阮宇軍 嚴超宇

1.中國石化燕山分公司發(fā)展規(guī)劃部 北京 102500

2.中國石油大學（北京）重質(zhì)油國家重點實驗室 北京 102249

提升管作為一種高效氣固接觸反應器，在石油化工等領(lǐng)域已得到廣泛應用。研究表明，提升管內(nèi)氣固兩相流具有明顯的軸、徑向分布非均勻特征，顆粒濃度在軸向上呈現(xiàn)“下濃上稀”的分布形態(tài)以及顆粒的返混現(xiàn)象，而在徑向上存在明顯的“環(huán)-核”流動結(jié)構(gòu)[1]，尤其是高密度提升管中，存在顆粒停留時間分布較寬、氣固徑向混合能力較弱、反應效果不理想等問題[2]。嚴重的顆粒濃度徑向分布的不均勻性及近壁處顆粒濃度脈動的大幅度下降，使得氣固接觸效率也存在中心低、邊壁高的不均勻性[3]，導致提升管內(nèi)氣固總體接觸效率大大下降，由此帶來反應轉(zhuǎn)化率與選擇性的損失。為此，許多研究者采用加設(shè)內(nèi)構(gòu)件的方法來改善提升管中氣固流動特性，并從固含率、顆粒濃度分布、速度分布、顆粒軸徑向混合行為等方面對提升管中內(nèi)構(gòu)件的影響進行了研究。研究結(jié)果表明，內(nèi)構(gòu)件可以改善提升管中顆粒的徑向分布，改變顆粒的徑向混合能力，有助于提升管中傳質(zhì)、傳熱能力的提高。

1 內(nèi)構(gòu)件對氣體混合行為的影響

提升管中氣體的徑向擴散行為對氣固混合的均勻性有著重要影響。魏飛等[4]在高11m、直徑186mm的提升管內(nèi)安裝了間距800mm的3個鈍體式內(nèi)構(gòu)件，采用輕烴氣體示蹤技術(shù)研究了鈍體式內(nèi)構(gòu)件對氣體徑向混合的影響規(guī)律。實驗結(jié)果表明，引入鈍體式內(nèi)構(gòu)件后，在示蹤氣體從床層截面中心注入時，下游各截面示蹤氣體的分布為中心區(qū)濃度高，邊壁區(qū)濃度低，但在遠離鈍體影響區(qū)域的截面上，氣體的徑向分布逐漸均勻，大部分區(qū)域氣體的徑向傳質(zhì)仍符合擬均相二維擴散模型的結(jié)果。同時，由于內(nèi)構(gòu)件的引入改變了氣體的流動方式，加強了邊壁區(qū)和中心區(qū)氣體之間的相互作用，在內(nèi)構(gòu)件作用區(qū)域提升管內(nèi)示蹤氣體徑向濃度的分布更加均勻（如圖1所示），從而可以增強氣體的徑向傳質(zhì)效果。此外，研究還發(fā)現(xiàn)由于提升管內(nèi)的催化劑顆粒的團聚會阻礙氣體的徑向擴散，使得示蹤氣體在徑向的分布更加不均勻，但在引入鈍體式內(nèi)構(gòu)件后，當氣體繞過鈍體后，由于鈍體的作用而使氣體出現(xiàn)邊壁區(qū)濃度高、中心區(qū)濃度低的分布，即由于內(nèi)構(gòu)件的存在迫使氣體出現(xiàn)繞流而增強了氣體的湍動，使得氣體的徑向混合更加劇烈。

圖1 內(nèi)構(gòu)件對氣體徑向分布的的影響[4]

2 內(nèi)構(gòu)件對顆粒濃度分布的影響

提升管尤其是高密度提升管內(nèi)嚴重的顆粒濃度軸徑向分布不均勻性會降低氣固兩相的接觸效果，導致反應效果不理想。因此，如何改善提升管中顆粒濃度分布不均勻所帶來的氣固混合效果差、反應器效率低的問題，是高密度提升管應用的關(guān)鍵。

