陈 博，杨 涛

(中国石油化工股份有限公司大连石油化工研究院，辽宁 大连 116045)

减压渣油是石油炼制过程中馏分最重、杂质含量最高、最难以加工的桶底油[1]。随着原油重质化、劣质化的不断加剧，减压渣油的性质也不断劣化。为解决减压渣油加氢处理反应过程中催化剂床层结焦堵塞的问题，需要采用新的反应器形式。浆态床催化剂具有较小的粒径，可以随着减压渣油一起流动，因而不会发生催化剂床层堵塞等问题，更适用于减压渣油临氢热裂化[2]。浆态床反应器可采用类似鼓泡床反应器的形式，通过液体自身流动带动反应器内部流体循环，从而达到延长停留时间、提高传质效率和增加反应深度的目的[3]。然而复杂的反应器内部循环与反应进程存在相互耦合作用，需要理论工具对其进行模拟计算，才能充分反应反应器内部的多相流动现象。因此，本文针对鼓泡床反应器渣油临氢热裂化体系建立了基于欧拉法的多相反应CFD模型，系统考察了鼓泡床反应器内部的流场动态演化规律，为反应器设计和内部流场考察提供了指导。

1 模型建立

1.1 流体力学模型

鼓泡床反应器中，氢气以气泡形式上升运动采用欧拉法进行模拟；催化剂颗粒粒径较小，其流动状态可采用Granular欧拉法模拟。

多相欧拉法的连续性方程为：

N-S方程为：

气相与液相、气相与固相相互作用采用Schiller-Naumann模型：

液固作用采用Syamlal-O'Brien模型：

1.2 网格划分

图1 鼓泡床反应器网格

CFD模型的关键在于网格划分质量。网格通过ICEM软件进行结构性划分，各分块示意图如图X所示。利用分块划分网格的方法，可以保证网格质量。从图1中可以看出，浆态床反应器的网格质量非常良好，可以充分保证多相流计算的准确性和收敛性。

1.3 反应动力学模型

渣油的组成十分复杂，根据质谱分析，其分子量分布构成就多达数十万至数百万种[4]。在反应动力学计算，尤其是CFD流体力学模拟过程中，无法设计、拟合复杂的反应网络，因此必须采用集总模型对其进行简化。根据渣油反应过程中产品切割标准，可以将渣油组分划分为VR(Vacuum Residue)、VGO(Vacuum Gasoil)、Diesel、Gasoline、Gases和Coke。渣油的临氢热裂化反应动力学模型采用6集总动力学模型反应动力学网络如图2所示。

图2 渣油临氢热裂化反应动力学网络

反应动力学速率由阿伦尼乌斯公式计算

(5)

反应动力学参数见表1。

通过分析活化能可以发现，渣油的转化反应随着温度提高速率上升较快，但初始速率较低，因而渣油向VGO的转化以热裂化为主，需要在高温下进行；渣油生焦的反应速率较低，但活化能低、温度升高时反应速率上升迅速，说明高温下渣油组分更易生焦，这与渣油反应转化规律一致。

表1 反应动力学常数

2 结果与讨论

2.1 反应器相含率分布

鼓泡床反应器中，影响反应最显著的因素是反应器的相含率分布。图3为反应器中液含率分布的动态变化规律。可以发现，随着时间的进行，反应器中的液相逐渐上升，最后在反应器中形成循环流动。

鼓泡床反应器的气相相含率分布如图4所示。通过对比图3和图4可以发现，鼓泡床反应器内由于气液同时进入反应器，二者的流场动态变化规律有一定一致性。这种现象是由于反应器内气泡处于均匀分散状态，不会形成柱塞流等非理想流动状态，因而气泡可以被液体夹带移动，使二者流场动态变化规律较为接近。

图3 鼓泡床反应器液体相含率分布

Fig.3 Distributions of gas phase fraction in the reactor

图4 鼓泡床反应器液体相含率分布

2.2 反应器速度分布

图5为反应器内气速与液速分布的对比。从图5中可以发现，在液相界面之上，气体具有较大流速，这是由于气相空间中气体较低的粘度使其受到较小的阻力，因而气体可以在气相空间中快速移动。

由于气泡被液体夹带，其受到的曳力远大于重力和气泡自身的浮力，因而气液混相区域，气体和液体的速度分布较为一致，这与之前的结论相符。

图5 速度分布对比

Fig.5 Velocity distributions in the reactor

2.3 反应器流动特点

鼓泡床反应器的流动特点为中心向上、边壁向下。但本研究中，鼓泡床反应器具有液相采出口，因而造成其内部流动必然存在非对称性。图6对比了反应器流动初始状态下流场特点和运行317 s后的流场流动特点。可以发现，在流体流动初期，由于上升流体并未接触非对称的液相采出口取余，因而其流场呈现对称的中心向上、边壁向下的流动形式，这与景点的鼓泡床反应器一致；然而随着内部流动趋向于稳定，进出反应器的流量相平衡，此时反应器内部的流动变为了逆时针环流。

图6 反应器流动特点

Fig.6 Streamlines of the reactor flows

这种现象说明在具有侧面液相采出口的鼓泡床反应器中，由于反应器非对称的特点，必然造成反应器内部流场呈现一定的不对称性。但从停留时间角度考量，进入反应器中的流体都将经历向上和向下流动，因而从宏观角度来讲，反应器中的物流停留时间并未发生显著改变。但出于工程角度考虑，鼓泡床反应器应增加内构件等帮助纠正改善流场，减少非对称性可能造成的影响。

2.4 渣油转化反应与流场耦合作用

图7 流场、反应耦合效应

鼓泡床反应器中渣油的转化效果与相含率分布、速度分布、组分浓度分布密切相关。图7考察了反应器内液相相含率、渣油组分浓度、液相速度分布对渣油转化反应速率的影响。

从图7中可以发现，液相相含率高、渣油组分浓度较高的区域，渣油转化反应速率更高。此外，对比反应器中液相速度分布与渣油反应速率分布的关系可以发现，液相速度较高的区域并不一定对应反应剧烈的区域。这是由于反应进行需要一定时间，而当反应发生后，由于液体流动的关系，体现出的转化速率并不一定和该处的速度分布相关联。

结合图7(a～d)可以发现，鼓泡床反应器内的流场与反应速率具有较强的关联特性。利用该性质，可在冷模反应器中考察流场，进而推断反应器内可能的反应构造，提高实验结果的适用范围。同时，通过本文建立的渣油临氢热裂化鼓泡床反应器模型，可以有效的对反应器内流场与反应耦合作用进行考察，进而指导实际反应器设计过程。

3 结论

本研究建立了多相流鼓泡床反应器的反应模型。该模型通过嵌入渣油临氢热裂化反应动力学模型，系统考察了反应器内的流场特点、相含率分布、速度分布和流场-反应耦合特性。研究结果表明，在气体以气泡形式充分分散在反应器内部时，气液两相的流场分布具有一致性；由于反应器液相出口破坏了反应器的对称性，随着内部流体的运动，反应器内流场从初始的对称状态逐渐转变为整体环流，但对停留时间几乎无影响。对流场-反应耦合作用的考察表明，鼓泡床反应器中流场分布与反应速率分布具有一定的一致性，可通过流场推测反应进程和反应效果，进而指导反应器和工艺设计。