FCC环管进料喷嘴对提升管中气固流动结构的影响

李志超，王 璐，杨朝合，李春义

（1.中国石油工程建设公司华东设计分公司，山东 青岛266071；2.山东海科化工集团有限公司；3.中国石油大学（华东））

催化裂化是典型的气固非均相反应，反应油气与固体催化剂之间接触效果的好坏对于反应产物分布有着重要的影响［1］。随着对工程研究的深入，人们发现提升管中的流动结构是不均匀的，颗粒在轴向上呈现“下浓上稀”的分布，而在径向上存在明显的“环-核”流动结构［2］。然而，提升管中这种不均匀的气固流动对于催化裂化反应是不利的，会导致气固接触效率降低。

国内外学者在研究改善提升管中不均匀流动性和促进气固接触效果方面做了大量工作，归纳起来主要有以下3个方面［3-6］：①改变提升管中的流态，使其在适合气固催化反应的流态下操作，如密相悬浮上升和循环湍动流态化等；②改变提升管的结构型式，如提升管变径；③在提升管中加入内构件，如钝体内构件、环形内构件等。

催化裂化进料喷嘴主要对原料油进行雾化，使其与催化剂进行高效的接触。因此，进料喷嘴的结构形式对于提升管的气固接触效果同样有着重要的影响。本研究在布置了多层进气结构的循环流化床冷模实验装置上，比较采用2种新型提升管进料喷嘴时提升管中的气固流动结构和气固接触效率。

1 实验装置

循环流化床冷模实验装置示意见图1。装置高10.61m，提升管内径100mm。在提升管标高0.80m和3.56m处设置了两个进料口。实验中所用催化剂为典型的催化裂化催化剂，以空气作为流化气体。所有实验数据均是在表观气速为10.4m/s、颗粒循环量为300kg/（m2·s）的条件下测得。

图1 循环流化床实验装置示意

在实验中，颗粒分布采用中国科学研究院过程工程研究所研制的PC6D型颗粒浓度测量仪测量，而提升管中的气体分布则采用CO2示踪的方法测定。关于颗粒分布和气体分布测量方法的详细介绍，见文献［7］。

图2是实验考察的2种环管喷嘴的结构示意。2种环管喷嘴均是安装在提升管标高3.56m的截面位置上。这2种环管喷嘴外观相似，直径均为80mm，最主要的区别在于8个喷嘴的布置情况。喷嘴A有2种喷嘴形式，一种指向提升管中心，另外一种垂直于水平面向上。喷嘴B的8个喷嘴都是沿着环管切线方向均匀分布，气体从环管喷嘴切向喷入提升管边壁，迫使气体和颗粒以螺旋上升的方式运动。

图2 2种FCC环管进料喷嘴的结构示意

2 结果与讨论

2.1 颗粒分布情况对比

图3是使用2种喷嘴时提升管截面平均颗粒浓度的轴向分布，其中截面平均颗粒浓度是指10个径向位置上局部颗粒浓度的平均值［局部颗粒浓度指的是颗粒的体积分率，等于（1-床层孔隙率）］。从图3可以看出：提升管中的颗粒浓度轴向上呈现“下浓上稀”的指数型分布，说明喷嘴结构的改变并没有从根本上改变提升管内颗粒的轴向分布趋势；在提升管的中部，使用喷嘴B时的颗粒浓度要高于使用喷嘴A时，达到了0.2左右；但随着提升管高度的增加，两种情况下提升管中平均颗粒浓度趋于一致，说明进料喷嘴结构对于提升管中颗粒流动行为的影响是有限的，在超过一定的高度时，颗粒的流动行为主要由提升管自身结构决定，而与喷嘴结构无关。

图3 截面平均颗粒浓度的轴向分布

图4 局部颗粒浓度的径向分布

从图3还可以看出，使用2种喷嘴时的截面平均颗粒浓度在靠近喷嘴的截面上（标高分别为4.06，5.06，6.06m）具有明显的差别，说明喷嘴的结构对于颗粒的流动行为有着直接的影响。图4是使用2种喷嘴时提升管在标高4.06，5.06，6.06m3个截面上的局部颗粒浓度径向分布情况，横坐标是径向位置r/R，其中r表示测量位置的半径，R表示提升管半径。从图4可以看出，使用2种喷嘴时的局部颗粒浓度有着相似的径向分布情况，均是呈现中心低、边壁高的“环-核”流动结构。但总体上看，使用喷嘴B时的局部颗粒浓度高于使用喷嘴A时，这与截面平均颗粒浓度的变化趋势一致。

2.2 气体分布情况对比

图5是使用2种不同环管喷嘴时在提升管标高4.06m截面处的示踪剂相对浓度径向分布情况。从图5可以看出：2种情况下的气体分布各具特点，且明显受到喷嘴结构的影响。使用喷嘴A时示踪剂径向浓度分布更均匀。这归功于其特殊的喷嘴结构形式：指向提升管中心的喷嘴把气体喷射到提升管中心，而垂直向上的喷嘴则把气体喷入颗粒浓度较高的边壁区，最终随着气体扩散均匀地分布在整个截面上。

