（化学工程与技术专业论文）催化裂化反应再生系统流动与反应耦合模拟.pdf

口 a 翟 ， l f i 中图分类号：t e 6 2 4 4 + 1 单位代码： 学 号： 寸闺石油六学 硕士学位论文 1 0 4 2 5 s 0 7 0 3 0 4 2 6 c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u mm a s t e rd e g r e et h e s i s 催化裂化反应再生系统流动与反应耦合模拟 c o u p l e ds i m u l a t i o no ff l o wa n dr e a c t i o ni nr e a c t i o na n d r e g e n e r a t i o ns y s t e mo ff c c 学科专业：化学工程与技术 研究方向：石油与天然气加工 作者姓名：夏树海 指导教师：钮根林副教授 辅导教师：赵辉副教授 二。一。年五月 苌：、；f，： ，。 c o u p l e ds i m u l a t i o no ff l o wa n dr e a c t i o ni nr e a c t i o na n d r e g e n e r a t i o ns y s t e mo ff c c at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：x i as h u h a i s u p e r v i s o r ：p r o f n i ug e n l i n c o l l e g eo f c h e m i c a le n g i n e e r i n g & t e c h n o l o g y 一 一一 c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 委幽查日期：切加年f 月彦。日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：殳查堕塑 指导教师签名： 日期：如f 口年5 13 口日 日期：少f 少年多月7 日 摘要 本论文首先根据实验室小冷模装置( h - - 3 0 m ，d = 0 0 1 2 m ) 的实验数据( 以空气 及f c c ( r h z 3 0 0 ) 催化剂为流化介质，表观气速玑为2 9 5 - - 3 4 4 m s ，固体质量通量 g 。为2 3 4 0 k g m 2 j ) 建立了一个可预测的c f b 提升管数学模型。计算及实验数据均 表明：( a ) 在表观气速一定的情况下，轴向平均空隙率随固体循环通量的增加而减小； ( b ) 在固体循环通量一定的情况下，轴向平均空隙率随表观气速的增大而增大；( c ) 在表 观气速一定的情况下，整个提升管压降随固体循环通量的增大而增大，尤其是提升管底 部变化最为明显。 模型将c f b 提升管轴向分两段进行建模：底部加速段一即从固体颗粒入口处到被 加速到一个不变的上行速度段及充分发展段一即流动特性均不再随提升管高度变化，从 加速段结束处直到提升管出口段。模型假设提升管内气固两相呈环一核流结构，模型的 输入参数包括提升管操作条件( 如固体循环通量、表观气速) 、提升管几何尺寸和流化 介质的物理属性。同时，该模型可以很容易地与反应动力学模型耦合进行过程模拟。 其次，为了适应气体体积膨胀的反应过程，建立了变气速循环流化床流体力学模型， 并采用其特例定气速实验数据进行了验证，结果表明数学模型完全可靠。 最后，采用该变气速流体力学模型结合四集总反应动力学模型建立了适合于f c c 提升管的流动反应耦合模型，在模拟的小提升管( h = 3 0 m ，d = 0 0 1 2 m ) 中计算表明： ( a ) 原料油v g o 通过3m 长的提升管的最终转化率为9 3 。中间产物汽油在大约1m 处 就达到了最大值( 约5 7 ) ，之后随着二次反应的深入而逐渐下降，最终出口收率4 3 左右。c l - - c 4 气体及焦炭则随着反应的加深而不断上升，出口收率分别为约4 0 和 1 0 。( b ) 颗粒与气相两相温度分布规律：入口处，由于裂化反应剧烈，大量吸热，导 致催化剂温度迅速下降，油汽温度迅速上升，大约在提升管高度的三分之一处，两相温 度基本达到平衡。( c ) 催化剂颗粒在提升管底部有大量聚集，提升管上部空隙率很快达 到一个定值。( d ) 从入1 ：3 到出口，整个模拟提升管压降大约在8 6 k p a 。 此外，尝试建立了常规单段逆式再生器的烧焦反应模型。将再生器按拟均相两区模 型进行建模，即密相床和自由沉降区。模拟计算了再生器内催化剂含碳随时间的动态变 化规律、催化剂碳含量随再生器位置的分布规律、烟道气中氧，一氧化碳，二氧化碳等 组分相对于再生空气烟道气的摩尔比率分布规律等。 