双循环流化床提升管中气固流动特性及接触效率研究
2016-04-11韩超一吴文龙李春义
韩超一，吴文龙，陶 蕾，李春义
(1.中国石油大学(华东)重质油国家重点实验室，山东 青岛 266580；2.石油和化学工业规划院)
双循环流化床提升管中气固流动特性及接触效率研究
韩超一1，吴文龙2，陶 蕾1，李春义1
(1.中国石油大学(华东)重质油国家重点实验室，山东 青岛 266580；2.石油和化学工业规划院)
以催化裂化平衡剂和常温空气为介质，在新型双循环流化床冷态模拟装置上，考察了单、双侧下料结构、双路循环颗粒循环速率比例对提升管内气固流动状态的影响，并提出了一种新的气固接触效率的概念。结果表明：单、双侧下料结构的不同对提升管内颗粒浓度的分布影响不大，其差异主要体现在提升管预提升区和底部反应区；双侧下料时的颗粒浓度径向分布均匀性明显优于单侧下料，且两路颗粒循环速率越接近，颗粒浓度径向分布越均匀，轴对称性越好，气固接触效率越高；降低表观气速或增大颗粒循环速率均有利于提高气固接触效率。
双循环流化床 下料结构 颗粒浓度 径向分布均匀度 轴对称性 气固接触效率
目前，双循环流化床反应器的设计理念已经应用于实际炼油化工过程中，以改善装置的操作灵活度，提高目的产物收率，或适应更高质量的产品需求，如UOP公司研发的能同时提高转化率和选择性的RxCat工艺[1-2]，中国石化石油化工科学研究院为生产清洁汽油组分开发的催化裂化MIP新工艺[3-5]，中国石化洛阳工程有限公司为实现重油高效催化裂化增产丙烯和生产清洁汽油开发的FDFCC-Ⅲ新工艺[6]，以及中国石化上海石油化工研究院及石油化工科学研究院为提高MTO过程中低碳烯烃选择性而提出的双循环流化床反应器的设计思路[7-8]等。此外，本课题组开发的甲醇制丙烯联产清洁汽油工艺[9]，为解决由于配套分子筛催化剂[10-11]积炭量少，无法满足再生器内烧焦要求的问题，引入双循环流化床反应器的设计思路。该工艺中，部分待生剂直接返回反应器底部，在循环过程中持续挂焦，同时实现能量的部分利用；其余待生剂进入再生器中完成烧焦过程，两路循环同时运转，即可解决上述问题。
目前，对双循环流化床中气固流动行为的研究鲜有报道。虽然朱丽云等[12-13]提出了一种带有两股催化剂混合结构的类似双循环的反应器形式，并对该结构内气固流动机制进行了研究，但是该结构中一股进料为间歇式的，无法实现两路循环的长时间连续稳定运转。此外，可引入气固接触效率来反映该反应器形式的特点。由于理解的不同，研究者们提出了不同的定义，Geng等[14]对此进行了汇总。本课题组致力于提出一种简单准确的接触效率计算方法，以期能对不同反应器结构及操作条件下的气固接触状况进行定量分析。
实验在改造的双循环流化床冷模装置上进行，在装置稳定运行的基础上，主要考察单、双侧下料结构和双路循环颗粒循环速率比例对提升管内气固流动状态的影响，并提出一种新的气固接触效率的概念，以期为实际工业装置的稳定运转以及双路循环的灵活调控提供理论依据和操作经验。
1 实 验
1.1 实验介质
固体介质采用催化裂化平衡剂，平均粒径91 μm，颗粒骨架密度1 500 kgm3，堆密度938 kgm3，其筛分组成见表1。流化介质为常温空气，压力为0.18 MPa(表压)，体积流量由转子流量计控制。
1.2 实验装置及操作条件
实验在双循环流化床冷模装置(示意见图1)上进行。装置主体材质为有机玻璃，主要由提升管(总高10.6 m)、伴床、立管、测量筒、气固分离设备、气体分布板、连接管路、相应的控制阀件(电动蝶阀及三通球阀)等组成。提升管在接近常压下操作，自下而上分为预提升区(高度H<0.8 m)、底部反应区(0.8 m
表1 实验用固体颗粒的筛分组成
图1 双循环流化床实验装置示意1—预提升管与分布板；2—喷嘴；3—提升管；4—沉降器；5—挡板；6—布袋过滤器；7—旋风分离器；8、9—三通切换阀；10—伴床；11—气体分布板；12，13，14，15—下料蝶阀；16—测量筒；17—缓冲罐；18—环管气体分布器；19—立管
1.3 实验流程
双循环流化床主要包括主、副两个循环回路，其颗粒循环路径分别如下所示：
实验时，来自伴床的固体颗粒经下料斜管进入提升管底部，预流化气经分布板，使颗粒均匀流化，颗粒经气体提升，到达提升管顶部后受到挡板阻碍，部分颗粒落入沉降器内，其它颗粒则被气体携带绕过挡板进入旋风分离器中，经进一步气固分离后，颗粒落入伴床内，完成颗粒沿主循环的循环流动过程，旋风分离器顶部气体则经后续的布袋除尘器处理后放空。随着装置运行时间的延长，沉降器内料位会逐渐升高直至与提升管出口持平，此时，缓慢调节沉降器底部下料阀14至全开，并调节立管底部下料阀15至一定开度，颗粒将沿立管向下流动，返回提升管底部，可实现副循环回路的循环流动过程。
