预提升气对循环流态化气力输送的影响

苏鲁书，刘丙超，朱晴晴，刘 璐，李春义

（中国石油大学（华东） 重质油国家重点实验室，山东 青岛 266580）

预提升气对循环流态化气力输送的影响

苏鲁书，刘丙超，朱晴晴，刘 璐，李春义

（中国石油大学（华东） 重质油国家重点实验室，山东 青岛 266580）

在循环流化床冷态模拟实验装置上，对预提升气在气力输送过程中的作用进行了研究，详细分析了气力输送中的压力平衡，考察了底部气体返混及操作流型对颗粒循环速率的影响，同时描绘了提升管预提升段内微观气固流动结构。实验结果表明，提升管底部通入预提升气可避免颗粒在床层底部的积累，增大颗粒向前输送的推动力，从而提高系统循环量。其中，喷嘴进料气体积流量的增加将加剧气体返混，底部气体内循环和局部涡流导致气流夹带增多，颗粒循环速率逐渐提高，一定程度上可削弱预提升气对循环量的影响；随预提升气体积流量的增加，底部气固流动结构由密相流态化为主向气力输送为主转变，瞬时颗粒浓度信号波动减弱，颗粒浓度显著降低。概率密度分析结果表明，预提升气体积流量的增大致使预提升段内气固两相分布相对更均匀，有利于气固相的混合及接触。

预提升气；气力输送；返混；操作流型；颗粒循环速率

近年来，石化行业供给侧结构性改革的核心任务是由生产初级汽柴油向发展高附加值高端化工产品方向转变，催化裂化与化工生产联系日益密切［1-2］。利用重油催化裂化/裂解增产低碳烯技术越来越受到人们重视，国内外相继开发出系列新型工艺，如常压渣油多产液化气和汽油工艺（ARGG）［3］、多产异构烷烃和烯烃的清洁汽油工艺（MIP-CGP）［4］、两段提升管催化裂解多产丙烯（TMP）工艺［5］等，预示着催化裂化在生产高附加值烯烃方面具有广泛的应用前景。

由于具有处理能力强、热质传递效率高、操作灵活等优点［6］，循环流化床反应器广泛应用于石油化工及其相关领域。但当前大量文献集中于对提升管进料段内气固流动行为［7-8］的研究，而对产品分布及品质有重要影响的气力输送则鲜有报道。固体经斜管进入提升管底部与预提升气混合上行，底部气固接触混合程度、传质传热性能以及系统颗粒循环速率大小取决于预提升气对颗粒的提升效果，进而影响整个气力输送进程。另外，对于TMP等新型工艺而言，为满足反应产率及热平衡的要求，提升管内不仅需要良好的流动结构分布，而且对底部提升效果提出了更高的要求［9］。

本工作在循环流化床冷态模拟装置上详细研究了预提升气对提升管中气力输送的影响，从而为反应器模拟和设计、催化反应控制及操作条件优化提供基础性数据。

1 实验部分

1.1 实验装置及操作流程

循环流化床冷态模拟实验装置见图1。该装置主要由提升管、伴床、测量筒、气固分离设备、颗粒浓度信号采集及分析系统、空压机、三通切换阀、气体流量计以及相应的连接管路等部分构成。其中提升管总高10.61 m，是由内径100 mm、厚度10 mm的有机玻璃管组合而成。采用多层进气的方式（底部盘管型气体分布器、预提升段底部的立管以及输送段底部4个对称布置的喷嘴）将气体注入提升管内。

图1 循环流化床冷态模拟实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the circulating fluidized bed system.

1.2 实验介质

采用常温空气作为流化介质，催化裂化平衡剂为固体颗粒。压缩空气经稳压阀控制在0.19 MPa，通过3处进气口分别引入提升管。固体颗粒密度1 500 kg/m3，堆积密度937 kg/m3，平均粒径76.36 μm。

1.3 测量设备及方法

实验过程中通过转子流量计测量注入提升管内的气体体积流量。考虑到压缩机提供的气体偏离标准状态，实际流量应采用式（1）校正。

本工作中的表观气速均由预流化气、预提升气和喷嘴进料气3部分气速组成，计算式见式（2）。

颗粒循环速率采用切换法测量，即通过切换伴床顶部的三通换向阀至测量筒，记录一定时间（10 s）内催化剂在测量筒内积累的体积，按照式（3）进行计算。

局部颗粒浓度（εs）的测定采用中国科学院过程工程研究所研制的PC6D型颗粒浓度测量仪，具体测量原理及方法见文献［10-11］。截面平均颗粒浓度指除中心点以外10个径向位置εs的平均值，按式（4）进行计算。

2 结果与讨论

2.1 气力输送的压降分析

实际应用中，提升管主要用作催化裂化反应器，而伴床作为催化剂再生器。为了实现催化剂在两器之间的大量循环，工业装置中通常采用密相输送的方法。此时气固混合物在斜管内可以像流体一样自由流动，如图2所示。

图2 气固混合物流动压力平衡Fig.2 Pressure balance of gas-solid mixture flow.