关键词：循环流化床，数学模型，流体动力学，环一核流结构，提升管，再生器 c o u p l e ds i m u l a t i o no ff l o wa n dr e a c t i o ni nr e a c t i o na n d r e g e n e r a t i o ns y s t e mo ff c c x i as h u h a i ( c h e m i c a lt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rn i ug e n l i n a b s t r a c t i nt h ep r e s e n ts t u d y , b a s e do nt h ed a t af r o mab e n c hs c a l er i s e r ( h = 3 0 m ，d - - 0 012 m ，a i r a n df c cc a t a l y s ta r eu s e da sf l u i d i z i n ga g e n t ，s u p e r f i c i a iv e l o c i t yu 0 - - 2 9 5 3 4 4 m s ，s o l i d f l u xg s = 2 3 - - 4 0 k g m 2 s ) f i r s t l y , ap r e d i c t i v em a t h e m a t i c a lm o d e li s p r o p o s e d t h em o d e l c a l c u l a t i o na n de x p e r i m e n t a ld a t as h o w n ：( a ) a x i a lv o i d a g ei n c r e a s e sw i t hs u p e r f i c i a lv e l o c i t y a n dd e c r e a s e s 、7 i ，i t l lt h es o l i df l u x ；( b ) h i g h e rs o l i dv o l u m ef r a c t i o na l o n gr i s e ri ns m a l ls c a l e r i s e rt h a nt h a ti nl a r g es c a l eo n ei nt h es i m i l a rc o n d i t i o n ，e s p e c i a l l yi nt h eb o t t o mz o n e ；( c ) w i t ht h es a m es u p e r f i c i a lg a sv e l o c i t y , p r e s s u r eg r a d i e n ta l o n gt h er i s e ri n c r e a s e s 、析t l lt h e s o l i df l u x t h ep r o p o s e dm o d e la s s u m e st h ec f br i s e rt ob ea x i a l l yc o m p o s e do ft w or e g i o n s ：a n a c c e l e r a t i o nz o n ea tt h er i s e rb a s e ，w h e r es o l i d sr e i n j e c t e df r o ma s t a n d p i p ea r ea c c e l e r a t e dt o ac o n s t a n tu p w a r dv e l o c i t y , a n daf u l l y - d e v e l o p e dr e g i o n ，w h e r et h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c sa r e i n v a r i a n t 谢mh e i g h t ，e x t e n d i n gf r o mt h ee n do ft h ea c c e l e r a t i o nr e g i o nt ot h er i s ee x i t t h e m o d e lp o s t u l a t e st h ee x i s t e n c eo fc o r e a n n u l u st y p eo ff l o ws t r u c t u r ea n di sb a s e do nb o t i l f u n d a m e n t a lp r i n c i p l e sa n de m p i r i c a l r e l a t i o n s h i p s t h ei n p u tp a r a m e t e r st o t h em o d e l i n c l u d i n gt h er i s e ro