楊艷輝等[5]以空氣為流化介質(zhì)，考察了提升管內(nèi)鈍體式內(nèi)構(gòu)件對FCC催化劑顆粒濃度分布的影響。結(jié)果表明，由于鈍體的存在，提高了內(nèi)構(gòu)件處邊壁區(qū)的氣速，減弱了邊壁顆粒的向下回流，使得鈍體上方顆粒濃度大大提高，從而改變了提升管內(nèi)顆粒濃度沿軸向的S型分布形態(tài)。同時，鈍體式內(nèi)構(gòu)件的引入迫使氣體和顆粒繞流以及由于顆粒的彈濺，增強了氣固兩相的湍動，促進了邊壁與中心區(qū)顆粒之間的相互作用而使徑向顆粒濃度分布趨于均勻，這與魏飛等[4]利用鈍體式內(nèi)構(gòu)件對氣體徑向分布影響的研究結(jié)果是一致的。實驗還對兩個鈍體之間的顆粒徑向分布情況以及顆粒脈動進行了研究，認為雖然內(nèi)構(gòu)件可以大大提高床層顆粒脈動強度，消除提升管內(nèi)近壁區(qū)的顆粒濃度環(huán)狀區(qū)，使得顆粒徑向分布更加均勻，但這種影響距離是有限的。韓超一等[6]考察了鈍體式內(nèi)構(gòu)件對變徑提升管內(nèi)氣固流動特性的影響，發(fā)現(xiàn)在鈍體上方距離內(nèi)構(gòu)件較近截面的顆粒濃度沿徑向呈現(xiàn)出“Ⅴ型”分布，中心區(qū)的顆粒濃度甚至要高于邊壁區(qū)，其他截面顆粒濃度徑向分布也更加均勻。研究者認為這是由于鈍體的存在促進了邊壁區(qū)氣固的湍動，減少了顆粒聚團的發(fā)生，并且加強了邊壁與中心顆粒的相互作用，使得顆粒分布的不均勻程度減小，而且鈍體能夠在一定程度上減少外界干擾的不利影響，增強操作的穩(wěn)定性。甘寧俊等[7]采用鈍體式內(nèi)構(gòu)件對快速床內(nèi)的壓降及顆粒徑向分布情況進行了實驗研究，認為由于鈍體的截流作用造成的顆粒加速，幾乎在整個床高范圍內(nèi)壓差都較自由床低，且能夠增加氣固兩相的湍動，提高氣固間接觸效率，改善顆粒密度的徑向分布。

鄭傳根等[8]考察了不同結(jié)構(gòu)尺寸的圓環(huán)型、錐斗型、多孔板型內(nèi)構(gòu)件對提升管內(nèi)顆粒徑向分布的影響，實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)旨在破壞顆粒邊壁回流、使顆粒向床層中心集中的圓環(huán)型內(nèi)構(gòu)件不但顆粒在床層中心區(qū)的濃度沒有增加，反而在氣速較大時導致邊壁區(qū)顆粒濃度增加，床層徑向不均勻程度加大，研究者認為其原因是圓環(huán)形內(nèi)構(gòu)件改變了氣體流型，使邊壁區(qū)的氣速減小，顆粒濃度增加；錐斗型內(nèi)構(gòu)件較圓環(huán)型略有改善，但結(jié)果仍不理想。通過對不同開孔型式的多孔板內(nèi)構(gòu)件的實驗結(jié)果表明，采用與提升管內(nèi)壁之間留一條窄縫的多孔板能夠增大邊壁處的氣速，效果最好，可使床層顆粒的徑向分布更加均勻，且多層多孔板內(nèi)構(gòu)件在基本不影響顆粒徑向分布均勻性的情況下，能夠提高床層顆粒的平均濃度，其影響范圍基本相當于提升管管徑尺寸。

ZHU等[9]針對環(huán)形內(nèi)構(gòu)件對提升管內(nèi)顆粒濃度軸、徑向分布的影響進行了較為詳細的實驗研究。結(jié)果表明，環(huán)形內(nèi)構(gòu)件對顆粒濃度的軸、徑向分布，尤其是對內(nèi)構(gòu)件附近區(qū)域顆粒濃度分布有著顯著的影響。對于兩個環(huán)形內(nèi)構(gòu)件之間不同軸向位置顆粒濃度的徑向分布（如圖2所示），距離下環(huán)最近的截面顆粒濃度較高，尤其是在邊壁區(qū)具有更高的顆粒濃度，隨著軸向位置升高各截面顆粒濃度的徑向分布趨于均勻；距離上環(huán)最近的截面顆粒濃度偏低。其原因研究者認為是在內(nèi)構(gòu)件之下，提升管邊壁區(qū)上行的顆粒撞上圓環(huán)失去動量后，會被氣體裹挾進中心區(qū)隨氣體一起通過床層，因此顆粒不會在邊壁區(qū)聚集；而內(nèi)構(gòu)件之上邊壁區(qū)向下流動的顆粒撞上圓環(huán)后卻沒有被氣流及時攜帶走，因此在內(nèi)構(gòu)件之上的截面形成了一個高顆粒濃度的邊壁區(qū)。

