（化学工艺专业论文）循环流化床变径提升管冷模实验研究.pdf

摘要 传统单一直径的提升管在工业生产中已经得到了广泛应用，但是也存在着固含率 低、易返混、停留时间不易控制等缺点。在原油重质化和劣质化，以及催化汽油降烯烃、 催化裂化多产低碳烯烃等方面的迫切要求下，一系列新的催化裂化工艺应运而生，这些 工艺很多都涉及到了提升管上的变径技术。而认识循环床提升管，特别是变径段内的气 固两相流特性是研究和开发新型变径提升管反应器的重要基础。为此设计一套内径 5 0 m m 、高8 3 m 的提升管冷模装置，并完成在实验室内的安装、调试以及系统的投运。 在表观气速u g 为3 5 - 5 3 m s ，循环量g s 为2 5 5 4k g ( m 2 s ) 范围内( 装置改造后循 环量能够达到7 3k g ( m l s ) 左右) ，测定了提升管1 2 个高度截面上的局部颗粒浓度，考察 了操作条件对变径提升管内轴、径向颗粒浓度分布的影响。重点是考察扩径段结构参数 的影响：包括扩径段直径( 分别设为8 4 、9 5 和1 2 0 m m ) 、扩径段上部锥角a ( 分别取 3 0 0 、5 0 0 和7 0 0 ) 以及扩径段下部锥角d ( 分别取5 0 0 、7 0 0 和9 0 0 ) 。 实验结果表明，采用变径提升管后，扩径段部分固含率显著提高，而上部等径部分 差别不大。所以利用扩径结构可以灵活调整提升管内催化剂密度和停留时间。变径提升 管固含率轴向分布整体上呈现为上稀下浓的分布形式，且固含率高的部分主要集中于扩 径段的下部，扩径段上部固含率有时会低于等径段。因此，在一定的操作条件下，扩径 段的“增浓”效应仅仅限于一定的高度范围内。增大g s 或减小u g ，提升管内任何位置 的局部颗粒浓度都增大，颗粒浓度分布的径向不均匀性也增大，主要是由于边壁附近颗 粒浓度增加显著。在较高颗粒循环速率下，扩径段内也存在环一核流动结构。 扩径段结构参数对固含率分布的影响可以概括为：随着扩径段直径的增大，扩径段 内尤其是扩径段底部固含率显著增加，而上部等径段固含率变化相对较小。随着底部锥 角增大，扩径段底部固含率有所提高，但是扩径段底部边壁处的催化剂滑落和返混严重， 固含率径向分布的不均匀性增大；而对于较小的底部锥角来说，在保证底部高固含率的 同时也能改善气固分布。由于改造前扩径段上部的固含率已显著降低，未发现顶部锥角 对扩径段内固含率分布有显著影响；装置改造后发现，随着顶部锥角的增大，扩径段上 部靠近边壁附近的固含率增大，固含率径向分布的不均匀性也增大，这同底部锥角的影 响类似。 关键词：循环流化床，变径提升管，结构参数，颗粒浓度 e x p e r i m e n t a ls t u d yo nd i a m e t e r - c h a n g i n gr i s e ro f c f b h uc h a n g s o n g ( 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 a l t h o u g ht r a d i t i o n a lr i s e rh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ，t h e r ea r e s t i l l s o m ed i s a d v a n t a g e s ，s u c ha sl o ws o l i d sh o l d u p ，e a s yt ob a c km i x i n ga n dd i f f i c u l tt oc o n t r o l r e s i d e n c et i m e n o w a d a y s ，b e c a u s eo ft h ed e m a n do fr e d u c i n go l e f i n si ng a s o l i n ea n d p r o d u c i n gl i g h t e ro l e f i n s ，an e ws e r i e so fc a t a l y t i cc r a c k i n gp r o c e s s e sw e r ed e v e l o p e d d i a m e t e r - c h a n g i n gr i s e r sw e r ea p p l i e dw i l d l yi nm a n y o ft h e s ep r o c e s s e s t h eu n d e r s t a n d i n g o fc f b r i s e r , p a r t i c u l a r l yt h ed y n a m i co fg a s s o l i df l o wi nd i a m e t e r - c h a n g i n gr i s e r ，i st h e f o u n d a t i o nt or e s e a r c ha n dd e v e l o pn e w - s t y l eo fr i s e rr e a c t