（动力工程及工程热物理专业论文）超短接触旋流反应器气固两相流的数值计算.pdf

摘要 旋流反应器内存在的是气固两相流，气固两相反应流内颗粒与颗粒及颗粒与气体之 间的相互作用非常复杂。目前，这种复杂的流动还有许多机理问题仍未能解决，人们对 流化现象规律的认识也远落后于对它的应用。人们设计和运行旋流反应器，更多的是靠 经验进行的，因此，要想使旋流反应器得到更深入广泛应用，就需要对气固两相流规律 进行深入研究。 本文利用计算流体力学软件f l u e n t 对超短接触旋流反应器进行数值模拟，研究反应 器内气固两相流的流体力学规律，包括反应器中的速度分布、压力分布和浓度分布，并 对此进行理论分析，确定反应器内气固两相流的运动规律。 在不考虑反应的情况下，改变颗粒密度、气相流量，对旋流反应器内气固两相流动 进行模拟，研究不同参数下气固两相的运动及分离情况。 根据模拟结果，分析在未考虑反应的情况下旋流反应器内气固两相的运动规律及浓 度分布。深入研究旋流反应器内部的具体流动规律和影响因素，为旋流反应器中化学反 应和反应物提纯提供必要条件。 关键词：超短接触，旋流反应器，气固两相，数值计算 n u m e r i c a lc a l c u l a t i o no fg a s s o l i dp h a s ej ns h o r t c o n t r a c tt i m ec y c l o n er e a c t o r w a n gl a i z h e n ( m e c h a n i c so fc h e m i c a le n g i n e e r i n gp r o c e s s ) d i r e c t e db yp r o f w a n gz h e n b o a b s t r a c t i nt h ec y c l o n er e a c t o r , t w o p h a s ef l o ww h i c ha r eg a sa n ds o l i de x i s t e d ，t h ei n t e r a c t i o n b e t w e e nt h ep a r t i c l e so rt h ep a r t i c l e sa n d g a si sv e r yc o m p l i c a t e d a tp r e s e n t ，f o rt h i sc o m p l e x f l o w , t h e r ea r em a n ym e c h a n i s mi s s u er e m a i n su n r e s o l v e d , p e o p l e 。su n d e r s t a n d i n go ft h e l a w so ff l u i d i z e dp h e n o m e n o ni sa l s of a rb e h i n di t sa p p l i c a t i o n m o s to ft h et i m e ，t h ed e s i g n a n do p e r a t i o no fc y c l o n er e a c t o ri sr e l yo ne x p e r i e n c e ，t h e r e f o r e ，i fw ew a n tt om a k ef u r t h e r u s eo ft h ec y c l o n er e a c t o r ，w es h o u l dt om a k ef u r t h e rs t u d yo nt h et w o - p h a s ef l o wo f g a sa n d s o l i d i nt h i sp a p e r , w eu s et h es o f t w a r eo f c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c sf l u e n tt os i m u l a t et h e f l o wf i e l do ft h es h o r tc o n t r a c tt i m ec y c l o n er e a c t o r , s m d y i n gt h ef l u i dm e c h a n i c so ft h e g a s - s o l i dp h a s e sf l o wi nt h er e a c t o r , i n c l u d i n gt h ev e l o c i t yd i s t r i b u t i o n , p r e s s u r ed i s t r i b u t i o n a n dc o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o n a c c o r d i n gt ot h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o n , w em a k et h e o r e t i c a l a n a l y s i so ft h et