p e r a t ec o n d i t i o n s ( s o l i d sc i r c u l a t i o nf l u xa n dg a ss u p e r f i c i a lv e l o c i t y ) ， r i s e rg e o m e t r ya n dg a sa n ds o l i d sp h y s i c a lp r o p e r t i e s w h a t sm o r e ，i tc a nb ee a s i l yc o u p l e dt o k i n e t i cm o d e l sf o rp r o c e s ss i m u l a t i o n s e c o n d l y , i no r d e rt oc o u p l et h em o d e lw i t hg a se x p a n d e dr e a c t i o n ，a v a r i a b l e - s u p e r f i c i a l v e l o c i t y h y d r o d y n a m i cm o d e lw a se s t a b l i s h e df o rc f br i s e r , a n da p p l i e dt h em o d e lt o p r e d i c tn o r m a le x p e r i m e n t a ld a t a ，i tf u r t h e rc o n f i r m e dt h er e l i a b i l i t yo f t h ep r o p o s e dm o d e l f i n a l l y , c o u p l i n gt h ev a r i a b l e s u p e r f i c i a lv e l o c i t yh y d r o d y n a m i cm o d e lw i t hf o u rl u m p s k i n e t i cm o d e l ，ah y d r o k i n e t i cm o d e lw a se s t a b l i s h e df o rf c cr i s e r t h es i m u l a t i o np r o p o s e d ar i s e rr e a c t o rw i t h3m e t e ri nh e i g h ta n d0 012m e t e ri nd i a m e t e r t h ep r e d i c t i v er e s u l t s s h o w n ：( a ) t h ec o n v e r s i o no ft h ef e e d s t o c k ( v g o ) i s9 3 t h r o u g ht h e3 - m e t e rr i s e rr e a c t o r ， a n dm o s tr e a c t i o nt a k ep l a c ei nt h ei n i t i a lt h i r dh e i g h to ft h er i s e r i n t e r m e d i a t e p r o d u c t 1 1 g a s o l i n er e a c hap e a k ( a b o u t5 7 ) a tlm ，t h e ng r a d u a l l yd e c r e a s e df o rt h es e c o n d a r yr e a c t i o n f i n a ly i e l di s4 3 a tt h ee x i t a st h ef i n a lp r o d u c t , c l - c 4a n dc o k ef i n a ly i e l da r e4 0 a n d 10 ，r e s p e c t i v e l y ( b ) t w o p h a s et e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n ：a tt h ei n l e t , t h e c a t a l y s t t e m p e r a t u r ed e c l i n e df o rt h ef i e r c ea b s o r b sh e a to fc a t a l y t i cr e a c t i o n a n df o rf e e d s t o c k t w g o ) ，i tf a s ti n c r e a s e dt ot h eb a l a n c e 谢t l lc a t a l y s ta to n e - t l l i r dl e n g t ho fr i s e