提升管反應(yīng)器介尺度結(jié)構(gòu)影響規(guī)律的數(shù)值模擬研究

1、提升管反應(yīng)器介尺度結(jié)構(gòu)影響規(guī)律的數(shù)值模擬研究提升管反應(yīng)器由于其高效的多相間接觸效率而廣泛應(yīng)用于石油化工、煤化工、生物質(zhì)轉(zhuǎn)化等工業(yè)過(guò)程1-2。提升管反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)和反應(yīng)過(guò)程十分復(fù)雜且高度耦合，多相之間及多相與提升管反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜相互作用，使得顆粒會(huì)在反應(yīng)器局部聚集形成聚團(tuán)3，這是一種典型的非均勻的介尺度結(jié)構(gòu)，對(duì)提升管的多相流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)與化學(xué)反應(yīng)具有重要的影響4。對(duì)介尺度結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行深入分析，有助于為提升管反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、優(yōu)化操作提供重要的基礎(chǔ)信息。實(shí)驗(yàn)方法難以實(shí)時(shí)、全面而高效地測(cè)量提升管反應(yīng)器高度耦合的物理與化學(xué)過(guò)程5。基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的數(shù)值模擬方法是一種研究多相反應(yīng)體系的有效工

2、具。傳統(tǒng)針對(duì)提升管反應(yīng)器多相流動(dòng)-反應(yīng)耦合過(guò)程的模擬普遍采用基于均勻流態(tài)化發(fā)展而來(lái)的平均化處理的歐拉雙流體模型，未充分考慮到提升管的顆粒聚團(tuán)結(jié)構(gòu)特性6。而前人的研究結(jié)果表明，顆粒聚團(tuán)對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響至關(guān)重要。Yin等7研究了循環(huán)流化床提升管內(nèi)催化劑顆粒聚團(tuán)對(duì)甲烷蒸汽重整過(guò)程的影響，結(jié)果表明，孤立單顆粒的催化重整反應(yīng)速率明顯高于顆粒聚團(tuán)中顆粒的重整反應(yīng)速率。Wang等8采用耦合甲烷水蒸氣重整耦合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的方法，研究了顆粒聚團(tuán)對(duì)甲烷水蒸氣重整反應(yīng)的影響，結(jié)果表明，顆粒聚團(tuán)的重整反應(yīng)速率小于單顆粒上的反應(yīng)速率，且聚團(tuán)中產(chǎn)物隨操作溫度和入口氣速的增加而增加，隨反應(yīng)器壓力和進(jìn)料蒸汽的增加而減少。呂林英

3、等9對(duì)顆粒聚團(tuán)上的減壓餾分油裂化反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行了深入分析，發(fā)現(xiàn)顆粒聚團(tuán)的存在阻礙了反應(yīng)油氣與催化劑顆粒的充分接觸，使得反應(yīng)器中氣固兩相的溫度和速度分布不均勻，對(duì)油氣催化劑的反應(yīng)效率產(chǎn)生不利影響。由此可見，顆粒聚團(tuán)的形成會(huì)阻礙流體與聚團(tuán)內(nèi)顆粒的相互接觸，進(jìn)而會(huì)影響反應(yīng)結(jié)果。提升管反應(yīng)器內(nèi)形成的顆粒聚團(tuán)結(jié)構(gòu)對(duì)反應(yīng)過(guò)程的影響顯著，在進(jìn)行提升管反應(yīng)器的模擬過(guò)程中，需要充分考慮顆粒聚團(tuán)的影響。而傳統(tǒng)基于平均化處理的歐拉雙流體模型，未充分考慮到提升管的顆粒聚團(tuán)結(jié)構(gòu)特性，難以描述顆粒聚團(tuán)結(jié)構(gòu)特性對(duì)提升管多相流動(dòng)、傳熱與化學(xué)反應(yīng)的影響規(guī)律，在對(duì)工業(yè)提升管反應(yīng)器進(jìn)行模擬時(shí)，難以為提升管反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、優(yōu)化操作提供可