w o - p h a s ef l o wi nt h er e a c t o r , t h e nw ec a nf i n dt h em o v e m e n tl a wo ft h e t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sc o n d u c t e du n d e rt h e c o n d i t i o no fn o t c o n s i d e r i n g r e a c t i o n ，w ec h a n g et h ep a r t i c l ed e n s i t ya n dt h et h ef l o wo ft h eg a sp h a s et os i m u l a t et h e t w o p h a s ef l o wo fg a sa n ds o l i d , t h e nt os t u d yt h em o t i o na n ds e p a r a t i o nc o n d i t i o no ft h e t w o p h a s ef l o wu n d e r d i f f e r e n tp a r a m e t e r s a c c o r d i n gt o t h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o n , w em a k ea n a l y s i so ft h em o v e m e n ta n d c o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o no ft h et w o - p h a s ef l o wi nt h er e a c t o ru n d e rt h ec o n d i t i o no fn o t c o n s i d e r i n gr e a c t i o n m a k i n gf u r t h e rs t u d yo ft h es p e c i f i cr e g u l a r i t ya n di n f l u e n c ef a c t o r so n t h ef l o wf i e l di nt h er e a c t o r , a n dp r o v i d i n gn e c e s s a r yc o n d i t i o n sf o rt h e p u r i f i c a t i o no f r e a c t a n ta n dc h e m i c a lr e a c t i o n si i lt h ec y c l o n er e a c t o r k e y w o r d s ：s h o r tc o n t r a c tt i m e ，c y c l o n er e a c t o r , g a s - s o l i dp h a s e ，n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章前言帚一早刖甬 1 1 课题研究背景 近年来，随着人们对于石油化学品及轻质油品的应用越来越多，因此它们的需求量 也变得越来越大，催化裂化技术由于其在重油和渣油处理方面的应用也受到人们更多的 关注。而提升管反应器作为催化裂化的核心部件，也逐渐的显露出它的缺陷【l 】，主要在 以下几个方面中得到了体现： 在提升管反应器内进行的反应耗时较久，造成反应器内壁结焦严重； 由于重力的影响，在提升管内部的催化剂会由于重力在上行过程中滑落以致产 生返混； 提升管内的速度径向流动不均匀，从提升管内部的“环核 现象可以得到体现， 这样就会使得气固两相的接触不充分，反应不能充分进行； 提升管内部的催化剂容易失去活性和选择性，主要是由于催化剂迅速积炭导致 的； 提升管后段存在严重非理想的二次反应。 对催化裂化现阶段出现的问题( 提升管反应器出现的缺点，社会对环保的要求及原 料油的劣质化和重质化发展趋势) 进行综合考虑，为了改进劣质和重质油加工工艺，从 而将工艺装置的经济效益提高，我们提出了超短接触的旋流反应器。 旋流反应器是利用流体在其中受到的重力、摩擦力和离心力来实现分离的，但是离 心力在这几个力中起到了主要的作用，旋流反应器既可以用于两相流的分离也可以用于 三相的分离。旋流反应器内的各相流体具有较多的优点例如流体返混概率小、停留时间 短且各相流体的分离容易且快速。因此，将其引入到催化裂化，加氢劣化、乙烯裂解等 劣质油和重质油的处理工艺中，由于流体在其中停留时间短，因此可以改进提升管反应 器的结焦问题，同时还可以避免由于过长的停留时间造成的油料过裂化的问题。因此旋 流反应器的应用在劣质油和重质油的处理领域存在巨大的社会和经济效益。 存在于旋流反应器内的流体主要是气固两相流，截止到目前，人们对于气固反应流 的流化规律的认识还远远落后于对于其实际应用的认识，主要是因为气固两相流为非均 匀的流动且多相流内部的作用力十分复杂其中既包括颗粒之间作用力又有颗粒与气相 流体之间的作用都力，人们对于这些作用力的认识还不彻底，因此对于气固反应流就产 生了许多未解决的机理问题【2 】。