由于松动气含量较少且气体速度和动能变化不大，在上述前提下，流动压降可以用静压头、固体颗粒的动能和混合物与管壁及蝶阀间的摩擦阻力之和来表示，在斜管之间基于能量平衡得出式（5）。

气固混合物的平均密度见式（6）。

当Gs/Gg＞＞1，且εs≈1时，则有ρ≌ρs。

固体颗粒的动能见式（9）。

流经管路的摩擦阻力降由气体和固体两项组成，见式（10）。

其中，流体摩擦系数是管的Ret的函数，由式（11）或（12）进行计算。

固体摩擦系数由式（14）求得［12］。

将式（11）和式（14）代入式（10），可得关联式（15）。

由于常温下μ= 17.9×10-6Pa·s，ρg= 1.29 kg/ m3，且通入的松动气量较小，则式（15）可化简为式（16）。

流体流经蝶阀产生的压降采用局部损失系数和气固混合物的平均密度来计算，见式（17）。

式中，ξ值取决于蝶阀本身的结构及形状特点。

合并式（5），（9），（16），（17），可以得到催化剂流动推动力和颗粒速度的关联式，见式（18）。

由式（18）可看出，流动推动力是颗粒速度的单调函数，且与颗粒速度呈正相关。

2.2 预提升气对气力输送的影响

提升管内固体颗粒克服重力及摩擦力向上运动的能量均来源于气体［13］，而系统颗粒贮量主要提供颗粒流动的初始压降，可通过伴床静床高度来衡量。为了研究预提升气在气力输送中的作用，实验考察了表观气速为11.51 m/s（预提升气体积流量（Vp）为0，10，20，30，35 m3/h，对应喷嘴进料气体积流量（Vn）为175，165，155，145，140 m3/h）时，不同伴床静床高度下颗粒循环速率随Vp的变化，结果见图3。

图3 Vp对颗粒循环速率的影响Fig.3 Effect of pre-lifting gas volume flow rate on the solids circulation rate.

由图3可见，在表观气速一定的条件下，颗粒循环速率并未因Vn的减少而降低，而底部通入预提升气可以显著提高颗粒循环速率。随伴床静床高度的增加，颗粒循环速率逐渐增大。根据2.1节对管路中气固流动的压降分析，气力输送过程中推动力消耗与颗粒速度呈正相关，底部通入预提升气可以避免颗粒在床层底部的积累，流动推动力增大，从而使得系统循环量明显提高。由图3还可见，在较低的Vp下颗粒循环速率变化趋势较为平缓，随着Vp的增大颗粒循环速率增幅明显。该现象一方面可归因于气体返混；另一方面，可能是由于预提升段内Vp较高，底部由气固浓相悬浮流态化向气力输送转变，预提升气可以将充足的催化剂提升至喷嘴处，喷嘴不再暴露在自由空域中而是完全浸没于密相之中。

2.3 气体返混对颗粒循环速率的影响

2.3.1 Vn对颗粒循环速率的影响

为进一步分析气体返混对循环量的影响，在提升管底部仅通入少量预流化气维持喷嘴位置以下处于鼓泡床流化状态，考察了多个伴床静床高度上Vn对颗粒循环速率的影响，结果见图4。由图4可见，增加Vn在一定程度上有助于提高颗粒循环速率。由于高速气体射流经4个对称布置的喷嘴注入提升管，剧烈的冲击作用会迫使部分气体向下流动，由于流体与颗粒及边壁间的相互作用，气体到达床层底部时会迅速翻转向上，从而形成循环流动。气体循环会导致颗粒夹带增加，底部颗粒不断被带出。同时，局部形成的涡流可以强化气固接触及混合，提高两相湍动程度。另外，当伴床静床高度为460 cm时，气体返混对颗粒循环速率的影响较大，一定程度上可削弱预提升气减少对颗粒循环速率的影响，这与图3反映的变化趋势一致，验证了气体返混现象。

图4 Vn对颗粒循环速率的影响Fig.4 Effect ofVnon the solids circulation rate.

