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

即

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)