而人们也多是靠以往工作的经验进行流态化的催化裂化 第一章前言 反应装置的设计及运行条件的指定，因此迫切需要对反应器内部的气固两相反应流的运 动规律进行深入研究以便能使得流态化技术得到更广泛的应用。 目前在试验条件下，难以对反应器内微观和宏观流动特征进行全面的揭示，且利用 试验的方法也存在周期长、耗时且需要耗费较多的财力等缺点。计算流体力学则为反应 器内流动规律的研究提供了新的解决方案。计算流体力学是近年来计算机、数学、流体 力学等学科综合的产物，是一门生命力强大的边缘科学。计算机是其得到实现的工具， 通过采用一定的离散方法，对具体问题建立合理的模型，然后进行数值实验并进一步进 行分析研究。数值模拟的方法与试验方法相比主要具有以下的优点：可以减少一个设计 周期中所需要的经济成本和时间成本；能进行一些通过具体实验难以实现的系统的研 究；可以更灵活和自由的改变结构参数和操作参数以便较快速的得到较优结构和工况。 1 2 课题研究的目的意义 催化裂化( f l u i d i z e dc a t a l y t i cc r a c k i n g ，f c c ) 作为一个工业过程，对国民经济有着 重要的影响力，因此催化裂化工艺是对原料油进行的二次加工的核心工艺，在石油炼制 中也理所当然的占据着重要的地位，尤其是在生产丙烯、液化气、柴油和汽油等方面发 挥着尤为重要的作用。另外还催化裂化还可以与加氢裂化相结合用以生产汽油。虽然催 化裂化在各方面都有着重要的作用，但是它仍要进行不断的改善以扩大其自身的优势来 适应不断变化的市场需要。可以预见催化裂化工艺在以后的石油炼制及产品生产中仍将 扮演重要的角色【j j 。 作为催化裂化装置的核心，催化裂化反应器对于催化裂化的效果的好坏有着至关重 要的影响。因此，对催化裂化反应器进行系统的研究分析是非常有必要的，本课题主要 就是研究反应器内部的气固两相流的流动规律。 为了能通过催化裂化生产出含碳量更低的烯烃及降低催化裂化得到汽油的烯烃含 量，工业中对于催化裂化反应器的要求正在日益提高，并且由于原油重质化和劣质化的 加重，催化裂化反应器也面临着更大的挑战。同样的随着人们环保意识的增强、汽油规 格升级及烟气排放标准的限制这些都对催化裂化工艺有了新的要求。另外产品需求比例 的改变也对催化裂化工艺提出了不同以往的要求，例如柴油化的趋势。催化裂化装置及 工艺为了达到这些新出现的要求必然要面临很大的冲击。 鉴于现阶段催化裂化反应器在各方面所存在的问题以及超短接触旋流反应器所存 在的经济效益优势及社会环保效益优势，本文将对超短接触旋流反应器内不考虑反应的 气固流动规律( 包括气体的流场及气固两相的浓度场) 和影响因素进行数值模拟研究， 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 为催化裂化反应器结构的优化提供强有力的理论支撑。 1 3 课题研究内容 本课题主要有以下几方面的工作： ( 1 ) 利用计算流体力学软件f l u e n t 对超短接触旋流反应器进行数值模拟，研究反 应器内气固两相流的流体力学规律，包括反应器中的速度分布、压力分布和浓度分布， 并对此进行理论分析，确定反应器内气固两相流的运动规律。 ( 2 ) 在不考虑反应的情况下对旋流反应器内两相流动进行模拟，研究不同物性、 操作参数条件下气固两相的运动及分离情况。 ( 3 ) 根据模拟结果，分析在未考虑反应的情况下旋流反应器内气固两相的运动规 律及浓度分布。 3 第二章催化裂化反应器研究综述 第二章催化裂化反应器研究综述 2 1 催化裂化技术进展 提升管内的气固接触，气体效率的提高及原料油雾化的加强这几个方面是催化裂化 技术体现其进步的地方，其技术进步的主要目标是能减少二次裂化并提高反应器内部的 反应效率。为实现以上合理的要求，主要从以下几个方面进行论述。 2 1 1 加强原料油雾化 提升管的进料区是转化反应发生的重要场所，约占总反应的3 0 - 4 0 左右，因此 人们也越来越重视进料雾化喷嘴的性能。喷嘴雾化性能的好坏决定了提升管内催化剂的 分布梯度及提升管内的温度分布规律。它的重要性得到突出的体现是在处理重油原料 时。催化裂化的原料油的蒸发与雾化过程主要特点有以下几个方面： ( 1 ) 通过喷嘴实现雾化效果的介质量比较低，一般小于5 ，因此它在总的进料油中 占有较小的比例。因此在提升管的入口位置，原料油液滴群密度很大。 ( 2 ) 液滴在提升管内经历的主要过程为先提高温度然后进行蒸发最后实现裂化， 这是因为液滴从喷嘴处射入提升管时的温度还达不到液滴蒸发的温度。因此，当催化剂 接触到液态的原料油时，由于催化剂微孔的毛细管效应，液态的原料油会在毛细压力的 作用下进入到这些催化剂的微孔中。如果进入的液态原料为渣油就会导致其难以实现蒸 发或者是难以实现完全蒸发，化学反应就只能在液态的条件下进行，这样就会导致生焦 率和气体的产率过高，另外如果催化剂没有达到较高的温度或者是含有的渣油量过高， 会使情况变的更糟糕。因此雾化喷嘴的性能是一个关键的因素，将原料油经过雾化变为 小颗粒的液滴便于其温度的提升和蒸发的进行，同时原料油以气态的形式去接触催化剂 并与其发生反应是比较理想的反应方式。当液滴粒径较大时( 大于2 0 0 a n ) ，它与催化 剂发生接触后，由于传热速度及供热时间等的限制，只有其中沸点较低的组分能实现气 化其余组分均呈液态，液态组分会在催化剂表面发生吸附裂化，这样会造成结焦率升高 和气体产量增加。