duì)于噴嘴向下的進(jìn)料結(jié)構(gòu),催化劑顆粒在進(jìn)料段有向提升管壁聚集的趨勢,這與向上進(jìn)料結(jié)構(gòu)的進(jìn)料段內(nèi)催化劑顆粒先向中心后向邊壁的運(yùn)動(dòng)趨勢[17]不同。

        當(dāng)噴嘴射流攜帶催化劑顆粒運(yùn)動(dòng)時(shí),如圖3所示,由于射流與顆粒的不均勻接觸,有“部分”射流與顆粒接觸,將動(dòng)量傳遞給顆粒,使其加速,而自身速度降低;未與顆粒接觸的射流則保持原動(dòng)量繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。因此,噴嘴射流與催化劑顆?;旌辖佑|后,射流內(nèi)部將產(chǎn)生速度差,“高速”射流形成射流主流,而“低速”射流逐漸脫離主流形成“二次流動(dòng)”。根據(jù)牛頓第三定律,顆粒受指向邊壁的Fk作用,則必有大小相等方向相反的-Fk作用于射流相,而射流與顆粒作用后產(chǎn)生二次流,那么-Fk也應(yīng)當(dāng)作用于二次流。與向下的主射流不同,二次流自身較低的速度和動(dòng)量使其難以保持足夠的“剛度”,在向上預(yù)提升氣的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn),變?yōu)橄蛏?、向中心運(yùn)動(dòng)。

        圖3 氣固相間動(dòng)量傳遞模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of gas-solid phase momentum transfer model

        結(jié)合文獻(xiàn)[17]與本文分別對(duì)向上、向下進(jìn)料噴嘴的射流主流及二次流的分析結(jié)果,為Kutta-Joukowski橫向力Fk在提升管進(jìn)料段內(nèi)所起的作用提供了一定的理論和模型支持,下面通過雙層噴嘴進(jìn)料的提升管大型冷模實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證理論模型的可靠性。

        2 實(shí)驗(yàn)裝置及測量方法

        2.1 實(shí)驗(yàn)裝置及操作參數(shù)

        本文實(shí)驗(yàn)使用的大型冷模實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。其中,提升管內(nèi)徑213 mm,高11 m。進(jìn)料段采用4個(gè)周向均布的主噴嘴和2個(gè)對(duì)稱布置的副噴嘴作為進(jìn)料結(jié)構(gòu)。主噴嘴與軸線夾角30°向上,位于分布器以上4.5 m;副噴嘴與軸線夾角30°向下,位于主噴嘴下方0.5 m。

        圖4 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.4 Schematic diagram of experimental apparatus

        實(shí)驗(yàn)中預(yù)提升氣與噴嘴射流均采用常溫空氣。受實(shí)驗(yàn)條件所限,無法模擬原料油經(jīng)噴嘴射入提升管中迅速汽化的過程,但考慮到實(shí)際反應(yīng)中原料油汽化過程在極短時(shí)間(0.2~0.3 s)[25]內(nèi)完成,實(shí)驗(yàn)采用空氣替代是合理的。固體顆粒采用平均粒徑63 μm的FCC催化劑,堆積密度為929 kg/m3。實(shí)驗(yàn)中預(yù)提升氣速為2 m/s,主副噴嘴氣速一致,為41.7、59.7、80 m/s。副噴嘴出口截面積為主噴嘴的1/5,以保證副噴嘴進(jìn)氣量為主噴嘴的20%。提升管內(nèi)顆粒循環(huán)強(qiáng)度為60 kg/(m2·s)。

        為便于描述和分析,實(shí)驗(yàn)中設(shè)主噴嘴安裝截面為H0,以上為正,以下為負(fù),測量所選截面為H-H0=0.4、0.2、-0.2、-0.4、-0.6 m。

        2.2 測試及數(shù)據(jù)處理方法

        本文采用中國科學(xué)院過程工程研究所開發(fā)的PV-6M型顆粒濃度、速度兩用測量儀來測定局部顆粒固含率εp和局部顆粒速度Up[26-27]。局部射流濃度的測量采用連續(xù)氣體示蹤技術(shù)[28-29],將示蹤氣(氦氣)連續(xù)通入待測噴嘴,與噴嘴射流一同進(jìn)入提升管。氦氣示蹤儀在測點(diǎn)處連續(xù)抽氣采樣,待測量讀數(shù)穩(wěn)定后作為該測點(diǎn)處的氦氣濃度。需要注意的是,氦氣示蹤儀在抽取氣體時(shí)會(huì)將顆粒過濾,其測量的是氦氣在氣相中的濃度。而實(shí)際流動(dòng)中,提升管內(nèi)固相顆粒濃度與氣相濃度在同一量級(jí),忽略固相濃度會(huì)帶來較大誤差。因此,基于邊京等[20]、閆子涵等[30]的研究結(jié)果,本文使用式(5)計(jì)算各測點(diǎn)處射流特征相對(duì)濃度Cji。采用Cji-main表示測點(diǎn)處主噴嘴射流特征相對(duì)濃度,Cji-se表示測點(diǎn)處副噴嘴射流特征相對(duì)濃度。

