２００３年第３２卷增刊
石油化工
ＰＥＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ８６３再生器流动数学模型的发展
郑晓军，张璞，高金森，徐春明
（石油大学（北京）重质油加工国家重点实验室，北京１０２２４９）
［摘要］再生器是催化裂化工艺的重要组成部分。众多研究者对再生器的数学模型进行了研究，从最初的拟均相模型到多相多区模型，并取得了很大的成果，但这些模型均是基于各自实验研究得到，因而应用受到很多局限。目前随着计算能力和数学模型的发展，使用ＣＦＤ（计算流体力学）３－法进行流化床的模拟计算成为可能。ＣＦＤ模型的流动计算基于基本守恒方程（质量、动量、能量、组分）进行计算，相对于以前众多的经验关联模型．ＣＦＤ计算模型具有更广泛的适用性，也是未来发展的方向。
［关蕾词］催化裂化；再生器；流体动力学；数学模型
［中田分类号］ＴＱ０１８［文献标识码］Ａ
从催化裂化工艺诞生以来，对再生器内烧焦、流动的研究就一直在进行。但是由于流化床内部颗粒与流体的复杂的流体力学因素、流化床复杂的几何因素、以及广阔的流态化范围，建立一个通用模型是非常困难的，大多数工业流化床的设计、放大及最优化在很大程度上依赖于经验。
在流化床内焦炭的燃烧并非均属于化学动力学控制，在很大程度上要受到床层内流动状况的影响，所以对再生器内流动状况的描述正确与否，对于正确地理解再生器内的烧焦过程具有重要的作用。
１经验关联模型的发展
１．１拟均相模型
拟均相模型是将流化床看成是一个拟均相系统，利用工业装置提供的数据用公式进行简单关联得到。其中代表性的模型有如下几个：
（１）以ＥＳＳＯ公司为代表的拟均相再生器模型“１。该模型由Ｍｅｔｃａｌｆｅｌ、山ＶＩ隆章在６０年代提出的，是以拟均相假设来描述再生器密相区反应。拟均相不考虑气泡的存在，而将所有气体视为一相呈活塞流状态，而催化剂颗粒则为全返混，不考虑稀相区的影响。
（２）ｍｎｌｏｃｏ公司与Ｐａｃｅ公司使用的再生器设计模型“Ｊ。Ｆｏｒｄ在拟均相假设的基础上，考虑了稀相区对反应转化率的影响，建立了再生器数学模型。其密相与拟均相假设相同，稀相采用密度分布方式来计算。该模型由于待定参数规律性差，验证困难，造成计算误差比较大。其再生器出口氧气氧含量的计算与实测值相比，误差达一７０％～＋３５．７％。
（３）Ｓａｐｒｅ的ＦＣＣ再生器流动模型＿２Ｊ。Ｓａｐｒｅ在拟均相的前提下，鉴于工业装置再生器大多属于浅床（Ｈｆ／Ｄ＜１），虽然有些装置的Ｈｆ／Ｄ＞１，但催化剂出、入口间垂直距离与床径之比一般都小于ｌ，因此可以认为在床层密相区、轴向混合均匀而径向浓度变化采用两维平面流来求解。
这些模型的共同点是将整个流化床内的流动认为是均相流动丽不是非均相多相流，因而与再生器内的实际情况相差很远，造成计算结果误差太大，应用范围局限很大。
１．２多相模型
自从Ｔｏｍｅｙ和Ｊｏｈｎｓｏｎ提出两相模型理论以后，对于流化床反应器的数学模型研究就及其活跃，但这些模型大都集中在鼓泡床方面，而且模型的不同大都在气泡的状态及气泡、气晕相的传质方面，表１就是这些模型的大体分类情况ｆ３ｊ。
卢春喜…对湍流流化床的流动行为进行了研究，提出了三区模型。他认为再生器可以分为分布器区、密相区和稀相区，提出了建立在气泡聚并破碎机理上的密相床气泡轴向分布模型，首次给出了气泡分率的径向扩散模型，并从稀相区湍流扩散机理出发，推导得到了新的稀相夹带颗粒浓度及ＴＤＨ计算模型。
魏飞【４Ｊ对循环床再生器进行了研究，他将再生器分为４个区：预提升管区、快速床区、稀相管区和第二密相区。他对再生器烧焦罐使用郭慕孙的快速床固定轴向分布模型，对输送床假定仅存在沿轴向的固体密度分布，同时认为径向分布是均匀的。
崔蔚…５等人提出了～个烧焦罐模型，认为工业催化裂化再生装置的烧焦罐是在很高的气速下操作
作者简介］辉晓军（１９６９），男，山东省东营市人，博士生，电话０１０—８９７３３７７５，电邮ｚｈｅｎｇｘｊ＠Ｎｐｅｕｅｄｕｃｎ。
石油化工
８６４‘ＰＥＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬＴＥＣＨＮＯＩ，ＯＧＹ２００３年第３２卷
的，因而认为烧焦罐的气固相均为平推流，可用拟均相平推流模型来模拟烧焦罐内的反应过程，这样假设使模型大大简化，当然与工业再生器的实际情况的差别也大。