r ( c ) i ts h o w n t 1 1 a tc a t a l y s tp a r t i c l e sc l u s t e r e di nt h eb o t t o m ，b u ts o o nb ea c c e l e r a t e da n dac o n s t a n ta v e r a g e v o i d a g ei so b t a i n e di nt h eu p p e rs e c t i o n ( d ) f r o mt h ee n t r a n c et ot h ee x i t ，a b s o l u t ep r e s s u r ei s d e c l i n e ，t h ew h o l er i s e rp r e s s u r ed r o pa b o u t8 6 k p a b e s i d e s ，ac o n v e n t i o n a ls i n g l e - s t a g er e v e r s e - t y p er e g e n e r a t o ri sc o n s i d e r e di nt h ep r e s e n t t h e s i s t h ep r o p o s e dm o d e la s s u m e st h er e g e n e r a t o rt ob ea x i a l l yc o m p o s e do ft w or e g i o n s ： d e n s eb e d ，w h e r em a j o r i t yo ft h ec a t a l y s ta r el o c a t e da n dc o k eb l a m i n gr e a c t i o n st a k ep l a c e ， a n df r e e b o a r d ，w h e r eaf e we j e c t e dc a t a l y s ta r ec a p t i v e db yg r a v i t ya n dc y c l o n e sa n d a f t e r - b u r n i n gt a k ep l a c e t h em o d e li su s e dt os i m u l a t i o nt h ec o k ec o n c e n t r a t i o no nc a t a l y s t a g a i n s tr e s i d e n c et i m e ，t h ec o k ec o n c e n t r a t i o no nr e g e n e r a t e dc a t a l y s ta g a i n s tt h eh e i g h to f r e g e n e r a t o r ，a n dt h em o l a rr a t i oo fo x y g e n ，c a r b o nm o n o x i d e ，c a r b o nd i o x i d et or e g e n e r a t ea i r a n d o rt ot o t a ls t a c kg a sa l o n gt h er e g e n e r a t o r k e y w o r d s ： c i r c u l a t i n g f l u i d i z e d b e d ， m a t h e m a t i c a l m o d e l ，h y d r o d y n a m i c ， c o r e - a n n u l u s f l o ws t r u c t u r e ，r i s e r , r e g e n e r a t o r 目录 第一章前言一1 1 1循环流化床简介1 1 1 1工业应用简介1 1 1 2 基本概念介绍3 1 2 实验研究方法及规律4 1 2 1轴向流动规律5 1 2 2径向流动分布规律5 1 2 3 整体流床结构6 1 2 4其它影响因素对c f b 床层内颗粒浓度的影响7 1 3数学建模8 1 3 1 数学模型分类8 1 3 2c f b 数学建模一般化方法1 1 1 4催化裂化反应动力学15 1 4 1 三集总模型15 1 4 2十集总模型16 1 4 3催化剂结焦失活模型18 1 5再生器模型19 1 5 1再生烧焦动力学模型1 9 1 5 2再生器流化床模型2 0 1 6整体模型2 1 1 6 1 典型f c c 过程描述2l 1 6 2 典型整体模型的建立与比较一2 2 1 7 本课题的提出与意义2 5 第二章循环流化床提升管流体力学模型2 7 2 1引言2 7 2 2冷模实验2 7 2 2 1 实验装置2 7 2 2 2测量仪器2 7 2 3数学模型2 8 2 3 1 充分发展段一2 8 2 3 2加速区模型3 