        式中,ci(1-εpi)為示蹤氣體在氣固混合相中的濃度;A為提升管截面積;Ai為各徑向測點(diǎn)所在位置的環(huán)形面積;Qj,Qr,Qp分別為噴嘴射流、預(yù)提升氣和固體顆粒的體積流量。

        為與射流相特征濃度比較,采用式(6)計(jì)算各測點(diǎn)處顆粒相特征濃度,以表示顆粒相在提升管徑向截面上的相對(duì)分布情況。

        為定量描述提升管內(nèi)主副噴嘴射流分別與催化劑顆粒間的混合狀況,本文引入局部油劑匹配指數(shù)[30],如式(7)、式(8)所示。λpji-main表示測點(diǎn)處主噴嘴射流與顆粒間的匹配指數(shù),λpji-se表示測點(diǎn)處副噴嘴射流與顆粒間的匹配指數(shù)。可以看出,λpji-main和λpji-se的數(shù)值越接近0,則局部的油劑匹配程度越好。

        3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        3.1 雙層噴嘴進(jìn)料段內(nèi)局部顆粒固含率、顆粒速度及射流特征濃度的徑向分布

        本文實(shí)驗(yàn)中,主副噴嘴(如圖4)同時(shí)進(jìn)氣,且氣速保持一致。將氦氣先后通入主、副噴嘴,分別考察二者射流在進(jìn)料段內(nèi)沿軸向、徑向的濃度分布。如圖5所示,在主噴嘴以下截面(H-H0=-0.2、-0.4、-0.6 m)Cji-main均為0,表明軸向上主噴嘴射流影響區(qū)的下限位置不會(huì)低于主噴嘴以下0.2 m。而主噴嘴以上0.2 m(H-H0=0.2 m)和0.4 m(H-H0=0.4 m)截面Cji-se均為0,表明向下進(jìn)氣的副噴嘴射流隨軸向高度增加,在徑向分布上逐漸趨于均勻。由于單個(gè)副噴嘴進(jìn)氣量只有主噴嘴的1/5,周向2個(gè)副噴嘴的總進(jìn)氣量僅為4個(gè)主噴嘴的1/10,因此主噴嘴射流的進(jìn)入會(huì)嚴(yán)重“稀釋”副噴嘴示蹤氣,使其局部濃度低于測量儀器分辨率,因此無法在主噴嘴以上位置測得有效的副噴嘴示蹤氣濃度。

        圖5 三種噴嘴氣速下進(jìn)料段內(nèi)顆粒固含率、速度和射流特征濃度的徑向分布Fig.5 Radial distribution of solid holdup,velocity and jet characteristic concentration in the feed injection at three nozzle velocities

        3.1.1 主噴嘴以下0.6 m截面(H-H0=-0.6 m) 由于主副噴嘴間距為0.5 m,故該截面為副噴嘴以下0.1 m。如圖5(e),三種噴嘴氣速下,該截面均未測得有效射流濃度,顆粒在徑向上呈現(xiàn)穩(wěn)定的環(huán)核分布結(jié)構(gòu)。表明本實(shí)驗(yàn)工況下,向下的副噴嘴射流未對(duì)距副噴嘴0.1 m以下的位置產(chǎn)生影響。

        3.1.2 主噴嘴以下0.4 m截面(H-H0=-0.4 m) 該截面為副噴嘴以上0.1 m。如圖5(d),三種氣速下,截面內(nèi)顆粒在徑向上仍為環(huán)核分布結(jié)構(gòu)。不同的是,Uj=41.7 m/s時(shí),“核”(區(qū)域Ⅰ-d)較小,“環(huán)”(區(qū)域Ⅱ-d)較大,并以r/R=0.25為分界。隨著噴嘴氣速提高,“核”所占范圍逐漸增加,至Uj=80 m/s時(shí),r/R=0.7為“環(huán)”“核”區(qū)域的分界位置。由于副噴嘴向下逆著預(yù)提升來流方向進(jìn)氣,噴嘴射流在出口附近與預(yù)提升氣固相激烈沖擊,動(dòng)能迅速降低,射流方向也隨之向上偏轉(zhuǎn)。結(jié)合上文對(duì)向下進(jìn)料的射流二次流產(chǎn)生與發(fā)展的分析,氣速較低的噴嘴射流在與來流催化劑進(jìn)行動(dòng)量傳遞后,更易于產(chǎn)生低速“流塊”,形成向上、向中心的二次流動(dòng)。區(qū)域Ⅱ-d內(nèi)較低的氣相濃度,較大的固含率梯度均與二次流內(nèi)低氣速、高返混的特性一致,表明區(qū)域Ⅱ-d應(yīng)以二次流動(dòng)為主導(dǎo),因此本文將其定義為“二次流控制區(qū)”。相應(yīng)的,對(duì)于靠近中心的區(qū)域Ⅰ-d,其內(nèi)部較高的氣相濃度,沿徑向相對(duì)穩(wěn)定的固含率和顆粒速度,可以認(rèn)為其受主射流和預(yù)提升氣主導(dǎo),本文將其定義為“主流控制區(qū)”。

