流化床-提升管耦合反应器内固含率的轴向分布及流动发展

在耦合流化床反应器大型冷模实验装置上,考察了不同表观气速下FCC颗粒在耦合流化床内截面平均密度的轴向分布. 结果表明,反应器轴向固含率可分为底部流化床区域和上部提升管区域. 前者的密相区平均固含率随表观气速增大而减小;后者的平均固含率随表观气速Ug增大而增大,Ug<0.58 m/s时固含率分布均匀,Ug=0.70~1.04 m/s时提升管出口出现约束返混区(>8.62 m),Ug>1.16 m/s时提升管底部出现密度重整区(3.82~4.57 m)、加速平稳区(4.57~8.62 m)和出口返混区(>8.62 m). 确定了耦合反应器内提升管区域截面平均固含率的影响参数,并利用实验数据回归了平均固含率的轴向分布经验模型,计算值与实验值吻合较好.     

耦合流化床提升管内固含率径向分布及沿轴向的发展

针对催化汽油辅助反应器改质降烯烃工艺,结合提升管与流化床的特点,建立了一套提升管与流化床耦合反应器大型冷态实验装置. 在不同操作条件下,采用PV-4A型光纤密度仪测定了提升管内固含率沿径向的分布规律. 结果表明,固含率径向分布整体上呈现中心小、边壁大的环-核结构分布特征;沿轴向向上,各径向位置上的固含率在颗粒加速区逐渐降低,在充分发展区趋于稳定,在颗粒约束返混区又有所升高;各径向位置上的固含率随表观气速增大或颗粒循环强度减小而减小,且均匀性变好;提升管上部流化床内颗粒静床高度只对颗粒约束返混区内固含率径向分布有影响,而对颗粒加速区和充分发展区的固含率径向分布影响较小;当表观气速较低或颗粒循环强度较大时,颗粒约束返混区上部局部固含率最大值出现在无因次半径f=r/R=0.7附近,此时局部无因次固含率es*=es/ 沿轴向在H>5.33 m时不再具有相似性;通过比较径向不均匀指数,得到轴向各区固含率径向分布趋于均匀的程度依次为：充分发展区>颗粒约束返混区>颗粒加速区. 利用实验数据回归出了局部固含率径向分布关联式,其平均相对误差在6%以内.     

流化床-提升管耦合反应器内沥青颗粒的流动特性

针对重油残渣(沥青颗粒)气化制氢工艺,在流化床-提升管耦合反应器大型冷模实验装置上,考察了不同操作条件下沥青颗粒体系在耦合反应器内截面平均密度的轴向分布. 结果表明,对单组分沥青颗粒体系,耦合反应器适宜的操作条件为：提升管表观气速ug,r=0.70~1.76 m/s;与A类颗粒相比,沥青颗粒在耦合反应器内的流动特性呈现不同的特点,整个反应器沿轴向可分为底部流化床密相区、提升管底部低密度区、提升管颗粒密度重整区、提升管加速区、充分发展区和出口约束区6个区域;反应器内截面平均密度随颗粒质量流率增大而增大,随表观气速增大而减小;确定了耦合反应器内提升管区域截面平均固含率的影响参数为ep', Fr及H/Dr,并利用实验数据回归了平均固含率的轴向分布经验模型,其计算值与实验值吻合较好.     

不同流型下组合约束型提升管出口段固含率分布

在一套组合约束型提升管冷态实验装置上,研究了气力输送和快速流态化两种流型下,出口段局部固含率分布规律及不同操作条件对固含率的影响。结果表明:局部固含率径向分布整体上呈中心小、边壁大的分布特征,并随分布器开孔率和表观气速的降低而增大,随上部流化床层压降和颗粒循环强度的降低而减小;在快速流态化操作下,局部固含率曲线分布形式与常规提升管类似,而在气力输送状态下,临近出口区域局部固含率最大值通常不出现在边壁处,其位置随表观气速和分布器开孔率增加以及颗粒循环强度和上部流化床层压降降低而远离边壁;两种流型下局部固含率径向分布的均匀性均随表观气速及分布器开孔率的增加而升高,随颗粒循环强度及流化床层压降的增加而降低。     