o r t ot h i se n d ，an e ws e to f c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e dr i s e re q u i p m e n tw i t h5 0 m mi n t e r n a ld i a m e t e ra n d8 3 mh e i g h tw a s d e s i g n e d a n dt h ei n s t a l l a t i o na n dc o m m i s s i o n i n gw o r kw e r ec o m p l e t e di nt h el a b o r a t o r y b a s e do nt h em e a s u r e m e n t so fl o c a ls o l i d sh o l d u pi nt h e12a x i a ll e v e l so ft h er i s e r , a s e r i e so fe x p e r i m e n t sw e r ec a r d e do u tu n d e rt h eo p e r a t i o nc o n d i t i o n so fs u p e r f i c i a lg a s v e l o c i t yu g = 3 8 4 5 m sa n ds o l i dc i r c u l a t i o nr a t eg s = 2 5 - 5 4k g ( m 2 s 1 ( t h es o l i dc i r c u l a t i o n r a t ec o u l dr e a c h7 3k ( m 2 s ) a f t e rm o d i f i c a t i o n ) t h ei m p a c to fo p e r a t i o nc o n d i t i o n so nt h e r a d i a la n da x i a ld i s t r i b u t i o no fp a r t i c l ec o n c e n t r a t i o ni nd i a m e t e r - c h a n g i n gr i s e rw a s i n v e s t i g a t e d t h ei m p a c t o fs t r u c t u r e p a r a m e t e r s ，i n c l u d i n g t h ed i a m e t e ro ft h e d i a m e t e r - e x p a n d i n gs e c t i o n ( r e s p e c t i v e l y8 4 m m ，9 5 m ma n d12 0 m m ) ，t h ec o n ea n g l epa tt h e t o po ft h ed i a m e t e r - e x p a n d i n gs e c t i o n ( r e s p e c t i v e l y3 0 0 ，5 0 0 a n d7 0 0 ) a n dt h ec o n ea n g l ea a t t h eb o t t o mo ft h ed i a m e t e r - e x p a n d i n gs e c t i o n ( r e s p e c t i v e l y5 0 。，7 0 o a n d9 0o ) t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a td i a m e t e r - c h a n g i n gr i s e rc o u l ds i g n i f i c a n t l y i n c r e a s e ds o l i d sh o l d u pi nt h ed i a m e t e r - e x p a n d i n gs e c t i o no ft h er i s e ，w h i l et h eu p p e rp a r to f t h er i s e rd i d n tv a r yg r e a t l y t h e r e f o r e ，u s i n gd i a m e t e r - c h a n g i n gr i s e rc o u l da d j u s tr e s i d e n c e t i m ea n dd e n s i t yf l e x i b l y t h ea x i a ld i s t r i b u t i o no fs o l i d sh o l d u pi nt h ew h o l er i s e rs h o w sa d e n s ep h a s ei nt h eb o t t o ma n dad i l u t ep h a s ei nt h eu p p e rp a