（化学工艺专业论文）催化裂化填料汽提器汽提性能冷态实验研究.pdf

摘要 以塑料阶梯环作为催化裂化汽提器内构件，代替传统的空筒和环形挡板，在0 9 0 x 1 0 0 0 m m 的有 机玻璃装置内，对气i 爿流态化状况进行了冷态实验研究。在正常气同循环的基础上，采h j 氢气示踪 法考察了汽提气表观线速、催化剂质量流率、催化刺藏鼍等因素对汽提效率的影响规律。利h j 脉冲 示踪实验对比研究了填料犁和空筒犁两种汽提器内汽提气的流动状况。在连续示踪的条件f ，分析 了气相浓度的脉动时间序列非线性及示踪氢气的轴、径向浓度分布规律，对填料汽提器床层膨胀比 及轴向压力分布也进行了考察。根据示踪氢气浓度轴向分布的特点，结合鼓泡流化床两相理论以及 一系列的假设条件，通过传质方程建立了填料汽提器轴向一维传质数学模型，采用最小二乘法拟合， 通过计算机编程对模型参数进行了求解。 氢气示踪实验表明，填料汽提器的汽提效率要优丁空筒汽提器。相同的条件f ，汽提效率可提 高4 - 7 ，汽提效率随表观线速的增加，催化剂质鼙流率和藏鼙的减少，粒径的增大而增加。与 空筒汽提器相比，填料汽提器内气相返混程度有所减弱。气相停留时间更短。填料汽提器内气相浓 度的脉动时间序列的最大l y a p u n o v 指数均为上e 数，其平均指数发散率在0 2 - 0 3 之间，气相浓度的 变化是一个混沌系统。床层轴向示踪氢气浓度 i 轴向向下逐渐降低，径向上混合强烈，浓度儿乎相 同。填料加入以后，床层空间利用率与空筒的相当，气同两相流动阻力增加。填料汽提器轴向一维 传质模硝的计算值和实验值吻合良好，获得了计算填料汽提器轴向示踪氢气浓度分布的半经验的指 数关联式。 关键字：催化裂化；汽提器；流态化；填料：混沌；传质模型 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho nf l u i d i z a t i o no ff c cs t r i p p e ru s i n gc a s c a d er i n g sa si n t e m a li n s t e a do fb a f f l e so r n o t h i n gw a sc o n d u c t e di n 中9 0 x l o o o m mt r a n s p a r e n tp l e x i g l a sm o d e lb yh y d r o g e nt r a c i n g b a s e do n s t a b i l eg a sa n dc a t a l y s tc i r c u l a t i o n s ，t h ee f f e c t so ff l u i d i z e ds u p e r f i c i a lv e l o c i t y , c a t a l y s tf l u x ，c a t a l y s t l o a d i n ge t c o ns t r i p p i n ge f f i c i e n c yw e r ei n v e s t i g a t e db yh y d r o g e nt r a c e r h u i d i n gb e h a v i o ri ns t r i p p e r w h o s ei n t e r n a lw a sp a c k i n go rn o t h i n gw a ss t u d i e db yi m p u l e dh y d r o g e nt r a c i n g i nc o n t i n u o u sh y d r o g e n t r a c ew a y , n o n l i n e a rc h a r a c t e ro fp u l s a n tt i m e ss e r i a l so fh y d r o g e nr a t i oa n dc o n c e n t r a t i o no fh y d r o g e n d i s t r i b u t i n gr u l e sa l o n ga x e sa n dr a d i a lw e r ea n a l y z e d e x p a n dr o t ea n dp r e s s u r e o fb e d sw e r ea l s o s t u d i e d o n ed i m e n s i o nm a s st r a n s f e rm a t h e m a t i cm o d e lo fp a c k i n g ss t r i p p e rw a se s t a b l i s h e da c c o r d i n gt o h y d r o g e nd i s t r i b u t i o n ，t w op h a s et h e o r yo fb u b b l i n gf l u i d i z e db e d ，s o m es u g g e s t i o n ，a n d s o l v e db y l e a s t s q