催化裂化装置沉降器粗旋结构设计探讨

通过FLUENT 6.2流体计算软件,采用雷诺应力模型(RSM)对直径500 mm、三种不同升气管/料腿直径组合的粗旋气相流场进行了数值模拟,分析了升气管和料腿长度改变以及尺寸放大对粗旋流场和性能的影响。模拟结果表明,粗旋流场同普通旋风分离器流场的区别主要在于轴向速度和升气管、料腿内的流场分布;升气管直径大于料腿直径的结构有利于减少由料腿排出的气体量,从而缩短粗旋排出的气体在沉降器内的停留时间,这是粗旋设计的关键;升气管、料腿长度改变对粗旋上下行气量分配有一定影响,其长度选取均存在最佳范围;尺寸放大后,粗旋流场基本上相似,下行气量占进气量的比率略有增大。     

催化裂化沉降器空间内油气停留时间的分布

以0．8Mt／a催化裂化装置的沉降器为例，考察了沉降器空间内油气平均停留时间的分布。在实验室模型验证的基础上，采用RSM模型和标量输运方程进行了数值模拟研究。结果表明．对于粗旋风分离器和顶部旋风分离器之间敞口联接的沉降器。粗旋风分离器升气管出口与顶部旋风分离器人口间有一最佳距离。由于粗旋风分离器与顶旋风分离器非一对一的布置，导致各顶旋风分离器人口气量分配不均，需要改进。由粗旋风分离器料腿进入沉降空间的油气的长时间停留是阻止沉降器内油气平均停留时间缩短的主要问题；其次则为由粗旋风分离器升气管进入沉降空间的油气的停留时间。其它部位油气的停留时间占总停留时间的份额较小。因此，其结构改进的重点应为粗旋风分离器料腿部分以及粗旋风分离器和顶旋风分离器间的联接形式。     

单、双入口旋风分离器环形空间流场的数值模拟

采用RSM模型数值模拟了单入口、双入口旋风分离器环形空间流场分布形式。结果说明单入口分离器径向速度量值总体约是多入口分离器的10倍。双入口分离器环形空间流场对称性较好,切向速度比单入口分离器大;径向向心速度小,可能会减少气流向升气管壁面夹带的颗粒量;且升气管近壁下行速度小而均匀,能减小芯管下方短路流量,分离器性能比单入口分离器好。根据环形空间流场还可以推测,双入口分离器对升气管外壁面冲刷能力强且作用效果均匀,可以有效抑制在气管外壁大块结焦物的形成。     

FCC沉降器内部空间压力分布的数值模拟

采用Fluent流体计算软件对1.40 Mt/a催化裂化装置沉降器内部空间的油气流动状况进行了数值模拟,湍流模型是Reynolds应力输运模型,重点考察内部压力场的分布规律。沉降器计算几何模型是沉降器原型尺寸,包括内部的两级旋风分离器、内置提升管等。计算结果表明沉降器空间的压力按数值大小划分为三个区,一级旋风分离器（粗旋）和提升管反应器内的高压区,沉降器空间的中压区和二级旋风分离器（顶旋）内的低压区。其中提升管出口的压力最高,而顶旋料腿内部压力是整个沉降器压力的最低部分。沉降器内部的压力分布决定了各部分油气和蒸汽的流动路线、速度,以及料腿的料封问题。     

FCC沉降器内不同结构旋风分离系统的模拟分析

FCC沉降器内两级旋风分离系统是石油工业催化裂化过程的重要组成部分。为了分析两级旋风分离系统之间的传递关系,笔者采用Reynolds应力输运模型(RSM)对FCC沉降器内两级旋风分离系统进行两相数值模拟,研究了4种不同结构的流场分布特征及两级分离器间流动不稳定性的相互影响过程。结果表明,粗旋和顶旋采用合理的结构形式能更好地平衡顶旋气流,提高分离效率,降低压力降。料腿底部无约束时,粗旋排出流率较大,顶旋排出流率较小,且各顶旋排出流率并不相同。由粗旋排气管排出的气流仍有旋转特点,使方形直连管下端有漩涡区,出现了多个封闭循环流动的小漩涡,这对顶旋的流动不稳定性有重要的影响。     