当液滴粒径过小时( 3 0 a m ) ，它与催化剂发生接触后，由于粒径较 小升温较快，供热量相对于蒸发所需热量过多，因此会使得小液滴气化迅速，容易造成 原料油的过裂化问题，使得二次反应加剧。因此对于催化裂化反应来讲，存在一个适度 粒径的雾化范围，喷嘴的作用就是使得雾化后的原料油尽可能多的处于此适宜的粒径范 围内。据资料介绍，5 0 , - - - 6 0 , t u n 是重油雾化所要求的液滴平均粒径，而对于馏分油粒径 可以适当增大，平均粒径可以到8 0 9 0 a m 。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 喷嘴根据操作时的压差可以大致分为两类。从雾化后原料油的液滴粒径大小来看， 高压的雾化喷嘴( o 6 9 - - 1 4 m p a ) 是相对较理想的。但是高压的雾化喷嘴需要的操作费 用高，且在以原料泵为起点的原料系统中也需要较大的能耗。因此，从能耗和经济性条 件来看，低压的喷嘴( 0 2 - 0 6 m p a ) 又是较好的。高压与低压雾化喷嘴都能实现雾化 来利于蒸汽的产生，并且两者都会在一定程度上较低原料油的分压。 目前，高效喷嘴多被应用于国内的馏分油和渣油的催化裂化中，从使用情况来看均 取得了不同程度的改良效果。老装置改造若想利用高压喷嘴，需要将原料泵进行更换， 原料换热器的压力等级也得相应的提高，另外，还需要调整原料系统的阀门及运料管路 中的附件等等，因此采用低压的喷嘴是较经济和方便的，应该得到大力推广的。对于新 型高效的喷嘴以后应该多进行研究，并与整个工艺系统相结合考虑整体的反应效果和经 济与社会效果。 2 1 2 提升管末端快速分离技术 若裂化反应的生成物在提升管内停留时间过长，则会造成过裂化的现象，因此应尽 量缩短其停留时间，使得裂化反应能尽快在提升管内几秒完成。在提升管末端一般都设 有快速将反应生成物分离出来的分离装置。快速分离主要是采用以下两种技术： ( 1 ) 首先利用催化剂和上升气流的惯性进行分离，接着进入一级旋风分离器。 ( 2 ) 旋风分离器直接与提升管出口相连接，形成一个封闭的系统。 图2 - 1 三叶型快分头结构示意图 f i g 2 - 1 t h ed i a g r a mo ft r i l o b a ls c a t t e r 自7 0 年代以来，人们开始将不同结构型式的挡板安装到提升管的出口处，用以实 5 第二章催化裂化反应器研究综述 现催化剂与油气的分离。8 0 年代多用惯性分离来实现此分离过程，例如“三叶型 快分， 它的工作原理是，催化剂与油气的混合物冲击到挡板上，由于惯性的影响实现分离。这 种快分是国内一些公司在美国石伟公司的分离过程原形上进行改进得到的。并且通过经 验摸索得到了影响快分的分离效率的因素，其中包括分出半径、环室的气固两相速度、 过孔速度和提升管的表观线速等。快分的结构如图2 1 所示。 上面介绍的快分过程没有脱离利用惯性原理的范围，这样的分离装置结构安装可 靠，分离部件的加工较方便，且分离效果较好。自8 0 年代以来，密闭的分离系统得到 了发展，以m o b i l 公司的密闭式分离器为例进行介绍，此系统是将旋风分离器直接连接 于提升管的末端，油气与汽提蒸汽可以进入旋风分离器的入口与出口管之间形成的未封 闭的环形分离空间，这样就封闭式快分系统的关键问题得到了较好的解决。此类分离方 法可以减少油气停留时间，在一定程度上改善了催化产品的结构组成。 2 1 3 提升管裂化技术 作为一种气相的加工过程，催化裂化反应体系中催化剂的迅速减活和选择性的降低 使得催化裂化系统对密相返混床十分敏感。气固两相在提升管反应器中的流动可以近似 为活塞流动，因此温度与密度等参数在提升管中沿轴向的高度方向的变化较明显梯度较 大。因此气固两相进行接触和反应的推动力与两相反应的良好初始条件要远远优于于床 层反应。但是，提升管中空间内的催化剂分布并不均匀，而这种不均匀性则直接影响了 两相的混合程度及反应完全程度，造成生焦量和产气量的提高及反应的整体效率的下 降。对于重油的加工领域，这种不均匀性造成的影响更应该受到重视。由于以前对此方 面的研究较少，随着油品的重质化发展趋势，这已经成为一个不可忽略的问题。 为了查明造成催化剂分布不均匀的因素，并对此进行改进，中国石化北京设计院和 中国科学院等单位已经进行试验研究，并且开始实地对工业成产装置进行测量。这些试 验与测定的结果能在一定程度上对工程设计的进行给予指导。对于提升管的操作的改善 主要是在于改进喷入区与喷嘴的设计。改进提升管的设计例如将提升管下部的管径缩小 可以缩短喷嘴的控制区；在提升管内部加上一个分布器可以在一定程度上提高初始密度 沿径向分布的均匀度；在提升管内部不同轴向高度设置导流板可以对物料在边壁处密度 分布进行改善，达到中心与边壁的统一。在工业装置中还没有对上述方案进行测试，可 以先在试验条件下对其进行研究，以便为后续改善提升管的性能做准备，发展具有自己 特色的提升管技术。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 2 催化裂化反应器进展 催化裂化一直以来都是炼油领域占据着非常重要的地位，因此对其工艺过程和催化 剂的研究非常多，其工艺和设备的发展也非常迅速，从早期的流化床反应器到后来的提 升管反应器已经大大了缩短了反应的时间，改善了产品的选择性，并且提高了汽油的产 率降低了焦炭的产率，能处理掺渣比例较高的原料。 