r t t h es o l i d sh o l d u pi nt h eu p p e r p a r to ft h ed i a m e t e r - e x p a n d i n gs e c t i o ni ss o m e t i m e sl o w e rt h a nt h a to ft h eu p p e rp a r to ft h e r i s e rw i t hs m a l l e rd i a m e t e r t h u s ，u n d e rc e r t a i no p e r a t i n gc o n d i t i o n ，”i n c r e a s i n g c o n c e n t r a t i o n ”e f f e c ti so n l yl i m i t e dt oac e r t a i nh e i g h tr a n g e w i t ht h ei n c r e a s eo fg so r d e c r e a s eo fu g ，t h el o c a ls o l i d sh o l d u pi nw h o l er i s e ra n dt h er a d i a ln o n u n i f o r m i t yo fs o l i d s h o l d u pi n c r e a s em a i n l yb e c a u s eo f t h eh o l d u pi n c r e a s en e a rt h ew a l lr e g i o n w h e nt h ep a r t i c l e c i r c u l a t i o nr a t ei sr e l a t i v eh i g h ，t h e r ei ss t i l lc o r e a n n u l a rs t r u c t u r ei nt h ed i a m e t e r c h a n g i n g r i s e r t h ei m p a c to fs t r u c t u r ep a r a m e t e r so nt h er a d i a la n da x i a ld i s t r i b u t i o no fs o l i d sh o l d u p c a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ：w i t ht h ei n c r e a s eo fd i a m e t e ro fd i a m e t e r - e x p a n d i n gs e c t i o n ， t h es o l i d sh o l d u pi n c r e a s e dc o r r e s p o n d i n g l y , e s p e c i a l l yi nt h el o w e rp a r t b u tt h ec h a n g ei n t h ef o l l o w i n gs m a l ld i a m e t e rr i s e rs e c t i o nw a sr e l a t i v e l ys m a l l w i t ht h ei n c r e a s eo fc o n e a n g l e1 3a tt h eb o t t o mo ft h ed i a m e t e r - e x p a n d i n gs e c t i o n ，t h es o l i d sh o l d u pi n c r e a s e d w h i l e b a c km i x i n ga n ds l i d i n go f c a t a l y s tb e c o m es e r i o u sa n dr a d i a ln o n u n i f o r m i t yo fs o l i d sh o l d u p i n c r e a s e d f o rt h es m a l l e rv a l u eo f1 3 ，i tc o u l di n c r e a s es o l i d s h o l d u p i nt h e d i a m e t e r - e x p a n d i n gs e c t i o na n di m p r o v e dg a s s o l i dd i s t r i b u t i o n t h ei m p a c to fc o n ea n g l e 仅 a tt h et o po ft h ed i a m e t e r - e x p a n d i n gs e c t i o nw a su n n o t i c e a b l eb e c a u s eo ft h eo b v i o u s d e c r e a s eo fs o l i d sh o l d