双路循环同时运转一定时间后，整个装置运行达到稳定，之后即可进行颗粒浓度、颗粒循环速率等参数的测量。在对装置的局部结构进行适当调整后，仍可实现单路循环的运行过程，用以对比单侧与双侧进料的结构差异对提升管内流动特性的影响。
1.4 测量方法
根据气体体积流量计算表观气速Ug，并采用切换法测量两路颗粒循环速率Gs[15]。以主循环颗粒循环速率Gs1测定为例，在装置达到稳态后，切换旋风分离器底部三通球阀至测量筒，同时记录一定时间(10 s)内落入测量筒内的颗粒高度，根据测量筒尺寸及颗粒物性计算得出Gs1；同理，副循环颗粒循环速率Gs2通过切换立管上部三通阀至测量筒并计算获得。提升管内总颗粒循环速率Gst为Gs1与Gs2之和。
采用中国科学院过程工程研究所研制的PC-6D型光纤探头测定变径提升管内的局部颗粒浓度εs，采样频率为1 000 Hz，采样时间为32 s。在提升管上沿轴向设置12个测量点，各点高度H(以提升管底部分布板为基准)分别为0.72，0.95，1.20，1.51，1.68，1.82，2.14，3.35，5.35，6.18，7.26，8.09 m，其中H为0.72 m和1.51 m处从4个不同方向(W，N，E，S)对同一截面的径向颗粒浓度分布进行测量，以考察单、双侧进料形式对提升管内气固流动状态轴对称性(即沿各径向分布的相似性)的影响。采用等面积法在截面上沿径向设置11个测量点，对应无因次半径rR(r为径向位置，R为提升管内径)分别为0，0.158，0.382，0.497，0.590，0.670，0.741，0.806，0.866，0.922，0.974，床层各截面平均颗粒浓度为中心点以外各径向测量点εs的算术平均值[15]。
2 结果与讨论
2.1 颗粒浓度轴径向分布
鉴于单、双侧下料结构的差异对提升管内预提升区和底部反应区影响较大，而对上部输送区基本无影响，因此本研究着重对提升管下部两区域进行考察。
图2 单、双侧进料结构下颗粒浓度轴径向分布单侧下料：■—Ug=6 ms，Gs1=120 kg(m2·s)；▲—Ug=8 ms，Gs1=120 kg(m2·s)。 双侧下料：●—Ug=6 ms，Gs1=Gs2=60 kg(m2·s)；s，Gs1=Gs2=60 kg(m2·s)
2.2 双路颗粒循环速率比例变化的影响
2.2.1 双路颗粒循环速率比例对预提升区的影响 提升管预提升区(H=0.72 m)内W，N，E，S 4个方向测得的颗粒浓度径向分布如图3所示。由图3可见，εs在径向上均呈现出“中心低，边壁高”的分布形式，且根据εs在径向上的变化趋势，大体上可划分为中心区(rR<0.3)、过渡区(0.3
图3 预提升区不同测量方向单、双侧进料下颗粒浓度径向分布测量方向：■—W；●—N；▲—E；
双侧下料时(见图3b～图3d)，εs径向分布的轴对称性明显改善，且两路Gs越接近，εs分布的轴对称性越好。当Gs1Gs2比值为1时，N和S方向测得的εs大小相近，且略高于W和E方向；而当Gs1Gs2比值远离1时，Gs大的一侧εs高，其对侧εs相对较低。另外，各方向测得的εs的差异仍主要集中在中心区和过渡区，但与单侧进料相比，其差距明显较小。因此，双侧下料能明显改善预提升段内εs径向分布的轴对称性，从而削弱由于颗粒偏流所导致的气固分离。
单、双侧下料结构不同所造成的εs分布在轴对称性上的差异，主要是因颗粒在入口处的混合程度不同导致的。两侧同时下料时，颗粒在入口处的碰撞、混合程度加剧，极大地促进了整个截面内颗粒的均匀分布；而单侧下料时，靠近下料侧的εs高，其余位置处主要受到入口颗粒的初速度和扩散传递作用影响，颗粒之间由于混合作用弱，抑制了整个截面内的颗粒均匀分布。
为定量表征不同轴向位置处颗粒浓度径向分布的不均匀程度，Zhu等[16]提出了径向不均匀指数RNI(εs)，定义为某截面上各测量点颗粒浓度的标准差σ(εs)与相同平均颗粒浓度下可能达到的最大标准差σ(εs)max的比值，如式(1)所示。RNI(εs)取值在0～1之间，其值越小说明εs径向分布越均匀。
(1)
维持Gst不变，Gs1与Gs2比例的变化对预提升段内RNI(εs)的影响如图4所示。由图4可知，单侧下料时，W，N，E，S 4个方向的RNI(εs)均明显大于双侧下料操作下的RNI(εs)，而且Gs1Gs2比值越接近1，RNI(εs)的数值越小，这说明双侧下料形式能显著改善颗粒在径向上的分布情况，且两侧Gs越接近，越利于截面εs的均匀分布。另外，双侧下料方式下，从不同比例Gs下的W，N，E，S 4个方向上的RNI(εs)波动程度的对比情况可知，双侧下料时的Gs越接近，截面上εs径向分布的轴对称性越好。