u a r ev i ac o m p u t e rp r o g r a m m i n g t h er e s u l t so fh y d r o g e nt r a c i n gs h o w e dt h a ts t r i p p i n ge f f i c i e n c yo fp a c k i n gs t r i p p e rw a sb e t t e rt h a n s t r i p p e rw i t hn o t h i n ga si n t e r n a l ，n u m e r i c a lv a l u ei n c r e a s e da b o u t4 - 7 i nt h es a m ec o n d i t i o n s t r i p p i n ge f f i c i e n c yi n c r e a s e sw i t hf l u i d i z e ds u p e r f i c i a lv e l o c i t y i n c r e a s i n g ，c a t a l y s tf l u xa n dl o a d i n g d e c r e a s i n g ，p a r t i c l ed i a m e t e ri n c r e a s i n g c o m p a r i n gw i t hs t r i p p e rw i t hn o t h i n ga si n t e r n a l ，g a sp h a s e b a c k m i x i n gi np a c k i n gs t r i p p e rw a sr e d u c e d ，g a sp h a s er e s i d e n c et i m ed e c r e a s e d t h el a r g e s tl y a p u n o v e x p o n e n to fc o n c e n t r a t i o np u l s a n tt i m e ss e r i a l so fh y d r o g e nw a sa l lp o s i t i v en u m b e ri np a c k i n gs t r i p p e r , a v e r a g ee x p o n e n te m a n a t i v er a t i oi sb e t w e e no 2 - - 0 3 w h i c hi sac h a o ss y s t e m c o n c e n t r a t i o no fh y d r o g e n t r a c e rd e c r e a s e sg r a d u a l l yw i t hd e s c e n d d i n ga l o n ga x i s ，r a d i a lc o n c e n t r a t i o nw a sa l m o s ti d e n t i c a lb e c a u s e o fv i o l e n tm i x t u r e u t i l i z e ds p a c ew a sc o r r e s p o n d e dt os t r i p p e rw i t hn o t h i n ga si n t e m a l ，g a sf l o w i n g r e s i s t a n c ew a se n h a n c e d t h ec a l c u l a t e dv a l u e sb ym a s st r a n s f e rm o d e lw e r ec o n s i s t e n tw i t he x p e r i m e n t a l v a l u e s ，a n ds e m i - e x p e r i e n c e de x p o n e n tr e l a t i n gf o r m u l ao fh y d r o g e nt r a c e rd i s t r i b u t i o na l o n gp a c k i n g s t r i p p e ra x i sw a so b t a i n e d k e y w o r d s ：f c c ：s t r i p p e r ；f l u i d i z a t i o n ；p a c k i n g ；c h a o s ；m a s s t r a n s f e r m o d e l i i l 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除文中已经注明引用的内客外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写 过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并 表示谢意 作者签名：聋缉日期：坦2 ：i ： 学位论文使用授权声明 本人完全了解大庆石油学院有关保留使用学位论文的规定，学校有权保留学位论 文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学位论文用于非 赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的学位论文在解密后 适用本规定。 