u pa tt h et o pp a r to fd i a m e t e r - e x p a n d i n gs e c t i o n a f t e rm o d i f i c a t i o n ， t h es o l i d sh o l d u pa tt h et o po ft h ed i a m e t e r - e x p a n d i n gs e c t i o na n dr a d i a ln o n u n i f o r m i t yo f s o l i d sh o l d u pi n c r e a s e dw h e ni n c r e a s e dc o n ea n g l eo t ，w h i c hi ss i m i l a rt ot h ei m p a c to fc o n e a n g l e1 3a tt h eb o t t o mo f t h ed i a m e t e r - e x p a n d i n gs e c t i o n k e y w o r d s ：c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d ，d i a m e t e r - c h a n g i n gr i s e r ，s t r u c t u r ep a r a m e t e r ，p a r t i c l e c o n c e n t r a t i o n 符号说明 卜阿基米德数( 肛生堕尘垂坐)d 提升管或扩径段内径，m m “。 d p 一一颗粒平均直径，岬f r 一一f r o u d e 数( f 产毒磐) 4 9 d g 。颗粒循环速率循环量，k g ( m 2 - s )g 。气体饱和夹带速率，k g ( m 2 s ) g s t i 一最小快速流态化循环量，k g ( m 2 s )g 重力加速度，m s 2 h 提升管高度，mh 测量管内催化剂堆积高度，m p n 转子流量计标定状态下的绝压，p ap 。转子流量计工况下的绝压，p a p g 沉降筒压降，p aa p h 提升管内料位静压，p a a p v 循环量控制阀压降，p a p 。提升管内颗粒加速压降，p a a p r - - - - - 提升管摩擦压降，p a q g 提升管气体流量，m 3 h q n - - - - 转子流量计读数，m 3 h q s - - - - 转子流量计校正值，m 3 1 1 r 一一提升管或扩径段半径，m m ，i 矾i 一一径向不均匀指数 卜提升管或扩径段径向坐标，m m 非一一无因次半径 s 提升管横截面积，m 2 t 一一循环量测量时间，s u f d - - - - 快速流态化与密相气力输送过渡速度，m s u g 一一表观气速，m s u 盯一密相气力输送与稀相气力输送过渡速度，m s u t r 一湍动流态化与密相气力输送过渡速度，m s u t 广一最小快速流态化表观气速，m su m b 最小鼓泡速度，m s u m r 一起始流态化速度，m s v p - 一颗粒速度，m s 仅一一提升管扩径段顶部锥角，od 一一提升管扩径段底部锥角，o s 一一局部固含率夏一一截面平均固含率 。d 一一床层底部固含率 m 广一一起始流化孔隙率 锄，一一起始流化颗粒浓度 p 一一气体粘度，p a s p p 一一颗粒密度，k g m 3 p g 一气体密度，k g m 3 o 。一一钢材屈服强度，m p 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：望翌幽量蕴煞 嗍冲年r j 号l - t - e t 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f - 1 ( 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：翊昼塑垒 指导教师签名： f 小 年 年 疗1jf，jf o 洲 啦中 加 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 催化裂化工艺进展 第一章前言弟一早日u 百 1 1 1 概述 自从1 9 3 6 年以间歇操作的固定床反应器形式投入工业化以来，催化裂化工艺一直 是炼油工业中提高原油加工深度、生产高辛烷值汽油、柴油和液化气等轻质油品的核心 二次加工工艺。世界上第一套石油催化裂化流化床反应器于19 4 2 年在美国由e x x o n 公 司建成，处理能力达到了1 7 0 0 吨天。1 9 4 8 年催化剂喷雾干燥技术的开发促进了流化床 技术的发展【l 】。由于其技术上的合理性及大量的工业需求，很快在全世界普及开来。2 0 世纪6 0 年代开发成功的提升管反应器使流态化技术的应用达到了一个新的高度，使催 化裂化成为炼油工业最重要的加工手段之一。在我国，车用汽油的8 0 、柴油的1 3 均 来自催化裂化装型到。 目前，催化裂化向两个方向发展【3 】：一是渣油催化裂化；二是催化裂化多产气体烯 烃。