2.3.2 提升管底部气固流动结构

根据提升管气固流动特性和多层进气结构特点，不同Vn下预提升段内微观气固流动结构见图5。

图5 提升段内微观气固流动结构Fig.5 Schematic diagram of gas-solid micro-flow structure in the pre-lifting section of the riser.

由图5a可见，当Vn为0时，采用预提升和预流化双层进气形式，气固流动明显不均匀，气体由两侧流向中心区域，而大部分固体颗粒聚集于边壁区，呈现典型的环-核［14］流动结构。由图5b可见，当进料气由喷嘴注入提升管时，剧烈的冲击作用会致使部分气体显现出较强的向下流动倾向，当达到床层底部时，这股气流则翻转向上运动，从而形成漩涡流，将下部颗粒不断带到床层上部。由图5c可见，采取高Vn时，气体向下蹿动增多，在原有气体内循环的基础上形成局部涡流，固体颗粒循环的更加强劲猛烈，颗粒不断被卷入气流中，同时有利于缓解气固分离。由此可见，Vn的上升增加了气体返混的倾向，质动传递速度加快，气流夹带增多，从而导致循环倍率增加。

2.4 预提升段流型对颗粒循环速率的影响

2.4.1 颗粒浓度轴径向分布

颗粒浓度是研究循环流化床提升管内气固流动行为的重要方面［15］。因此，考察了双层进气（预提升+预流化）结构下操作条件对预提升段内截面平均颗粒浓度轴向分布的影响，结果见图6。由图6可见，不同操作条件下沿轴向均呈逐渐减小的趋势；Vp较低时，预提升段内总体上处于比较高的状态，不同伴床静床高度上εs分别为0.23～0.39和0.33～0.41；Vp增至35 m3/h时，明显降低，不同伴床静床高度上分别为0.19～0.28和0.31～0.36；在低料位（伴床静床高度为230 cm）下受Vp改变的影响更为明显，底部最大值从0.39降为0.28。这是由于在较高Vp下，预提升段内气速增加的速度大于伴床向提升管的供料速率，致使流型由密相流态化向气力输送方向转变，固体颗粒更新速度加快，颗粒浓度随之降低。

图6 底部εs轴向分布Fig.6 Axial distribution of solids concentration in the bottom section of the riser.

提升管双层进气结构下底部不同轴向位置（z= 0.60，1.25，1.75 m）局部颗粒浓度径向分布情况见图7。由图7可见，伴床静床高度一定时，随Vp的增加，预提升段不同高度截面各径向位置均显著降低，且在预提升段中下部Vp的大小对εs的影响更为明显，进一步预示着底部颗粒速度的增加以及流动形态的转变；在Vp一定时，随伴床静床高度的增加，各径向位置εs均增大，且边壁区εs增加的速率要高于中心区，εs沿轴向分布相对更均匀。

图7 不同轴向高度εs的径向分布Fig.7 Radial distributions of solids concentration at different axial positions in the bottom section of the riser.

2.4.2 瞬时εs信号分析

为进一步研究预提升气对气固微观流动行为的影响，分析了在伴床静床高度为230 cm以及轴向高度z= 1.00 m处瞬时εs信号波动情况，结果见图8。由图8可见，Vp=20 m3/h时预提升段内瞬时εs信号整体水平高于Vp=35 m3/h时的，这与εs径向分布情况一致，并且在过渡区（r/R= 0.59）瞬时εs信号波动幅度更大，频率也更高，呈现出类似湍动流化特征。

2.4.3 瞬时εs概率密度分析

为了更为直接地反映预提升段内气固相结构及接触情况，对图8中瞬时εs信号进行概率密度分析，得到瞬时εs信号概率密度分布曲线，结果见图9。

图8 轴向高度z= 1.00 m处瞬时εs信号波动Fig.8 Transient fluctuation of solids concentration signals at the bottom positionz=1.00 m of the riser.

图9 轴向高度z=1.00 m处瞬时εs信号概率密度分布Fig.9 Probability density distribution of transient solids concentration signals at the bottom positionz=1.00 m of the riser.

