下行床内提高颗粒浓度及改善颗粒分布研究进展

王成秀，祝京旭,2，蓝兴英，高金森



下行床内提高颗粒浓度及改善颗粒分布研究进展

王成秀1，祝京旭1,2，蓝兴英1，高金森1

（1中国石油大学（北京）重质油国家重点实验室，北京 102249；2Department of Chemical and Biochemical Engineering, University of Western Ontario, London N6A 3K7, Canada）

重质油高效转化和优化利用是国民经济发展的重大需求，具有十分重要的现实意义和战略意义。提升管催化裂化一直是重油轻质化的重要手段，但提升管的不均匀环核结构及气固返混特性降低了重油转化率和产品选择性。相对于提升管，下行床具有近平推流流型及气固短停留时间的优点，处理重油具有潜在优势。但下行床内颗粒浓度过低且气固初始接触较差限制其推广及应用。本文综述了提高下行床颗粒浓度及改善颗粒初始分布的相关文章，指出了深入研究下行床的颗粒增浓机制及气固初始混合可以丰富下行床的基础研究并推动其工业应用。

流化床；流体动力学；反应器；下行床；高密度；颗粒浓度；入口结构

引 言

石油资源作为工业血液和重要化工原料来源，由于其不可替代和不可再生性，使之成为20世纪以来国际社会争夺最为激烈的经济战略资源，更是关系到我国在21世纪发展战略的重大问题。目前，由于常规石油的可采储量已大大减少，而重油及油砂沥青的可采储量却相当可观，可以利用的石油资源正向着重质化、劣质化的方向发展[1-2]。如何将重质化和劣质化的原油加工成符合国际标准的轻质清洁燃料，最大限度地利用重质油生产出社会所急需的轻质清洁燃料和化工原料，成为当前炼油工业的重大技术难题。

催化裂化是炼厂处理重质油和用渣油生产轻质清洁燃料的核心技术，具有原料适应性强、轻质产品收率高等优点，其总加工能力超过其他重要工艺如加氢裂化、焦化和减黏裂化三者之和，对炼油行业轻质油品收率、经济效益的提高具有至关重要的作用。业内人士称，作为当今重油高效转化的主要工艺过程，催化裂化技术在相当长一段时期内都不可替代。更具有长远意义的是，催化裂化的任务不单纯是生产清洁燃料，它亦将成为今后炼油-化工一体化的核心。催化裂化装置如图1所示。

与许多化学反应过程类似，催化裂化是平行-顺序的快速反应，且目的产物为中间生成物。依据反应工程理论，这类反应需要在物料停留时间短而一致、无返混的平推流反应器中进行，才能获得较高的目的产物收率。由于提升管反应器基本具备了上述特性，自开发以来在世界范围内得到了广泛应用。然而，随着生产的发展和研究的深入，提升管反应器仍表现出较多不足之处[3-5]。例如：提升管内颗粒分布并不均匀，表现为“上稀下浓”的轴向结构及“中间稀边壁浓”的径向结构；并且，提升管内催化剂颗粒容易发生聚集产生滑落和返混（图2）。不均匀的轴径向结构导致气固停留时间不均一，严重偏离平推流；返混则很容易引起催化剂的活性和选择性降低。此外，催化剂滑落的同时容易夹带油气一并向下返混，导致提升管内的油气无法达到“短反应时间”的工艺要求，进而导致油气过裂化和产物分布恶化。

针对提升管反应器内存在的气固浓度分布不均匀、返混严重、停留时间不均一等问题，20世纪70年代中期，一些国际知名的石油公司，如Stone-Webster、UOP、Texco等提出了气固超短接触下行床的概念[3,6-7]。下行床内颗粒与流体的顺重力场运动，使气体径向分布比单相气体流动时更为均匀[图3（a）]，也使得颗粒速度及颗粒浓度的径向分布均较提升管中更为均匀[图3（b）及3（c）]，气固流型更加接近平推流[8-10]。

下行床内均匀的流动结构保证了气固轴向返混小、停留时间分布窄，加上因顺重力场流动导致的颗粒高流速，实现了真正意义上的“气固短接触时间”甚至“超短接触时间”。将下行床用于催化裂化，可克服提升管催化过程中结焦催化剂在提升管中因停留时间过长和反应油气返混造成的过裂化问题，从而充分利用催化剂初始活性高、选择性好等特点，使反应选择性及催化裂化轻油收率得到提高。尤其对重油催化裂化过程，气固超短接触反应新工艺可抑制原料中重金属、硫、氮等杂质对催化剂选择性、催化剂活性剂的不利影响，并减弱残炭前身物对焦炭产率的增加效应，使催化裂化过程对原料的适应能力大幅度提高，其潜在的经济效益和社会效益十分巨大[11]。

