提升管预提升段内颗粒径向密度分布的特点范怡平 卢春喜 时铭显(石油大学机电工程系,北京102200) 摘要 在冷态试验的基础上通过理论分析,说明了在催化裂化提升管反应器预提升段内,混合加速区、均匀加速区、充分发展区分别可以看作是三维流场、二维流场及一维流场。
针对充分发展区提出了无量纲因数 表示径向密度分布的不均匀特征,并根据分析 的增减性,验证了采用增加气速、边壁注气、缩放形管技术可改善提升管径向密度分布的可行性。
主题词:提升管反应器 流体流动 流动性控制 众所周知,提升管内颗粒密度和速度的分布特征为:在轴向上,颗粒密度分布呈现由下到上逐渐减小的趋势,并可以将整个提升管分为底部密相区和顶部稀相区,而颗粒群的速度则是沿轴向由下至上逐渐增大;在径向上,其密度分布的特点则为边壁浓、中心稀的环-核结构。
形成这种分布状况的原因一直是人们关注的重点。
1 预提升段内颗粒相流动的特点文献[1]针对目前工业装置操作的实际特点,在气体线速2.25～5.1m/s、较高质量流速(38～215 kg/(m2・s))的情况下进行了研究。
通过对试验结果的分析可看到:提升管预提升段在其流动方向上可以分为混合加速区、均匀加速区和充分发展区。
在这三个区内,沿轴向颗粒速度逐渐增加,平均密度逐渐降低。
从连续方程和质量组分方程来看,这三个区内的流动特性是不同的。
当采用拟流体模型,在柱坐标下颗粒相的连续方程和质量组分方程[2]为:( (rv r)/r r+ v /r + v z/ z)+ / t=0(1)/ t+v r / r+v /r +v z / z=D j[ (r / r)/r r+ 2 /r2 2+ 2 / z2](2) 假定:(1)经过一段时间,流动趋于稳定,即 / t=0;(2)对于某一微元体而言,其内部气固两相混合物的总密度不随时间改变;(3)流场处于湍流状态,即v r=v-r+v′r,v =v- +v′ ,v z=v-z+v′z混合加速区:由于呈现明显的偏心结构,所以有 / ≠0;另外由于颗粒处于加速状态,即 v z/ z≠0。
根据连续方程,这个区间内应有宏观的径向流动速度v r和周向流动速度v 。
均匀加速区:此时偏心状况已经消失,浓度分布呈对称的环-核结构,可以认为 / =0;但此时颗粒仍处于加速状态,即 v z/ v≠0。
根据连续方程,此区域内必有宏观的径向流动速度v r。
充分发展区:在此区域内,由试验(图1给出了在U g= 4.3m/s,不同质量流速G g情况下平均密度沿提升管轴向的变化规律)可以看出,沿轴向床层的平均密度基本保持不变,所以可以认为 / z= 0。
另外,该区域内,径向不存在浓度分布的偏心状况,同均匀加速区一样,仍然呈对称的环-核结构,并且此时颗粒的加速过程已经完成,所以有: / =0, v z/ z=0。
由连续方程知,该区域内没有宏观的径向流动速度,但在径向上仍有随机的脉动速度v′r。
也就是在某一微元体内,在径向r的方向上有以脉动速度v′r的流体进出,但微元总质量保持不变。
综上所述,混合加速区是一个典型的三维流场,均匀加速区可认为是一个二维流场,而充分发展区则可看作是一维流场。
收稿日期:1999-01-11。
作者简介:范怡平,1989年考入西北大学化学工程系化工设备与机械专业;1993年至1996年在西安交通大学攻读化工流体机械专业的硕士学位;从1996年至今在石油大学(北京)机电工程系攻读博士学位。
石 油 炼 制 与 化 工1999年11月P ET RO L EU M PR OCESSIN G A N D P ET RO CHEM ICA LS第30卷第11期 图1 沿提升管高度平均密度分布1—G s =105k g/(m 2・s);2—G s =118kg/(m 2・s );3—G s =132kg /(m 2・s )2 预提升段充分发展区内径向颗粒密度分布的特性通过上面的讨论,对于充分发展区质量组分方程可以写作v ′r d /d r =D j (d 2 /d r 2+d /r d r )(3) 无量纲化:令r ~=r /R ,则r =r ~R ,d r =R d r ~,d r 2=R 2d r ~2,方程(3)可以化为v ′r d R d r ~=D j (d 2 R 2d r ~2+dR 2r ~d r~)(4)解方程(4)得d /d r ~=Ce r ~/r ~=C e /r~(5)式(5)反映了提升管充分发展区内颗粒密度沿径向的变化规律,其中C 是一个随该截面平均密度递增的正常数,而 =Rv ′r /D j , =Rv ′r r ~/D j 恰都是无因次的量。