0 2 3 3 完全发展区压力分布3 3 2 4 模型详细求解3 3 2 4 1准确解出完全发展区的各流场参数3 4 2 4 2加速段模型求解3 4 2 5模型计算结果与讨论3 5 2 5 1 固体颗粒通量对轴向空隙率分布的影响一3 5 2 5 2 表观气速对轴向空隙率的影响3 6 2 5 3轴向压力分布3 6 2 5 4轴向压力梯度分布3 7 2 6本章小结3 7 第三章变气速提升管模型3 9 3 1 引言3 9 3 2 基本模型方程3 9 3 2 1 充分发展段基本模型方程3 9 3 2 2 加速段模型方程3 9 3 3 模型求解流程图4 0 3 4模型验证4 l 3 4 1 模型对变气速预测结果分析4 1 3 4 2 结论与分析一4 3 3 5 模型预测定气速结果讨论一4 4 3 5 1 固体颗粒通量对轴向空隙率分布的影响4 4 3 5 2 表观气速对轴向空隙率的影响4 4 3 5 3轴向压力分布4 5 3 6 本章小结一4 6 第四章流动反应耦合模型与模拟计算4 7 4 1 引言4 7 4 2 反应器部分操作参数与调节方法4 7 4 2 1反应压力4 7 4 2 2 反应温度4 8 4 2 3反应时间4 8 4 2 4 剂油比4 9 4 3 反应动力学模型5 0 4 4流动一反应耦合计算方法51 4 5模型求解5 2 4 5 1模型求解基本参数。5 2 4 5 2 计算结果与讨论5 3 4 6 本章小结一5 6 第五章再生器流动烧焦反应模型5 7 5 1 引言5 7 5 2再生部分操作参数与调节方法5 7 5 2 1再生温度5 7 5 2 2再生器压力5 8 5 2 3烟气过剩氧5 8 5 2 4再生器藏量5 8 5 3 数学模型5 9 5 3 1再生器流化模块5 9 5 3 2再生器烧焦动力学6 0 5 3 3再生器质量、能量平衡6 2 5 3 4再生器底部压力6 4 5 3 5催化剂输运系统模型6 4 5 4模型求解6 4 5 5计算结果与讨论6 6 5 5 1 催化剂上碳浓度随时间变化关系一6 6 5 5 2 烧焦烟气相对再生空气摩尔流率随再生器高度变化关系6 6 5 5 3烟道气各组分的浓度分布6 7 5 5 4再生器温度随高度变化关系6 8 5 5 5再生催化剂含碳随高度变化分布6 8 5 5 6贫氧再生条件下烟气组成6 9 5 6本章小结7 0 结论与展望7 1 参考文献7 5 附 录8 1 致 射8 9 符号说明 气固两相有效内传热面积，聊2 m - 3 再生器横截面积，m 2 再生斜管横截面积，m 2 待生斜管的横截面积，m 2 汽提器的横截面积，m 2 催化剂热容，材堙k _ 气相热容，材- 堙一k 。 催化剂上碳含量，堙姆删 再生催化剂上的碳浓度，培堙一删 c o 助燃剂燃烧拟合常数 再生烟气中氧分率 再生烟气中c o 分率 再生烟气中c d ，分率 焦炭上氢浓度 待生剂上的碳浓度 氮气热容，杉堙一k _ 一氧化碳热容，材堙k 。1 二氧化碳热容，培k 1 氧气热容，杉堙一k 。 水蒸汽热容，杉堙一k 。 滑阀流动因子 曳力系数，堙聊3 s 之 颗粒平均粒径，m 提升管直径，朋 烧焦反应总活化能，k j k g m o l 叫 c o 均相反应活化能，材k g m o l 1 c o 催化反应活化能，k j k g m o l 。 佛洛德数= u o g 加一d m 5 厶b乞。q q 砟d e 岛丹 颗粒佛洛德数= k g m 5 d 吨5 提升管内油气流率，堙- s 一 液相进料流率，堙s 。 汽提蒸汽流率，堙s 一 提升管内催化剂流率，k g s _ 1 再生空气流率，堙厂1 待生催化剂的流率，k g s 以 外取热器蒸汽流量，k g s 1 再生剂流率，堙s 一 再生烟气流率，k g s 一 再生烟气中氢流率，k g s 1 固体质量通量，奴m - 2 s 。1 固体颗粒径向分布函数 净固体颗粒通量，堙m 2 s 一 核区固体颗粒通量，k g m _ 2 s 。1 环区固体颗粒通量，k g m - 2 j - 1 重力加速度，m ， 加速段环区固体颗粒通量，堙m 。2 s q 加速段核区固体颗粒通量，堙m 。2 s 。1 提升管长度，m 再生斜管的垂直高度，m 待生斜管的垂直高度，m 气固两相内表面传热因子，材m 五s _ k 。1 烧焦反应i 动力学常数，a r m s 川 烧焦反应i i 动力学常数，a t m - 1 s 。 c o 烧焦动力学常数，a t m 一- s _ 总烧焦反应常数，k g m 一a t m s 一 反应指前因子，k g c a t 一m 3 s - 1 c o 均相反应速率常数，a r m 一s c o 催化反应速率常数，a t m s 只c瓦ee如乓乃q q q q q g q q hk毛乞包红k k k c o 与a 自由基反应常数，a t m j - 1 c o 均相反应指前因子，k g c a t m 3 s 1 c o 非均相催化反应速率常数指前因子，k g c a t m 3 s q c o 与0 2 自由基反应速率常数，k g c a t 一m 3 s - 1 加速段长度，m 稀相催化剂的有效夹带量，k g j _ 1 再生器有效热容，材k _ 1 碳分子量，g m o l _ 氧分压，a t m 一氧化碳分压，a t m 再生器压力，a t m 再生器底部压力，a l t o 反应器压力，a r m 反应热，l d 墨- 1 进入再生器的热量，k j j 。