不同形状垂直筛板流化床性能

董 群，孙 征，贾 昭，王淑彦

（1.东北石油大学 石油与天然气化工省重点实验室，黑龙江 大庆163318；2.中国石油 大庆炼化分公司，黑龙江 大庆163411；3.中国科学院 过程工程研究所，北京100190；4.东北石油大学 石油工程学院，黑龙江 大庆163318）

催化裂化再生器由于气泡的存在，使得气-固传质差、固相返混大。研究不产生气泡、气-固接触好的新型内构件，是强化再生过程的一个重要途径，对重油催化裂化和气-固流化技术发展有重要的意义。

目前，许多研究者［1-3］报道了设置内构件的流化床气-固流化行为。国内外现有的内构件有挡板、格栅和填料等。挡板内构件能消除节涌、破碎气泡、强化气-固相接触、抑制颗粒返混和提高传质效率，在挡板上开孔、添加导流部件、增设水平多孔挡板、催化剂旋转导流叶片等［4-6］可以提高挡板的性能。朱丙田［7］、张振千［8］、洛阳石化工程公司［9］、 卢春喜［10］、张英等［11］研究的格栅比表面积较低，可抑制气泡的合并，增强气-固接触效率；填料结构阻力小，传质效率高，比表面积大，破碎气泡效果好；挡板易形成沟流，削弱了颗粒在流化床内的循环强度；由于流通路径的曲折性和宽度所限，填料易被焦块堵塞，形成催化剂流动的死区。

目前，垂直筛板用于气-液分离装置，具有处理能力大、压力降小、操作弹性大、气速高等优点［12］。在国内外未见将垂直筛板用于气-固流化床内构件的研究报道。

笔者考察了3种形状的气-固相流化床垂直筛板的内构件结构和操作条件对床层压力降的影响。

1 实验部分

以Y型催化裂化CRC-1平衡催化剂作为本研究中的固体颗粒。该催化剂颗粒属A类颗粒，平均粒径65μm，颗粒密度1213kg／m3，堆积密度792kg／m3。

1.1 实验装置及实验方法

实验装置的塔体采用有机玻璃，有3层塔板，中间塔板为实验板，上、下层塔板分别为颗粒和气体分布板。颗粒从上向下流动，气体从板孔处进入帽罩，气-固两相并流向上通过帽罩孔喷射后，颗粒落到塔板上，通过降料管溢流到下一层塔板。测量循环量时，将提升管出口切入含有滤芯的测量瓶中，Δt时间后再将提升管切回。测量瓶中颗粒的质量（m），则循环量（qm，kg／h）由式（1）计算。

1.2 垂直筛板

垂直筛板由塔板和透明材料的帽罩组成，结构如图1所示。塔板中心圆形升气孔与帽罩同心固定。板上有2个降料管和4个流化孔，流化孔流化塔板上的颗粒。帽罩顶2／5的侧壁有筛孔，罩体底部缝隙为颗粒的通道。进行不同帽罩对比实验时，帽罩截面积和高度、帽罩孔面积与板孔面积之比均相同。

图1 流化床垂直筛板结构示意图Fig.1 Schematic diagram of vertical sieve tray structure in fluidized bed