可推导得到:∝R r ~k /D j L(6)其中,v ′r 表示r 向的湍流脉动速度,k 表示湍流动能的大小,L 为湍流尺度, 为弛豫时间。
和 的表达式均反映了在提升管内的气固两相流动中,存在着两种扩散势,一种是以径向脉动速度为推动力,另一种则以浓度差为推动力。
可以被称为径向密度分布影响系数,而 则可被称作径向密度分布不均匀系数。
由此看出,提升管内颗粒相密度的分布主要受管径、径向脉动动能及扩散系数的影响。
的值越大,颗粒相沿径向的密度分布越不均匀。
另外,在方程的推导过程中,尽管采用了无因次化,但是得到的结果仍与提升管的管径有关,而这正是流化床试验结果难以直接放大应用到工业装置的原因。
由于式(5)反映了提升管预提升段充分发展区内催化剂沿径向浓度分布的状况,即d /d r ~的值越大,则该处的密度分布曲线越陡,而d /d r ~的值越趋于零,则该处的密度分布越均匀。
令f (r ~)=d /d r ~=C e r~/r~求一阶导数考察其增减性:f (r ~)==C e r ~( r ~-1)/r ~2 当C e r ~和r ~2均大于零,只须讨论 r ~和1的大小关系。
一般 的分母D j 的值极小;除非在极靠近边壁处,v ′r 的量级在床内大多在0.1m /s 左右。
因此 r ~=rv ′r /D j 的值大于1,所以f (r ~)在大多数情况下大于零,即f (r ~)是一个递增函数。
随着径向位置r 的增大,沿径向密度分布曲线越来越陡。
关于这一点,与前人以及本试验的结果相一致。
在极其靠近提升管壁面处,此时由于极靠近壁面,所以脉动速度由于壁面的存在而急剧减小,逐渐趋于零,当rv ′r 的量级小于D j 的量级时,即( r ~/D j )<1时,此时f (r ~)为递减函数,即随着r ~值的增大,d /dr ~的分布曲线应是趋于平坦,催化剂颗粒沿径向的密度分布逐渐趋于均匀(由于这一部分的厚度很薄,受试验技术及条件的限制,尚未见有关这方面的文献发表)。
此区间可以称作两相流湍流边界层的层流内层。
与单相流体的湍流边界层的层流内层相类似。
图2(图上的点)给出了在某种操作条件下,某一截面的径向平均密度分布的试验结果。
由此结果通过多项式拟合,就可以求得 的表达式为: =45.9-0.569r ~+34.753r ~2+253.053r ~3-531.741r ~4+411.104r ~5(图上的细线)。
由此可算得r ~d d r ~与r ~的关系,并与式(5)比较,就可以拟合出式(5)中的两个常数:C =1.429、 = 6.409, = r ~。
由此可见, 随着r ~的增加而增大,也就是密度沿径向的变化越来越图2 提升管某截面的密度分布H =6.5m ;U =5.1m /s ;G s =11k g /m 2s57第11期 范怡平等.提升管预提升段内颗粒径向密度分布的特点 大,这与图2的试验结果相一致,说明 的值能反映径向浓度分布的不均匀程度。
3 改善径向密度分布的措施从上面的分析可以看到,d /d r~=C e /r~=C e r~/r~反映了提升管内颗粒相的密度分布。
所以,若想改其浓度分布,就要减小d /d r~的值。
在某一半径处,若想改变其分布状况,必须从减小C值和 值处入手:(1)由于d /d r~=C e /r~=C e r~/r~,所以C值直接影响到颗粒沿径向的密度分布,如前文所说,C值是一个随该截面平均浓度递增的正常数。
试验证实:气体线速的提高可使截面催化剂的平均密度下降,也就是使C下降,从而d /d r~的值减小,因此使得颗粒沿径向的密度分布更均匀些。
即:在同一颗粒循环率的情况下,气速的提高可以使整个截面的平均密度下降,从而使分布趋于平坦。
(2)边壁注气技术,边壁注气一方面使该截面的流通面积减小,相当于减小R值,另一方面边壁上气体的吹入可以使该截面的平均密度降低,从而降低了C值。
另外,颗粒相平均密度的降低将会使颗粒群的弛豫时间降低(这是因为颗粒群的驰豫时间 = -2.65 p d p(1+R e p0.667/6)-1/18 [3],在此处 是气相体积分率,由于边壁注气使注气处的气相体积分率增大,由该表达式可知 值将减小)从而 的值将变小。