除了在重质油催化裂化方面具有重要作用外，下行床反应器对研发其他技术也具有重要意义。例如，利用下行床进行等离子体裂解煤粉制乙炔可以获得高达34%的乙炔产率且比乙炔电石法节省电能25%[12]。对下行床超短接触反应器的进一步研究开发，对煤炭等资源的充分利用、节能和抑制污染等具有重要意义[11]。比如，采用下行床进行低阶煤热解提质可以改善产品分布，有效提高低阶、劣质煤的利用价值。另外，超短接触反应器还可以用于生物质的高温热裂解，裂解得到的产物不仅可以作为燃料而且可以成为化工产品，其前景十分诱人[3-4]。

下行床是一种具有广泛应用前景的循环流化床反应器，因而受到国内外学者和工业界的普遍关注和研究。随着研究的深入，特别是在推动下行床工业应用的过程中，研究者也发现了下行床的一些不足之处。一个尤为严重的缺陷是下行床内颗粒浓度太低：相对于提升管反应器来说，下行床反应器内的颗粒浓度通常低于3%，仅为提升管恒速段颗粒浓度的1/4～1/2[13-14]。低固含率的下行床作为反应器必将降低气固接触概率进而导致反应器效率变差。另一个不足是下行床内气固初始接触较难控制，往往受制于床层入口结构：不理想的入口结构会直接导致入口处气固分布变差，使整个床层内气固流动结构偏离平推流流型[15-16]。因此，如何提高颗粒浓度并强化高密度条件下的气固接触是下行床研究和推广应用的瓶颈难题。

１ 研究现状

事实上，针对下行循环流化床颗粒增浓的研究比较少，一方面是由于下行床的研究开展得较提升管晚[13]，另一方面是由于现阶段对下行床增浓机制还没有详尽、系统的研究[3-4,17-20]。针对下行循环流化床颗粒增浓的问题，较早的报道是2001年加拿大Zhu课题组[21]在小型下行床（直径为25 mm）内进行的大颗粒循环量实验。基于实验结果，他们参考Bi等[22]关于高密度循环流化床提升管的标准为高密度下行床做了界定：颗粒循环量大于200 kg·m-2·s-1，并且，颗粒浓度在5%以上。随后，清华大学流态化实验室、中国科学院过程工程研究所等也开展了下行床颗粒增浓方面的研究。

Zhu课题组[21]提高下行床颗粒循环量的突破点在于设计了一个漏斗状进料结构，如图4（a）所示。颗粒自提升管输送进入旋风分离器经气固分离后以初始流化状态进入漏斗进料器，通过漏斗进料器的加速后以接近颗粒终端速度进入下行床。采用该结构，FCC颗粒循环量可达400 kg·m-2·s-1，在较低气速（g= 1 m·s-1）时充分发展段颗粒浓度可以达到15%。与Zhu课题组设计的进料器结构类似，中国科学院过程工程所的Chen等[14,23-24]设计了一个特殊进料器，如图4（b）所示。该进料器亦采用漏斗式进料结构但同时在其下方增加了一个高约1 m的预加速段，使颗粒获得较大速度后再进入下行床。这种特殊结构实现了颗粒的预加速，大量颗粒以较大速度快速通过下行床，FCC颗粒循环通量可以达到258 kg·m-2·s-1，气体速度在0.8 m·s-1时相应的颗粒浓度则可以达到10%。

以上实验装置能实现高密度操作的关键因素除了特殊设计进料器外，还在于采用了较低的操作气速。然而，对于下行床的实际应用过程，如催化裂化过程，通常要求在较高的气速下操作，低气速会导致反应器单位处理量下降，这成为限制高密度下行床应用的因素之一。研究者进一步发现，即使采用了特殊的进料器，进一步提高颗粒循环量，大量颗粒离开进料器涌入下行床入口时很容易发生“堵塞”，导致颗粒无法连续进料，下行床连续运转难以维持。

为了避免使用特殊进料器，清华大学流态化实验室提出了一种“提升管-下行床-提升管”组合反应器（图5）[25]。他们从全床压力平衡的角度，通过提高储料量、优化各设备风量的措施提高了下行床颗粒循环量和床层浓度。实验表明，当气速为3.6 m·s-1，颗粒循环量为400 kg·m-2·s-1时，全床平均颗粒浓度可以达到5%，实现了下行床颗粒增浓。但是，该组合反应器通过增加一个额外的提升管来实现高通量颗粒运输，增加了设计和操作难度。