由图9可见，两种情况下的概率密度分布曲线在中心区（r/R=0）均呈现高强度的稀相峰和低强度的浓相峰，但更多的预提升气会导致浓相峰更低，分布更宽，相应地降低稀相峰的峰值，说明有更多的颗粒进入气体；虽然过渡区（r/R=0.59）稀浓双峰的区别减弱，但Vp较高时的稀相峰更为明显，曲线较为平坦，气固相分布相对更加均匀；由于颗粒壁面效应的存在，两种情况下的概率密度分布曲线在边壁区（r/R=0.87）发展为单一浓相峰，但高Vp时的浓相峰出现较早，浓度明显降低，说明有更多的气体进入边壁区，气固相分离现象得以有效抑制。

3 结论

1）预提升气作为系统内催化剂向前输送的中间推动力，可加快两相流发展过程，有助于提高系统内颗粒循环速率，在整个气力输送过程中发挥重要作用。预提升段内气体返混程度以及气固流动形态是影响系统循环量的重要因素。

2）气体经4个对称布置的喷嘴注入提升管，强烈的射流效应引起气体分流，气体下行流动倾向增加，内循环和局部涡流使得颗粒不断被卷入气流向上运动，从而导致循环量的提高。另外，随着系统颗粒贮量的增加，底部气体返混对循环量的影响愈加明显。

3）采用双层进气结构，在颗粒贮量相同的情况下，随Vp的增大，预提升段内εs逐渐降低，瞬时信号波动减弱，表现出明显的气力输送特征；概率密度分析结果表明，增大Vp可以强化两相间相互作用，气固混合更充分，接触更好。

符 号 说 明

dt管路直径，m

ΔE固体颗粒的动能，kg/（m·s2）

fg流体的摩擦系数

fs固体颗粒的摩擦系数

Gg气体的质量流率，kg/（m2·s）

Gs颗粒循环速率，kg/（m2·s）

g重力加速度，m/s2

L伴床静床高度，cm

l斜管长度，m

p操作压力，Pa

p0标准状态下的压力，101.325 kPa

p1，p2斜管上1，2两点间的压力，Pa

Δpfg流体摩擦阻力降，Pa

Δpfs固体颗粒摩擦阻力降，Pa

ΔpfT流经管路的摩擦阻力降，Pa

Δpfv流经蝶阀的阻力损失，Pa

Q实际体积流量，m3/h

Q0转子流量计示数，m3/h

R床层半径，m

Ret基于管道直径的雷诺数

r径向坐标，m

T操作温度，K

T0标准状态下的温度，293.15 K

Δt时间范围，10 s

Ug提升管内表观气速，m/s

ug斜管内气体速度，m/s

us颗粒速度，m/s

u0斜管内表观气速，m/s

Vb颗粒的堆积体积，m3

Vp预提升气体积流量，m3/h

Vn喷嘴进料气体积流量，m3/h

z相对于提升管底座的高度，m

εs局部颗粒浓度

εs截面平均颗粒浓度

ξ局部损失系数

θ管道与水平线的夹角，°

μ常温下流化气体黏度，Pa·s

ρ气固混合物的平均密度，kg/m3

ρb颗粒的堆积密度，kg/m3

ρg气体的密度，kg/m3

ρs颗粒的密度，kg/m3

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（编辑 王 馨）

Influence of pre-lifting gas on circulating fluidized pneumatic transportation

Su Lushu，Liu Bingchao，Zhu Qingqing，Liu Lu，Li Chunyi
（State Key Laboratory of Heavy Oil，China University of Petroleum(East China)，Qingdao Shandong 266580，China）

The effect of pre-lifting gas in pneumatic transportation process was studied in a cold model experimental installation with circulating fluidized bed. Pressure balance in the pneumatic transportation was analyzed，the influences of gas back-mixing and gas-solid flow pattern at the bottom of the riser on solids circulation rate were investigated，and the f l ow structure inside the prelifting section was described. It was showed that，the injection of the pre-lifting gas into the riser was favorable to avoiding solids depositing on the bottom，pushing the solids upwards and increasing the solids circulation flux. Increasing the volume flow rate of nozzle-feeding gas at the inlet could intensify the gas back-mixing，the internal recycle and local vortex led to air entrainment increasing，so the solids circulation rate increased and the impacts of the pre-lifting gas on the solids f l ux reduced. With increasing the pre-lifting gas flow rate，the gas-solid flow regime in the bottom region was transformed from dense-phase fluidization to the pneumatic transportation，meanwhile，transient solids holdup f l uctuation weakened and solids concentration decreased significantly. The analysis of probability density distribution indicated that，increasing the pre-lifting gas flow-rate could lead to more uniform solids distribution，which was beneficial to gas-solid mixing.

pre-lifting gas；pneumatic transportation；back-mixing；f l ow regime；solids circulation rate

1000-8144（2017）05-0572-08

TQ 051

A

10.3969/j.issn.1000-8144.2017.05.009

2016-11-21；［修改稿日期］2017-02-27。

苏鲁书（1991—），男，山东省日照市人，硕士生，电话 18354219923，电邮 1551069382@qq.com。联系人：李春义，电话13225324293，电邮 chyli@upc.edu.cn。