芋筹苫琴等! 静妖坪芋磐芦：荔萄， 日期：弘6 7 ，3 心日期：纠j 。砂 创新点摘要 1 提出了散装塑料阶梯环型催化裂化汽提器内构件，该填料使气同混合更加均匀，对丁改善气f i i i i 之 间的传质起剑了良好作用。阶梯环填料汽提器的汽提效率要优丁空简汽提器，汽提效率可提高4 以上。 2 气同流化床层是一个由气泡相和乳化相组成的复杂的混合系统，两相的存在使传质效率卜- 降，气 泡越大传质效率越低。以氢气为示踪剂分雍t 乳化相中，用热导检测器考察气吲混合状况，发现 填料加入以后，床层内空间上某点气相浓度的变化频率高，气l 制混合更加均匀。 v 人庆f ，油院颂l 研究生学位论正 引言 流化催g g ! g ( f c c ) 是主要的重质油轻质化转化过程之一，催化剂汽提器是炼油厂 催化裂化装置中一个重要的组成部分，其性能的优劣在很大程度上影响着整个装置的稳 定操作和经济效益。近年来市场对轻质油品的需求量不断上涨及原油的重质化，炼油厂 普遍采用大进料量，高掺渣比操作，催化剂上结焦量不断增多，大量的焦碳进入再生器， 破坏了装置热平衡，因此需要开发出更高效率的汽提器来满足工业要求。 目前在新型高效汽提器的开发方面，大多数是对挡板结构的改进，只有少数汽提器 以填料作为内构件，并且还处于实验研究阶段，没有在工业装置上应用。汽提器的设计 还是依据经验，汽提器相关的文献主要为各种专利文献，而相关的研究文献数量则较少， 这主要是因为汽提器内流动、传质和反应非常复杂，因此今后还需对一些深层次的问题 做更加系统的研究，以便最终形成更加完善的数学模型和工业设计方法。 本文提出了塑料阶梯环型汽提器内构件，代替传统的空筒和环形挡板。填料加入汽 提器以后，气固两相流动时会碰撞填料，进而改变运动方向，有利于强化气固两相的湍 动，破碎气泡，起到限制气泡长大的作用，增大气固两相之问的传质面积，从而强化了 气固两相传质，提高汽提效率；此外，填料可以抑制气固两相在轴向上的返混，使汽提 气在床内停留时间趋于均匀，增加气相与乳化相之间的传质交换量，从而提高气固两相 之间的接触效率。填料型汽提器与挡板型汽提器相比，对于破碎气泡和重新分柿聚团的 催化剂起到良好作用。相比规整填料而占，散装填料安装方便、成本低，堆积时位置的 随机性比较大，散装填料可在更短的距离内改变催化剂的流动方向，促进随机接触，散 装填料作为汽提器内构件是一个值得研究的方向。本文以散装塑料阶梯环为汽提器内构 件，在m 9 0 x l o o o m m 的有机玻璃装置内，对气固流态化状况进行研究。考察填料流化 床汽提器汽提效率受操作条件变化的影响规律，汽提气在床层内的停留时间分布和轴径 向分布，床层膨胀比及轴向压力分布，并对气相浓度的脉动现象进行分析。 第一辛艾献综述 第一章文献综述 1 1 催化裂化汽提器概述 随着我国经济的持续发展，对各种成品油的需求越来越多，而我国原油的特点偏重， 轻组分少，大于3 5 0 4 c 的馏分在5 5 7 5 ，其中渣油含量高达4 0 5 0 1 1 , 2 l 。因此，渣 油的深度加工及向化工方向延伸，成为当i i 我国炼油工业的一个重要课题。重油催化裂 化以其独特的加工工艺满足了这一要求，得到很大的发展。催化裂化( f c c ) 是现代炼油 厂用来改质重质瓦斯油和渣油的核心技术，是炼厂获取经济效益的一种重要方法1 3 i 。 流化催化裂化装置组成很复杂，由提升管系统、进料喷嘴、废催化剂汽提器( 又称 汽提段或汽提塔) 、再生器等组成。只有在各系统互相配合有效运行时，装置才能取得 好的效率。汽提器是反应与再生之自j 的中间环节，待生催化剂吸附和夹带部分油气进入 汽提器顶部并向下流动，汽提水蒸汽从汽提器底部向上流动。待生催化剂与水蒸汽逆向 接触，水蒸汽将催化剂颗粒空隙内的烃置换出，并与部分吸附的油气竞争吸附，从而置 换出少量吸附的油气，然后水蒸汽和烃类一起向上移动，从汽提器顶部离丌，进入产品 回收系统。从汽提器底引出的流化催化剂由蒸汽包围，在汽提器内需要足够的时问使烃 从催化剂上解吸。其作用可以归纳为两个方面：一是快速置换出催化剂乳化相央带的烃 类，以增加轻质油收率，降低焦碳产率；二是使含不可汽提焦的催化剂粒子在汽提器内 存在一定停留时日j ，不可汽提焦进一步发生热裂解和缩合反应生成干气和焦炭，进一步 减少再生器的烧焦负荷l ”。汽提器内是典型的气固逆流接触鼓泡流化床，吸附央带油气 的催化剂呈乳化相状态向下流动；汽提蒸汽以气泡形式向上流动。在这个过程中，传质 主要发生在气泡相和乳化相之间。随着催化剂向下流动，乳化相中的油气浓度逐渐降低， 同时随着气泡相的向上运动，气泡相中油气浓度逐渐升高。油气和汽提蒸汽之间的传质 实际上是气泡相和乳化相之问的质量传递过程。汽提蒸汽和催化剂之间的接触状况直接 影响着汽提蒸汽置换油气的能力，从而决定了汽提效果的好坏，而汽提蒸汽和催化剂之 阳的接触状况主要取决于汽提器的结构形式和操作参数。