1 出再生器的热量，u s q 再生空气带入的热量，k j s 1 氢带入再生器的热量，k d j 。1 碳燃烧的总热量，u 8 _ 待生剂带入的热量，材s 1 再生烟道气带出的热量，s 。1 再生剂带出的热量，k j s 。 再生器散热损失，材s 。 外取冷器带走的热量，k j s _ 半径或径向位置，m 提升管半径，m 核半径，m 颗粒雷诺数( 2 嘭k b t a 1 ) 反应速率 催化剂温度，k x kkk丝鸩丝么o鲰如鲸q敛q如厂尺 啤r瓦 正气相温度，k 再生器温度，k 乙 再生空气的温度，k k基准温度，k 瓦 沉降器出口温度，尺 表观气速，册j 。1 ，。 核区气相速度，m j 。 匕 颗粒速度，m s 。1 巧。， 颗粒速度径向分布函数 形单颗粒终端速度，m s 以 巧，。 核区平均颗粒速度，m s 。 匕，。 环区固体颗粒速度，m s 。1 巧。 加速段核区颗粒速度，m s 。1 滑落速度，m - s 。1 匕，口 环区颗粒平均速度，m j 。 v j 再生器表观气速，朋j 。1 再生器催化剂藏量，堙 吸汽提器中的催化剂藏量，坛 x p t c o 助燃剂的浓度 相对再生空气的氧气流率比 k 相对再生空气的c d 流率比 丘d ，相对再生空气的c d 2 流率比 z轴向位置，m 乙耐 密相床层高度，m 旋风分离器高度，m 希腊字母 c o 与c q 之比 属c o 与c d 2 之比关联式指前因子 胡h氢的燃烧热，u 堙。 蛆碳燃烧生成的c o 燃烧热，u 堙1 碳燃烧生成的c d 2 燃烧热，u 堙。 蒸汽潜热，杉堙一 再生线催化剂在两器的压差，a t m 待生斜管催化剂压差，a t m 两器压差，a r m 平均空隙率 核区平均空隙率 空隙率径向分布函数 环区平均空隙率 加速段核区平均空隙率 加速段环区平均空隙率 提升管底座空隙率 加速段平均空隙率 固含率 再生器空隙率 密相床层有效空隙率 核的截面积与提升管截面积之比 催化剂失活函数 滑落因子 粘度，p a s 固体颗粒密度，堙m 4 气相密度，k g m 旬 稀相床密度，船m _ 3 密相床密度，堙m 。3 催化剂密度，堙m 催化剂体积分率 循环线路上的催化剂密度，堙m 。3 c a 与c o 之比 非催化反应条件下的c 0 2 c o 比 提升管横截面积，坍2 啦崛峨以歹 鬈矗毛7 乞。乞织织只&砌岛岛琢叮 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章前言 1 1 循环流化床简介 气固反应器在化工、石油化工、冶金工业以及精细粉末和制陶业、燃烧器等方面均 有着广泛的应用。其中以循环流化床最具代表性，因为循环流化床具有许多内在优良的 特点，如高效、操作灵活及整体收益好。 1 1 1 工业应用简介 循环流化床( c f b ) 在工业应用中主要有以下两种系统：固定载量系统( f i xi n v e n t o r y s y s t e m ) 和变载量系统( v a r i a b l ei n v e n t o r ys y s t e m ) 。分别以燃烧器和f c c 提升管反应 器为典型代表，如下图1 - l 和图1 2 所示。 血o 图1 - 1 典型固定载量c f b 反应器及轴向空隙率分布( 如燃烧器) f g 1 _ 1f x e d1 n v e n 。r ys y s e mt ) r p c a l 。f c d f r b o l 竺i l e 种u s 。璐w n h h e c h a 阳c e r i 8 “ca x i a lv 。d a g e - 哪嘲翻嘲嘲呻d 黼| r 图1 2 典型变储量c f b 反应器及轴向空隙率分布( 如f c c 提升管) f i g 1 - 2v a r i a b l ei n v e n t o r ys y s t e mt y p i c a lo ff c cw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i ca x i a lv o i d a g ep r o f i l e l i l 第一章前言 c f b 系统两个主要操作参数为表观气速( v o ) 和净的颗粒质量通量( g ) ，一般地 提升管操作气速大于2 m s 而质量通量大于1 0 0 坛m 2 j 。在燃烧器和其它非催化气固 反应过程质量通量通常小于1 0 0 k g m 2 s ，且过程的颗粒通常为g e l d a r tb 类颗粒。而催 化反应过程一般为g e l d a r ta 类颗粒，且颗粒质量通量一般高达2 5 0k g m 2 s 。 