催化裂化沉降器内料腿-翼阀排料区域的气相流场的数值模拟

采用计算流体力学软件Fluent6.2对催化裂化装置沉降器内旋风分离器下部的料腿-翼阀排料区域周围的气相流场进行了数值模拟,主要分析翼阀阀板表面产生磨损的原因。计算结果表明沉降器内油气在料腿负压差的作用下会通过开启阀板与阀口的间隙反窜进入料腿形成漏风,漏风量随着阀板开度和负压差的增大而增大。这种漏风携带催化剂颗粒冲击阀板是导致冲蚀磨损的主要原因,同时影响到旋风分离器的分离效率。     

单入口双进气道旋风分离器内流体的流动特性

 采用数值模拟和实验相结合的方法,对一种单入口双进气道旋风分离器内的紊流过程进行了研究。计算得到的旋风分离器内的压力降与实验数据较为吻合,验证了所采用的模型和计算方法的正确性。与普通单入口旋风分离器相比,相同处理量时,此种旋风分离器在不降低分离效率的情况下可以使压力降降低40%左右;通过特殊的双进气道设计,基本消除了普通单入口旋风分离器内旋转中心与几何中心不重合产生的涡核摆动现象,有利于提高旋风分离器的分离效率。在 FCC 沉降器内采用该旋风分离器,不仅可以大幅度降低压力降,减少能耗,而且由于在旋风分离器内形成了对称流场,有利于减少 FCC 沉降器顶旋升气管外壁的结焦。     

外导流管对旋风分离器流场的调控

采用雷诺应力模型(RSM)和离散相模型(DPM)对旋风分离器内的气-固两相流动进行了数值模拟计算,比较了带有不同外导流管的旋风分离器内流场、压降和分离效率,并探究了不同外导流管管径对旋风分离器内的流场调控及分离性能的影响。结果表明：外导流管可以改善旋风分离器内的二次涡分布,减小纵向环流的影响范围,降低二次涡间的协同作用,并抑制灰斗入口和料腿入口的二次流,从而提高分离效率;其中,带有H-E型外导流管的旋风分离器有效地提高了细小颗粒的分离效率,对粒径4 μm以下颗粒分离效率的提高可达10%以上;H-E型外导流管对入口气流进行分流,可以减小气流的旋流损失,使压降降低16.7%。此外,外导流管管径对H-O型旋风分离器分离性能影响较小,对H-E型旋风分离器分离性能影响较大。     

蜗壳式旋风分离器环形空间流场的研究

流场测量表明蜗壳式旋风分离器环形空间的速度场和静压场是非轴对称的 ,存在着切向速度的增高区 (0～ 1 80°,以入口处为 0°)和降低区 (1 80～ 360°)及相对应的静压分布降压区和增压区。在升气管管壁表面附近存在有低速的“滞流层”。蜗壳式旋风分离器环形空间的这种流场分布对颗粒在环形空间的运动过程和旋风分离器性能有重要影响。     

不同结构循环旋风分离器流场的数值分析

采用CFD软件——Fluent6．2中的雷诺应力湍流模型,对具有不同几何结构的循环旋风分离器气相流场进行数值模拟,以考察循环旋风分离器的几何结构对其流场的影响。模拟结果表明,循环管可以减小不利于气、液相分离的轴向速度并降低压降,防液罩可以在不增加压力损失的情况下增强气、液相分离的主要动力——切向速度,循环旋风分离器存在一个最佳入口直径。     