        在噴嘴附近,氣速越大,“二次流控制區(qū)”(區(qū)域Ⅱ-d)越小,同時(shí)邊壁顆粒速度也越低,這說明對(duì)于向下進(jìn)氣的副噴嘴而言,射流二次流存在“兩面性”。一方面二次流內(nèi)低氣速、高返混可能導(dǎo)致進(jìn)料油氣與催化劑顆粒停留時(shí)間較長,存在結(jié)焦風(fēng)險(xiǎn);另一方面向上、向中心運(yùn)動(dòng)的二次流可以將邊壁顆粒進(jìn)一步帶向提升管中心,降低邊壁固含率,促進(jìn)顆粒在截面上均勻分布。如何平衡二次流的利弊十分關(guān)鍵。在本文實(shí)驗(yàn)中,Uj=59.7 m/s時(shí),“二次流控制區(qū)”與“主流控制區(qū)”在徑向上各占一半,邊壁顆粒速度較高,是比較合適的。

        3.1.3 主噴嘴以下0.2 m截面(H-H0=-0.2 m) 該截面即副噴嘴以上0.3 m處。如圖5(c)所示,隨著軸向高度增加,三種氣速下“主流控制區(qū)”均有所擴(kuò)大,表明向下的射流二次流沿軸向會(huì)逐漸與主流融合,氣速越大,二次流控制區(qū)越小,二次流與主流融合越快。同時(shí)大氣速下邊壁顆粒速度降為負(fù)值,顆?;浞祷靽?yán)重,同樣說明向下噴嘴氣速不宜過大。

        3.1.4 主噴嘴以上0.2 m截面(H-H0=0.2 m)如圖5(b),隨著主噴嘴射流的加入,徑向上已經(jīng)穩(wěn)定的氣固相環(huán)核分布被打破。以Uj=41.7 m/s為例,對(duì)于主噴嘴射流濃度,由中心向邊壁出現(xiàn)先增加、后驟降、再穩(wěn)定不變的三段變化趨勢。按照三段變化的分界(r/R=0.25,0.7),沿徑向?qū)⑻嵘芊譃槿齻€(gè)區(qū)域(區(qū)域Ⅰ-b,Ⅱ-b,Ⅲ-b)。

        對(duì)于靠近中心的區(qū)域Ⅲ-b(0

        對(duì)于區(qū)域Ⅰ-b(0.25

        對(duì)于靠近邊壁的區(qū)域Ⅱ-b(0.7

        3.1.5 主噴嘴以上0.4 m截面(H-H0=0.4 m)如圖5(a),該截面上氣固相分布已基本穩(wěn)定。在實(shí)驗(yàn)的三種氣速條件下,顆粒在Ⅰ-a、Ⅲ-a區(qū)域內(nèi)分布較為均勻,邊壁區(qū)域Ⅱ-a的固含率相比于0.2 m截面也有所降低,管內(nèi)流場基本恢復(fù)到主噴嘴射流進(jìn)入前的狀態(tài)。因此對(duì)于雙層噴嘴的進(jìn)料段結(jié)構(gòu)來說,進(jìn)料油氣與催化劑顆粒在主噴嘴以上0.4 m處基本完成混合接觸,相比于傳統(tǒng)單層噴嘴1.375 m的進(jìn)料混合段長度明顯縮短。即使考慮主副噴嘴0.5 m的間距,其總的進(jìn)料混合段長度也在1 m以內(nèi),仍比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)短約1/3。因此,雙層噴嘴結(jié)構(gòu)有助于氣固相快速混合。