流化床提升管中脱油油砂颗粒固含率的轴向分布

针对油砂直接流化焦化工艺,建立了一套大型冷模提升管循环流化床装置. 粒度测试结果表明,该脱油油砂颗粒属宽筛分混合颗粒,且细颗粒含量较多,粒度分布宽(1~>2000 mm). 在不同操作条件下,采用多点压力密度测量仪测定了提升管内压力梯度和截面平均固含率沿提升管轴向的分布. 实验结果表明,脱油油砂颗粒在提升管内截面的平均固含率随表观气速增大而减小,随颗粒循环强度增大而增大;固含率沿提升管轴向的分布为C型,即上下两端较浓、中间较稀,且沿提升管自上而下分为3个区域：颗粒约束返混区(>12 m)、充分发展区(4~12 m)和颗粒加速区(<4 m);在相同操作条件下,脱油油砂颗粒在提升管内截面的平均固含率高于FCC颗粒,加速段与约束返混段长度大于FCC颗粒;确定了脱油油砂颗粒在提升管内截面平均固含率的影响参数为ep', Fr及Hr/Dr;通过实验数据回归得到提升管内截面平均固含率轴向分布的经验模型,计算与实验值吻合较好.     

环隙下料式流化床?提升管耦合反应器内截面平均固含率的分布

在环隙下料式流化床-提升管耦合反应器大型冷模实验装置中,研究了提升管和环隙下料管内FCC颗粒截面平均固含率(εp)的轴向分布.结果表明,流化床区域内pe随操作气速增大而减小,提升管区域可分为充分发展区(3.91~6.81 m)和约束返混区(6.81~8.60 m),提升管区域内εp随操作气速增大而增大,操作气速小于0.7 m/s时,εp沿轴向分布均匀;其大于0.7 m/s时,约束返混区的pe明显增大.在环隙下料管内,由于受窜气的影响,颗粒沿重力场流动阻力增大.操作气速小于0.75 m/s时,环隙下料管内εp沿轴向分布较均匀;其大于0.75 m/s时,变径段出现脱空现象.总体上,εp沿轴向向下略有增加,颗粒可顺畅通过环隙下料管循环返回流化床内.确定了提升管区域内εp沿轴向分布的经验模型,计算值与实验值吻合较好.     

组合约束型提升管出口气固分布器的压降

在一套组合约束型提升管冷态实验装置上,通过实验研究了不同操作条件下提升管出口气固分布器的压降,并与常规气体分布器压降进行了对比。实验结果表明,在零床层及有床层的操作模式下,气固分布器压降均随提升管内表观气速和颗粒循环强度的增加而增大,在颗粒循环强度较低时,气固分布器压降曲线变化的斜率随着表观气速的增加而增大,在颗粒循环强度较高时,气固分布器压降曲线变化的斜率随着表观气速的增加而减小;随着开孔率及上部流化床层压降增加,气固分布器压降呈降低趋势,当流化床层压降达到一定程度后,分布器各孔方可实现有效布气,此后气固分布器压降趋于近似不变;在相同表观气速及开孔率下,气固分布器压降大于常规气体分布器压降。     

液固提升管-流化床组合反应器中流化床径向固含率分布的实验研究

在一套新型液固提升管-流化床组合反应器中，以水-玻璃珠为液-固体系，对f500 mm′4000 mm的液固流化床反应器内不同高度颗粒固含率的径向分布进行了实验，考察了表观液速和颗粒循环速率操作条件对颗粒固含率径向分布的影响. 实验表明，液固流化床内流动区域在轴向上可以划分为分布器影响区、过渡区和均匀流化区，径向上可以划分为中心区和环隙区. 这种分布特征主要取决于分布器的结构、尺寸及其流化介质. 本工作还对液固流化床与气固喷动床的三区流动结构进行了比较.     