目前催化裂化的发展方向主要有两个：一是渣油的催化裂化处理；二是催化裂化多 产气体烯烃。随着原料油的重质化发展和产品需求的结构变化以及社会各界对于产品的 高要求化，提升管作为催化裂化的主要装置所显现出来的局限性变的越来越明显【4 】。针 对这样的情况，很多国内外的大公司和科研机构已经开始了对于催化裂化反应器的结构 改进等方面的研究。一方面可以满足自己的生产目的实现产品的深入开发，另一方面也 可以对现有的催化裂化工艺体系的改进做出贡献。但是大部分的工业生产用提升管反应 器来作为催化裂化工艺的反应装置，因此大部分的结构的改进还是在提升管的基础上进 行的。例如将密相流化床用于提升管下部可以增加低碳烯烃的产量达到提高转化深度的 目的；采用下行反应器可以降低提升管内的轴向滑落并缩短反应时间等等的结构改进方 法。下面简单的介绍一下催化裂化反应器的发展过程。 2 2 1 传统的单提升管反应器 对于传统的单提升管反应器其中的反应再生系统主要有两种基本形式：并列式和 同轴式，其中并列式是最常被采用的一种。这是根据沉降与再生器在反应再生系统中 的排列方式进行区分的。 并列式提升管反应器的工作原理是：首先回炼油与原料油实现混合，经过加热炉的 预加热作用后到达位于提升管下部的喷嘴处通过气雾化作用进入提升管内，在提升管内 接触到处于高温条件下的再生催化剂并与之发生反应。反应产物中夹带的催化剂在旋风 分离器中得到分离，分离后的催化剂进入再生器后烧掉表面的焦炭恢复其活性。恢复活 性后的催化剂经过溢流管和再生斜管进入反应器进行重复利用。 与并列式的工作原理不同，同轴式的提升管反应器有另外不同的反应与分离流程。 其再生器与沉降器是重叠的，催化剂的循环使用量的调整是通过塞阀实现的。再生后的 催化剂与原料油向上流经提升管反应器，上行速度约为8 18 m s 。并在提升管反应器的 出口处，实现油气与催化剂的快分【5 | 。催化剂进入位于汽提段下面的再生器，反应得到 的油气则经过旋风分离离开沉降器。 7 第二章催化裂化反应器研究综述 2 2 2 改造后的单提升管反应器 为了满足分离效率的要求，对于普通等直径的单提升管要求的长度很大，大约为 3 0 m 以上。为了改变这一情况，产生了许多新型的提升管反应器。常见的主要有变径提 升管反应器、串联提升管反应器和多段进料的提升管反应器等。都是为了达到生产的不 同要求，在原有的提升管结构上进行了不同程度的改造后得到的。下面简单介绍下这三 类新型的提升管反应器。 ( 1 ) 变径的提升管反应器 基于多产气态烯烃的要求，李松年【6 j 等人设计了一种流化催化裂化反应器。根据催 化裂化的原理可以知道，催化剂与油气的接触时间的长短和接触频率是由位于提升管内 的催化剂的浓度来决定的，而提升管中气相介质的流动速度则决定着催化剂的浓度大小 和分布，所以要增大催化剂的浓度就应适度降低气相的出口速度。对于直径不变的提升 管，入口速度约为4 5m s ，而出口速度约为1 5 1 8m s 。流速的加大会减小催化剂的浓 度，不利于提升管反应器内反应效率的提升。为了提高反应效率，只能通过加大提升管 的高度，增长接触时间来实现，就出现了对等直径的提升管反应器最低不低于3 0 m 的要 求。 考虑到以上的原因，对等直径的提升管反应器进行了改进，用变直径提升管来替换 等直径提升管，使得流体的出口与入口流速相当，达到多产气态烯烃的产品结构要求。 经过变径之后，提升管反应器下部的催化剂浓度明显加大，这样一来原料油与催化剂接 触时间可以增长，即可以使催化裂化反应更完全的进行。改进后的新型提升管的高度约 为原提升管高度的1 3 2 3 左右。可以降低催化裂化硬件装置设备的投资。 另外还有一种提升管反应器【6 】结构能实现多产气态烯烃的目的，将提升管分为四段： 预提升段和沿高度划分的三个反应段。气固两相的快速分离系统是由两部分组成：一部 分是下行床其中有多段罩式的多孔气固分离结构，另一部分是旋风分离器，此处的分离 器为闭式的。三段反应区分别由一个进料口，第三个进料管是水平的，且为冷激物质， 这样能尽量减少氢转移反应的进行。前两个反应区的提升管径较大，且都有入口用于原 料油和催化剂进料。此类提升管反应器是通过调整原料性质、催化剂循环量及在提升管 内的停留时间来控制产物组分结构的。 ( 2 ) 串联提升管反应器 中国石油大学( 华东) 的张建芳o 】等人开发了两段式提升管反应器，对原有的单 段提升管反应器进行了尺寸优化和改进，并在此结构的基础上形成了两段式提升管催化 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 裂化技术( t s i 啦c c ) 。两段式提升管催化裂化技术的核心是在两段间插入催化剂的再生 和更换，在两段内分别发生反应。这样就可以在一定程度上提高参与参与反应的催化剂 活性，使得催化反应能更完全的进行，从而提高了反应产物的质量。目前t s r f c c i 型 工艺被广泛应用于工业生产，主要过程是在段间将第一段反应的液化天然气和柴油组分 作为最终产品抽出，这样第二段内的重油裂化可以更方便的进行，同时还可以防止第一 段反应的产物发生过裂化的现象。