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(1.洛阳明远石化技术有限公司， 河南 洛阳 471000；2.内蒙古工业大学 能源与动力工程学院， 内蒙古 呼和浩特 010051)

流化催化裂化(FCC)是非常重要的石油炼制工艺，其反应过程主要在提升管反应器内完成[1]。提升管反应器内部分为4个反应功能区，分别为预提升区、进料混合区、充分混合区和充分发展区。其中，进料混合区是最重要的区域，进入此区域的原料油与催化剂要在很短时间内完成混合、气化以及60%～70%的裂化反应，油剂接触和混合状况将直接影响产品分布及反应收率[2]。

提升管进料区的油剂接触和混合状况复杂，同时受工艺操作条件和设备进料结构形式的影响[3]。作为输送进料的专用结构，进料喷嘴的作用是决定性的，对不同形式进料喷头的混合性能展开研究具有实际意义[4]。受提升管进料区内多股侧向射流的影响，现有的实验测量技术很难实现提升管进料混合区所有流动与混合的直接定量。文中采用计算流体力学(CFD)方法对进料喷嘴喷头的类型进行了分析和研究[5]。

1 进料喷嘴常用喷头出口类型

1.1 喷头单一扁平出口型

目前，国内使用的主流FCC进料喷嘴的喷头大部分是扁平结构，包括BWJ型、LPC型、CS型和UPC型等[6-7]，典型的喷头单一扁平出口型进料喷嘴见图1。

图1 单一扁平出口型进料喷嘴

扁平出口类型的进料喷嘴也有其他多种改进形式，例如，在喷头处增加二次雾化蒸汽、改变喷头出口内部过渡段等。这类进料喷嘴的特点是，可将原料油气呈薄扇形喷出，喷嘴对称布置产生的喷雾射流可以覆盖到整个提升管截面，雾化油滴速率适中，既能穿透上升的催化剂流股，又可减少提升管充分混合区返混，不使催化剂产生较大的破碎损耗，有利于延长催化剂的工作周期。单一扁平出口喷头类型的进料喷嘴工况适应性好，方便操作。因此单一扁平出口喷头类型的进料喷嘴在国内得到广泛应用。

1.2 喷头多孔出口型

多孔类型喷嘴是近年出现的进料喷嘴出口类型，在国内外均有应用，包括UOP的 Optimix型、DM型等。典型的多孔类型喷头见图2。

在头部设置孔洞，孔洞成椭圆形布置是这类喷嘴的基本结构形式。在设计实践中，多孔喷头又逐渐演变出一些变化形式，例如在喷孔内加耐磨件、孔洞成异形分布等。此类进料喷嘴应用的共同特点是，原料具有良好的统计分布与空间分布特性，平均液滴粒径较小、粒径分布较窄、极少出现大液滴，而且原料油气空间分布可以达到无死区效果。

图2 多孔出口型进料喷嘴

此类型进料喷嘴结构更有利于原料油均匀、迅速、充分地与催化剂接触。但同时，由于增强穿透力需要原料油气有较高的初速度，因此会导致进料局部流速较高，不利于催化剂长周期工作。

2 进料喷嘴数值模型及求解

2.1 几何模型与边界条件

某180万t/a FCC装置提升管高35 m，底部直径0.8 m，上部直径1.2 m，采用8支进料喷嘴，进料喷嘴与提升管中线的夹角为45°。对此提升管建模，见图3。图3的几何模型中，原料油进口边界条件为，原料油质量流量225 t/h，蒸汽质量流量6.75 t/h，温度523.15 K；提升管进口的边界条件为，催化剂循环质量流量1 384.8 t/h，蒸汽质量流量6.92 t/h，温度923.15 K；提升管出口边界条件为，压力166.713 kPa，温度763.15 K。

图3 流化催化裂化装置提升管及4种喷嘴几何模型

图3的几何模型包括提升管模型和编号为Ⅰ～Ⅳ的4种类型提升管进料喷嘴模型。Ⅰ号模型表示进料喷嘴出口设置于提升管与进料喷嘴相贯线处，不设置喷头，直接喷入提升管内。Ⅱ号模型表示喷头多孔出口型进料喷嘴。Ⅲ号模型表示进料喷嘴深入提升管一段距离，同样不设置喷头。Ⅳ号模型表示进料喷嘴喷头为扁平出口型。

2.2 计算模型

2.2.1曳力模型

在FCC流体流动的数值计算过程中，相比于颗粒应力，曳力的作用更为关键[8]，曳力系数对流动影响显著，进而影响数值计算结果。而FCC提升管内流动的非均匀结构对曳力有重要影响，需要在曳力模型中考虑非均匀结构的影响，在数学物理模型选择中采用基于EMMS的曳力模型[9-10]。

此模型通过建立稳定性条件将宏观整体行为和单颗粒作用行为进行耦合，模型数学表达式如下。

其中

曳力模型通常表示为βuslip，β为相间动量传递交换系数，uslip为滑移速度，m/s。上述各数学表达式中，CD为单颗粒标准曳力系数；Re为提升管内的流动雷诺数；dp为颗粒直径，m；εp为固相的体积分数；εg为气相的体积分数；ρg为提升管内气相密度，kg/m3；vp和vg分别为提升管内催化剂速度和油气速度，m/s。