在探索提高颗粒密度研究同时，人们发现强化气固混合及实现气固良好接触对高密度下行床尤其重要[10]。由于高密度操作条件下，下行床内大量颗粒受到很强的惯性作用及重力加速作用，颗粒沿横向的迁移作用较弱，造成大量颗粒无法与气体实现强烈混合及有效接触，导致气固分布不均匀，降低了单位体积内气固接触效率，削弱了高密度下行床反应器的优势。关于实现下行床气固均匀分布的大量研究表明，入口段气固分布是否均匀对气固接触及气固整体流动结构具有重要影响。均匀的入口气固分布有利于全床气固流动的发展，同时可获得更接近平推流的气固混合模式[15-16]。

1—gas distributor; 2—riser A; 3—quick separator; 4—measurement device; 5—butterfly valve; 6—downer; 7—elbow pipe; 8—riser B; 9—solids inventory; 10—cyclone; 11—solids return pipe

针对下行床入口构型及其对流动的影响方面的工作，许多研究者进行了大量研究。例如，陈丙瑜等[26]给出了3种典型的下行床进料器：两种单管式（侧吹式及文丘里式）和一种多管式进料器，如图6所示。他们的研究结果表明，采用这3种进料结构，气固在进料器中完成预混合后一起流入下行床，一定程度上改善了气固接触。但是，由于进料采用非对称的方式，导致下行床进口段气固存在“偏流”的不稳定操作区，影响可能波及至70～100倍的管径处。

针对上述单管式进料结构，程易等[27]将原有的非对称式颗粒气体进料系统改为轴对称式，如图7（a）所示。这种入口型式比较简单，而且便于理论模型的计算。实验和理论研究均发现，单管进料容易在下行床入口处形成气固射流区，射流区内强烈的湍动强化了气固混合，取得了良好的气固接触效果。但是，由于射流区的存在导致整个下行床内颗粒流动结构难以快速达到充分发展。此外，强射流对装置产生较大的扰动，不利于下行床的稳定运行。

针对射流影响气固流动的问题，钱震等[28]设计了一种新型的基于强湍流分散机制的下行床气固混合入口结构，如图7（b）所示。该结构的设计思路是在进料器自由空间内形成一个密相床层，并在该密相床层中引入高速气体射流，希望密相床层中的气体射流碰撞能够将气体的动能转变为气体与颗粒的脉动能量，以此促进气固的微观混合。因为密相区的高度较高（环隙高度为600 mm），为了保证在大循环量下自由空间内的颗粒能够正常流化，密相床松动风应该维持一定的气速（通常大于0.5 m·s-1），维持密相床层内颗粒处于鼓泡或湍动床状态。实验结果表明，与以往基于单管或多管射流的入口相比，该入口结构可以实现大质量流率条件下气固两相的快速均匀分布。值得指出的是，由于该入口结构存在一个密相流化床，可能产生的气泡将会堵塞颗粒下料管，影响装置运转的稳定性和连续性。

针对多管式进料器，魏飞等[29]设计了七管溢流式气固分布器，如图7（c）所示。与陈丙瑜等提出的多管式进料器相比较，该设计的溢流式分布器将气固两相进料分开通过不同入口流进下行床，增加了操作灵活性。并且，由于采用多管进料，固体颗粒在床层截面上分布比较均匀更接近于工业操作，其研究结果具有一定参考性。然而，该入口结构采用多根细管运输颗粒，当大颗粒循环量操作时，大量颗粒进入进料器后很可能堵塞细管导致“堵塞”的发生。因此，采用该种入口结构限制了下行床颗粒增浓。

近期，Zhu所带领的研究小组[21,30-31]针对下行床入口结构在原有研究基础上，进一步对比了多管式反应器结构对下行床流动结构的影响，包括考察下行床颗粒入口处颗粒分布器型式、颗粒分布管的排布以及颗粒再分布板的开孔型式对下行床入口处颗粒均匀分布的影响，如图8（a）所示。

