王景效，賀翔宇，龔劍洪，許建良，劉海峰

（1中國(guó)石油化工股份有限公司石油化工科學(xué)研究院，北京 100083；2華東理工大學(xué)上海煤氣化工程技術(shù)研究中心，上海 200237）

引 言

以乙烯、丙烯為代表的低碳烯烴是現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)重要的基礎(chǔ)化工原料[1]，需求日益增大。相比于傳統(tǒng)制取低碳烯烴的蒸汽裂解工藝，催化裂解因其反應(yīng)溫度低、蒸汽消耗少、分離流程簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)一直被研究者關(guān)注[2-4]。同時(shí)我國(guó)原油資源日益重質(zhì)化、劣質(zhì)化，發(fā)展重油催化裂解生產(chǎn)低碳烯烴技術(shù)是適合我國(guó)基本國(guó)情的一條生產(chǎn)路線(xiàn)[5-7]。

快速流態(tài)化是指催化劑顆粒在高速氣體的攜帶作用下發(fā)生聚集并因此具有較高滑落速度的氣固流動(dòng)過(guò)程[8]，具有床層密度大、返混小、無(wú)鼓泡、相間傳質(zhì)效率高、床層溫度均勻等優(yōu)點(diǎn)。由于床層內(nèi)氣體速度高，傳熱系數(shù)大，催化劑和油氣原料升溫速率快，有利于化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行，適用于在反應(yīng)過(guò)程中因催化劑失活而需要再生或用顆粒將大量熱補(bǔ)入、取出的工藝[9-10]?？焖倭骰玻╢ast fluidized bed,FFB）是一種高效的氣固反應(yīng)和傳熱傳質(zhì)裝置[11-12]，已廣泛應(yīng)用于煉油化工領(lǐng)域的流化催化裂化（FCC）。對(duì)于催化裂解反應(yīng)過(guò)程，裂解產(chǎn)物分布不僅受反應(yīng)器內(nèi)相間混合與分布影響[13]，而且還受原料性質(zhì)影響[14]，因此催化裂解反應(yīng)器結(jié)構(gòu)隨產(chǎn)物、原料變化而不斷優(yōu)化[15-18]，以滿(mǎn)足不同工藝的需求[19]。Jiang[20]提出整體擴(kuò)徑的新型快速床反應(yīng)器，用于以重質(zhì)油為原料的催化裂解過(guò)程，該反應(yīng)器具有乙烯、丙烯等低碳烯烴產(chǎn)率高、干氣和焦炭產(chǎn)率低等優(yōu)勢(shì)。

床層內(nèi)氣固兩相流動(dòng)特征及催化劑濃度分布對(duì)新型快速床反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和放大至關(guān)重要[21-22]。對(duì)于重油催化裂解反應(yīng)，在一定催化劑濃度范圍內(nèi)，依據(jù)催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，增大催化劑濃度，反應(yīng)速率增大[23-24]，有利于提高丙烯產(chǎn)率[25]。劉清華等[26]對(duì)底部變徑提升管流動(dòng)特性進(jìn)行了研究，得出提升管底部擴(kuò)徑導(dǎo)致一定返混，增大催化劑固含率，有效提高了氣固接觸，但擴(kuò)徑段較短，對(duì)以重質(zhì)油為原料的催化裂解過(guò)程較難反應(yīng)充分。Zhu等[27]和Geng等[28]對(duì)上部和中部擴(kuò)徑型循環(huán)-湍動(dòng)流化床反應(yīng)器（C-TFB）進(jìn)行了研究，這種反應(yīng)器具有較強(qiáng)的氣固混合、高顆粒流量通量、顆粒濃度軸徑向分布較為均勻、顆粒無(wú)凈向下流動(dòng)等特點(diǎn)。從這些研究都可以看出，反應(yīng)器結(jié)構(gòu)對(duì)顆粒濃度分布特性有至關(guān)重要的影響。本文以新型快速床反應(yīng)器為對(duì)象，采用光學(xué)法測(cè)量反應(yīng)器內(nèi)顆粒分布特性，考察氣體流量對(duì)快速床反應(yīng)器內(nèi)顆粒濃度分布的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及流程

本實(shí)驗(yàn)中的新型快速床冷態(tài)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。根據(jù)結(jié)構(gòu)可分為提升段（Ⅰ）、漸擴(kuò)段（Ⅱ）、等徑段（Ⅲ）、漸縮段（Ⅳ）、輸送段（Ⅴ）等5部分，其中提升段中部裝有4個(gè)噴嘴，噴嘴與氣固提升段的軸向夾角為45°。反應(yīng)器整體高度為2 m，提升段內(nèi)徑d1=90 mm，中部擴(kuò)徑段內(nèi)徑d2=360 mm，輸送段內(nèi)徑d3=140 mm。

圖1 新型催化裂解快速流化床和傳統(tǒng)提升管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagrams of novel fast fluidized bed and conventional riser geometries for catalytic cracking