2 结果与讨论

2.1 流态化过程中的能量转化和损失

（1）气体通过板孔后，节流增速动能增加，使帽罩底隙处静压力降低，为低压区。

（2）气流通过板孔后，流道突然扩大，气速下降，转为静压能。压力有所回升，在板孔与帽罩壁之间形成1个静压增高的涡流区。由于板孔的缩放作用，造成能量损失。

（3）在气-固两相流向上运动的过程中，压力降低。气-固、固-固间的摩擦造成能量损失，颗粒的加速和运动均消耗气体的能量。

（4）颗粒与气体到达帽罩顶，动能转化为静压能，帽罩顶附近的区域压力最高。颗粒间反复碰撞，颗粒反向折回后与上升气-固两相相互碰撞，引起剧烈湍动，造成能量损失。

（5）在帽罩开孔区，气-固相经帽罩开孔的缩流，静压能转化为动能。帽罩孔处的壁面属于低压区。气-固两相由帽罩孔的缩放作用，造成能量损失。

2.2 流化床床层压力降的影响因素

2.2.1 板孔气速

图2为板孔气速对流化床床层压力降的影响。由图2可知，床层压力降随着板孔气速的增加而增大，不同形状帽罩按压力降从大到小排列的顺序为方型帽罩、圆型帽罩、倒锥型帽罩。不同形状的帽罩的气体流动状况不同。在帽罩底部喷射板附近有2个涡流区，涡流区大小与板孔气速和塔板伸入罩内的范围有关。方型帽罩的对角线长，涡流区大；倒锥型帽罩的底面积与圆型相同，越向上其截面积越大，气速变小涡流区减少，因此，倒锥型帽罩的压力降小。由图2还可知，有颗粒流化时，床层压力降明显大于没有颗粒流化的干板压力降。表明气体提升颗粒，克服气-固两相流动产生的阻力远大于气体通过板孔和帽罩孔时收缩、膨胀以及在帽罩内改变方向引起的阻力损失。实验发现，当气速较小时，圆型帽罩的筛孔都有固体喷出；气速大时，只从顶端的第1排孔水平喷出。方型帽罩越靠近棱角的地方喷射量越多。倒锥型帽罩各排孔都喷料，且向斜下方喷射，当板孔气速达到5.5m／s后，可明显看出帽罩底隙被吹开，而圆型帽罩没有被吹开。帽罩内气速大，气-固并流属快速流化床，帽罩内没有气泡，气-固接触状况好；气速越大，通过流化孔进入到塔板料层气体越多，流化越好。

图2 板孔气速（v）对流化床床层压力降（Δp）的影响Fig.2 Influence of gas velocity（v）in tray hole on bed pressure drop（Δp）of fluidized bed

2.2.2 固体循环量（qm）

图3为固体循环量对流化床床层压力降的影响。由图3可见，床层压力降随着循环量的增加迅速增大后又降低。随着循环量的增加，板上料层高度增加，颗粒进入帽罩内的量增加，压力降增大。当循环量增加到一定程度，由于板孔气速一定，板孔处的静压不变，又由于帽罩底隙一定，帽罩外颗粒料位堆积增高增大了颗粒间内摩擦力，使进入帽罩的阻力增大，进入帽罩内的固体循环量有所减少，使压力降下降。

图3 固体循环量（qm）对流化床床层压力降（Δp）的影响Fig.3 Influence of circulation rate of solid（qm）on bed pressure drop（Δp）of fluidized bed

2.2.3 帽罩孔面积与板孔面积之比（S（Cap）／S（Hole））

图4为S（Cap）／S（Hole）对流化床床层压力降的影响。由图4可见，S（Cap）／S（Hole）增加，帽罩开孔面积增大，气-固两相流喷出帽罩速率减小，阻力减小，床层压力降随S（Cap）／S（Hole）的增加逐渐减小。当圆型帽罩和方型帽罩的S（Cap）／S（Hole）＞2.5，倒锥型帽罩的S（Cap）／S（Hole）＞3.0，对压力降无影响。气-液垂直筛板塔S（Cap）／S（Hole）大于某一值时，S（Cap）／S（Hole）对压力降不再有影响［13］。气-固流化的S（Cap）／S（Hole）达到一定值后对压力降也无影响。实验发现，当S（Cap）／S（Hole）＜1.2时，有流化风底隙会被吹开，S（Cap）／S（Hole）＝1.2时，板孔气速大于3.96m／s底隙也会被吹开，S（Cap）／S（Hole）应大于1.2。无论哪种形状的帽罩，S（Cap）／S（Hole）增大，喷射量增大。

图4 帽罩开孔比（S（Cap）／S（Hole））对流化床床层压力降（Δp）的影响Fig.4 Influence of cap opening ratio（S（Cap）／S（Hole））on bed pressure drop（Δp）of fluidized bed

2.2.4 板孔面积与帽罩截面积比（S（Hole）／S（Cap sectional））

实验发现，随着板孔面积的增大，漏料点逐渐增大，但是流化状态越来越好，喷出量越来越多。图5为S（Hole）／S（Cap sectional）对流化床床层压力降（Δp）的影响。由图5可知，当帽罩截面积一定时，随着板孔面积的增大，即S（Hole）／S（Cap sectional）增大，床层压力降下降；板孔面积减小，压力降增大。当S（Hole）／S（Cap sectional）达到0.42，压力降几乎不再变化，适宜的S（Hole）／S（Cap sectional）为0.42。

图5 板孔面积与帽罩截面积之比（S（Hole）／S（Cap sectional））对流化床床层压力降（Δp）的影响Fig.5 Influence of S（Hole）／S（Cap sectional）on bed pressure drop（Δp）of fluidized bed

2.2.5 帽罩底隙高与板孔孔径之比（h／dt）

图6 帽罩底隙高与板孔径之比（h／dt）对流化床床层压力降（Δp）的影响Fig.6 Influence of h／dton bed pressure drop（Δp）of fluidized bed

图6为板孔孔径一定时，h／dt对流化床床层压力降的影响。由图6可知，方型帽罩的压力降最大，圆型帽罩略大于倒锥型帽罩的。帽罩底隙高度影响进入帽罩内的颗粒量，帽罩底隙小，进入帽罩的颗粒量少，压力降低。随着帽罩底隙高度的增加，进入帽罩的颗粒量增加，气-固、固-固之间的摩擦增大。当h／dt小于0.36时，进入帽罩内的颗粒量少，没有流化和气-固喷射；当h／dt为0.64时，可看到轻微的板孔漏料以及底隙吹开，当h／dt大于0.64时，板孔漏料及底隙吹开严重。由此可知，帽罩底隙高与板孔孔径之比在0.36～0.64之间合适。