4、信的信息10-12。前人針對(duì)介尺度結(jié)構(gòu)對(duì)傳質(zhì)、反應(yīng)的影響及基于介尺度結(jié)構(gòu)影響的CFD數(shù)值模擬，進(jìn)行了一系列研究工作。Cloete等13通過(guò)細(xì)網(wǎng)格模擬發(fā)現(xiàn)，介尺度結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性對(duì)提升管反應(yīng)器內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)有重要影響。Chalermsinsuwan等14-15指出，細(xì)顆粒形成的顆粒聚團(tuán)對(duì)傳質(zhì)過(guò)程有重要影響，但常規(guī)用于描述氣固傳質(zhì)過(guò)程的模型通常忽略了聚團(tuán)結(jié)構(gòu)的影響。Holloway等16采用雙流體模型對(duì)催化劑顆粒尺度上的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行了細(xì)網(wǎng)格模擬，并采用濾波法將細(xì)網(wǎng)格模擬的介尺度結(jié)構(gòu)上的反應(yīng)結(jié)果進(jìn)行關(guān)聯(lián)，得到了反映介尺度結(jié)構(gòu)影響的化學(xué)反應(yīng)速率關(guān)聯(lián)式，實(shí)現(xiàn)了密相氣固流動(dòng)與反應(yīng)體系的模擬。Dong等17

5、采用EMMS模型框架，構(gòu)建了考慮介尺度結(jié)構(gòu)影響的相間傳質(zhì)模型。Hong等18通過(guò)考慮介尺度結(jié)構(gòu)對(duì)傳質(zhì)與反應(yīng)的影響，提出了結(jié)構(gòu)依賴的多流體模型，實(shí)現(xiàn)了氣固反應(yīng)過(guò)程的準(zhǔn)確模擬。Liu等19采用結(jié)構(gòu)依賴的多流體模型，通過(guò)引入描述介尺度結(jié)構(gòu)影響的反應(yīng)與傳質(zhì)非均勻性指數(shù)，實(shí)現(xiàn)了介尺度結(jié)構(gòu)影響下的氣固流動(dòng)、傳質(zhì)與反應(yīng)過(guò)程模擬。Huang等20基于細(xì)網(wǎng)格模擬結(jié)果，采用濾波法構(gòu)建了適于描述氣固流動(dòng)-反應(yīng)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)引入反映介尺度結(jié)構(gòu)影響的有效因子，建立了描述該有效因子波動(dòng)特性的概率密度模型，實(shí)現(xiàn)了循環(huán)流化床提升管反應(yīng)器內(nèi)氣固流動(dòng)與臭氧分解反應(yīng)過(guò)程的準(zhǔn)確描述。Zou等21針對(duì)氣固非催化反應(yīng)過(guò)程，建立了介

6、尺度結(jié)構(gòu)影響的傳質(zhì)模型，并與縮核反應(yīng)模型進(jìn)行耦合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)氣固非催化反應(yīng)過(guò)程的模擬。以上基于介尺度結(jié)構(gòu)影響的研究工作，對(duì)于認(rèn)識(shí)氣固流動(dòng)-反應(yīng)體系的復(fù)雜特性具有重要意義。然而，前述關(guān)于介尺度結(jié)構(gòu)影響的報(bào)道，多是從精細(xì)網(wǎng)格模擬出發(fā)獲得的結(jié)果，鮮有從介尺度幾何結(jié)構(gòu)本身出發(fā)，通過(guò)其自身幾何結(jié)構(gòu)對(duì)傳質(zhì)、反應(yīng)過(guò)程的影響機(jī)制來(lái)獲得適用于氣固流動(dòng)-反應(yīng)體系的介尺度結(jié)構(gòu)模型。為此，本文通過(guò)充分考慮提升管內(nèi)顆粒聚團(tuán)結(jié)構(gòu)特性對(duì)流動(dòng)和化學(xué)反應(yīng)的影響，獲得反映介尺度結(jié)構(gòu)特性對(duì)傳質(zhì)、反應(yīng)定量影響的關(guān)聯(lián)式（非均勻性因子），建立了基于介尺度結(jié)構(gòu)的流動(dòng)-反應(yīng)綜合數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)提升管內(nèi)臭氧分解反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。進(jìn)一