汽提过程主要针对易汽提烃 类，这一过程主要体现在两方面的作用：首先是水蒸汽向上流动吹扫出央带在催化剂颗 粒空隙问的油气；其次是利用水蒸汽具有较强的竞争吸附性能，降低油气的分压，从而 达到置换出一部分微孔内油气的目的。f c c 待生催化剂汽提器操作情况差时，有价值 的液体烃产品末被汽提出束，而被催化刺带入再，上器作为焦炭烧掉。这不但造成产品损 失，也使再生器温度上升，影响l f 常操作。 1 2 汽提器技术国内外发展现状 1 2 1 爿：彤挡板汽提器 环形r j 板具有结构简单、容易制造和施 、操作安全稳定等优点l 列。因此，人们在 人庆油学院坝t 研究牛学化论史 此基础上做了许多改进，并产生了许多专利。国外对汽提器研究最多的是m o b i lo i l c o r p o r a t i o n 和u o p 两家公司。美国u o p 公司拥有很多专利，他们早在2 0 世纪9 0 年代 就提出了在挡板上开孔的方法i “。u o p 公司发明了一种在挡板上具有完全分布开孔的方 法，该方法在挡板上采用了完全分布且孔径大小不一的开孔，使得催化剂在汽提器内横 向分布更加均匀，提高了气固之间的活性接触，同时也使得汽提器的操作弹性加大，而 这主要归功于小孔产生的小射流所带来的有效的汽提i “。类似的还有u o p 的汽提器挡 板上不均匀分布开孔技术，于2 0 0 4 年获得美国专利i ”。在改变挡板的倾角上，u o p 公 司对此也作了研究，其开发了具有基本上水平的挡板的汽提器l ”。目前普遍采用倾角都 是与水平面成4 5 0 角，倾斜的挡板具有一定的高度，因而限制了给定高度的汽提器所能 安装的挡板数。汽提器挡板数目越多，汽提效果越好。且倾斜挡板高低端有一定的压差， 流体力学上处于不均匀状念，导致高端腐蚀比低端严重，影响催化剂分布。采用倾角更 小甚至水平的挡板，则催化剂容易积聚，需要提高档板上的流化，而这需要提高汽提介 质的流速。文献【1 0 l 也对不同倾角的挡板的汽提效率作了考察，考虑到催化剂流动的内摩 擦角和修止角的影响，允许的该夹角范围为3 0 0 。6 0 0 ，结果发现采用其专利技术在倾角 3 0 0 钓情况下有着更好汽提效果和处理能力。还有专利l “j 提出了多层格栅结构，每层格 栅象车辐条一样布置，每根辐条上开有窗口，加强气固交换。m o b i l 公司h a d d a d 等【1 2 】 人推荐两段或多段接触汽提工艺来提高装置效益，提出用两个叠置汽提段，下段浸没在 同轴式催化裂化装置再生器的密相床中，两段汽提的水蒸气量虽略高于一段汽提，但综 合效果还是有利的。m o b i l 公司的汽提器挡板形式与u o p 公司基本一样，但内外环挡 板上微观结构有所不同，其最新专利1 1 3 】是在内外环挡板上附加了许多三角形旋转板( 叶 片1 ，对向下流动的催化剂有旋转导流作用，有效克h u t 偏流。近年来，k e l l o g g 公司推 荐采用上下叠置的汽提结构，s h e l l 公司采用逆流和错流分段汽提，采用内部提升管的 管子本身支撑汽提挡板，在很简单的单一容器中就能达到分段汽提所要求的效果，s & w 公司采用两段汽提，是在常规的挡板汽提器( 第二段) 前，于分离器的固定出口处设置了 蒸汽盘管，作为第一汽提段【l ”。 洛阳石油化工工程公司开发了一种催化裂化汽提器1 1 5 】，它在有裙体挡板结构的汽提 器中增设了喷嘴，喷嘴连接在挡板结构的孔中，并且伸向催化剂的流道方向。针对汽提 器挡板下方有效空间利用率低的缺点，该公司又设计了一种新型汽提器，其创新点是： 在内环挡板和外环挡板上设置丌孔，由工业应用结果表明：催化裂化装胃汽提效率较改 造前大幅度提高，焦炭产率下降了1 个百分点1 1 6 】。后来又作了进一步的改进旧，其创 新点在于：在挡板上丌孔的下方设有分配盘，向下流动的固相催化剂通过丌孔流入分配 盘，经分配盘二次分配后到达捎板f 方，填充了中。j 板f 方的空腔，增加了汽同接触面积。 另外，咳公司拥有一种预汽提的快速汽提设备l ”l ，其丰体为简体结构，接于羊h 旋风分离 器料腿的斜下方，容积小，待生催化荆停留的时m 短，降低了待尘催化剂所携带油气的 热裂化和二次裂化程度，由于采j f j 逆流汽提，预汽提段内的汽提蕉汽量的人小不影响羊f l 旋风分离器 况。 3 第一帝史献综述 1 2 2 环流汽提器 d a v i d a v a nk l e e c k ”幌出了一种由多个同轴不同直径的环形套筒组成的汽提器，汽 提器被分隔成多个环形空间，每个环形空间底部都装有气体分布器。在气流的作用下， 催化剂依次从内向外经过各个环形空间，最终离丌汽提器，这相当于多个汽提器串联。 催化剂在每个环形空间底部都能接受新鲜汽提介质，气相中烃分压较低，易于油气分子 在催化剂表面上的脱附。 卢春喜等唧i 按照气液环流的原理开发出了 一种新型的环流汽提器，见图1 1 ，该结构通过 颗粒的环流实现气固之间的高效接触，达到了 对催化剂进行多次汽提，并分别引出油气的目 的。相比环形挡板汽提器，该环流汽提器具有 更高的汽提效率，更好的操作弹性，而且结构 也相对比较简单。汽提器由内外两环组成，在 内环底部通入气体，使催化剂形成密相流动上 行流化床，外环底部通入少量松动气体，使外 环催化剂保持流化，由于外环气量小于内环气 量，外环密度比内环高，造成外环底部压力高 于内环底部，从而催化剂在内环与外环之间形 成循环流动。