进入2 0 世纪后期，由于石油资源的相对短缺以及市场对轻质油的需求快速上升， 这就要求我国的炼油工业把更多的重油，特别是渣油进行深度加工。另外，近年来石油 化工及精细有机合成行业对基本有机合成原料的需求日益增加。因此，在环保要求日益 严格、市场产品需求结构及资源状况不断变化的前提下，走炼油一化工一体化发展的道 路将是2 1 世纪新型炼油厂的发展方向之一。开发优质化工原料生产技术、多产低碳烯 烃和芳烃技术成为炼油厂合理利用资源、提高经济效益的主要方向。然而，在这种形势 下，传统提升管反应器的弊端日益显现，主要表现在以下几个方面【3 l ：提升管反应器 过长而造成反应时间过长，致使轻质油产率下降，气体产率过高，焦炭量增加；提升 管内特别是底部高密度区催化剂的滑落和返混现象严重；径向分布的不均匀性严重， 表现为提升管内的环一核流动结构的存在，影响了气固相的充分接触；催化剂由于迅 速积炭而导致活性和选择性严重下降；提升管后段存在严重的非理想二次反应和热裂 化反应。 针对传统催化裂化工艺存在的问题，主要从以下三个方面改进：一是使用优化的催 化剂或助剂；二是优化操作参数；三是采用新的加工工艺。过去的近半个世纪中，存在 着“重”催化剂开发“轻”工艺技术研究的倾向。然而，单纯依靠优化操作参数和采用 高性能的催化剂已无法满足现代催化裂化加工的要求。凶此，国内外各大研究机构开发 第一章前言 了一系列新的催化裂化工艺，如多产低碳烯烃的d c c ( d e e pc a t a l y t i cc r a c k i n g ) 、m g g ( m a x i m i z i n gg a s & g a s o l i n e ) 、m i o ( m a x i m i z i n gi s o o l e f i n ) 、h c c ( h e a v y - o i lc o n t a c t c r a c k i n gp r o c e s s ) 等工艺【4 1 ，汽油降烯烃的m g d ( m a x i m i z i n gg a s & d i e s e l ) 、m i p ( m a x i m i z i n gi s o p a r a f f i n s ) 、汽油辅助提升管降烯烃等工艺，下行床反应器以及中国石 油大学开发的两段提升管催化裂化工艺。从这些新工艺可以看出，很多工艺对传统的提 升管反应器结构做了重大的改进，如两段提升管技术、辅助提升管回炼技术、在等径提 升管基础上的变径技术及多段进料技术等。 近年来，由于世界范围内对丙烯的需求大幅增加，许多增产丙烯的工艺或技术应运 而生。业界人士认为专门生产丙烯和蒸汽裂解与炼油厂催化裂化装置来源相比是成本较 高的方案。而通过f c c 升级增产丙烯投资少，见效快。在催化裂化系列技术中发展而来 的催化裂解工艺具有反应温度低、操作条件温和、对原料的适应性强、气体产物中丙烯、 丁烯的含量高等优点，越来越得到重视。中国石油大学( 华东) 在两段提升管催化裂化 ( t s r f c c ) 技术的基础上，又成功开发了两段催化裂解多产丙烯( t m p ) 技术，以及 配套的催化剂和助剂。以大庆常压渣油为原料的实验表明，在丙烯收率高达2 2 的情况 下，干气收率只有5 3 7 ，总液收仍然可以超过8 2 ，并兼产高质量的汽、柴油【5 j 。 1 2 2 提升管反应器中的变径技术 由于催化裂化反应是分子数增多的平行、顺序反应，随着反应深度的加大，油气体 积流量增大，气体线速提高，因而在提升管后段催化剂浓度显著下降，使得反应效率降 低。针对不同的原料性质和生产要求，如果在提升管某些位置扩大反应器内径，可以显 著降低气速，使得催化剂和原料有充分的接触和反应时间，提高反应深度和转化率。 由石科院研发的生产清洁汽油组分的m i p ( m a x i m i z i n gi s o p a r a f f i n s ) 工艺，通过对 催化裂化反应机理的深入认识，既保留提升管反应器具有高反应强度的特点，同时又能 够进行某些二次反应以多产异构烷烃和芳烃。为此，设计了一种具有两个反应区的新型 提升管反应器1 6 1 ，如图1 所示。第一反应区主要作用是烃类混合物快速和较彻底地裂化生 成烯烃。故该区操作方式类似目前催化裂化方式，即高温、短接触时间和高剂油比，该 区反应苛刻度应高于目前催化裂化的反应苛刻度；第二反应区操作方式不同于目前的催 化裂化操作方式，即低反应温度和长反应时间，此段提升管采用了扩径形式。这样既保 证烯烃的生成，又促使烯烃反应有利于生成异构烷烃和芳烃。物流在该第二反应区停留 时间较长，然后进入径向收缩的出口区，该区也类似传统的提升管反应器顶部出口部分， 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 物流在该区停留时间较短，也是为了抑制过裂化反应。 再生 质 图1 - 1m i p 工艺提升管反应器结构 f i g l - i r i s e rs t r u c t u r eo fm i p 黑龙江石油化工厂的催化裂化装置于2 0 0 3 年9 月成功改造成m i p 工艺结构，并且 一次开车成功。