图4 预提升区不同测量方向的RNI(εs)分布
2.2.2 双路颗粒循环速率比例对底部反应区的影响 图5给出了两侧颗粒循环速率比例不同对底部反应区(H=1.51 m)内颗粒浓度径向分布的影响。由图5可知，W，N，E，S 4个方向测得的εs径向分布仍具有一定的差异，但4个方向上εs径向分布的差异主要体现在过渡区和边壁区，而在中心区的颗粒浓度分布基本一致，这可能是由于该轴向高度位置处中心区已经基本实现完全发展。这符合文献[17]中报道的规律，即固体颗粒在提升管内径向上遵循从中心向边壁的发展规律。整体上看，两侧下料时(图5b～图5d)，底部反应区内εs径向分布的轴对称性明显优于单侧下料时(图5a和图5e)，并且两侧下料的Gs大小越接近，整个截面的εs径向分布轴对称性越好。因此，双侧下料Gs比例仍对底部反应区内εs分布的轴对称性影响显著，且比例越接近1∶1，提升管内气固流动结构的轴对称性越好，越有利于消除气体的偏流和气固两相的分离现象，从而提高气固接触效率，促进催化反应的进行。
图5 底部反应区不同测量方向单、双侧进料颗粒浓度径向分布测量方向：■—W；●—N；▲—E；
反应区内W，N，E，S 4个测量方向上的RNI(εs)大小如图6所示。双侧进料方式下的RNI(εs)仍低于单侧进料方式下的RNI(εs)，虽没有预提升段所受影响明显，但仍基本遵循Gs1和Gs2越接近，RNI(εs)越小的规律，这进一步说明两侧下料Gs越相近，径向颗粒分布越均匀。此外，由RNI(εs)在各个方向上相对大小可以看出，两侧下料Gs越接近，其εs径向分布的轴对称性越好。
由此可知，底部反应区内的RNI(εs)以及轴对称性仍受双侧Gs比例的影响，且比例越接近1∶1，越有利于消除气体偏流，削弱气固两相分离程度，提高气固两相接触效率。
图6 底部反应区不同测量方向的RNI(εs)
2.3 气固接触效率
2.3.1 接触效率的定义 本研究提出的气固接触效率定义主要从颗粒浓度的大小及其径向分布的均匀程度两方面进行考虑。气固接触效率是一个相对的概念，在此定义理想的固定床操作下的气固接触效率为100%，因为在理想的固定床中，颗粒呈密堆积，且颗粒径向分布完全均匀，此时气体若通过床层，必定与固体接触，如图7(a)所示；随着Ug的增大，固体颗粒床层进入流化状态，逐渐呈现出各种流态下的分布形式，颗粒浓度的降低(见图7(b))以及颗粒径向的不均匀分布(见图7(c))均会导致气固接触效率降低。综合以上两点，给出气固接触效率的定义，如式(2)所示。
CE=εsr×[1-RNI(εs)]×100%
(2)
式中：εsr为相对颗粒浓度；[1-RNI(εs)]为颗粒径向分布均匀度。RNI(εs)计算方法见式(1)，εsr计算方法见式(3)。
(3)
图7 几种床层形式下气固两相接触情况
2.3.2 双路颗粒循环速率比例对接触效率的影响 图8给出了提升管底部反应区内(H=1.51 m)气固接触效率随双路循环颗粒速率比例变化的关系。由图8可知，在Gst为100 kg(m2·s)不变的前提下，Gs1Gs2比值改变对气固接触效率有明显的影响，比值接近1时，气固接触效率最高，比单路循环下最多提高近3百分点。主循环单独进料时的气固接触效率略高于副循环单独进料，从单路操作向双路循环操作的变化过程可明显看出，双路循环操作下的气固接触效率有所提高，且Gs1Gs2比值越接近1，接触效率越高。由前文分析可知，双路循环操作有利于颗粒浓度的径向均匀分布和轴对称性的提高，因此气固两相的接触效率得到提高，有利于增强气固催化反应的强度。
图8 Gs1Gs2比值对气固接触效率的影响
2.3.3 操作条件对接触效率的影响 在双侧进料且进料比为1∶1时，操作条件变化对提升管底部反应区内(H=1.51 m)气固接触效率的影响如图9所示。由图9(a)可知，维持Gst为100 kg(m2·s)不变，Ug由4 ms增至8 ms时，气固接触效率从16.5%快速降至9.0%，且降幅也逐渐增大。这主要是因为随着Ug增加，虽然颗粒分布更加均匀，但降低，因而极大地减弱了气固两相间的接触与混合程度，气固接触效率下降。另外，由图9(b)可知，维持Ug为6 ms不变，Gst由50 kg(m2·s)增至150 kg(m2·s)时，气固接触效率从12.3%增至15.8%，且增幅较为平缓。Gst增大增加，虽然颗粒浓度径向分布均匀性有所下降，但综合作用的结果使得气固接触效率提高。