分为两段后的提升管的灵活性要远远大于单提升管结 构，可以根据生产要求和原料的不同等选择合适的条件来调节两段式的提升管。可以用 于实现多种不同功能的催化裂化要求。例如若第一段中抽出的汽油含烯烃较高需要回 炼，则可以将其混合重油加入第二段的反应器中进行深入反应。在与第二段提升管内的 新鲜催化剂接触后可以使烯烃继续进行催化裂化反应，可以降低最终产品中的烯烃含量 使汽油的质量得到提高；另外如果不许回炼汽油，则可以在第二段提升管入口输入回炼 油，这样就可以提高整个催化裂化的产品产出率。 t s r f c c 技术用于对汽油性质进行改进过程中，与普通提升管催化裂化相比，汽油 中的烯烃含量明显降低，芳香烃和烷烃主要是异构烷烃等的含量则都有一定的增加。 m 口技术【l l 】是用于生产清洁的汽油能源的催化裂化技术，它在提升管反应器上又另 外附加两个反应区的反应器，同时还要求保留提升管反应器的高强度反应。在提升管反 应器的底部设置了第一反应区，在此区内主要进行催化剂与油气的催化裂化反应，这是 处于高温条件下，在短时间内进行的第一次的裂化反应【1 2 1 。此区内停留时间较短，但温 度很高且剂油比很大，因此在此区反应后所产生的烯烃较多。这些烯烃及经过初步处理 的原料油会进入第二反应器内，第二反应器的管径要大于第一反应器，这样催化剂与油 气的流动速度变慢，并且通过急冷介质的注入或者是别的手段第二反应区内的温度会下 降，有利于异构化反应的进行，因此汽油中的芳香烃和异构烷烃的含量会较多。最后反 应产物进入出口区，此区域与提升管出口作用类似，主要是一直过裂化反应，并且管径 缩小可以增加产品的流动速度，使其能更迅速的进入分离器中。李松年l l3 j 等人对两段式 提升管进行了改进，进一步提升了产品的质量与分布结构。 ( 3 ) 多段进料的提升管反应器 由于提升管反应器处理的原料可能发生变化及对产品组成的不同要求例如需要增 大烯烃含量或者汽油改质等等，需要提升管反应能灵活的应用，从而能选择性的实现这 些要求。一般是通过多段进料【1 4 。15 】来实现，就是在提升管的不同高度的设置进料口，通 过改变入口原料的量及产品回炼来实现不同的要求。多段进料技术常见的有k e l l o g g 公 9 第二章催化裂化反应器研究综述 司的设计，从提升管上部进料易裂化的原料油，从提升管底部进料难裂化的原料油，这 样可以提高汽油的产出率并且可以在一定程度上提高原料油的转化率；另外c h e v r o n 和 b p 公司则提出了一种从提升管上下两处进料同一原料的技术，此种技术可以减少氢转 移，使得产品中的烯烃含量增加。多段进料( s f i ) 还可以用于提高汽油的辛烷值。 国内对两段提升管反应器的研究1 1 6 j 也是通过分段进料来满足不同的催化裂化要求 的，提升管内部设有轻烃反应管，可以选择性雾化原料油。为了使催化剂分布更均匀并 且有效的控制剂油比，在轻烃管的出口和入口都设有出入口结构，这些结构不但可以达 到前面的目的，还可以降低催化剂在提升管内的滑落。此类技术的主要有点是可以使得 催化剂能更好的发挥作用，并且原料可以分开按各自的要求进行裂化反应，对于产品的 组成结构有更广的变化空间，还可以提高产品品质。 m g d 工艺【l 。7 】也是一种代表性的催化裂化技术，它将汽油的回炼与分段进料紧密结 合。有三个进料口，提升管的最上为v g o 回炼油入口，往下为渣油入口，继续向下为 汽油入口。催化裂化的汽油在提升管最下部，因此它是最早进入提升管的原料，然后是 渣油，最后进入的是是回炼油，可以在提升管上部加入适量的急冷剂，这要可以有利于 异构化反应的进行，增大芳香烃和异构烷烃的含量。m g d 工艺的目标是在产品中得到 的柴油和液化石油气要尽可能的多，并且最大程度的实现烯烃和硫化物的转化。通过在 广州石化厂进行的工业试验的比较，发现产品中柴油和液化石油气含量明显增加，汽油 中烯烃含量明显降低，说明该技术能实现预想中催化裂化反应的目的。 2 2 3 单提升管+ 床层反应器 为了满足催化裂化中单提升管反应器不能满足的要求，可以采用新型的催化裂化反 应装置或者是将催化裂化反应器进行组合应用。其中最常见的为单提升管与床层反应的 组合【i s - 1 9 。 单提升管与床层反应的组合中其中一种是与环流流化床反应器的组合方式【2 0 】。它的 主要结构就是将一个环形流化床与再生催化剂的冷却器附加到传统的提升管上。它的主 要工作过程是冷却后的部分再生催化剂进入环形流化床，在其中与汽油发生反应，反应 后产物送入进行分离，反应后的催化剂则进入气提区进行气体，部分用于循环利用与汽 油发生反应，其余的进入提升管中与高温的再生催化剂混合，一起与其中的烃类原料发 生反应。在提升管中反应后的物料在沉降器中实现产物与催化剂的分离，分离得到的催 化剂再生后重复利用，分离得到的油气则进入分离系统。此种类型的组合结构，可以实 现在保证汽油辛烷值的前提下，使得其中的烯烃含量减小；环形流化床中进行催化裂化 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 可以带一定程度上较少轻质原料的过裂化反应，另外，催化剂的循环流动，在催化剂量 不变的情况大，增大原料与催化剂的接触可能性，可以在一定程度上提高催化剂的利用 率。 2 2 4 双提升管反应器 由于单程转化率的影响，催化裂化过程一般是在一定的回炼比的条件下进行操作 的。