内环催化剂向上流动，到达内环 顶部气固分离区后，分离掉大部分气体，然后 带有少量气泡进入外环，在外环中，催化剂一 边向下流动，一边脱析掉夹带的气泡，到达底 图1 1 两段环流汽提器示意图 f i g 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo ft w o s e g m e n t a n n u l a rs t r i p p e r 部大部分催化剂循环流入内环，少量催化剂则流出环流器，通过环流可实现催化剂与新 鲜汽提蒸汽多次接触，可获得较好汽提效果【2 1 l 。刘梦溪等1 2 2 l 实验研究表明：在整个轴 向高度内密度沿径向分布比较均匀，整个横截面积区域接触均匀。催化剂从外环底部流 入内环，具有个水平的分速度，从而产生了对气泡的剪切作用，使大气泡破碎并重新 分布，同时也引起了气泡与催化剂在径向上的强烈混合，大大改善了气固问接触状况； 另一方面，大量催化剂从中心下料管进入内环，与来自气体分布器的气体逆流接触，再 加上来自外环具有水平分速度的催化剂，使该区域气固湍动异常剧烈，有利改善了气固 分柿不均匀的弊病，气固之问不仅轴向混合均匀，更重要的是径向上也有强烈的混合。 因此，新鲜气体可以充分进入到催化剂问隙，带走央带的油气或杂质气体，从而使环流 汽提器的汽提效率大大提高。 1 2 3 填料汽提器 填料汽提器的研究起源于幽外，法幽t o t a l 公司【驯研制了一种新型的汽捉器内构件， 见图1 2 ，该内构件山多层波纹板制成，充满汽提器整个横戗由f 积，山订：多供l 刮体颗粒和 4 人庆i l 油学院舰l 研究生学位论艾 汽提蒸汽穿过的孔道组成，汽提蒸汽和被 汽提的固体颗粒呈近似辐射式循环流动。 内构件将床层分成许多个小的流动单元， 用以破碎气泡，减小气固相的返混。气固 两相流体在填料的通道中进行流动和接 触。汽提气在径向上的流动改善了催化剂 的分散性和均匀性，尤其催化剂粒子穿过 通道后，在混乱的空问中重新分布，促进 了随机接触，降低了返混和沟流程度。在 图1 2 波纹板填料示意图 工业装置中应用结果表明，该汽提器有效 f i g 1 2 s c h e m a t i cd i a g r a m o f c o r r u g a t i o ns h e e t 提高了气固传质效率，操作弹性也得到了 改善，再生剂温度、焦中氢含量及焦含 量显著降低。k o t h g l i t s h 公司i 她2 5 l 研究了一种由相互交错的板条组成的汽提器内构件， 称之为k f b e 规整填料，见图1 3 。k f b e 规整填料由相互排列在一起并交叉成一定角 度的板条组成。同一平面的相邻两板条之间存在另一平面的板条，板条与汽提器轴向呈 一定的角度，向同一方向倾斜的板条之间是相互平行的。研究人员通过试验比较了环形 挡板和k f b e 填料作内构件时汽提器的性能，发现后者在当量高度的汽提效率、气固活 动空间、约束乳化相速度等方面均优于前 者。研究人员认为，k f b e 型规整填料通过 采用相互交错的板条，消除了催化剂死区 和气体阻滞区，汽提器内的活动空间增加 了1 5 一6 0 ，降低了汽提器的催化剂流速， 提高了催化剂在汽提器内的停留时删，避 免了油气返混。 朱丙田1 2 6 l 丌发了一种类似于塔盘的催 化裂化汽提器内构件，该型内构件为导向 板式填料结构，每层导向板分成多个区， 各区由一组倾斜角相同且与垂直隔板固定 连接的挡板片组成。首先利用导向板来破 碎气泡，增大气泡相和乳化相| h j 的传质面幽1 3 格栅填料示意图 积；其次由于不同分区和上下两层导向叶f i g 1 3s c h e m a t i cd i a g r a m o f g r i d i r o n 片设置的方向不同，使得催化刺的流动方 向也各不相同，从而大大强化了气崮两相流动的湍流度。汽捉介质流经每一层内构件时， 其流动方向均发l 改变，从而延长了催化制在汽提器内的停留时问，为汽提介质l j 催化 剂的充分接触创造了有利条件。通过以上两方【f l 的作用，强化气吲晒十| | m 的传质，从f i 达到提高汽提效率的h 的。此外，该型内构件使得催化剂的实际流通嘶积大大增加，所 第一中文献综述 以也允许更大的催化剂质量流率。并且层式结构可为多级汽提创造有利条件，使汽提效 果得到进一步优化。中试结果表明采用这种内构件不仅汽提效率明显提高，产品分布也 得到一定程度的改善，轻质油收率增加两个百分点，焦炭中氢含量降至6 2 ，同时节 约了汽提蒸汽用量。张立新l 明开发出一种交叉成菱形的栅板填料汽提器内构件，所用的 填料交叉角为3 0 9 0 度，菱形通道与汽提器的轴向平行。该汽提器特别适合用于催化 转化制烯烃工艺，可使再生催化剂中烟气杂质含量小于0 0 5 ( 体积分数) ，而且还能 显著地降低汽提器的体积，减少设备投资，该填料防止了颗粒的返混和沟流以及颗粒或 气体团的形成。由填料的菱形通道将进入的流体细分为单一尺寸的小气泡而产生的分区 和重新结合的作用，使得填料通道内外的气泡重新分配，更好的与颗粒接触，因此使用 该填料使气固接触效率得到提高，减少了催化剂的返混和短路，使再生催化剂接近于活 塞流的方式与汽提蒸汽以逆流方式接触，可大大提高传质速度。 