實(shí)驗(yàn)流程如圖2所示。來(lái)自羅茨鼓風(fēng)機(jī)的壓縮空氣經(jīng)過(guò)4個(gè)轉(zhuǎn)子流量計(jì)計(jì)量后，由反應(yīng)器下部的4個(gè)對(duì)置式噴嘴（inlet 2）進(jìn)入；顆粒由鋼瓶空氣經(jīng)減壓閥壓迫給料罐進(jìn)行下料，由變頻螺桿給料機(jī)計(jì)量后，在輸送空氣作用下從快速床底部入口（inlet 1）進(jìn)入反應(yīng)器；在輸送氣和工藝氣的作用下，顆粒在反應(yīng)器內(nèi)向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)顆粒到達(dá)反應(yīng)器頂部時(shí)，經(jīng)折流管回收至布袋進(jìn)行顆粒收集。

圖2 實(shí)驗(yàn)流程Fig.2 Flow chart of experiment

1.2 顆粒及流化介質(zhì)

實(shí)驗(yàn)使用的氣相介質(zhì)為常溫空氣，固體顆粒為玻璃微珠，其顆粒密度為2490 kg/m3，松散堆積密度為1500 kg/m3，采用Mastersizer 2000激光粒度分析儀測(cè)量顆粒粒徑分布如圖3所示，顆粒平均粒徑為101μm。

圖3 顆粒粒徑分布Fig.3 Distribution of particle size

1.3 測(cè)量方法及實(shí)驗(yàn)條件

為探究新型催化裂解快速床內(nèi)顆粒濃度分布情況，考察了在3種進(jìn)氣量條件下的氣固流動(dòng)特性，實(shí)驗(yàn)工況見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)工況Table 1 Experimental conditions

采用中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所研制的PC6M型光纖測(cè)量?jī)x對(duì)快速流化床中的顆粒濃度進(jìn)行測(cè)量[29-30]，為保證測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性，采樣頻率為1000 Hz，采樣時(shí)間為15 s，且連續(xù)測(cè)量3次。在反應(yīng)器軸向上每隔10 cm設(shè)置一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，徑向每隔1～3 cm設(shè)置一個(gè)測(cè)量點(diǎn)。本文采用固含率來(lái)表示顆粒濃度，即顆粒在快速床橫截面氣固兩相中所占的體積分?jǐn)?shù)。理論上，床層截面平均顆粒濃度εˉs用式（1）計(jì)算[31]：

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顆粒濃度軸向分布

圖4是在顆粒流量為Gs=1000 kg/h，空氣流量分別為Gg=340,392,444 m3/h的條件下，新型快速床顆粒濃度的軸向截面平均分布、軸線(xiàn)分布、近壁面分布。從整體上看，3種進(jìn)氣量條件下，顆粒濃度的軸向分布趨勢(shì)相似。在噴嘴位置以下區(qū)域，不同氣量下的顆粒濃度基本相等，即原料加入對(duì)下部區(qū)域的流動(dòng)影響可以忽略。在噴嘴位置以上區(qū)域，顆粒濃度呈下濃上稀分布；當(dāng)H>1.25 m時(shí)，床層上部的顆粒濃度基本保持不變。另外從噴嘴上部分布可以看出，氣量減小，顆粒濃度整體升高。

由圖4(b)、(c)分別給出了顆粒濃度的軸線(xiàn)和近壁面分布。顆粒濃度分布的主要差異體現(xiàn)在等徑段（Ⅲ），近壁面顆粒濃度值很高，隨著進(jìn)氣量減小，S形分布規(guī)律更明顯，表明近壁面區(qū)域顆粒濃度更易達(dá)到飽和。

圖4 顆粒濃度軸向截面平均分布（a）、軸線(xiàn)分布(b)和近壁面分布(c)Fig.4 Axial profiles of cross-sectional averaged solids concentration(a),center solids concentration(b)and near wall solids concentration(c)

2.2 顆粒濃度徑向分布

圖5給出不同操作條件下，反應(yīng)器不同高度處的顆粒濃度徑向分布情況。實(shí)驗(yàn)表明，3種氣量條件下，顆粒濃度的徑向分布趨勢(shì)基本相似。整體來(lái)看，在快速床不同高度的徑向濃度基本呈現(xiàn)為中心低、邊壁高的規(guī)律；氣量增大，整體顆粒濃度減小，且對(duì)邊壁附近影響更為顯著。圖5(a)為快速床漸擴(kuò)段（Ⅱ）的顆粒濃度徑向分布情況。顆粒濃度沿徑向呈V形分布，這說(shuō)明顆粒在漸擴(kuò)段壁面形成富集。在等徑段（Ⅲ），隨著流動(dòng)的進(jìn)行，徑向上顆粒濃度趨于均勻。在床層高度為0.54 m時(shí)，從中心到邊壁，顆粒濃度中心區(qū)分布均勻，在r/R=±0.8處，顆粒濃度開(kāi)始增大，呈U形分布；隨著流動(dòng)發(fā)展，等徑段壁面富集濃度逐漸降低。圖5(e)為漸縮段（Ⅳ）的顆粒濃度徑向分布情況。從中心到邊壁，中心區(qū)顆粒濃度基本相等，到r/R=±0.6處，顆粒濃度開(kāi)始增大。與等徑段相比，漸縮段的中心均勻區(qū)較窄，邊壁聚集區(qū)較寬，這說(shuō)明在反應(yīng)器器型的約束下，壁面附近顆粒部分返混。圖5(f)為輸送段（Ⅴ）的顆粒濃度徑向分布情況。顆粒濃度呈現(xiàn)中心低、邊壁也較低、過(guò)渡區(qū)較高的M形分布，這主要是由于來(lái)自漸縮段（Ⅳ）的顆粒在慣性作用下，運(yùn)動(dòng)至近壁面處的數(shù)量較少。