产品质量分析表明，与常规f c c 汽油相比，m i p 汽油的烯烃体积分数 由5 4 3 下降到2 9 4 ，可见m i p 技术可有效降低以大庆常压渣油为原料的催化裂化汽 油的烯烃含量。采用m i p 技术后，汽油的r o n 和m o n 分别由常规f c c 汽油的9 0 - 2 和7 9 4 提高到9 0 6 和8 0 o ，可见采用m i p 技术的汽油辛烷值可以不降低或略有增加。 另外，汽油中的硫、氮含量有所下降，诱导期增加。总的来说，汽油产品的性质得到了 全面的改善，而对柴油和液化气的质量影响不大【。 针对m i p 工艺的要求，中国科学院过程工程研究所多相反应重点实验室建立了具有 双循环回路的变径提升管冷模实验装置i 引。该装胃的提升管由下部具有较小床径、较高 气速的气力输送区和上部具有较大床径、较低气速的快速流化区组成。循环物料可在提 升管的下部和中部分别加入，形成主、副两个循环回路，以达到增加提升管扩径段颗粒 浓度的目的。通过分析主副循环回路的压力平衡关系研究了操作条件对提升管压降的影 响，对实际的生产操作具有一定的指导意义。 郑茂军等1 9 j 提出了一种具有切向二次风、变直径的抗返混提升管反应器结构，如图 3 第一章前言 1 2 所示。其核心技术是在进料喷嘴部位以上采用缩径结构。抗返混提升管预提升段顶 部催化剂颗粒速度相对较为分散，使得颗粒较易被加速，喷嘴区缩径结构使得在缩径上 方产生了一个低压区，减少了预提升段顶部颗粒的滑落和返混。抗返混结构对提升管内 颗粒运动特性的影响作用有一个范围，即存在一个抗返混高度，在此范围内几乎没有返 混现象出现，并且催化剂颗粒速度分布比较均匀。 二次 提升 岳 、 雾化 喷嘴 再生催化剂 斜管 图1 - 2 抗返混提升管反应器结构图 f i g l - 2 s t r u c t u r eo fa n t i - m i x i n gr i s e rr e a c t o r 中国石油大学( 华东) 重质油国家重点实验室提出了两段提升管催化裂化工艺。在 两段思想的基础上，杨朝合等i l o 】提出了两段提升管多产丙烯的t m p 技术。该工艺在提 升管底部适当扩大直径，与国内外催化裂化工艺相比，该技术具有分段反应、催化剂“接 力 、短停留时间和大剂油比等特点，而且丙烯选择性高，液化气、汽油、柴油总收率 高，汽油辛烷值高。在大庆炼化公司1 2 万吨年工业化装置上的试验表明，丙烯产率可 达到2 0 3 8 。刘清华l 等在2 0 m m 内径的提升管冷模装置上对等径提升管和变径提升 管内不同位置处固体颗粒浓度进行了实验测量。通过改变变径段的长度、变径段直径以 及改变锥体过渡段部分的角度来考察变径对提升管内气固两相流动的影响。实验结果表 明，采用变径结构的提升管，可以改善提升管内部催化剂颗粒的浓度分布，提高提升管 底部变径段的催化剂密度。与相同直径的传统结构提升管相比较，相同的循环量下，底 部反应区的固含率可以提高2 - - - 4 倍，颗粒浓度径向分布更加均匀。而变径段以上气速 加大，催化剂停留时间减小，可以降低二次反应发生。这些结论在大庆炼化多产丙烯工 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 业装置上得到了有力的证实。 1 2 流态化技术发展概述 1 2 1 流态化现象及其发展 当流体通过分布板及颗粒床层向上流动时，当流速大于一定值后，静止不动的颗粒 开始振动和运动，整个床层显示出某种液体属性的特征。这些特征包括：具有保持水平 状态的上界面；能从一个容器流入另一个容器，即满足连通器原理；床层中的静压仅与 其所处的床层深度和密度成正比，而与水平位置无关。因此，流态化是指固体颗粒在流 体( 气体或液体) 的作用下由相对静止的状态转变为具有液体属性的流动状态。应该指 出的是，除上述颗粒与流体同时向上的流动现象外，颗粒与流体运动方向也可以是同时 向下，或相互逆流，并且能形成多种不同的流化操作状态，郭慕孙将它们统称为广义流 态化【1 2 1 。 流态化技术具有可连续操作、能耗低、处理量大等优点，在气固相催化反应过程， 固体物料的化学加工，固体物料的干燥、加热和冷却，固体物料的输送以及吸附和浸取 等传质分离过程中得到了广泛的应用和发展。1 8 7 9 年，世界上公布第一个流态化技术专 利。本世纪2 0 年代初，德国开发第一个粉煤流态化气化装置一温克勒( f r i t zw i n k l e r ) 气化炉，进行了流态化技术工业应用的尝试。四十年代初，流态化催化裂化工艺成功开 发，开创了流态化技术应用研究的新时期。在近半个多世纪的发展历程中，流态化技术 大体经历了两个发展阶段：前期是以气泡现象为主要特征的鼓泡流态化及液固流态化； 后期是以颗粒团聚为主要特征的快速流态化及气固流态化的散式化。近年来，由于生产 实际需求的推动，气、液、固三相流态化和外力场下的流态化得到新的发展，成为引人 注目的前沿研究领域。整体来说，流态化技术正由纯技艺向工程科学转化1 1 2 l 。 1 2 2 流态化的流型分类 近代的流态化技术是把固体颗粒悬浮于流动的流体之中，使颗粒之间脱离相互接 触，消除颗粒间的内摩擦力，实现固体流态化。