图5 2种情况下的气体分布情况对比

使用喷嘴B时的气体分布呈现中心低、边壁高的不均匀分布。这是因为气体在以螺旋上升方式运动的同时，也会迫使固体颗粒以相同的方式运动，使得气体和固体在垂直方向上的速度降低。一方面，由于部分气体和固体向提升管中心区移动，导致中心区CO2浓度提高；另一方面，由于较高的颗粒浓度会产生相对较高的扩散阻力，阻碍了中心区主流气体向边壁扩散，因此只有从喷嘴喷射出来的高速气体才能进入靠近边壁的颗粒浓度较高的区域。Namkung等［8］也发现切向旋流的进气方式可以强化提升管中气体的径向混合程度，从而使气固接触效果提高，与本研究的结果一致。

2.3 气固接触效率

研究结果表明，提升管中的气固接触效率很大程度上取决于气体分布和颗粒分布的情况［7］。提升管中的气体倾向于从提升管中心通过，颗粒倾向于在边壁聚集上升，大部分气体和固体颗粒得不到充分的接触，导致反应效果不理想。李志超等［7］根据提升管的颗粒分布和气体分布情况定义了相对气固接触效率（RCE）和截面平均气固接触效率（CCE），可以在一定程度上定量反映提升管中的气固接触状况。本研究计算2种情况下的气固接触效率，并以此为基准对比2种喷嘴在气固接触方面的优劣。

图6是使用2种喷嘴时提升管在4.06m截面上RCE的径向分布情况。整体上看，2种情况下RCE都呈现中心低边壁高的分布。通过计算得到2种情况下提升管该截面的CCE分别为19.9和33.8。显然，使用喷嘴B时的气固接触效率优于使用喷嘴A的情况。

图6 RCE的径向分布情况

图7是2种情况下CCE在提升管4.06～6.06m高度的轴向分布情况。由图7可知，2种情况下，CCE均是随提升管高度的增加而减小，这与颗粒分布一致，说明其主要受气固流动结构的影响。

图7 CCE的轴向分布情况

虽然使用喷嘴A时的CCE在靠近上进料位置的截面低于使用喷嘴B时，但能在一定的高度内维持在20左右，然后才在6.06m截面处降低到12左右。从气体分布和颗粒分布的分析中已经知道，喷嘴A能使气体均匀分布，而且颗粒浓度在0.16左右，因此CCE能稳定在较高的数值。使用喷嘴B时，在4.06m截面的CCE高达33.8，明显高于使用喷嘴A时，较高的颗粒浓度和指向性的气体分布是使其气固接触效率较高的主要原因；但到了5.06m和6.06m截面，尽管使用喷嘴B时的颗粒浓度高于使用喷嘴A时，但两者CCE间的差别已经不大。这进一步说明随着高度增加，2种情况下的气固流动行为趋向一致，喷嘴结构对气固流动结构的影响逐渐减弱，CCE值也逐渐接近。

3 结 论

（1）进料喷嘴结构对于提升管中颗粒流动行为的影响范围是有限的，在超过一定的距离后，颗粒的流动行为主要由提升管的自身结构决定，而与喷嘴结构无关。总体上看，使用喷嘴B时，提升管的颗粒浓度高于使用喷嘴A时。

（2）使用喷嘴A可以在一定范围内使提升管中的气体分布更加均匀。

（3）从总体上看，使用喷嘴B时提升管的CCE要高于使用喷嘴A时，但随着提升管高度的增加，2种情况下的CCE趋于一致。

［1］陈俊武.催化裂化工艺与工程［M］.2版.北京：中国石化出版社，2005：846-911

［2］金涌，祝京旭，汪展文，等.流态化工程原理［M］.北京：清华大学出版社，2001：106-333

［3］Issangya A S，Grace J R，Bai D R，et al.Further measurements of flow dynamics in a high-density circulating fluidized bed riser［J］.Powder Technology，2000，111：104-113

［4］Zhu Haiyan，Zhu J.Gas-solids flow structures in a novel circulating-turbulent fluidized bed［J］.AIChE Journal，2008，54（5）：1213-1223

［5］魏飞，杨艳辉，金涌.内构件对高密度提升管流体力学行为的影响［J］.化工学报，2000，51（6）：806-809

［6］Bu Jianjie，Zhu Jingxu.Influence of ring-type internals on axial pressure distribution in circulating fluidized bed［J］.The Canadian Journal of Chemical Engineering，1999，77（1）：26-34

［7］李志超，张志强，杨朝合，等.催化裂化提升管中的流动结构及气固接触效率［J］.石油炼制与化工，2012，43（12）：59-63

［8］Namkung W，Kim S D.Radial gas mixing in a circulating fluidized bed［J］.Powder Technology，2000，113：23-29