由上面的介绍可以看出，这些模型大致上可分为两类：第一类是建立在拟均相前提下的活塞流或扩散模型，如ＥＳＳＯ、Ａｍｏｃｏ、Ｐａｃｅ、Ａｖｉｄａｎ及Ｓａｐｒｅ模型均属此类。第二类是建立在鼓泡流化床流动模型基础上的两相或三相模型，如Ｋｕｎｉｉ、Ｋｒｉｓｈｎａ等的模型。
研究流化床再生器数学模型的目的是想不经过中间实验，只根据实验室或中试的研究结果来外推工业规模再生器的性能，从而比较科学地解决流化床再生器的放大问题。但是从上面对经验关联模型的介绍可以看出，这些模型均由各自的实验结果关联得到，当描述的对象条件变化时均需要进行调整与改变，而这种调整与改变又需要新的实验来验证，这就使模型的通用性受到很大的影响。从而开发出来的模型很难应用于再生器的设计。迄今为止人们尚不能直接运用实验室的结果放大建立工业装置。这是关联模型的固有缺陷，因此需要从新的角度、用新的方法来描述再生器内气固流体的流动情况。计算流体动力学（ＣＦＤ，ＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌＦｌｕｉｄＤｙｎａｍｉｃｓ）的出现与发展无疑为我们提供了这样一种可能。
２流化床的流体动力学模拟概述
近二十多年以来，随着计算机的发展和物理模型的完善，ＣＦＤ方法成为解决流体输运过程的一种实用方法。ＣＦＤ方法是通过建立各种条件下的基本守恒方程（包括质量、动量、能量以及组分方程等），结合初始条件和边界条件，加上数值计算理论和方法，从而实现预报真实过程各种场（如流场、温度场、浓度场等）的分布，以得到对过程的详细了解。许多研究者利用ＣＦＤ模拟技术，对流化床中流动行为进行了模拟并初步取得了令人满意的成果。
对于流化床中气固两相流动的数值模拟主要分为两种方法：欧拉（Ｅｕｌｅｒ）方法和拉格朗日（Ｌａ—ｇｒａｎｇｅ）方法。欧拉方法是将颗粒作为拟流体，认为颗粒与流体是共同存在且相互渗透的连续介质；拉格朗日方法是将流体作为连续介质，颗粒视为离散体系在Ｅｕｌｅｒ坐标下考察流体相的运动，在Ｌａ—ｇｒａｎｇｅ坐标下研究颗粒的运动。
欧拉方法中应用最广泛的是双流体模型，而拉格朗日方法中应用比较多的则是颗粒轨道模型。由于颗粒轨道模型需要考虑单个颗粒的轨迹，当系统包含的颗粒数目庞大时，其计算量急剧增长，在目前的计算条件下只能用于稀疏的气固两相流计算。目前在工程计算中应用比较多的是采用欧拉方法的双流体模型，其中基于颗粒动力学理论的双流体模型是目前最先进的双流体模型。文献”。“对这些模型进行了综合性的介绍和描述。
颗粒动力学理论基于由Ｃｈａｐｍａｎ和Ｃｏｗｌｉｎｇ提出的经典的稠密气体分子运动理论…Ｊ。在这个
增刊郑晓军等：再生器流动数学模型的发展８６５
理论中，通常用到的热力学温度被颗粒流动温度所替代，而且颗粒的粘度和颗粒的应力是颗粒温度的函数，在流化床中随着时间和位置的变化而变化。Ｄｉｎｇ和Ｇｉｄａｓｐｏｗ［１２１使用颗粒动力学双流体模型模拟ｒ一个二维流化床的流动情况，模拟得到的时均孔隙率变化与实验值相符合，同时计算得到了气泡的生成和流化床中颗粒的流动图像，与实验值和观察到的现象相吻合。Ｂｏｅｍｅｒ等＿１“采用同样的模型对■维流化床进行了模拟，得到了固体分数沿床层变化及气泡长大等详细信息，预测结果与实验结果相符。Ｇｅｒａ等＿１４Ｊ用该模型对大颗粒流化床的气泡行为进行了模拟，模拟得到的气泡形成、长大、运动及在床层表面的破碎等情况与实验结果定性一致。但是目前两相流模型还很不完善，由于流体运动的复杂性，目前对流体之间的相互作用缺乏机理性的认识，造成在目前的两相流模型中处理相间各种关系的方程仍然基于单颗粒模型或者一些经验模型，这也使计算结果与实际结果在定量上不能做到很好的相符。
３结论
经验关联模型由于其固有的缺陷，不能科学地解决流化床再生器的放大问题。而ＣＦＤ方法是从流动机理角度出发，因而具有更广泛的通用性。虽然目前由于对复杂流动现象的了解不够造成ＣＦＤ方法仍然具有不完善之处，将其应用于再生器的计算仍然不能得到十分准确的结果，但随着对复杂流动机理研究的深入和计算能力的提高，将ＣＦＤ方法应用于再生器的模拟计算及工业放大必将成为现实。
参考文献
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（编辑李治泉）
再生器流动数学模型的发展
作者：郑晓军， 张璞， 高金森， 徐春明
作者单位：石油大学(北京)重质油加工国家重点实验室(北京)本文链接：https://www.doczj.com/doc/c012308085.html,/Conference_4403254.aspx