表1 1 列示这两种典型装置特点，列举了这两种主要应用技术的设计和操作特性。 理想情况下，c f b 提升管应在均一的温度、高的颗粒循环下操作。催化反应一般在相对 较低的温度下操作( 2 5 0 - - 6 5 0 0 c ) ，低的操作温度可以用机械阀来控制固体颗粒质量通 量。而燃烧过程一般都大于8 0 0 0 c ，颗粒循环速率的控制就不能通过机械阀来控制。 表1 - 1 两种典型快速流化床操作参数对比 c h a r a c t e r i s t i c c a t a l y t i cr e a c t o r s c o m b u s t o r s 一般认为气固在提升管反应器中随着气速的增加，流化状态会经历以下几个流化控 制区：固定床( 或延迟鼓泡床) 、鼓泡床、涌动床、湍流床、快速流化床及稀相输运。 如下图1 3 所示： i n c r e 翻q u 8 一 图1 3 流化床流化控制区域示意图 f i g 1 - 3s c h e m a t i cd i a g r a ms h o w i n gh y d r o d y n a m i cr e g i m e so ff l u i d i z a t i o n l 2 l 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 以上各流态控制区的边界划分问题，在过去的几十年里已形成了较统一的认识。但 是对于如何测定各流域边界却不断的有新的方法和理论【3 1 。m a r m o 等 4 1 、l i m 等 2 1 、b e r r u t i 等【1 1 均对其进行过系统的总结。如m a r m o 将上述图1 - 3 表述成以下图1 - 4 形式： 图l _ 4 气固流化流态区域变化示意图 f i g 1 - 4f l o wr e g i m e s i ng a s - s o l i df l u i d i z a t i o n l 4 l 气固流态控制区与颗粒性质、反应器结构及气体速度有关。根据颗粒是否被气体夹 带出提升管而将流化区划分为捕捉区( c a p t i v er e g i m e s ) 和非捕捉区( n o n - c a p t i v er e g i m e s ) ， 如图l - 4 中( a ) 部分的流化区域，由气体夹带的颗粒在提升管上部自由沉降下来而不需外 加颗粒回收设备，即反应器自行捕捉回被夹带的颗粒，因此，此类流化区域称为捕捉区 ( 从固定床到湍流床) ；而图1 4 中( b ) 部分，由于颗粒被大量夹带出提升管而需外加设 备回收被带出的颗粒，因此，此流化区域称为非捕捉区( 从快速流化床到稀相输送床) 。 1 1 2 基本概念介绍 起始流化速度( u 0 ) 以上各流域的边界条件可以由以下各种关联给出，图中为最小流化速度( 或起 始流化速度) ： j r = 矸+ c 2 么，一c l ( 1 1 ) 式中，g 、g 为经验参数，可查相关手册。 起始鼓泡速度对于a 类颗粒和b 类颗粒又是不同的，同时，影响起鼓泡速度的 因素也很复杂，因此很难准确预测，但一般认为起始鼓泡速度要大于起始流化速度，且 只有a 类颗粒会从固定床平滑地过渡到流化床，再过渡到鼓泡床。b 类颗粒不会经流化 床，而是直接进入鼓泡床。g r a c e 曾给出一个近似关联式来区分a 类颗粒与b 类颗粒： 瓦- v r ( 终端速度) ，尤其是对a 类颗粒如此而对于d 类颗粒则有睨= 吁；当u 比时，整个循环流化床的流场结构决定于颗粒循环速率及 表观气速。而要达到稀相环一核流则气速应大于圪，曼j i v z , 圪= 虬+ 者写 ( 11 ) p n u 一c 。) 起始均相稀相输运速度( ) 稀相输送时压降应该最小，因此，由最小压降速度由下式计算： v , = l o o l c g a , ，n 3 4 7 ( 罢 n 3 1 。( 鲁) 。0 1 3 9 么，0 0 2 1 c ，一7 ， 1 2 实验研究方法及规律 对循环流化床反应器内部流动规律进行考察，为工业放大、指导工业生产具有积极 重大的意义。通常考察反应器内部流动、反应规律有两个方面的常规考察：一是反应器 尺寸的影响的考察，即从实验室小尺寸的冷模装置内的流动规律开始，再到较大的中试 冷模装置进行流动规律考察，然后直接到工业装置进行考察。二是操作条件的影响的考 察，即对一种尺寸的反应器从冷模流动规律到反应装置内流动、反应规律进行考察。由 于循环流化床反应器内部流动规律本身的复杂性，至今尚无普遍适用的规律可循，但是， 有些基本规律是得到一致认可的，如环一核流结构的存在、颗粒速度径向分布的不均匀 性等。 在对循环流化床内部流动规律考察时，通常最关注的是轴向颗粒质量分布规律、轴 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 向颗粒速度分布规律、径向速度分布规律及径向颗粒质量分布规律。对