环隙气升式气固环流反应器内床层密度的实验研究

针对工业化中气-固环流反应器存在的缺陷,提出了一种新型的环隙气升式气固环流反应器. 在一套冷模装置内系统地考察了局部床层密度分布. 实验中实现了稳定、连续的环隙气升式环流,环流推动力随着环隙区表观气速的增加而增加,随着导流筒区表观气速的增加而减小,当导流筒区表观气速为0.2 m/s时,颗粒环流方向改变为中心气升式. 受结构特性的影响,催化剂密度在导流筒区和环隙区沿径向的分布具有一定的不均匀性,在底部r/R≤0.47区域颗粒未能充分流化,床层密度接近820 kg/m3,在底部0.47≤r/R≤1.0区域颗粒流化较好,床层密度小于450 kg/m3;随着环隙区表观气速由0.2 m/s增加至0.54 m/s,环隙区、导流筒区平均密度分别降低约70和33 kg/m3,随着导流筒区表观气速由0.06 m/s增加至0.2 m/s,环隙区平均密度增加约90 kg/m3,导流筒区平均密度降低约33 kg/m3.     

环隙气升式气固环流反应器内流体力学特性的理论分析

环流反应器的研究与应用一直局限于气液与气液固体系,将环流反应器移植到气固体系是一个具有独创性的探索。针对工业化中气固环流反应器的缺陷,提出了一种新型的环隙气升式气固环流反应器。并对床层空隙率、颗粒流动速度进行了实验研究与理论分析。建立了环隙区床层空隙率模型,发现环隙区床层空隙率随着环隙区表观气速的增加而增加;环隙区靠近导流筒外壁一侧颗粒流动速度明显大于靠近反应器内壁一侧,导流筒区颗粒流动速度沿径向的分布受气体分布器结构影响较大;环隙区颗粒流动速度基本不随轴向位置的变化而变化,导流筒区颗粒的流动属于密相输送,颗粒环流所受到的阻力主要集中在底部区域,其次为气固分离区,底部区域阻力大小由床层流化质量和导流筒下端距反应器底部的间隙所决定;建立了颗粒环流速度模型,发现环流速度随环隙区表观气速的增加而增加。     

环隙气升式气固环流反应器内颗粒速度特性

针对中心气升式气固环流反应器在工业化中暴露出来的问题,提出了一种新型的环隙气升式气固环流反应器,并建立了一套大型的冷态实验装置（装置总高4．56m,环流反应器筒体外径300mm）来考察环隙气升式气固环流反应器内颗粒速度特性。操作条件为环隙区表观气速0.10-0.54m／s,导流筒区表观气速0.059-0.200m／s。分别测量了环流反应器环流段内颗粒的密度和速度,基于实验数据对催化剂颗粒的运动速度和环流推动力进行系统分析。结果表明,环隙区颗粒分布形式为“中心稀两边浓”;环隙气升式气固环流反应器内,颗粒环流速度随着环隙区表观气速的增大而增大,而环流速度梯度逐步减小。随着导流筒高径比H／D的增大,环隙气升式气固环流反应器的环流推动力增大而颗粒环流速度减小。     

提升管CSVQS系统预汽提段颗粒速度和停留时间分布

在一套φ600 mm CSVQS的环流预汽提段冷态实验床装置上,在导流筒区气速为0.2 m·s-1和0.3 m·s-1,环隙区气速为0.03 m·s-1和0.07 m·s-1,汽提段气速为0和0.13 m·s-1时,考察了预汽提导流筒区和环隙区的颗粒速度分布,同时在上述条件下,根据提出的计算方法,考察了由提升管引入环流预汽提段颗粒的平均停留时间分布。结果表明,在上述几种操作条件下,预汽提段均为中心气升式环流,汽提段气体大部分进入导流筒区。在导流筒区气速相同时,在无汽提风时,导流筒区颗粒速度随环隙区气速的增加沿径向由陡峭分布转变为平缓分布;在有汽提风时,导流筒区颗粒速度径向分布随环隙区气速的变化很小。在环隙区气速相同时,在有汽提风时,导流筒区颗粒速度随其气速的增加由平缓分布转变为陡峭分布;在无汽提风时,两种导流筒区气速下的颗粒速度径向分布均比较陡峭。与导流筒区相比,环隙区颗粒速度径向分布几乎不随操作条件的不同而变化。随着导流筒气速的增加或环隙气速的降低,颗粒平均停留时间分布变窄,质量分数降低;随着颗粒循环强度的增加,颗粒平均停留时间分布变窄;质量分数变化不一。     