        根據(jù)上述5個(gè)不同軸向截面內(nèi)顆粒與射流濃度分布的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,繪制出如圖5(f)所示的雙層噴嘴進(jìn)料段內(nèi)氣固流動(dòng)示意圖。可以看到,對(duì)于向下的副噴嘴,其射流主流會(huì)阻礙噴嘴附近顆粒的上行運(yùn)動(dòng),可能導(dǎo)致部分催化劑顆粒在噴嘴附近聚集,不利于顆粒在管內(nèi)的均勻分布;而副噴嘴射流二次流對(duì)顆粒的挾帶作用明顯,有助于顆粒向中心擴(kuò)散。同時(shí),在本實(shí)驗(yàn)工況條件下,副噴嘴射流未對(duì)主噴嘴段流場產(chǎn)生明顯影響。

        3.2 雙層噴嘴進(jìn)料段內(nèi)局部油劑接觸狀況

        為進(jìn)一步考察主、副噴嘴進(jìn)料與催化劑顆粒間的接觸及匹配情況,將進(jìn)料段各截面的顆粒特征濃度Cpi,射流特征濃度Cji-main、Cji-se以及局部油劑匹配指數(shù)λpji-main、λpji-se繪制于圖6中。

        圖6 三種噴嘴氣速下進(jìn)料段油、劑分布及匹配情況Fig.6 Distribution and matching of oil and catalysts in feed injection at three nozzle velocities

        如圖6(c)、(d)所示,在副噴嘴段,由于副噴嘴進(jìn)氣量少,加之噴嘴射流在截面分布不均,油劑匹配程度整體較差,僅在大氣速下靠近提升管中心位置油劑匹配程度較好。而隨軸向高度增加,副噴嘴射流沿徑向擴(kuò)散,截面分布稍有改善,但受限于較低的射流量,油劑匹配程度并未出現(xiàn)明顯變化,說明副噴嘴段存在“劑多氣少”。

        對(duì)于主噴嘴段,如圖6(a)、(b),三種氣速下,油劑匹配指數(shù)沿徑向呈勺形分布,同樣存在三段變化趨勢,分別與上文定義的上游來流控制區(qū)、主射流控制區(qū)和二次流控制區(qū)相對(duì)應(yīng)。

        如圖7,與傳統(tǒng)單層向上噴嘴結(jié)構(gòu)相比,加入向下的副噴嘴射流加強(qiáng)了提升管內(nèi)催化劑顆粒的湍動(dòng)程度,顯著改善了主噴嘴附近的油劑匹配情況,有效降低了r/R<0.5范圍內(nèi)的主噴嘴油劑比,同時(shí)縮短了主噴嘴進(jìn)料混合段的長度,可以減少主噴嘴段油劑接觸時(shí)間過長導(dǎo)致的過度裂化、生焦等現(xiàn)象。

        圖7 雙層噴嘴與傳統(tǒng)單層向上噴嘴進(jìn)料段內(nèi)油劑匹配指數(shù)分布(Uj=80 m/s)Fig.7 Distribution of oil/catalyst matching index in feed injection of double nozzle and traditional single upward nozzle(Uj=80 m/s)

        4 結(jié) 論

        (1)利用提升管進(jìn)料段內(nèi)噴嘴射流二次流理論,結(jié)合Kutta-Joukowski定理對(duì)噴嘴向下進(jìn)料的射流二次流產(chǎn)生、發(fā)展的全過程給出了比較全面的理論解釋。

        (2)根據(jù)局部及整體的油劑混合分布情況,沿徑向方向,副噴嘴段可以分為主流控制區(qū)和二次流控制區(qū),噴嘴氣速越大,二者的分界越靠近邊壁。為充分利用二次流對(duì)顆粒橫向運(yùn)動(dòng)的促進(jìn)作用,在副噴嘴段,噴嘴氣速不宜過大,本文實(shí)驗(yàn)中Uj=59.7 m/s較好。主噴嘴段則在徑向上分為上游來流控制區(qū)、主射流控制區(qū)和二次流控制區(qū)。

        (3)與傳統(tǒng)進(jìn)料結(jié)構(gòu)相比,加入副噴嘴,可以有效改善主噴嘴段油劑匹配情況,同時(shí)可以將進(jìn)料混合段長度縮短約1/3,縮短了氣固相混合、停留時(shí)間,實(shí)現(xiàn)減少進(jìn)料噴嘴附近結(jié)焦的目的。

        符號(hào)說明

        A——單連通域顆粒群面積,m2

        Cp——顆粒相特征濃度

        ci——采樣點(diǎn)處氦氣濃度

        r/R——無量綱徑向位置

        Uj——噴嘴氣速,m/s

        Vp,x——顆粒群徑向速度,m/s

        Vp,y——顆粒群軸向速度,m/s

        x——理論模型中射流中心線橫坐標(biāo),m

        y——理論模型中射流中心線縱坐標(biāo),m

        下角標(biāo)

        i——測量點(diǎn)

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