FCC沉降器粗旋风分离器的料腿泄气率

 在粗旋冷态模型实验基础上,采用FLUENT 6.2流体力学计算软件对FCC沉降器粗旋内部的两相流动进行数值模拟,针对稀、密相流动分别采用颗粒随机轨道模型和双流体模型,探讨了气速、气体物性和固相颗粒浓度对FCC沉降器粗旋料腿泄气率的影响规律。结果表明,气速和固相颗粒浓度升高均导致粗旋料腿内外压差增大,料腿泄气率随之增大。随固相颗粒浓度增大,料腿泄气率上升的趋势先急后缓,与其固相颗粒浓度-压降关系相对应,料腿泄气率-固相颗粒浓度曲线和压降-固相颗粒浓度曲线显示的转折点质量浓度均为0.8 kg/m³;固相颗粒浓度对料腿泄气率的影响存在着2种作用机制,即下行颗粒群对气体的夹带作用和颗粒在粗旋内壁形成的不断增厚的灰层对气体实际流通横截面积的缩减作用。气体密度的增大会导致料腿泄气率增大;黏度增加在削弱气流的旋转能量的同时,增加了升气管短路流率,对料腿泄气率的增加具有正反两方面作用。综合操作参数、气体物性和结构尺寸等因素的影响,回归得到FCC沉降器粗旋料腿泄气率表达式。     

油水旋流分离器流场模拟分析与研究

采用流场模拟方法研究了油水混合物在旋流分离器中的流动状况,湍流模型采用多相流中湍流Reynold应力输运方程模型(DSM),基本方程的离散和求解采用SIMPLEC算法。利用计算流体动力学(CFD)分析程序,对油水旋流分离器进行了计算与分析。结果表明:模拟流场的特征与理论描述和物理实验所得到的特征一致,并定量分析了流量对压降、流体粒径对分离效率的影响及其应对措施。所用方法为深入揭示旋流分离器中油水的分离规律提供了有效手段,可用于预测和分析旋流分离器的分离性能,结构优化及揭示特性参数影响旋流分离器性能的规律。     

分离器中内部流场对分离性能的影响

对切向分离器和管道分离器的内部流场进行了激光多谱勒(LDA)技术的试验测试,得出了两种分离器的内部流场分布,确定了内外分离涡的分离边界。同时用计算流体动力学(CFD)数值模拟了两者的内部流场。根据两种结果,对目前广泛使用的分离模型进行了评论,即以Barth模型为代表的分离模型适合于切向分离器的性能预测,而Rietema模型却适合于管道分离器的性能预测。最后,对两种分离器进行了分离性能试验。论述了分离器内部流场对分离性能的影响。     

催化裂化装置四旋分离系统内气相流场的数值研究

采用雷诺应力模型(RSM)对两种催化裂化装置四旋分离系统内气相流动的三维流场进行数值模拟,分析了两种第四级旋风分离系统（简称四旋）内气相流场的特点。结果表明：在传统式结构中,储料罐内部分区域气流向上运动,不利于颗粒沉降,料腿内产生气流反窜现象,四旋内存在偏流,影响颗粒输送,结构设计不合理是导致颗粒堵塞的主要原因;改进式结构中,储料罐内气相速度很小,有利于颗粒沉降,料腿中周期性的二次涡影响颗粒的气力输送,可能对壁面产生磨损,四旋分离空间内流场稳定,有利于颗粒分离,改进式结构可以有效避免颗粒堵塞现象的发生。两种结构内部气相流场的对比为合理设计四旋分离系统结构提供了参考依据。     

结构参数对导叶式旋风管内流场分布的影响

用智能型五孔球探针对导叶式旋风管内流场进行全面系统测量，根据实验结果得到了导向叶片参数、导流锥结构参数及排尘结构参数对流场分布的影响规律。在流场分析的基础上，进一步研究了结构参数对旋风管内颗粒分离的影响，为优化结构，提高分离性能，研究分离机理奠定了实验基础。     

排气结构对导叶式旋风管分离性能的影响

通过对比实验测定了不同排气结构下导叶式旋风管的分离效率及压降,同时用智能型五孔球探针测试仪测定了不同排气结构的旋风管内流场分布,结合性能实验与流场测量的结果,研究了排气芯管内径及其结构型式对分离性能的影响,为旋风管结构优化和开发及其分离机理的研究提供了一定的实验基础。