非强制环流混合器中的颗粒速度特性

为了考察无导流筒的非强制环流混合器的颗粒混合效率,强化颗粒沿径向的混合效果,采用计算流体动力学(CFD)方法,基于能量最小化多尺度(EMMS)的非均匀化曳力模型模拟研究了非强制环流混合器中的颗粒混合方式及相关流场。模拟结果所示:由于导流筒限制消失,颗粒在中心区与边壁区之间流入与流出,增加了颗粒的混合;在混合器底部(h=0.04 m),颗粒由边壁处向中心处流动,而其他高度,颗粒沿径向向外侧运动;由于中心下料管进料的偏流作用,使得颗粒在上部下降管区及h为0.16 m附近截面产生了明显的沿周向运动。在上部下降管区,边壁区的范围随着表观气速以及轴向高度的增加而减小。模拟结果为环流混合器结构的进一步优化提供了依据。     

提升管CSVQS系统预汽提段颗粒速度和停留时间分布

在一套φ600 mm CSVQS的环流预汽提段冷态实验床装置上,在导流筒区气速为0.2 m·s^-1和0.3 m·s^-1,环隙区气速为0.03 m·s^-1和0.07 m·s^-1,汽提段气速为0和0.13 m·s^-1时,考察了预汽提导流筒区和环隙区的颗粒速度分布,同时在上述条件下,根据提出的计算方法,考察了由提升管引入环流预汽提段颗粒的平均停留时间分布。结果表明,在上述几种操作条件下,预汽提段均为中心气升式环流,汽提段气体大部分进入导流筒区。在导流筒区气速相同时,在无汽提风时,导流筒区颗粒速度随环隙区气速的增加沿径向由陡峭分布转变为平缓分布;在有汽提风时,导流筒区颗粒速度径向分布随环隙区气速的变化很小。在环隙区气速相同时,在有汽提风时,导流筒区颗粒速度随其气速的增加由平缓分布转变为陡峭分布;在无汽提风时,两种导流筒区气速下的颗粒速度径向分布均比较陡峭。与导流筒区相比,环隙区颗粒速度径向分布几乎不随操作条件的不同而变化。随着导流筒气速的增加或环隙气速的降低,颗粒平均停留时间分布变窄,质量分数降低;随着颗粒循环强度的增加,颗粒平均停留时间分布变窄;质量分数变化不一。     

新型气固环流反应器内颗粒流动的CFD模拟

采用基于结构的EMMS曳力模型,对一种新型气固环流反应器中的颗粒流动特性进行数值模拟。模拟的固含率与颗粒速率预测值与实验数据具有一致性,验证了模型的适用性。模拟结果表明：导流筒表观气速增加,导流筒中的床层固含率减小,向上的颗粒速率增加;反应器中存在多个颗粒逆流和错流混合区,促进了颗粒沿径向的混合;槽孔处,导流筒中的固含率以及颗粒速率分布更加均匀,而环隙中存在颗粒浓集区;进料区在0≤L≤0.058 m,0< r/R< 0.3的范围内固含率增加并且颗粒存在明显的径向流动。     

连续内环流三相反应器局部流动特性

在φ200 mm×2500 mm连续内环流三相反应器内,考察了空气 水 玻璃珠体系反应器内局部流动参数随操作条件的变化规律。结果表明,导流筒内截面平均气含率随表观气速的增大而增大,较之气液两相流,在低固含率时,加入固体对气含率影响不明显,而在较高固含率下,气含率有明显降低,但固体再增加时对气含率变化影响不大。在较低表观气速下,进料浆速对导流筒内气含率轴向分布趋势有一定的影响,但在较高表观气速下影响不大,导流筒内的气含率大于环隙内的气含率且随气速增大差别更加明显,浆相连续有利于气相分散并增大环隙内的气含率。导流筒内循环浆速径向分布呈抛物状,中心高、近壁处低,受进料浆速和入口固含率影响都不大。浆相循环强度最低为20,高可达180。固含率轴、径向分布受表观气速和进料浆速的影响,固含率轴、径向分布基本均匀,随进料浆速增加,反应器内固含率降低。     