但是由于回炼的原料与新鲜的原料的组成和性质等都不同且差距较大，因此将回炼 油在另外一根并联于原提升管的提升管内进行反应要优于将两者混合后再同一装置中 进行反应。分开进行反应可以选择性的对单根管进行优化操作，不会影响到另一个管内 的反应进行，这样提升管的优化方案就变得更灵活。利用双提升管分开对原料油进行反 应的催化裂化技术的代表有k e l l o g g 和m o b i l 公司的m a x o f i n 工艺操作。下面对几种双 提升管装置进行简单介绍。 、 在前人的专利【2 1 】中对双提升管反应器进行了介绍，烃类等的催化裂化是在第一根提 升管中进行的，第二根管则作为轻质馏分的反应场所。第一根管中烃类与再生后的催化 剂发生反应后产物在第一个旋风分离器中实现分离。产品包括了轻质馏分油和重质馏分 油，对轻质馏分油进行加氢处理后将其引入到第二根提升管中进行继续反应。在第二个 旋风分离器中实现反应后催化剂与油气的分离。 另外，洛阳石油化工工程公司还开发了一种采用双提升管结构的灵活多效的催化裂 化工艺( f d f c c ) ，它可以实现选择性催化裂化、汽油改质并可以提高气体中烯烃含量。 重油提升管也是实现单程的转化，在另外一根温度更高的提升管内进行回炼油的催化裂 化反应。此类催化裂化工艺利用的是一台再生器供热，而对催化剂的输送则是采用两种 不同的形式。 f d f c c 反应器的两个提升管主要有两种连接形式：串联和并联。串联式双提升管 工艺中的催化剂流动过程是其从再生器出来后，先进入气提提升管进行催化裂化反应， 之后在再进入第二个提升管与其中的重油发生反应。与串联不同的是并联的两个提升管 中的催化裂化反应是单独进行的。并联提升管结构与串联相比更具有优势，两根提升管 独立操作灵活性更大并且它可以实现汽油改质、提高液化石油气产量等目的。综合考虑 后发现并联式结构对于上面提到的需求都可以满足。清江石化总厂于2 0 0 3 年对此类催 化裂化技术进行了工业试验。采用单分馏塔和双分馏塔两种流程其中双分馏塔有利于汽 油改质，通过对反应条件进行合理的控制，分析处理流程形式的产品发现，若用于进行 汽油改质的提升管的设计规模要求达到小于3 5 的烯烃体积分率时，无论是双提升管反 第二章催化裂化反应器研究综述 应器f d f c c 工艺的单馏分塔流程或者是双馏分塔流程都能有效的清洁汽油的产量。 综合前面介绍的几种情况发现，对于重质原料油和轻质回炼油的同时加工大致有两 类：采用单提升管分段进料，重质原料油入口设置在提升管的下部，因为它对于催化 裂化反应的影响较大，将轻质油入口设置在提升管靠上的位置。采用双提升管进行相 对单提升管独立的催化裂化工艺处理。不同原料油进入不同的提升管进行反应。这两类 操作都有其各自的优缺点，单提升管分段进料对于原有设备的改动较小，但是对于轻质 油的调节比较困难，不能灵活的操作；双提升管克服了这一缺点，可以单独对每根提升 管管进行调节，这样就能保证对于不同的原料油采取不同的操作条件使其能得到更好的 达到预订的目标。但是，双提升管会花费较大的资金用于设备改建。为了能综合这两种 装置的优点，又能适当的克服他们的缺点，张瑞驰等人开发了一种可以双路进料的套管 式提升管反应器。它是将两种原料的催化裂化反应实现在同一提升管的不同区域内进 行。其中催化剂进入套管提升管之后分两路，一路进入内筒，另一路进入内筒与外管的 环形空间中，催化剂由于受到预提升介质的作用力，会产生自下而上的运动。分别在内 筒与环形空间中与两种原料油发生催化裂化反应。反应产物同时向上运动，在出口处会 合一起去进行分离。 除了上面介绍的两种反应器结构，为了实现更高的反应要求及满足更多的需求，还 有人对三个提升管的催化裂化反应器进行了研究。 2 2 5 下行式催化裂化反应器 目前的催化裂化反应装置多采用的提升管式，但是提升管内的流体的流动是自下向 上的，由于受到重力的作用，因此会难免有催化剂的滑落和返混发生。这些问题随着对 催化裂化反应产品要求的提高及原料油重质化的加剧已经变得越来越明显【2 2 】。 s t o n e w e b s t e r t 2 3 之5 】公司于2 0 世纪八十年代针对这一系列问题，开发了一款气固下行短 接触的全新催化裂化技术。在此反应器中，催化剂是沿着重力的方向向下流动的，原料 油也是于催化剂一起运动，因此可以避免催化剂在提升管中的滑落现象，同时还可以使 得原料与催化剂的混合更加均匀。可以在短接触时间时间的高温环境下生产高辛烷值的 汽油，同时将干气和焦炭的产量降低1 2 6 j 。鉴于以上的优点，下行式催化裂化反应器有可 能会成为重油、渣油催化裂化和轻烃回炼的新一代反应器。 自从气固超短接触反应器的想法被提出后，人们对其进行了技术及应用等多方面的 研究和开发，并且对此反应器内的气固两相流体力学、热传递、混合动力学等等进行了 整体系统的研究，进一步将其与提升管反应器进行了区分，为下行床反应器应用于工业 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 实际提供了可靠的理论支持。表2 1 则详细总结比较了此反应器与提升管反应器内气固 两相流流动规律的不同。 ( 1 ) 与提升管反应器相比，下行床中减少了催化剂的滑落，因此气固轴向返混要 小，催化剂沿径向的浓度均匀性好，流动更理想。 ( 2 ) 在反应器内的气相与固相的停留时间较一致且都很短，这样既有利于催化裂 化反应的进行，同时还可以提高催化剂的选择性与活性。 _ ( 3 ) 气固速度在反应器出口处相当，若下行床较长，固相会大于气相速度有利于 分离的进行。 表2 - 1 下行床和提升管液体力学特性比较 t a b 2 - lt h ef l u i dm e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i c so fd o w n e ra n dr i s e r 下行床提升管比较与分析 气固速度三个运动阶段，固固体速度永远小于气下行床气固停留时间一致，且 傩速度可超过气体速度固体速度可能超过气速，易于 轴速 实现快速分离 压力整个下行床压降分布简单，压降随提升下行床压降比提升管小，有利 向小但分布复杂，且管轴向距离的增大而于分子数增多的目的反应 压降可正可负可 增大 流恒值 体 气体速度颗粒加入后较单 颗粒加入后单相气流气固顺重力场对气囊分布产 力 相气流更为均匀更不均匀生显著影响，使气囊分布更为 学 均匀 特 颗粒速度与气体速度分布速度分布呈抛物线型，提升管中边壁处颗粒速度低， 性 径 相似，此提升管中极不均匀导致颗粒大量返混，气固停留 颗粒速度分布更时间相差大 向加均匀 颗粒浓度下行床中颗粒浓 浓度分布曲线呈抛物下行床颗粒浓度高处速度也 度几乎不随径向线型，极不均匀高，而提升管中与此相反 位置变化，相当均 匀 颗粒混合r t d 单峰，轴向r t d 双峰，轴向混合逆重力场运动使提升管比下 混轴混合小大，部分颗粒停留时间 行床轴向颗粒返混大很多 合向长 行 气体混台扩敌系数小，返混扩敌系数比下行床大下行床中气体轴向混合基本 为小1 2 量级，返混大 接近平推流型 径颗粒混合 当颗粒浓度较小时相当，当颗粒浓度较大时，下行床反应径向混台较小 向 气体混合 径向扩敌系数相当，但下行床反应器随操作条件变化小 1 3 第二章催化裂化反应器研究综述 通过对表2 1 中比较进行分析可以得到，下行床超短接触反应器中原料与催化剂采 用顺重力场向下流动区别于提升管的低重力场上行，可以大大减少流化床的返混和催 化剂滑落现象，可以更好的发挥催化剂的作用也可以对原料油进行更充分的催化裂化 反应。可以用同样的资源创造出更多的产品。 下行床超短接触催化裂化反应器主要具有以下优点：气固停留时间一致且都很短、 气相速度分布均匀且由于顺重力场因此催化剂浓度的速度及浓度浓度沿径向的分布也 较均匀，可以实现较大的剂油比操作。将其用于催化裂化可以对单提升管反应器的很多 缺点进行改进，例如可以克服由于长的停留时间致使催化剂表面结焦严重的问题，还可 以消除由于催化剂的滑落返混引起的过裂化问题。可以提高产物中的轻油回收率，提高 汽油辛烷值。此类反应器还可以对原料中重金属、硫等对催化剂的损害起到一定的抑制 作用，还可以较少这些有害物质对催化剂选择性及活性的损害，可以提高催化剂对原料 的适应性，因此下行床超短接触反应器对于重质油的催化裂化优点尤为明显，应用的经 济性和社会性效益都很好。 但是下行床催化裂化反应器也是存在缺点的：由于原料和催化剂都是在重力作用下 向下运动的，由于重力加速度的作用颗粒速度会增大，因此床层的催化剂浓度会较低。 因此，同样的催化剂量时，其转化率要略低于提升管。 鉴于以上超短接触催化裂化反应器的优点，自2 0 世纪8 0 年代以来，多家国内外的 公司提出了此种结构的专利技术 2 7 - 3 2 】。美国m o b i l 公司的带有下流式反应器提升管催化 裂化反应器，美国t e x a c o 公司的分散相提升管再生器与下流式弹射反应器，k e l l o g g 公 司还设想了一种未来式的催化裂化反应器，u o p 公司的专利中将上流式再生器与下流式 反应器组合称为一个整体系统。下面主要介绍其中的几种反应器形式。 n i c c u m 等人【3 3 】提出了一套催化裂化反应系统，其中是将稀相提升管再生段与下行 床相结合，它的主要工作原理是：在稀相提升管内实现催化剂的再生操作，再生后进入 脱气罐除去烟气，依靠重力的作用在阀门的控制下进入下行床内与沿径向喷入其中的原 料油接触发生催化裂化反应。此类反应器可以通过对反应温度、压力等的控制来控制产 品的组成。 m o b i l 公司【3 4 】贝u 是研发了环流式下行管段接触反应器，此种反应器的催化剂与原料 油的接触是错流式的，催化剂是通过锥形阀形成了一个环形的帘状，而原料油则在下方 的环形内喷出。两者接触发生反应是在环形的下行式反应器中。这种流动方式可以强化 两者的混合均匀度有利于催化裂化反应的进行。 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 对于下行式超短接触的催化裂化反应器报道较多的是m s c c 也就是毫秒催化裂化 技术 3 5 - 3 6 。它的工作原理是：催化剂与环流式的进料相似，也是形成一个“帘幕 ，而 进料则垂直穿过催化剂的帘幕，然后产物进行快分，这样可以大大减少了二次反应的进 行，有利于减少结焦量并能适度增加产物中的汽油与烯烃的含量，同时还较少了有害物 质对催化剂的毒害，可以降低整体的生产成本。此类技术的第一次工业应用是在新泽西 州对传统的催化裂化装置的改进，将其改造为应用m s c c 技术的装置。在1 9 9 4 到1 9 9