由于悬浮条件的不同，固体颗粒在流体 中悬浮的状态也各不相同。当作用于固体颗粒的流体运动速度逐步增加时，床层将从固 定床开始经历一系列的流型转化，可能的流态化形式有散式流态化、鼓泡流态化、节涌 流态化、湍动流态化、快速流态化和气力输送状态。其中散式流态化、鼓泡流态化、湍 动流态化又被称为传统流态化。需要说明的是气固流化床中颗粒的粒度以及颗粒表观密 5 第一章前言 度和气体密度之差对流化状态有显著影响。1 9 7 3 年，g e l d a r t 提出了g e l d a r t 颗粒分类法， 根据不同的颗粒粒度及气、固密度差，将颗粒分为a 、b 、c 、d 四类【1 3 j ：a 类颗粒称 为细颗粒或可充气颗粒，粒度较小( 3 0 , - 1 0 0 p r o ) ，表观密度也较小( u t r ( u t r 表示能实 现循环流态化的最小表观气速) ，g s g s t r ( g s t r 表示能实现循环流态化的最小颗粒循 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 环量) ： 对一定的颗粒循环量g s ( g s g s t r ) ，操作气速满足u 1 1 f 剑g _ u v r ，其中当u 1 1 p u g _ u v o 时流型为快速流态化，当u f d 剑g _ u v r 时流型为密相气力输送； 适合的颗粒物性及床层结构，满足非噎塞系统条件。 循环流化床结构一般由提升管、气固分离器、伴床及颗粒循环控制设备等部分构成。 气固两相在提升管内可以并流向上、并流向下或逆流运动。典型的循环流化床结构如图 l 一5 所示。流化气体从提升管底部引入，携带由伴床而来的颗粒向上流动。在提升管顶 部经气固分离装置( 如旋风分离器) 分离下来的颗粒在伴床内从上向下流动，通过颗粒 循环控制装置后重新进入提升管。在实际应用中，提升管主要用作化学反应器，伴床通 常可作调节颗粒流率的贮藏设备、热交换器或催化剂再生器，甚至单纯作立管以构成颗 粒的循环系统。常见的颗粒循环控制方式有机械式( 如滑阀、蝶阀、螺旋加料器等) 和 非机械式( 如l 阀、j 阀、v 阀) 。 气 图1 - 5 循环流化床的一般结构 f i g l - 5g e n e r a ls t r u c t u r eo fc i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d 1 3 2 循环床的优缺点及应用 与传统低速流态化( 鼓泡流态化和湍动流态化) 相比，循环流态化作为一种高效无 气泡的气、固接触技术具有以下优点1 1 6 】： 9 第一章前言 由于可采用细粉颗粒，并在悬浮状态下与气体接触，气、固相界面积大，有利于 非均相反应的进行，提高了催化剂的利用率。因而生产能力大，单位床层面积的生产能 力远高于固定床、移动床及传统流化床； 流化床内的颗粒群有类似流体的性质，可以迅速地从反应器中取出或引入，并可 以在提升管和伴床之间循环，因此可以在提升管和伴床中进行不同的化学反应。这使得 一些反应一再生、吸热一放热、正反应一逆反应等反应耦合过程和反应一分离耦合过程 得以实现，尤其适用于反应过程中催化剂很快失活而需要及时再生或需用颗粒将大量热 量补入或取出反应器的操作； 由于气固之间高达2 0 - - 3 0 倍于终端颗粒速度的滑移速度，使得气固的接触效率很 高，从而具有良好的传质、传热效率； 容易建立轴向温度及浓度梯度，气固停留时间( 在整个床层内) 可相互独立控制， 便于控制反应物的反应时间。 但另一方面，由于气、固运动速度高以及大量固体颗粒的高速循环，导致循环流化 床中存在磨损较大、颗粒回收较困难以及床层物料与壁面之间传热速率相对较低等问题 【1 3 】。另外，由于多相流系统气固流动行为、传递规律的复杂性，以及工程问题包括气固 物性【1 7 1 、循环系统结构如床层直径、床层高度1 8 , 1 9 、进出口结构1 2 0 ，2 1 1 、内部构件2 2 ，2 3 】 以及操作参数对流动行为和传递规律的影响，以及各结构之间的匹配的多样性，使得 循环流态化过程的工程放大技术难度较大，有待于进一步的研究。 石油炼制工业中的催化裂化和能源工业中的循环流化床锅炉是循环流化床应用最 为广泛的两个领域。作为一种高效、无气泡气固接触技术，循环流态化是当代流态化研 究中最活跃的领域之一。循环床的应用领域主要在以下三方面： 低、中温的气固非均相催化反应，如石油的流化催化裂化( f l u i dc a t a l y t i c c r a c k i n g ，f c c ) 、费一托( f t ) 合成、丁烯氧化脱氢制丁二烯等； 高温气固非均相反应过程，如氧化铝的焙烧、煤的燃烧和气化、矿石的锻烧等； 某些物理过程，如用a 1 2 0 3 作为吸收剂净化氧化铝产生的废气中的h f 、采用 c a ( o h ) 2 为吸收剂净化燃煤锅炉废气中的s 0 2 、粉末涂料的喷涂等。 1 3 3 高密度循环流化床 高密度循环流化床由于其具有较高的床层浓度以及高的颗粒循环流率，使循环流化 床作为反应器具有更广的适应能力及更高的操作弹性，引起了广泛的关注。