新型气固环流反应器内颗粒流动的CFD模拟

采用基于结构的EMMS曳力模型,对一种新型气固环流反应器中的颗粒流动特性进行数值模拟。模拟的固含率与颗粒速率预测值与实验数据具有一致性,验证了模型的适用性。模拟结果表明:导流筒表观气速增加,导流筒中的床层固含率减小,向上的颗粒速率增加;反应器中存在多个颗粒逆流和错流混合区,促进了颗粒沿径向的混合;槽孔处,导流筒中的固含率以及颗粒速率分布更加均匀,而环隙中存在颗粒浓集区;进料区在0≤L≤0.058 m,0r/R0.3的范围内固含率增加并且颗粒存在明显的径向流动。     

气固环流燃烧器内颗粒流动行为

针对石油焦及气化余焦的燃烧特点和流态化特性,提出了一种采用气固密相环流烧焦与快速床管式烧焦技术相组合的新型燃烧器结构。在不同操作条件(导流筒区表观气速0.772～1.674m.s-1,环隙区表观气速0.223～0.519m.s-1,装置系统的颗粒外循环强度40.8～229.4kg.m-2.s-1)及两类颗粒体系下,采用光纤测量仪对组合燃烧器环流段内颗粒流动特性进行了系统的实验研究。结果表明,两类颗粒体系的固含率和颗粒轴向速度在导流筒区、底部区和颗粒分流区床层内沿径向的分布规律为中心区小、边壁区大的环-核型分布,体现了气固流化床典型聚式流态化的非均一性特征;在环隙区,受环流段结构的影响,两类颗粒体系的固含率和颗粒轴向速度参数沿床层径向的分布相对较均匀;混合颗粒体系的固含率、颗粒轴向速度较单一石英砂颗粒体系的要小,细颗粒的加入在一定程度上能改善气固混合的均匀程度;两类颗粒体系在底部区和颗粒分流区的径向流动具有剪切破碎气泡的作用,有利于环流段内气固的充分混合接触。     

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.     

两段气升式气固环流取热器导流筒壁与床层间的传热特性研究

在一套φ600 mm×7000 mm半圆形的大型有机玻璃两段环流实验装置上,采用FCC催化剂,在导流筒区表观气速0.101～0.670 m/s,环形区表观气速分别为0.049 m/s和0.099 m/s范围内,测定了导流筒壁与颗粒床层之间的传热系数、床层密度和颗粒环流速度的分布规律.结果表明床层密度和颗粒环流速度是影响传热的主要因素,而这两者的变化规律完全由导流筒区和环形区的气速来调控.传热系数随导流筒区气速的增加而增加,适当增加环形区气速能显著改善传热效果.实验结果表明,两段环流取热器比目前工业催化裂化装置使用的外取热器有较高的传热系数.通过理论分析,给出了两段环流取热器的传热系数关联式.     

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。     

气液逆流喷射式外环流反应器的液相返混特性

在气液逆流喷射式外环流反应器中,采用电解质脉冲示踪法对液相停留时间分布进行测量,考察不同操作条件以及液相进料位置对液相返混的影响。实验结果表明,随着射流速度u_j或表观气速u_g的增加,液相返混程度先减小后增大;当气速较低且u_j较大时,底部进料的液相返混程度大于喷嘴进料的液相返混程度;而在气速较低且u_j较小以及气速较高条件下,底部进料的液相返混程度小于喷嘴进料的液相返混程度。研究结果可为气液逆流喷射式外环流反应器中液相进料位置的选取及液相返混程度的调控提供指导。     

循环流化床提升管内聚团速度的研究

聚团是气固循环流化床(CFB)中最常见的现象,对气固之间的热量和质量传递有重要影响。为了考察循环流化床内不同运动方向聚团速度的特性,采用高速相机对提升管内气固流动进行摄像,并利用Matlab图像处理程序,分离出颗粒聚团区域并计算颗粒的运动速度。采用拉格朗日(Lagrange)法计算聚团速度,并根据聚团运动方向对上行和下行聚团的速度分别研究。研究结果表明:采用拉格朗日法能准确地计算聚团速度,上行聚团速度略大于下行聚团速度,聚团速度主要分布在[?3,3] m?s?1且随表观气速的增加而增加;边壁区域下行聚团数量远大于上行聚团数量,中心区域上行聚团数量略大于下行聚团,下行聚团数量占聚团总数的60%～70%。聚团速度沿轴向高度略有增加,在顶部受出口的影响略有减小。聚团横向移动在边壁区域较小,中心区域较大。     