7、步應(yīng)用該模型，對(duì)工業(yè)催化裂化提升管反應(yīng)器的流動(dòng)-反應(yīng)特性進(jìn)行模擬分析，通過(guò)預(yù)測(cè)目標(biāo)產(chǎn)品汽油收率出現(xiàn)最佳收率的提升管高度位置，有望為反應(yīng)終止劑技術(shù)的開發(fā)提供重要基礎(chǔ)信息。2.2.3 工業(yè)提升管反應(yīng)器催化裂化反應(yīng)規(guī)律為了對(duì)比基于平均化的模型和基于介尺度結(jié)構(gòu)的模型所預(yù)測(cè)的催化裂化反應(yīng)過(guò)程，圖9比較了兩種模擬方法得到的提升管高度方向上原料重油轉(zhuǎn)化率的變化?？梢钥闯?，基于介尺度結(jié)構(gòu)的模型計(jì)算所得到的原料轉(zhuǎn)化率低于基于平均化的傳統(tǒng)模型，說(shuō)明傳統(tǒng)基于平均化的模型易高估重油的催化裂化反應(yīng)。由于顆粒聚團(tuán)結(jié)構(gòu)阻礙了原料重油與催化劑顆粒的充分接觸，導(dǎo)致原料重油的轉(zhuǎn)化率降低，進(jìn)一步說(shuō)明基于介尺度結(jié)構(gòu)的模型可以充分考慮

8、到催化劑顆粒聚團(tuán)結(jié)構(gòu)對(duì)催化裂化反應(yīng)的影響。圖9圖9提升管高度方向轉(zhuǎn)化率變化Fig.9Conversion along the height in riser圖10圖13為兩種模擬方法得到的提升管內(nèi)重油、汽油、柴油和焦炭組分濃度分布對(duì)比?？梢钥闯觯谔嵘芊磻?yīng)器各高度截面上，重油、柴油、汽油、液化氣和干氣等組分濃度也存在著一定的分布。上述關(guān)于催化劑顆粒濃度分布分析結(jié)果表明，在提升管邊壁附近區(qū)域顆粒聚團(tuán)現(xiàn)象較為明顯，而中間區(qū)域顆粒濃度較低，這種分布情況直接影響了催化劑上進(jìn)行的裂化反應(yīng)，從而影響組分濃度，這一趨勢(shì)在提升管的上部的充分發(fā)展段更為明顯，而在入口附近由于流場(chǎng)紊亂，其徑向分布規(guī)律不顯著。圖1

9、0圖10重油組分濃度分布Fig.10Distribution of heavy oil concentration圖11圖11汽油組分濃度分布Fig.11Distribution of gasoline concentration圖12圖12柴油組分濃度分布Fig.12Distribution of diesel concentration圖13圖13焦炭組分濃度分布Fig.13Distribution of coke concentration從重油組分濃度的分布（圖10）可以看出，提升管底部靠近入口噴嘴處的重油組分濃度較高，沿提升管向上流動(dòng)，重油組分濃度下降，其中基于平均化的模型所預(yù)測(cè)的重

10、油組分濃度下降較快，說(shuō)明高估了原料重油的催化裂化反應(yīng)過(guò)程，導(dǎo)致所預(yù)測(cè)的原料重油組分濃度較低，這與前述所預(yù)測(cè)的提升管內(nèi)臭氧分解反應(yīng)的結(jié)果相一致。此外，在遠(yuǎn)離提升管入口噴嘴處的充分發(fā)展段，基于介尺度結(jié)構(gòu)的模型所預(yù)測(cè)的重油組分濃度徑向分布不均勻，靠近邊壁處的重油組分濃度較高，轉(zhuǎn)化較慢，因邊壁處催化劑顆粒更易形成聚團(tuán)，導(dǎo)致重油組分難以與催化劑充分接觸。相比而言，基于平均化的模型預(yù)測(cè)的重油組分濃度的徑向分布更為均勻。這一預(yù)測(cè)結(jié)果也說(shuō)明基于介尺度結(jié)構(gòu)的模型能較為準(zhǔn)確地描述顆粒聚團(tuán)對(duì)重油催化裂化反應(yīng)過(guò)程的影響。從汽油和柴油組分濃度的分布（圖11、圖12）可以看出，汽油、柴油組分沿提升管高度逐漸增加，到達(dá)一定