圖2 兩個環(huán)形內(nèi)構(gòu)件之間不同軸向位置空隙率的徑向分布[9]

此外，ZHU等[9]通過對環(huán)形內(nèi)構(gòu)件的開孔面積和表觀氣速對提升管軸、徑向顆粒濃度分布的研究發(fā)現(xiàn)，與沒有內(nèi)構(gòu)件相比，在較低的表觀氣速下環(huán)形內(nèi)構(gòu)件反而會使提升管邊壁區(qū)的顆粒濃度增加，顆粒的徑向分布更加不均勻（如圖6所示）；隨著氣速增加，顆粒濃度的徑向分布趨于均勻，而且在有內(nèi)構(gòu)件時氣速的影響更加顯著，這與鄭傳根等[8]的研究結(jié)果恰恰相反，原因可能是二者采用的環(huán)形內(nèi)構(gòu)件形狀（前者圓環(huán)截面為矩形，后者為三角形）、操作條件以及內(nèi)構(gòu)件與提升管匹配尺寸不同導致的結(jié)果；當氣速增加到一定程度后，顆粒濃度的徑向分布出現(xiàn)中心濃度高、邊壁濃度低的現(xiàn)象，且在相同操作的條件下不同開孔面積的圓環(huán)形內(nèi)構(gòu)件對床層局部顆粒濃度的影響不同。為了考察環(huán)形內(nèi)構(gòu)件對提升管內(nèi)軸向顆粒濃度的影響，ZHU等[9]在提升管內(nèi)沿軸向設(shè)置5個內(nèi)構(gòu)件后，得到了與楊艷輝等[5]相同的研究結(jié)果，即提升管顆粒濃度軸向分布由典型的S型分布變成了Z字型分布，且隨著圓環(huán)開孔面積和表觀氣速的增大，內(nèi)構(gòu)件上、下截面的平均顆粒濃度差距減小，床層軸向顆粒濃度增加且分布更加均勻?；谝陨蠈嶒灲Y(jié)果，研究者認為適宜尺寸的環(huán)形內(nèi)構(gòu)件能夠使提升管內(nèi)顆粒重新分布，提高軸向顆粒濃度且使徑向顆粒濃度分布更加均勻，有利于增加氣固接觸效率。

3 內(nèi)構(gòu)件對顆?；旌闲袨榈挠绊?/h2>

對于FCC這類以中間產(chǎn)物作為目的產(chǎn)品的快速反應而言，提升管中顆粒的軸、徑向混合行為及停留時間的均勻性對于反應的轉(zhuǎn)化率與選擇性有著重要的影響。劉會娥等[10]采用磷光顆粒示蹤技術(shù)對加設(shè)了鈍體式內(nèi)構(gòu)件的提升管內(nèi)顆粒的軸、徑向混合行為進行了研究。結(jié)果表明，由于內(nèi)構(gòu)件的加入縮小了氣固的流通面積，在同樣的操作條件下顆粒的平均停留時間變短，但停留時間分布（RTD）曲線與未引入內(nèi)構(gòu)件時相似，仍表現(xiàn)為雙峰及較大的拖尾，這意味著內(nèi)構(gòu)件的引入不會使提升管中顆粒的軸向混合行為發(fā)生明顯的變化（如圖3所示）。但研究者發(fā)現(xiàn)，隨著表觀氣速和床層固含率的提高，內(nèi)構(gòu)件會使不同軸向位置邊壁區(qū)顆粒的脈動速度大幅度提高，從而破壞提升管在邊壁區(qū)所形成的顆粒濃環(huán)，使得顆粒的徑向混合得到顯著加強。

圖3 有無內(nèi)構(gòu)件顆粒停留時間分布曲線[10]