喷嘴进料对提升管进料段内颗粒浓度分布的影响

在提升管冷模实验装置上考察了喷嘴进料对颗粒浓度径向分布的影响规律. 结果表明,提升管进料段内存在3种形式的颗粒浓度径向分布,在距喷嘴较近的轴向区域,颗粒浓度沿径向呈明显的W形分布,喷嘴进料对颗粒流动的影响很强;在距喷嘴较远的轴向位置,颗粒浓度沿径向呈环-核分布,喷嘴进料对颗粒流动的影响很弱;在二者之间,颗粒浓度沿径向呈弱W分布,喷嘴进料对颗粒流动具有一定影响. 随着喷嘴气速的增加或预提升气速的减小,颗粒浓度逐渐由W形分布转变为环-核分布,喷嘴进料对颗粒流动的影响逐渐减弱. 采用喷嘴射流动量与预提升来流动量比Mj/Mr考察了操作参数及装置结构尺寸对提升管进料段内颗粒浓度径向分布的综合影响. 在实验范围内,动量比对进料段内颗粒浓度径向分布及颗粒流动行为具有明显的影响规律,随着动量比的增加,颗粒浓度逐渐由W形分布转变为环－核分布,操作参数及装置结构尺寸对颗粒流动的影响逐渐减小. 在动量比小于4.21时,操作参数及装置结构尺寸对颗粒流动的影响在H=0.675~1.075 m间的轴向位置基本结束;在动量比增大为4.21时,操作参数及装置结构尺寸对颗粒流动的影响在H=0.375~0.675 m间的轴向位置便已基本结束.     

两段气固环流反应器流体动力学行为和传质特性的研究

借鉴气液环流的理论,提出了气固多段环流的设想.以空气和FCC催化剂为介质,在内环表观气速为0.089～0.424 m/s、外环表观气速为0.04～0.08 m/s的范围内,在一套两段气固环流反应器内系统研究了两段环流反应器内颗粒的流体动力学行为和气固传质特性.发现反应器平均颗粒密度随着内环表观气速的增加而减小,随外环表观气速的增加变化不大.一段、二段环流速度随着内环表观气速的增加而增加,随外环表观气速的增加略有减小.环流反应器汽提效率随内环表观气速的增加而增加,随外环表观气速的增加略有减小,两段环流反应器的汽提效率大于单段环流反应器.     

中心气升式三相强化环流反应器内气含率分布的理论分析

针对一种新型的中心气升式三相强化环流反应器进行了详细的理论分析,根据能量平衡分别推导出了间歇操作和连续操作模式下拟均相流体的环流速度模型,并根据试验数据确定了间歇和连续两种操作模式下相应的模型参数,通过模型计算发现环流速度随内环表观气速的增加而增加,外循环液体量的加入会显著增加环流速度。根据漂流通量模型推导出了环流反应器内环平均气含率模型,发现内环平均气含率随内环表观气速的增加而增加,其变化趋势基本可分为;气泡分散区、过渡区和气泡聚并区三个区域。给出了内环、外环平均气含率的线性关系式,发现在试验范围内外循环液体量的改变基本不对内外环平均气含率的关系产生影响。     

中心气升式气-固环流反应器与自由流化床流动特性对比

对中心气升式气固环流反应器和自由床流化反应器的流动特性进行了对比. 结果表明,在同样的操作条件下,在轴向高度h=112~512 mm范围内,环流反应器导流筒区的径向不均匀指数RNI比自由床的RNI减小27%~36%;与自由床相比,环流反应器导流筒区的局部不均匀指数减小20%~59%,整体不均匀指数减小17%~43%,环流反应器的流化质量较高;环流反应器导流筒区和自由床内均存在气体返混现象,导流筒区各采样点示踪气体的浓度和轴向扩散系数Da,g比自由床均有所降低,在表观气速0.2~0.4 m/s范围内,导流筒区Peclet准数的绝对值比自由床增大12%~58%,说明导流筒区气体返混程度小于自由床,气-固两相流向上的宏观流动可有效抑制气体的轴向返混.     

气固逆流下行流化床中颗粒速度的径向与轴向分布

在内径90 mm、高7 m的逆流下行床冷态实验装置中,研究了气固逆流下行床中循环锅炉灰(dp=300 mm)颗粒速度的径向分布及其沿轴向发展. 结果表明,局部颗粒速度沿径向分布是不均匀的,在完全发展区,颗粒速度中心和边壁低、在r/R=0.85附近颗粒速度最大. 由大量实验数据回归出预测充分发展段局部颗粒速度的关联式,该公式计算值与实验值的平均相对偏差小于±11%. 不同径向位置的局部颗粒速度沿轴向的变化趋势不同,边壁区域(r/R>0.622)颗粒速度沿轴向单调递增,而中心区域(0相似文献