国内的清华 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 大学流态化实验组通过对高密度循环流化床进行了一定的研究工作【1 3 】。 c i a c e 等在19 9 9 年提出了用流化床单位截面固体流率及床内颗粒体积分率来定义 高密度流化床( h d c f b ) ，即：( 1 ) 单位床层截面的固体颗粒流率g s 大于2 0 0k g ( m 2 s ) ； ( 2 ) 固体颗粒在床内的体积分率。大于0 1 。他又对高密度循环流化床( h d c f b ) 和低密 度循环流化床( l d c f b ) 进行了比较：( 1 ) 在h d c f b 中，靠近管壁附近没有下落的颗粒， 而在稀相的快速流化床这一现象非常明显；( 2 ) 虽然在近壁处没有下落的颗粒，但径向 颗粒浓度梯度仍然存在，近壁处较中心部分高；浓相也没有出现聚团；( 3 ) 颗粒的分级减 少，气体和固体都更接近平推流；( 4 ) 在h d c f b 中轴向固体浓度更趋于平缓，固体的体 积分率大约在0 1 0 2 5 之间；( 5 ) 高密度流化床与低密度流化床在统计学、压力的混沌性 质以及局部空隙率都有比较大的差异【2 4 1 。 1 3 4 循环流化床气固流动规律 1 3 4 1 局部流动规律 循环流化床气固两相的局部结构是由稀相为连续相、浓相( 颗粒聚集物) 为分散相 组成的。以单颗粒形式存在的分散相和以颗粒聚集体形式存在的团聚相并存，且分散相 和团聚相内部也存在非均匀性。由于颗粒速度的差异，颗粒相互碰撞及相互作用，团聚 相能够分解形成分散相，分散相也能够合并成为团聚相。颗粒聚集体的形成和分解是一 个动态过程，从而形成复杂的动态流动结构。当操作条件、气固性质或设备结构变化时， 这种稀浓两相的局部结构并不发生根本的变化，只是稀、浓两相的比例及其在空间的分 布发生相应的变化【1 3 1 。 可见，颗粒团聚现象是循环流化床提升管内气固两相流的典型特征。颗粒团聚物的 时空特征直接影响气固两相在提升管内轴、径向的分布及运动状态、传热传质速率以及 颗粒与管壁间的磨损等。因此，研究提升管中颗粒团聚物的行为特征是气固循环流化床 动力学研究的一个重要切入点2 5 1 。 魏飞等用光纤一维成像系统测定了絮状物的出现概率和径向尺寸1 2 6 】。在床层中心部 位絮状物的出现概率较低，其尺寸也较小，且两者不随操作条件的变化而发生明显变化； 然而在近床层壁面处，絮状物出现概率增大，其尺寸也同时增大，且两者明显受操作条 件的影响。 张明辉等【2 7 i 采用双光路光纤密度探头和激光多普勒测速仪测量了内径4 1 8m n l 、高 1 8m 的大型循环流化床提升管和下行床中的瞬态颗粒浓度信号和颗粒速度信号。通过对 第一章前言 瞬态固含信号和颗粒速度信号概率密度( p d d ) 曲线的分析表明：提升管中存在空穴相 和颗粒团相并存的两相流动结构，而在下行床中仅存在单一的空穴相；在提升管和下行 床中的近壁区域都存在局部的颗粒团聚现象，但下行床中的颗粒团聚现象与提升管中的 不同，在下行床中不能形成稳定的、固含接近于起始流化状态的颗粒团相，颗粒团聚后 很快就被气固问的作用力破坏而恢复到弥散状态。这种差异是由提升管和下行床两者的 流动机制不同造成的。 局部瞬时颗粒浓度的时间序列信号反映了提升管内固体颗粒的团聚、解体及运动状 况等颗粒团聚物的动力学特征。因而利用光纤探头等技术测量提升管内局部颗粒浓度的 时间序列，可以进而获取颗粒团聚物的信息。漆小波等研究了循环床上行气固两相流 中团聚物的颗粒浓度。实验结果分析表明团聚物内部颗粒浓度对轴、径向位置和操作条 件的变化比局部时均颗粒浓度要敏感得多。团聚物内部颗粒浓度与局部时均颗粒浓度在 径向上具有相同的自相似分布特征，并具有明显的相关性。局部时均颗粒浓度在径向的 不均匀分布是团聚物颗粒浓度在径向不均匀分布的宏观体现。 1 3 4 2 轴向流动规律 提升管内颗粒浓度的轴向分布从下到上可能出现四个不同的区域【1 6 1 ：床层底部的浓 相段( 其是否出现依赖于颗粒循环速率与相应气速下的饱和夹带速率之比、循环系统的 总体压力平衡、储料罐中的存料量) ：过渡段或加速段；充分发展段；顶部出口附近的 相对浓相段( 只有在使用强约束出口时才出现) 。 一般而言，当循环流化床处于密相气力输送状态时，其空隙率轴向分布呈均匀状态； 当在快速流态化状态下操作时，空隙率轴向分布是不均匀的。当颗粒循环速率小于气体 饱和夹带速率g s 时，空隙率轴向分布呈单调指数函数形式；当颗粒循环速率大于气体 饱和夹带速率g s 时，床层轴向可以用底部是浓相、顶部是稀相、中间有一拐点的s 型 分布来描述。当出口具有强约束作用时，会形成床层中部空隙率高、两端空隙率低的c 型分布1 1 3 j 。 对截面空隙率轴向分布的影响因素可概况为f l3 】：设备结构，包括出入e l 结构、提 升管内置构件、床径等；操作条件，包括表观气速、颗粒储料量、颗粒循环速率等； 物性因素，包括颗粒密度、直径及粒径分布等。 在一定的操作气速下，随着颗粒循环速率的提高，床层各截面上平均空隙率都逐渐 减小( 颗粒输送速率减慢) ，用于加速和输送单位质量颗粒的能量将减少，因此轴向空 1 2 中国石油大学( 华东