圖5 不同氣量下顆粒濃度徑向分布Fig.5 Radial profiles of solids concentration at different air flux rates

為了更好地理解新型快速床反應(yīng)器內(nèi)復(fù)雜的氣固流動(dòng)現(xiàn)象，量化顆粒濃度的徑向變化，采用Zhu等[35]提出的徑向不均勻性指數(shù)（radial nonuniformity index，RNI）來(lái)表示顆粒濃度徑向分布的不均勻性。顆粒濃度徑向分布的不均勻指數(shù)RNI(εs)為：

式中，εs,mf為初始流化顆粒濃度（在本實(shí)驗(yàn)條件下，由顆粒松散堆積密度與顆粒密度比值可得εs,mf=0.6）；σmax(εs)為歸一化參數(shù)；RNI(εs)在0～1變化，其值越大表示顆粒濃度徑向分布越不均勻；σ(εs)的物理意義與RNI(εs)相似。

如圖6所示，整體上看，在噴嘴位置以下，不同氣量下的RNI(εs)和σ(εs)基本相等，表明床層下部顆粒加入后的徑向分布趨勢(shì)基本不變。在噴嘴位置以上，RNI(εs)和σ(εs)逐漸降低，即隨著氣固流動(dòng)的發(fā)展，顆粒濃度徑向分布逐漸均勻；在H>1.25 m的漸縮段和輸送段，3種氣量下的RNI(εs)和σ(εs)基本相等，處于平衡狀態(tài)。另外從噴嘴以上分布可以看出，氣量增大，RNI(εs)和σ(εs)整體減小，表明進(jìn)氣量越大，顆粒濃度徑向分布不均勻度越小。

圖6顆粒濃度徑向不均勻度分布與圖4顆粒濃度軸向分布曲線(xiàn)相似，隨著顆粒濃度沿軸向梯度減小，對(duì)應(yīng)高度的顆粒濃度徑向分布不均勻度降低。

圖6 不同高度截面顆粒濃度徑向分布不均勻指數(shù)（a）和標(biāo)準(zhǔn)差的軸向分布(b)Fig.6 Axial profiles of radial non-uniformity index(a)and standard deviation of solids concentration at different heights(b)

2.3 兩種反應(yīng)器內(nèi)顆粒濃度分布比較

圖7 新型快速床與傳統(tǒng)提升管內(nèi)顆粒濃度分布比較Fig.7 Comparison of solids concentration between the novel fast fluidized bed and the conventional riser

3 結(jié) 論

為了解重質(zhì)原料油催化裂解多產(chǎn)低碳烯烴在新型快速床內(nèi)的氣固流態(tài)化特征，本文考察了在不同進(jìn)氣量條件下，新型快速床內(nèi)氣固混合流動(dòng)的顆粒濃度分布情況，得到以下結(jié)論：反應(yīng)器內(nèi)顆粒濃度沿軸向呈上稀下濃分布，且稀相與密相間有明顯的分界；高進(jìn)氣量時(shí)呈指數(shù)函數(shù)形分布，進(jìn)氣量降低，呈S形分布，且到達(dá)稀相分界后，稀相顆粒濃度基本保持不變；反應(yīng)器內(nèi)顆粒濃度沿徑向呈中心低、邊壁高的環(huán)-核分布；沿軸向向上，顆粒濃度徑向不均勻度分布曲線(xiàn)與顆粒濃度軸向分布曲線(xiàn)相似，隨著顆粒濃度沿軸向梯度減小，對(duì)應(yīng)高度的顆粒濃度徑向分布不均勻度降低。同時(shí)，與傳統(tǒng)提升管反應(yīng)器相比，在相同操作條件下，新型快速床反應(yīng)器顯著提高了顆粒濃度。

符號(hào)說(shuō)明

di——快速床各部分直徑，mm

H——快速床高度，m

Gg——空氣體積流量，m3/h

Gs——顆粒質(zhì)量流量，kg/h

ri,rj——橫坐標(biāo)，mm

R——快速床截面半徑，mm

r/R——無(wú)因次半徑

εs——顆粒濃度，顆粒體積分率

——截面平均顆粒濃度

σ(εs)——局部顆粒濃度沿截面的標(biāo)準(zhǔn)偏差

σmax(εs)——給定截面平均顆粒濃度εˉs的最大可能標(biāo)準(zhǔn)偏差