组合约束型提升管出口气固分布器的压降

在一套组合约束型提升管冷态实验装置上,通过实验研究了不同操作条件下提升管出口气固分布器的压降,并与常规气体分布器压降进行了对比。实验结果表明,在零床层及有床层的操作模式下,气固分布器压降均随提升管内表观气速和颗粒循环强度的增加而增大,在颗粒循环强度较低时,气固分布器压降曲线变化的斜率随着表观气速的增加而增大,在颗粒循环强度较高时,气固分布器压降曲线变化的斜率随着表观气速的增加而减小;随着开孔率及上部流化床层压降增加,气固分布器压降呈降低趋势,当流化床层压降达到一定程度后,分布器各孔方可实现有效布气,此后气固分布器压降趋于近似不变;在相同表观气速及开孔率下,气固分布器压降大于常规气体分布器压降。     

提升管-环流床耦合反应器环流床内的固含率分布

针对催化汽油辅助反应器改质降烯烃技术,在提升管-环流床耦合反应器大型冷模实验装置上,研究了上部环流床内局部固含率分布及操作条件的影响,采用径向不均匀指数分析比较了提升管上端耦合环流床及耦合常规流化床的流化质量. 结果表明,环流床内固含率随表观气速增加而减小,导流筒底部固含率随外循环强度增加而增加,中上部固含率受外循环强度影响较小,环隙内固含率随外循环强度增加略有降低. 当导流筒内表观气速Ug,d<0.85 m/s时,固含率径向分布的均匀性沿轴向向上逐渐变好,当Ug,d≥0.85 m/s时,则沿轴向向上先变好,在导流筒出口处又变差;环隙内固含率分布趋于均匀的程度依次为环隙中部>环隙下部>环隙上部. 相同条件下,环流床内固含率分布的径向不均匀指数小于常规流化床.     

耦合反应器提升管段颗粒速度分布及约束特性

A large-scale cold model experimental setup of a riser-fluidized bed coupled reactor was established according to the olefin reduction technology with an auxiliary reactor for FCC naphtha upgrading.Distributions of particle velocity in the riser section were experimentally investigated in the setup.Furthermore,the restriction index of particle velocity was defined to quantitatively show the restriction effects of the riser outlet lotus-shaped distributor and the upper fluidized bed on the particle flow behavior in the riser.The experimental results showed that the riser could be divided into two regions in the longitudinal direction,i.e.,lower traditional transport region and upper restriction region.In the longitudinal direction,the averaged cross-sectional particle velocity in the traditional transport region increased firstly,and then tended to be smooth,while decreased in the restriction region.With the increase of static bed height in the upper fluidized bed,the local particle velocity decreased,and the tendency of change in the core region is more than that in the wall region.Restriction effects of the lotus-shaped distributor and the upper fluidized bed on particle flow behavior enhanced with the increases of superficial gas velocity,solids flux and static bed height in the upper fluidized bed.In the same cross-section,outlet restriction effects enhanced with the increase of the dimensionless radial position r/R,and would not change when r/R≥0.5.     

提升管与气-固环流床层耦合反应器的流体力学特性及流动模型

针对催化汽油辅助反应器改质降烯烃技术,在一套提升管与气-固环流床层耦合反应器大型冷模实验装置上,研究了上部环流床层的流体力学特性。结果表明,在环流床层与提升管耦合操作的情况下,床层内颗粒环流存在两种推动力,分别为静压差推动力和颗粒喷射推动力;环隙与导流筒之间的整体平均固含率差随导流筒表观气速增加而增加,随颗粒外循环强度增加而降低;颗粒环流速度随导流筒表观气速和颗粒外循环强度增加而增加。通过对环流床层进行动量衡算,建立了提升管与环流床层耦合流动的数学模型,模型平均相对误差在15.95％以内。     

The influence of distributor structure on the solids distribution and flow development in circulating fluidized beds