11、高度后，又有一定程度的下降，這是由于重油裂化產(chǎn)生的汽油和柴油組分會(huì)發(fā)生二次反應(yīng)，當(dāng)在提升管下部區(qū)域時(shí)，生成汽柴油的一次反應(yīng)速率較快，汽柴油組分逐漸增加，到達(dá)一定高度后其二次裂化反應(yīng)比生成汽柴油的一次反應(yīng)速率高時(shí)，汽柴油組分濃度開始下降，說(shuō)明汽柴油這兩種目的輕質(zhì)油產(chǎn)品在提升管內(nèi)的濃度存在最佳高度。兩種模擬方法對(duì)比可以看出，基于平均化的模型預(yù)測(cè)的汽柴油濃度較高，說(shuō)明該模型易高估重油的催化裂化反應(yīng)，且徑向分布更加均勻。 而基于介尺度結(jié)構(gòu)的模型預(yù)測(cè)的汽油和柴油組分濃度的徑向分布存在一定的非均勻性，在提升管上部，靠近壁面處的組分濃度較低，這是由于該模型考慮到了顆粒聚團(tuán)結(jié)構(gòu)的影響，靠近邊壁處易形成聚團(tuán)結(jié)構(gòu)

12、，導(dǎo)致重油難以充分與催化劑顆粒接觸使得生成汽柴油的反應(yīng)速率較低，進(jìn)而導(dǎo)致壁面處的汽柴油組分濃度較低。由圖13焦炭濃度可以看出，沿著提升管高度，焦炭濃度逐漸增加，主要是由于靠近提升管上部生成焦炭的二次反應(yīng)占優(yōu)。此外，對(duì)比兩種模型的結(jié)果可以看出，基于平均化的模型預(yù)測(cè)的焦炭濃度較高，說(shuō)明該模型高估重油的催化裂化反應(yīng)，預(yù)測(cè)的汽柴油濃度高、導(dǎo)致預(yù)測(cè)的汽柴油生成焦炭的二次反應(yīng)速率高，因而焦炭濃度高。此外，基于平均化的模型預(yù)測(cè)的焦炭濃度的徑向分布較為均勻，而基于介尺度結(jié)構(gòu)的模型預(yù)測(cè)的焦炭濃度在靠近壁面處較高，徑向分布存在一定程度的非均勻性, 在提升管上部的充分發(fā)展段更為明顯。這是由于基于介尺度結(jié)構(gòu)的模型所預(yù)

13、測(cè)的壁面處易形成顆粒聚團(tuán)，汽柴油在聚團(tuán)內(nèi)部的流動(dòng)阻力較大，難以及時(shí)傳遞到聚團(tuán)外而發(fā)生過(guò)量的二次反應(yīng)生成焦炭，導(dǎo)致壁面處焦炭濃度較高。圖14對(duì)比了基于介尺度結(jié)構(gòu)的流動(dòng)-反應(yīng)綜合模型與傳統(tǒng)基于平均化的流動(dòng)-反應(yīng)綜合數(shù)學(xué)模型在預(yù)測(cè)提升管產(chǎn)物分布方面的差別。在基于平均化的傳統(tǒng)模型得到的結(jié)果中，汽油和柴油組分濃度在515 m內(nèi)快速增加，在15 m處基本達(dá)到最大值，之后變化平緩；而在基于介尺度結(jié)構(gòu)的模型得到的結(jié)果中，沿提升管高度汽油和柴油組分濃度逐漸增加，在提升管下部變化幅度大些，在提升管中上部變化緩慢。結(jié)果表明，基于介尺度結(jié)構(gòu)的模型所預(yù)測(cè)的汽油收率最佳值出現(xiàn)在提升管高度23 m處，這與工業(yè)實(shí)際相接近，而