針對FCC進料段提升管壁面與原料射流“背面”會產(chǎn)生二次流區(qū)域[11]，導致該區(qū)域的油劑停留延長、壁面結(jié)焦傾向增加問題，范怡平等[12]在原料噴嘴處另外引入一股蒸汽以一定角度噴入提升管中，并稱之為“氣體內(nèi)構(gòu)件”，以此代替實體內(nèi)構(gòu)件控制和利用二次流。據(jù)研究，“氣體內(nèi)構(gòu)件”能有效減弱該區(qū)域油氣及催化劑的返混、縮短停留時間，促進提升管內(nèi)的油劑混合。許克家等[13]在下行式提升管的研究中發(fā)現(xiàn)，在催化劑提升段設(shè)置開孔板型內(nèi)構(gòu)件后，床層內(nèi)的氣泡得以破碎，可以明顯改善提升段催化劑的流化狀態(tài)，有效地抑制催化劑返混。

4 內(nèi)構(gòu)件對氣固傳熱特性的影響

目前眾多研究者的研究工作主要集中在內(nèi)構(gòu)件對提升管內(nèi)氣固傳質(zhì)特性的影響，對提升管中氣固流動徑向傳熱影響的研究很少。闞偉等[14]采用圓棒形內(nèi)構(gòu)件，對提升管內(nèi)溫度的徑向分布進行了研究。結(jié)果表明，提升管內(nèi)溫度的徑向分布存在一個明顯的拐點，拐點之內(nèi)為溫度變化較大的內(nèi)構(gòu)件影響區(qū)，拐點之外為環(huán)形流體溫度穩(wěn)定區(qū)；隨著催化劑的引入，內(nèi)構(gòu)件影響距離變小，拐點處溫差增大，環(huán)形穩(wěn)定區(qū)內(nèi)流體溫度升高的同時分布更加均勻；隨著內(nèi)構(gòu)件散熱量增加，其影響區(qū)的流體溫度升高、拐點處溫差增大，但環(huán)形溫度影響區(qū)的徑向位置基本沒有發(fā)生變化；隨著固體顆粒循環(huán)速率和床層密度增加，內(nèi)構(gòu)件影響區(qū)減小、流體溫度降低，環(huán)形溫度穩(wěn)定區(qū)增大、流體溫度升高，即內(nèi)構(gòu)件能夠在一定程度上提高提升管內(nèi)徑向的傳熱能力。王焱鵬等[15]通過對循環(huán)流化床固-固換熱的實驗研究，也得出了隨著提升管床層密度的增加床層傳熱系數(shù)增大的結(jié)論。朱曉麗等[16]對FCC提升管內(nèi)的溫度分布的模擬結(jié)果表明，提升管內(nèi)不同軸向位置混合流體的溫度呈現(xiàn)中心低、邊壁高的環(huán)-核分布狀態(tài)，且隨著軸向位置升高（相對進料噴嘴），溫度沿徑向分布趨于均勻。

5 結(jié)論與展望

提升管內(nèi)發(fā)生反應的首要條件是氣固的有效接觸，而提升管內(nèi)氣固的不均勻分布是影響反應效果的重要因素之一。從當前的研究結(jié)果看，在提升管內(nèi)設(shè)置內(nèi)構(gòu)件的確能夠在一定程度上改善氣固兩相的分布狀態(tài)，促進氣固充分接觸，減少顆粒返混，從而提高目的產(chǎn)品的收率，具有良好的應用前景。目前尚未見到有實體內(nèi)構(gòu)件工業(yè)應用的相關(guān)報道，主要原因是性能良好的內(nèi)構(gòu)件不但要能夠改善提升管內(nèi)的氣固流動狀態(tài)和混合效果，而且要能夠減少死區(qū)并具有耐磨性和耐腐蝕性?，F(xiàn)有研究結(jié)果也表明了不同型式的內(nèi)構(gòu)件對提升管內(nèi)氣固流動的影響并不相同，甚至類似型式的內(nèi)構(gòu)件在不同尺寸、不同操作條件下，不同研究者得出了相反的結(jié)論，且目前針對內(nèi)構(gòu)件對于提升管內(nèi)氣固流動影響的定性研究較多，而對其機理及定量研究很少，難以進行工業(yè)放大設(shè)計。因此，在今后的研究工作中，一是有必要借助計算機輔助模擬，對內(nèi)構(gòu)件的影響機理進行研究；二是加強內(nèi)構(gòu)件與提升管尺寸、操作條件及安裝位置適宜匹配關(guān)系的研究，確定其定量關(guān)系，為設(shè)計放大及工業(yè)化應用提供可靠的依據(jù)；三是“氣體內(nèi)構(gòu)件”在一定程度上能夠避免實體內(nèi)構(gòu)件的許多弊端，也為內(nèi)構(gòu)件的研究及應用提供了一個很好的思路和方向。