周递等田l 提出一种多孔挡板导流筒作为鼓泡流化床内构件，起到破碎气泡的作用， 导流筒的加入，可使圈体颗粒上下自由循环，床层各挡板粒度均匀，固体颗粒从在导流 筒内向上流动，从环隙返回，与多孔挡板相比，解决了一般多孔挡板限制固体轴向混合 的问题，循环速率取决于环隙与导流筒之间的气固混合物密度差以及挡板阻力。 1 3 汽提器内的气固流动 传统的挡板汽提器研究比较深入，出现了很多改进的专利技术【2 9 3 0 i 。由于挡板汽提 器结构简单，技术成熟，运行可靠，目前工业上使用的大多数是这种汽提器。近年来一 些科技工作者开始了汽提器内气固流态化行为的研究，计算流体力学( c f d ) 在气固流 态化方面得到了应用，c f d 的应用使对气固流动状况的认识更加清楚，成为汽提器设 计和解决操作问题的有利工具。 环形挡板作为汽提器内构件有其固有的缺点：无法实现气泡相与乳化相在横截面上 的完全均匀分布，存在催化剂高质量流速下的返混区和死区，循环量受到限制。汽提器 内挡板的加入占据了约一半的气固流通横截面积，在较大的催化剂循环量时，催化剂流 动出现失流太化，导致汽提效率下降。r i c h a r d i ”1 从几何学的角度对内部带有提升管的 汽提器宅j b j 利用情况分析表明，伸向汽提器壁的内环挡板或伸向提升管壁的外环挡板使 得约5 0 的流通横截面积被堵住，这样催化剂局部流率增加，夹带的油气也增加，持气 量变大使得床层密度下降。此外，由于催化剂内摩擦角的影响，催化削便可滞留在挡板 上方，若催化荆循环量加大，就要增加十日邻两板之问的距离，催化剂在挡板上的滞留是 催化剂循环量增加时两板之间空问必须增加的主要原因。s e n i o r 等1 3 1 懈细描述了工业汽 提器操作过程中的催化剂流动异常问题，可以分为三类：固泛、架桥和偏流。局部催化 剂速度大于气泡上升速度导致固泛，进入汽提器的蒸汽没有向上运动，而向下流入再生 器：在没有蒸汽流动的地方，催化剂停滞，造成死区，当催化剂堵摩眄板之问的流通路 径时，产生架桥，一旦蒸汽累积到一定程度，架桥破破坏，造成操作波动；偏流可以通 过挡板及蒸汽分布管的对称设计束减小。 6 人庆f 】油学院倾f 研究乍学忡论殳 r i v a u l t 等【3 2 l 和p a d y e n 等1 3 3 】用冷态实验模拟了汽提器内的流动情况，r i v a u l t 等研究 时汽提器操作线速u = 0 1 m s - 0 4 m s ，催化剂循环强度g 。= 2 8 k g ( m 2 s ) - 0 8 k g ( m 2 s ) ，与 工业汽提器操作条件相一致。p a d y e n 等在更低的流速和催化剂循环强度 ( u = o 0 1 m s - 0 1 5 m s ，g 。= 3 k g ( m 2 s ) 1 8 k g ( m 2 s ) ) 下进行的，h e 示踪法研究发现挡板汽 提器效率高于空筒汽提器。r i v a u l t 定量地测定了汽提器流体力学特性，得出了气泡直 径与气泡出现频率的谱图。在无挡板汽提器内，观测到气泡不断合并变大，直到气泡直 径等于汽提器直径；相反在有挡板汽提器内，挡板可有效的破碎气泡，在整个汽提器高 度内，气泡大小几乎不变，两个试验均表明挡板的功能。 为进一步证实并克服催化剂在汽提器内的流动问题，需更深入地了解气泡相和乳化 相的流体力学特性，数学模型作为试验的补充，将有助于把握流体力学特性，正确的模 型将会得到更多试验得不到的关于流动问题的详细信息。m c k e 圮n 等p 4 j 用两相流计算流 体力学建立了冷态流动流体力学模型，模拟了普通环行挡板、带有下料管的环行挡板和 空筒汽提器的流动行为。f c c 催化剂颗粒细小，属于g e l d a r t 分类中的a 类颗粒，由于 v a nt i e r w a a l s 力的影响，粒间力与粒子重力及曳力相比是很显著的，这种影响使两相流 c f d 建模非常困难，两个粒子的粒白j 力很难单独考虑，m c k e e n i ”l 按照前期工作的方法 在气固曳力关系中引入了经验比例系数c ，以校正粒子自聚现象的影响。在模拟的动画 中可清楚看到每块挡板下方有一个无效空间，气泡依次经过每个挡板向上流动，穿过汽 提器，同时固体粒子沿挡板向下滑落，与气相接触，在整个汽提器高度内，由于挡板的 存在，气泡尺寸基本相同。然而，一旦气泡离丌挡板，有时就会合并，在床层表面附近 形成大气泡。从r i v a u l t 的试验和s e n i o r 工业汽提器空隙谱图也发现了大致相同的现象， 只是小规模的试验时，气泡与床层直径之比非常大；在没有挡板的汽提器内，产生了非 常大的气泡，这些气泡在沿汽提器轴向向上运动的过程中继续长大，由于没有挡板破碎 气泡，类似活塞流，而不是鼓泡流；床层膨胀率和气泡大小随汽提气速的增加而增大； 增大催化剂循环量时，向下流动的固体量增加，对向上流动的气体产生一个附加的限制， 在克服逆流固体之前，导致气泡稍稍增大：与标准挡板相比，改进型挡板很好的破碎气 泡能力，气体不仅可以通过挡板边缘流通区域，还可以通过下料管向上流动。无论是汽 提气速还是催化剂循环量增加都会导致气泡变大，使得汽提效率下降。 