图9 操作条件对气固接触效率的影响
3 结 论
(1) 单、双侧下料结构的不同总体上对颗粒浓度的轴径向分布影响不大，二者的差异主要体现在提升管预提升区和底部反应区，双侧下料时的颗粒浓度比单侧下料时略高。
(2) 双侧下料时颗粒浓度径向分布均匀性明显优于单侧下料，且两侧下料颗粒循环速率比越接近1∶1，颗粒浓度径向分布越均匀，各方向的轴对称性越好。
(3) 提出了包含颗粒浓度大小及其径向分布均匀程度两方面信息的气固接触效率的定义，且双侧下料、等比例进料、降低表观气速和提高颗粒循环速率等，均有利于提高气固接触效率。
[1] 金阳，晨葵.催化裂化工艺技术新进展[J].石油知识，2011(5)：22-24
[2] Spretz R，Sedran U.Operation of FCC with mixtures of regenerated and deactivated catalyst[J].Applied Catalysis A：General，2001，215(1)：199-209
[3] 许友好，张久顺.生产清洁汽油组分的催化裂化新工艺MIP[J].石油炼制与化工，2001，32(8)：1-5
[4] 唐津莲，崔守业，程从礼.MIP技术在提高液体产品收率上的先进性分析[J].石油炼制与化工，2014，46(4)：29-32
[5] Tang Jinlian，Gong Jianhong，Xu Youhao.Flexibility of MIP technology[J].China Petroleum Processing and Petrochemical Technology，2015，17(3)：39-43
[6] 陈曼桥，孟凡东.增产丙烯和生产清洁汽油新技术——FDFCC-Ⅲ工艺[J].石油炼制与化工，2008，39(9)：1-4
[7] 张同旺，武雪峰，宗保宁，等.一种含氧化合物催化转化制备低碳烯烃的方法：中国，CN103073377A[P].2013-05-01
[8] 齐国祯，钟思青，张惠明，等.甲醇或二甲醚转化为低碳烯烃的反应装置：中国，CN101333141B[P].2008-12-31
[9] 尤廷正.甲醇选择性制丙烯和清洁汽油工艺技术研究[D].青岛：中国石油大学(华东)，2014
[10]Yu Qingjun，Chen Jing，Zhang Qiang，et al.Micron ZSM-11 microspheres seed-assisted synthesis of hierarchical submicron ZSM-11 with intergrowth morphology[J].Materials Letters，2014，120(4)：97-100
[11]Meng Xiaojing，Yu Qingjun，Gao Yanan，et al.Enhanced propeneethene selectivity for methanol conversion over pure silica zeolite：Role of hydrogen-bonded silanol groups[J].Catalysis Communications，2015，61：67-71
[12]朱丽云，范怡平，卢春喜.带中心管的两股催化剂颗粒混合预提升结构中的流动特性[J].过程工程学报，2014，14(1)：9-15
[13]朱丽云，刘泽田，范怡平，等.FCC提升管两股催化剂混合预提升结构内颗粒混合特性的研究[J].高校化学工程学报，2014，28(3)：510-517
[14]Geng Qiang，Wang Ping，Zhu Xiaolin，et al.Flow dynamics and contact efficiency in a novel fast-turbulent fluidized bed with ring-feeder internals[J].Particuology，2015，21：203-211
[15]宫海峰.新型变径提升管反应器实验研究[D].青岛：中国石油大学(华东)，2010
[16]Zhu Jingxu，Manyele S V.Radial nonuniformity index (RNI) in fluidized beds and other multiphase flow systems[J].The Canadian Journal of Chemical Engineering，2001，79(2)：203-213