14、傳統(tǒng)未考慮聚團(tuán)影響而基于平均化的模型所預(yù)測(cè)的汽油收率最佳值的高度為15 m，嚴(yán)重偏離工業(yè)實(shí)際。這一對(duì)比說(shuō)明了本文所建立的基于顆粒聚團(tuán)介尺度結(jié)構(gòu)的流動(dòng)-反應(yīng)綜合模型可以較為準(zhǔn)確地描述提升管內(nèi)進(jìn)行的流動(dòng)-反應(yīng)耦合特性，較為可靠地用于研究提升管內(nèi)復(fù)雜的催化裂化平行-順序反應(yīng)過(guò)程，進(jìn)而為工業(yè)提升管反應(yīng)器的優(yōu)化操作提供基礎(chǔ)信息。圖14圖14提升管高度方向上各產(chǎn)物產(chǎn)率變化（實(shí)線為基于介尺度結(jié)構(gòu)的模型，虛線為基于平均化的模型）Fig.14Yield of different components along riser height (solid line for mesoscale model, and

15、dash line for homogeneous model)3 結(jié) 論本文采用基于能量最小多尺度（EMMS）方法的曳力模型建立了提升管氣固兩相流動(dòng)模型，考慮了顆粒聚團(tuán)對(duì)氣固相間動(dòng)量傳遞的影響。此外，進(jìn)一步通過(guò)考慮顆粒聚團(tuán)的存在以及顆粒聚團(tuán)的非均勻性對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響，提出了描述介尺度結(jié)構(gòu)對(duì)反應(yīng)速率影響的修正因子，與氣固流動(dòng)模型進(jìn)行耦合，建立了基于介尺度結(jié)構(gòu)的流動(dòng)-反應(yīng)綜合數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)提升管內(nèi)臭氧分解反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。進(jìn)一步應(yīng)用該模型，通過(guò)耦合重油催化裂化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)工業(yè)催化裂化提升管反應(yīng)器的流動(dòng)、傳熱與反應(yīng)特性進(jìn)行了模擬分析。結(jié)果表明，該模型可以合理描述提升管氣固相互

16、作用，在提升管底部入口處顆粒濃度較高，可以預(yù)測(cè)到較多的顆粒聚團(tuán)，且在提升管的邊壁與中心區(qū)域均有聚團(tuán)；提升管上部顆粒濃度較低，預(yù)測(cè)的顆粒聚團(tuán)較少，且聚團(tuán)主要集中在邊壁附近。由于提升管反應(yīng)器中氣速較高，氣固兩相之間熱量傳遞快，使得提升管內(nèi)顆粒聚團(tuán)對(duì)傳熱過(guò)程影響較小，提升管各橫截面處的溫度分布較為均勻。由于邊壁處催化劑顆粒更易形成聚團(tuán)，重油組分難以與催化劑充分接觸，生成汽柴油的反應(yīng)速率較低，轉(zhuǎn)化較慢，進(jìn)而導(dǎo)致重油和汽柴油組分濃度徑向分布不均勻，靠近邊壁處的重油組分濃度較高，汽柴油組分濃度較低。此外，汽柴油在聚團(tuán)內(nèi)部的流動(dòng)阻力較大，難以及時(shí)傳遞到聚團(tuán)外而發(fā)生過(guò)量的二次反應(yīng)生成焦炭，導(dǎo)致壁面處焦炭濃度較高。由此可見，基于介尺度結(jié)構(gòu)的流動(dòng)-反應(yīng)綜合數(shù)學(xué)模型可以合理描述介尺度結(jié)構(gòu)對(duì)催化裂化反應(yīng)過(guò)程的影響。通過(guò)與傳統(tǒng)基于平均化而未考慮聚團(tuán)影響的模型進(jìn)行對(duì)比可以看出，基于介尺度結(jié)構(gòu)的模型所預(yù)測(cè)的汽油收率最佳值與工業(yè)實(shí)際相接近，而傳統(tǒng)基于平均化的模型所預(yù)測(cè)的汽油收率最佳值出現(xiàn)在提升管的較低位置，高