r i v a u l t 等1 3 2 i 通过实验考察了挡板汽提器内气泡产生频率，m c k e e n i ”l 也做了c f d 模 拟研究，得出了相似的结果。在汽提器底部，外环挡板上方与外壁接近的地方，气泡频 率很低，在沿径向伸向内环挡板时，气泡频率不断增加，最大的气泡出现频率约4 5 h z ， 这个数值并不足出现在紧靠内环挡板的位置，而足介于内外环挡板之间并且趋向于内环 挡板的位置，这足由于上一块内环挡板对流动十1 | 的阻碍作f f l ，同时从另一个角度也证明 了流体流动的横截l 自i 积小于没有挡板的汽提器，在汽提器内径向上流体分布并不均匀， 存在死体积，审叫利用率不高。在汽提器的自i b 宅n u 内，气泡 f 现频；蕾沿径向分和比较 均匀， 是由f 边肇效应，靠近壁嘶的地方。t 泡i ：现频率稍低屿，“ 于气泡的聚并，频 率较低，频：棼峰值为3 h z 多点，低_ 内外耶挡板之问的气泡频；棼。无批扳的汽提器内 第一币史：献# r ：述 的气泡情况，与挡板相比，类似于挡板汽提器的自由空间处。综合可以看出，挡板可使 气泡出现频率在整个汽提器轴向高度内，比较均一，同时可以推断气泡频率不变，气泡 的大小也几乎不变。空筒汽提器内，气泡频率沿轴向向下不断增加，气泡会逐渐变大， 传质面积减少，不利于汽提效率的提高。 1 4 流态化混沌行为 混沌系统与我们所熟悉的保守系统十分不同，在预测性方面的反映尤其显著，以往 所考察的系统要么是确定有序的，包括能严格满足动能、内能守恒的保守系统和存在部 分能量损失和转换或摩擦损失的耗散系统：要么是无序的无章可循的随机系统。对于处 在上述两种情况之| 日j 的系统，均通过假设、简化等手段归为这两类情况之一进行处理， 回避了中间区域的非线性部分，混沌在确定论和随机论之间架起了桥梁。混沌理论用来 研究确定性系统中出现的貌似随机的非线性行为。对于混沌目i j 尚无通用的严格定义， 一般认为，将不是由随机性外因引起的，而是由确定性方程( 内因) 直接得到的具有随机 性的运动状态称为混沌，即混沌是由确定性产生的貌似随机性的非周期行为。 1 9 8 9 年s t r i n g e r 3 6 1 首先提出，流化床的无规则的非周期行为应归属于非线性混沌系 统。首次从流化床压力时间系列重构出不同流型的吸引子。之后，混沌理论在流化床及 相关多相流方面的研究和应用层出不穷，发展迅速。 s c h o u t e n p7 j 对流化床反应器从总空隙率时间序列重构状态空间，对于不同的流型， 得出相关维d 与r e ( 雷诺准数) 和c 0 | ( 颗粒碰撞恢复系数) 问的关系：在初始流化前，r e 较低，颗粒处于静止状态，在重构状念空间中对应于一个固定点，其相关维为零。随着 r e 的增大，床层达到临界流化状态，开始出现颗粒振动，在状态空问中，表现为一极 限环，对应的相关维陡升为1 ；再增大r e ，颗粒振动幅度增大，由于碰撞产生了扰动， 使得极限环变形，相关维增大，在l d 2 之问，当r e 进一步增大，出现了混沌行为， 其奇怪吸引子的维数是2 d 3 。在更高r c 下，颗粒的碰撞又成为扰动，相关维再次回 到1 d 2 ，但无论c 。如何变化，相关维始终落在2 d 3 中，说明系统一直处于混沌状 态，并且自由度不变，显然r e 和c 。是其中的两个自由度变化量。v a nd e nb l e e k 等i 3 8 】 用混沌理论进一步解释流念化中的动力现象，从两种时间序列着手，得出分维和k 熵 在流璎转化区有显著变化，故可用d 、k 判断流型。随着r e 的增大，分维增大，k 熵 也增大，并且再次证明表观气速的变化是引起流型转变的主要因素。1 9 9 5 年，h a y 等1 3 9 j 也对气固流化床应用混沌进行研究，计算出了混沌吸引子的相关维和最大l y a p u n o v 指 数，并指出可掘此判断流型。b a i 等i 柏 也研究了基于压力波动和空隙率波动的流化床混 沌行为，指出离相关维对应于小幅度波动，反映颗粒运动和局部湍动，而较低相关维对 应于大幅度波动，反映气泡运动或其它火尺度现象。1 9 9 7 年l e t z e l 等i “i 通过j e 力信号 的混沌分析，对鼓泡床的流型及流型转换特征进行了研究，指 l ；鼓泡床内的压力波动信 号与气i 州流化床的相差很大，尽管气泡为相似，得出k 熵和分维随流掣的变化而变化， 且两肯的变化趋势一致。f d 时，研究了循环流化床中的混沌行为，结果表明：k 熵在一 8 定的介质和表观气速下，是局部空隙率的函数，由k 熵与空隙率的关联图，划出3 个 控制区，说明k 熵还可作为一指示工具对流化床状态的特征进行描述。 典型气固流态化系统实验结果表明1 4 2 l ：当气速小于最小流化速度时，床层处于固定 床，吸引子图上呈现为一个点，k o l m o g o r o v 嫡为零，系统表现为定态行为。气速升高， 床层到达鼓泡状态，呈现近似周期的波动，具有比较规则的吸引子图，对应的 k o l m o g o r o v 墒较小，系统的混沌程度较低，气速再增加，系统进入湍动流化状态和循 环流化状态，床层波动的无规则性剧烈增加，吸引子图不再有明显的规则，k o l m o g o r o v 墒急剧升高，系统的混沌程度相当明显。