2.2.6 帽罩筛孔径（dc）

图7为开孔率一定，改变帽罩筛孔径（dc）对流化床床层压力降的影响。由图7可知，dc的变化不影响床层压力降。

图7 帽罩筛孔径（dc）对流化床床层压力降（Δp）的影响Fig.7 Influence of cap sieve hole diameter（dc）on bed pressure drop（Δp）of fluidized bed

2.2.7 倒锥型帽罩夹角（θ）

图8为倒锥型帽罩与垂直线的夹角（θ）对流化床床层压力降的影响。由图8可知，当气速一定时，压力降随θ的变化很小。

图8 倒锥型帽罩与垂直线的夹角（θ）对流化床床层压力降（Δp）的影响Fig.8 Influence ofθon bed pressure drop of fluidized bed

3 结 论

（1）气-固两相在垂直筛板流化床床层内逆流流动，在帽罩内气-固并流接触，呈快速流态化，无气泡，流化好，床层压力降波动小。

（2）在垂直筛板流化床床层内，气体提升颗粒，克服气-固两相流动产生的摩擦阻力远大于干板压力降；不同型式帽罩压力降不同，方型的压力降最大，圆型与倒锥型的压力降基本相同，倒锥型帽罩夹角对压力降影响小，向下喷射可抑制颗粒夹带。

（3）垂直筛板流化床床层压力降随板孔气速、帽罩底隙高度的增大而增大，随板孔面积与帽罩截面积比，帽罩孔面积与板孔面积之比增大而减小；颗粒循环量增大，压力降增大。

（4）帽罩结构尺寸影响流化床性能，适宜的结构尺寸为，板孔面积与帽罩截面积比为0.42，底隙高与板孔径比在0.36～0.64之间，帽罩孔面积与板孔面积之比应大于1.2。

［1］HARTHOLT G P，RIVIERE R L，HOFFMAN A C，et al.The influence of perforated baffles on the mixing and segregation of a binary group b mixture in a gassolid fluidized bed［J］.Powder Technology，1997，93（2）：185-188.

［2］DIJKA V J J，HOFFMANN A C，CHEESMAN D，et al.The influence of horizontal internal baffles on the flow pattern indense fluidized beds by X-ray［J］.Powder Technology，1998，98（3）：273-278.

［3］HULL A S，CHEN Z M，AGARWAL J W，et al.Influence of horizontal tube bank on the behavior of bubbling fluidized beds bubble hydrodynamics［J］.Powder Technology，1999，103（3）：230-242.

［4］BRIAN W H，KHANH N T.Stripping process with disproportionately distributed openings on baffles：US，6780308B1［P］.2004-08-24.

［5］JOHNSON D L，MILL S G，SENIOR R C，et al.FCC catalyst stripper：US，5531884［P］.1996-07-02.

［6］JEFFERY K，BRAIN W H，KALIDAS P.Stripping process with horizontal baffles：US，6680030B2［P］.2004-01-20.

［7］朱丙田，侯栓弟，龙军，等.一种塔盘式催化裂化汽提器内构件：中国，CN02130790.3［P］.2004-03-31.

［8］张振千，赵民刚，毕志予，等.流化催化转化汽提器：中国，CN01212424.9［P］.2001-12-05.

［9］中国颗粒学会.2006年年会暨海峡两岸颗粒技术研讨会论文集［C］／／2006：660-662.

［10］卢春喜，张永民.气固流化床内构件：中国，CN200610114153.4［P］.2008-05-07.

［11］张英，王强.CROSSER格栅在催化裂化装置中的应用［J］.中外能源，2010，15（4）：69-71.（ZHANG Ying，WANG Qiang.The application of crosser grid in fluid catalytic cracking unit［J］.Sino Global Energy，2010，15（4）：69-71.）

［12］黄敬，杜佩衡，王荣良，等.新型垂直筛板帽罩结构改进的 研 究 ［J］. 化 学 工 程，2009，37（3）：23-26.（HUANG Jing，DU Peiheng，WANG Rongliang，et al.Improvement of new vertical sieve tray cap structure［J］.Chemical Engineering，2009，37（3）：23-26.）

［13］杜佩衡，王荣良，杜剑婷.我国新型垂直筛板塔的性能研究与进展状况［J］.煤化工，2001，（3）：32-36.（DU Peiheng，WANG Rongliang，DU Jianting.Property research and progress of the new VST in China［J］.Coal Chemical Industry，2001，（3）：32-36.）