因此使该截面的浓度分布得到改善。
在这方面,石油大学机电系孙国刚[4]等做了相应的工作。
(3)采用缩放形管,这是因为:气动参数在连续变化的情况下,在缩小段,直径R变小,减小了 的值,使该截面的密度分布变得均匀,而在扩大段,由于颗粒具有惯性,继续保持原有的运动趋势,在壁面和颗粒之间形成了一个气垫,从而改善了密度分布。
中国科学院化工冶金研究所的李静海[5]等曾做过这方面的工作,他将此解释为:截面的缩小段破坏了能量最小化的过程,扩大段内则是由于有惯性作用,使整个截面的密度分布得到改善。
4 结 论(1)根据试验结果,并通过理论分析,提升管预提升段在轴向上可分为混合加速区、均匀加速区、充分发展区。
混合加速区为三维流动区,均匀加速区可近似认为是两维流动区,而充分发展区则可看作是一维流动区域。
(2)在充分发展区内,无量纲因数 =Rv′r r~/D j 表示径向浓度分布的(不均匀)状况。
(3)根据分析 的增减性,采用增加气速、边壁注气、缩放形管技术可以改善提升管径向浓度的分布。
符号说明C——常数;D j——分子扩散系数,m2/s;d p——催化剂颗粒直径,m;R——提升管直径,m;R e——雷诺数;r——径向分量;t——时间,s;U g——气体线速,m/s;v——颗粒速度,m/s;z——轴向分量;——径向浓度分布不均匀系数;——径向密度分布影响系数;——周向分量;——颗粒相分密度,kg/m3;——粘性系数,Pa・s;——气相体积分率;——颗粒群的弛豫时间,s。
上标′——脉动;～——无量纲。
下标p——颗粒;r——径向分量;z——轴向分量;——周向分量。
参考文献1 范怡平,晁忠喜,卢春喜等.催化裂化提升管预提升段气固两相流动特性的研究.石油炼制与化工,1999,30(9):43～472 王启杰.对流传热与传质.西安:西安交通大学出版社,1985.25 3 陈俊武等.催化裂化工艺与工程.北京:中国石化出版社,1995.5394 孙国刚,李静海等.中国专利.98108512.19985 李静海,别如山,郭慕孙等.中国专利.91216163.9.199158 石 油 炼 制 与 化 工 1999年 第30卷 THE FEATURES OF RADIAL DENSITY DISTRIBUTIONOF PARTICLES IN RISER PRE -LIFT ZONEFan Yiping Lu Chunxi Shi M ingx ian(U niv er sity of Petr oleum ,Beij ing 1022007)Abstract Ex perimentsw hich taken acco unt on the actually operating co nditions o f the pre-liftzone in FCC reactors w er e carried o ut .The ex perim ental and the theoretical analysis results demonstrated that the m ixed accelerate zone,the unifo rm accelerate zone and the fully developed zone can be treated as a one-dimension flow ,a tw o-dimension flo w and a three-dim ensio n flow respectiv ely.A dim ensionless pa-rameter to state the non-uniformity o f the radial density distribution,and the probability of impr oving the radial density distribution by m eans of increasing the gas velocity ,injecting g as from the w all and using a diam eter-changed riser w ere presented.Key Words :riser line reacto r ,fluid flo w ,m obility co ntrol59第11期 范怡平等.提升管预提升段内颗粒径向密度分布的特点 。