2.2.2传热模型

FCC提升管内的传热模型非常复杂。原料油气化过程中的热量变化采用two-resistance模型。原料油和催化剂之间传热采用lavieville-et-al模型，此模型可用于模拟气体界面传热系数，在这个模型中假设气相的蒸发和冷凝是快速发生的，这个特征符合原料油喷入提升管后快速气化的现象[11]。催化裂化油气和催化剂之间采用nusselt-number模型，这个模型是传热的通用模型，适用于一般形式的热量交换。

two-resistance模型描述热量变化的数学公式如下。

在气相(原料油汽化后为气相)介质中：

在液相(原料油喷入时为液滴)介质中：

2.2.3化学反应模型

集总方法是研究FCC提升管内反应最为普遍的一种方法[12-13]。它是将提升管内复杂的反应按其反应动力学性质的相似性划分为若干虚拟组分，用1个虚拟组分代表反应动力学相似的反应集总，通过构建虚拟组分之间的反应网络来表达提升管内的整个反应[14]。集总组分划分见表2，详细反应网络、反应速率常数和活化能可参看文献[15]。

表1 十二集总反应动力学模型各集总划分

3 计算结果与分析

3.1 油气迹线及速度

采用Ⅰ～Ⅳ号喷嘴进料模拟催化剂在提升管进料混合区的油气迹线气相速度，见图4。图4显示，Ⅰ号和Ⅲ号喷嘴的油气流动方向和流动速度分布相似，这是因为Ⅰ号和Ⅲ号喷嘴结构相似。在相同的流速下，Ⅲ号喷嘴中的油气比Ⅰ号喷嘴的更接近提升管中心区域，这是因为Ⅲ号喷嘴比Ⅰ号喷嘴向提升管内部多了一段延伸。

对比图4各型号喷嘴流速及迹线可知，Ⅱ号喷嘴、Ⅲ号喷嘴和Ⅳ号喷嘴在进料混合段中喷出的原料油与催化剂的混合状态不同，Ⅱ号喷嘴的流动迹线分布比其他型号喷嘴均匀，进料喷嘴的喷头出口类型影响提升管进料混合段的流动。Ⅱ号和Ⅳ号喷头结构形式使得其比Ⅲ号喷嘴的原料油流通截面积小，原料油的出流速度高于Ⅲ号喷嘴。原料油速度提高之后具有更强的穿透力，可以使得原料油到达提升管的中心区域。Ⅱ号喷嘴的结构形式增加了原料油轴向分布的扩张角，使得原料油在进料混合段的空间分布特性优于Ⅳ号喷嘴。

3.2 催化剂分布

采用Ⅰ～Ⅳ号喷嘴进料模拟提升管进料混合区横断面上的气相体积分数，见图5。从图5可见Ⅲ号喷嘴的气相体积分数分布比I号喷嘴均匀，所以Ⅲ号喷嘴的油气与催化剂混合状态优于I号喷嘴。Ⅱ号喷嘴和Ⅳ喷嘴的气相体积分数在提升管进料混合区有更好的空间分布特性，其油气与催化剂混合优于Ⅰ号喷嘴和Ⅲ号喷嘴。Ⅱ号喷嘴的油气在进料混合区的气相空间分布特性优于其他进料喷嘴出口类型。

图5 不同进料喷嘴后0.15 m切面气相体积分数

采用Ⅰ～Ⅳ号喷嘴进料模拟催化剂在提升管进料混合区的轴向分布，得到的催化剂体积分数见图6。从图6可知，随着提升管向上延伸，Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ号喷嘴催化剂慢慢回流到边壁，在此过程中有利于油气与催化剂进行充分混合。Ⅱ号喷嘴对应的油气呈多股细圆柱状喷出，可以穿过提升管的催化剂到达提升管的中心区域，喷出的原料油可以具有不同的入射角，并且可以调整原料油的入射角，完全覆盖提升管进料混合段的截面。但原料油气需要更高的速度才能到达提升管中心区域，不利于催化剂长周期工作，并且催化剂在提升管边壁的密度大于提升管中心区域，不利于提升管充分混合区油气与催化剂充分混合。

图6 不同喷嘴提升管内催化剂体积分数

3.3 温度分布

采用Ⅰ～Ⅳ号喷嘴进料模拟提升管进料混合区的轴向油气温度分布，见图7。

对比图7与图6可知，提升管内的反应温度分布与催化剂体积分数分布相似，在催化剂体积分数较高的区域，可以观察到高温。

图7 不同喷嘴提升管内温度分布

从图7可知，Ⅱ号喷嘴提升管进料混合区具有较好的温度分布，这有利于原料油在进料混合区迅速气化，沿进料混合区向上可观察到边壁温度高于中心温度。Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ号喷嘴的出口类型使得在提升管进料混合段的温度分布不均匀，边壁与中心温差较大，不利于原料油迅速气化，原料较重时较易结焦，但沿提升管向上，在提升管充分混合区温度分布较为均匀。

4 结语

进料喷嘴不同的出口类型对FCC装置提升管内的催化剂分布有不同的影响，尤其在提升管进料混合段和提升管充分混合区的催化剂分布不同，进料混合段是重要区域，但是对喷嘴性能的评价不能只看进料混合段的催化剂分布，需要整体考虑。

多孔进料喷头在进料混合段有较好的分布，但其在提升管充分混合区的分布不好，且入射初速度较高，容易造成催化剂磨损。而扁口喷嘴在油气进料混合段分布较多孔喷头差，但油气与催化剂在提升管充分混合区分布较好。两种出口类型的喷头有各自特点，出口扁平的喷头操作弹性大，处理较轻组分原料油优势明显，而多孔喷头适合处理组分较重的原料油。