分析认为，采用细管输送颗粒时，下行床入口处颗粒分布较为均匀。然而，当颗粒循环速率增加至300 kg·m-2·s-1时，颗粒无法及时通过细管输送至下行床内，并且大量颗粒在分布器上部的筒体内积累，最终导致下行床无法正常运行。采用较粗铜管稀疏排布方式进行颗粒输送时，颗粒可以以较大速度顺畅流入下行床，颗粒循环量可达300 kg·m-2·s-1。但是，速度较大的颗粒进入下行床入口处后由于惯性仍然保持“射流束”的形式，导致入口处颗粒与气体的混合程度变差。由于颗粒束的存在，在下行床整个截面上无法得到均匀分布的颗粒流动形式。可见，采用多管束的颗粒分布器无法同时实现下行床高密度操作和获得均匀的入口颗粒流动结构。

基于以上研究，Zhu研究小组[31]设计并考察了新型颗粒进料器对入口处流动结构的影响，如图8（b）所示。新型颗粒分布器的主要特点是在原有的分布器下方增加一个较长的锥形结构。该结构有两个作用：一是作为加速段，保证颗粒进入下行床前具有一定的加速度；二是作为颗粒储存器，使得颗粒在此有一定的累积，形成一定的“料封”为颗粒流动提供一定的“推动力”，使得颗粒可以快速通过锥形结构；此外，在漏斗加速器出口设计了多孔进气结构使该处气体以高速射流的形式喷出，颗粒受到高速气流的强烈“搅动”后处于剧烈湍动状态，这有效地降低了“堵塞”发生的可能性。这种颗粒入口结构可以保证颗粒以较大的初始速度连续地进入下行床。并且，由于该结构采用水平进气，有效地避免了射流的产生。采用该结构下行床内的颗粒循环量可以达到500～800 kg·m-2·s-1。这是迄今为止在下行床中所能达到的最高颗粒循环量。

2 结 论

综上所述，不同构型的下行床入口结构，在一定程度上实现了颗粒均匀分布的要求，也起到了强化气固初始混合的作用。然而，这些入口结构却限制了下行床反应器内颗粒浓度的进一步增加。也就说，高密度下行床内颗粒的均匀分布和气固的良好接触往往以牺牲颗粒浓度的代价来满足，这对于充分发挥高密度下行床的优势、推动其工业化应用十分不利。

此外，已有的研究往往局限于从入口结构出发，通过调控颗粒和气固入口结构来提高下行床内的颗粒浓度并兼顾颗粒的均匀分布。然而，下行床入口结构对颗粒增浓及颗粒均匀分布的影响的内在机制及其调控方法并没有得到较好的研究。因此，深入研究进料结构对下行床高密度操作的影响，设计具有促进颗粒增浓与均布双重功能的合理入口结构，是实现下行循环流化床高密度操作，加快下行床推广应用的关键。

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Research progress of solids holdup increase and solids distribution enhancement in downer reactors

WANG Chengxiu1，ZHU Jingxu1, 2，LAN Xingying1，GAO Jinsen1

State Key Laboratory of Heavy Oil ProcessingChina University of PetroleumBeijingBeijingChinaDepartment of Chemical and Biochemical EngineeringUniversity of Western OntarioLondonCanada

The efficient conversion and optimal utilization of heavy oil has great practical significance to the national economic development. Fluid catalytic cracking (FCC) is an effective vehicle for heavy oil upgrading. However, the riser, as a key component of the FCC unit, is characterized by the non-uniform “core-annuals” flow structure with relatively significant gas and solids backmixing which may result in low reactant conversion and product selectivity. The downer reactor, where gas and solids move downward co-currently has unique features such as the plug-like flow structure and much more uniform gas-solid distribution compared to the riser reactor. The downer is therefore acknowledged as a novel multiphase flow reactor with great potential in upgrading heavy oil. However, low solids holdup and poor initial gas-solid contacting hinder the promotion of the downer reactors. In this paper, previous studies on increasing solids concentration and initial gas-solid mixing in the downer reactors are summarized. Studies on the mechanism of increasing solids concentration and promoting initial mixing will not only enrich the fundamental research but also benefit the promotion of the downer reactor in its applications.

fluidized-bed; hydrodynamics; reactors; downer; high density; solids distribution; inlet structure

2015-06-12.

Prof. ZHU Jingxu, jzhu@uwo.ca

10.11949/j.issn.0438-1157.20150911

TQ 028.8

A

0438—1157（2015）08—2810—07

祝京旭。

王成秀（1984—），女，博士，副教授。

中国石油大学（北京）科研启动基金项目（2462014YJRC018）。

2015-06-12收到初稿，2015-06-18收到修改稿。

supported by the Science Foundation of China University of Petroleum (Beijing) (2462014YJRC018).