The influence of distributor structure on solids distribution is studied in two riser circulating fluidized bed reactors with different distributor structures but similar diameters. Optic fibre probes were used for the measurement of local solids distribution. The axial and radial distribution of solids holdup in the riser with a multi‐tube distributor is more uniform than that with a multi‐orifice distributor. The radial profiles of particle velocity in the riser with the multi‐tube distributor are also more uniform than that with the multi‐orifice distributor. In the riser with the multi‐tube distributor, both gas and particles are distributed more uniformly across the section, so that the flow acceleration is much more uniform and faster. The flow development is much faster and the fully developed region is reached early for the riser with the multi‐tube distributor. The distributor design is an important factor for the design of circulating fluidized bed reactor.     

提升管加床层反应器不同操作模式下的压力脉动特性

在提升管加床层反应器冷模实验装置上,分别采取零床层和有床层的操作模式,测量并分析了提升管内的压力脉动行为. 结果表明,有床层操作模式下的提升管内压力脉动标准偏差明显高于零床层操作模式;压力脉动主频零床层操作模式下主要集中于1.56?3.13和0?0.391 Hz,主要源于提升管内颗粒的脉动,有床层操作模式下为12.5?25.0和0?0.391 Hz,12.5?25.0 Hz频段主要源于提升管出口上方设置的气固分布器加流化床层对提升管内气固流动的约束及其影响下的气体脉动行为,0?0.391 Hz频段主要源于提升管段进料的不连续性及其与进料口下方提升气体的相互作用.     

气固循环流化床提升管环核区颗粒质量传递系数的估计

Based on analysis of energy dissipation in the core region of gas-solid fluidized bed risers,a simplified model for determination of core-annulus solids mass transfer coefficient was developed according to turbulent diffu- sion mechanism of particles.The simulation results are consistent with published experimental data.Core-annulus solids mass transfer coefficient decreases with increasing particle size,particle density and solids circulation rate, but generally increases with increasing superficial gas velocity and riser diameter.In the upper dilute region of gas-solid fiuidized bed risers,core-annulus solids mass transfer coefficient was found to change little with the axial coordinate in the bed.     

新型催化裂解快速流化床内颗粒浓度分布实验研究

催化裂解反应器是石油深度加工的重要反应器,采用实验方法对新型快速床催化裂解反应器内气固两相流动特性进行了研究,测量了床层内颗粒浓度分布,考察了气体流量对床层轴向和径向上颗粒浓度分布的影响。实验结果表明,床层轴向上颗粒浓度呈现下部稠密上部稀疏的分布规律;当气体流量较低时轴向颗粒浓度呈S形分布,高气量下呈现指数函数形分布,即反应器上部区域的颗粒浓度分布影响较小;床层径向颗粒浓度分布呈现中心稀、边壁浓的特征,且增大空气流量,径向分布趋于均匀。在一定操作条件下,与传统提升管相比,新型快速床颗粒浓度显著提高。     

Hydrodynamics in airlift loop section of petroleum coke combustor

Based on the combustion characteristics of petroleum coke, a coupled gas-solid fluidized bed combustor is proposed in this work. The overall circulating system of the fluidized bed mainly consists of a dense-phase airlift loop section and a dilute-phase riser section. In different operating conditions, the particle flow behaviors in the airlift loop section were investigated systematically by using optical fiber probe. The experimental results show that the airlift loop section can be divided into four regions, namely, the draft tube, the annulus, the bottom region and the particle diffluence region, in which the average cross-sectional solids fraction and the particle velocity are different. The overall solids fraction difference between the draft tube and the annulus provides a driving force for particle circulation flow in the airlift loop section, and the driving force increases with increasing the superficial gas velocity in the draft tube. The ratio of the particle mass flux in the annulus to that in the riser ranges from 8 to 16. The particle circular velocity in the annulus also increases with increasing the superficial gas velocity in the draft tube. Moreover, a model about the particle circular velocity is established on the basis of energy equilibrium principle.