[17]黄卫星，漆小波，潘永亮，等.气固循环床提升管内的局部颗粒浓度及流动发展[J].高校化学工程学报，2002，16(6)：626-631
STUDY ON GAS-SOLID FLOW CHARACTERISTICS AND CONTACT EFFICIENCY IN DUAL-LOOP CIRCULATING FLUIDIZED BED RISER
Han Chaoyi1，Wu Wenlong2，Tao Lei1，Li Chunyi1
(1.StateKeyLaboratoryofHeavyOilProcessing，ChinaUniversityofPetroleum(EastChina)，Qingdao，Shandong266580；2.ChinaNationalPetroleumandChemicalPlanningInstitute)
Effects of the feeder structures with single or double sides and the ratio of solid circulation rates from both sides on the gas-solid flow characteristics in riser were investigated in a cold model apparatus with a novel dual-loop circulating fluidized bed using FCC equilibrium catalyst and room temperature air as test medium.A new definition of gas-solid contact efficiency was proposed to evaluate the reactor.Results show that the feeder structures have very little impact on the axial and radial distribution of solid concentration when the solid enters into the riser from one or two sides and the differences mainly lie in the pre-lifting and bottom reaction zone of the riser.When the solid enters from the two strands bilaterally into the riser bottom，the solid contribution presents a better radial distribution than that of only single strand of solid feeding，and the closer the solid circulating rates of the two loops，the better radial uniformity and axial symmetry of solid concentration profiles as well as the higher gas-solid contact efficiency.And the higher gas-solid contact efficiency could be obtained when decreasing superficial gas velocity or increasing solid circulation rates.
dual-loop circulating fluidized bed；feeder structure；solid concentration；radial uniformity extent；axial symmetry；gas-solid contact efficiency
2015-08-28；修改稿收到日期：2015-10-25。
韩超一，硕士研究生，从事化学工艺及流态化等方面的研究工作。
李春义，E-mail：chyli@upc.edu.cn。
国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2012-CB215006)。