分析流化床中脉动信号的组成和规律是混沌分 析的主要手段。许多从传热、压力波动、空隙率和化学反应等方面的研究结果认为，气 固流化床在很宽的操作条件内表现出显著的混沌行为。有研究者试图利用确定性混沌时 间序列分析探讨床内的流体动力学行为，虽然取得了很大的进展，但其动力学特征量如 奇异吸引子、相关维、l y a p u n o v 指数和k o l m o g o r o v 嫡等标度不变量，本质上仍然是系 统宏观的整体统计性质，很难揭示隐藏在复杂流动现象下的流动结构的本质。 1 5 流态化传质 1 5 1 气泡与密相之问的传质 气固流化床中，气体进入床层后与固体颗粒相混合，构成一个气固混合体系。颗粒 在床内的混合是不均匀的，肉眼可以观察到有的部位颗粒比较密集，有的部位颗粒则比 较稀少，而且这种不均匀程度随气速增高而加剧。同一瞬间，床层各部分的密度不同； 同一部位，颗粒密度随时间变化。这些现象说明，气体与颗粒在床内的分布是不均匀的， 而且是随时间变化的。气固流化床中存在两个物相：一相是由固体颗粒和气体组成的连 续相，又称密相或乳化相，在这个相中固体颗粒均匀悬浮于气流中，其密度接近l 临界流 化状态时的数值，另一相是以气泡状态出现的非连续相，又称为气泡相。气泡相中通常 不含或很少含有固体颗粒。气体经布风板进入床层后，一部分与固体混合构成密相，另 有相当一部分不与固体颗粒混合而以气泡状态在床中上升，至床表面破裂，而后逸出床 外，这部分气体构成气泡相。根据两相理论，密相中的气流速度与临界流化速度相同， 而气泡的速度则高很多：另外两相理论指出，进入床中的气体，气量若多于临界状念所 需的气量时，多余部分皆以气泡形式经过床层。通常气固流化床的实际操作速度远较临 界流化速度为高，所以大部分气体以气泡形式通过床层。流化床中，气体离丌孔板至形 成一个完褴的气泡足有一段历程的。低气速时，气体穿过颗粒缝隙外逸。随气速增加， 床层膨胀，而h 气速愈大，膨胀愈明显，以至最后形成一个完整的气泡，离丌孔板。当 气体离丌孔板，形成气泡时，气泡多为下端州陷的球帽状，实验测定，气泡直径约为气 体孔板处的最大喷射高度的一半。气体在床内的喷射高度与多孔板的孔径有关，对于一 定的气体，孔径一定时，孔e 】气速越犬，则喷射高度越赢。临界流化以后，进入床层的 气体并小完全形成气泡，而足十h “j 一部分逸敞到带丰| | 中去了。困为气泡是在伽j x l 扳上形 9 第一章文献综述 成的，所以布风板与气泡的形成有密切关系。布风扳形式对气泡的形成和长大有很大影 响，而且影响非常显著。单孔板的气速较大，床层流化差，床密度波动大，有沟流现象。 烧结板孔多而密，使气体在床内分布均匀，生成众多的小气泡，因而流化质量好，床密 度波动小，不易产生沟流和气节现象。流化床的气泡形式随气泡尺寸而异，小气泡接近 于球状，较大时扁平并扭曲，大气泡呈球帽状。气泡周围的压力是不同的，气泡下部的 压力较周围床层的压力低，而上部则较高，这样床层内气体由气泡下部流入而由顶部流 出。气体通过床层时利用气泡为捷径，它由气泡底部进入，穿越气泡而由顶部离去。另 有一部分气体环绕着气泡循环，并伴随气泡一起向上运动，这种伴随气体的量随气泡速 度趋近于密相中的气速而增多。气流速度增加时，气泡对床层有两方面的影响。气流速 度增加，气泡数量增多，因为气泡占据一定的床层位置，气体的导热性差。另外气泡中 不含或含有极少量的固体颗粒，因此使传热、传质效率降低。另一方面，由于气速增加， 气泡数量增多，加剧了气固之间的混合程度，又对传质传热有利，究竟哪一方面的影响 占优势，这与操作条件有关。当流化气体速度超过最小流化速度时，一部分“多余”的 气体将以气泡的形式通过床层形成鼓泡流化床。在鼓泡床中，气泡在分布板附近稍高一 点的地方形成，并沿床层上升。由于气泡的聚并及压力的变化等原因，小气泡在上升过 程中不断长大，并逐渐加快上升速度。这些气泡的存在，造成了部分反应气体经气泡短 路通过床层，对化学反应产生不利影响。气泡运动所引起的强烈搅动，也增加了气固的 接触效率，保证了良好的传质和传热行为。在鼓泡流化床中，正是这种气泡的行为，在 决定床层的传递特性方面起着决定性的作用。这种传递特性包括颗粒混合、气体混合、 颗粒扬析、传热、传质等等。气固流化床内固体颗粒的运动和气泡的运动密不可分，固 体颗粒运动所需的动量主要来自于气相，属于微尺度范围的单个颗粒运动具有随机、紊 乱的特点，而属于宏尺度范围的气泡流、尾涡颗粒流却具有规律性。k o n d u k o v 等1 4 3 j 人 追踪床中单个颗粒的运动发现，颗粒有明确的上下运动，向上很快，向下较慢且有横向 脉动。r o w e l 4 4 j 指出固体颗粒是在上升气泡的尾涡中随气泡一起上升的，当气泡达到床 表面时发生爆破，尾涡从气泡的后面脱落，下落颗粒沿边壁返回分布板附近，再被夹带 向上形成颗粒的循环。 1 5 2 传质模型 气泡与密相之间的传质包括气体通过气泡的对流传质和气体从气泡到气泡晕以及 气泡晕到密相的扩散传质。s i t 和g r a c e 将传质过程视作流化气流中的气体组分a 被固 体吸收的过程i4 5 1 。由于在乳化相中气体的流速极小，可以合理的忽略其在总的流动中所 占较小份额。因此，新鲜气体可视作仪以气泡形式进入床层，而且在稳定状念