18m高密度循环流化床提升管反应器内气-固流动轴向分布特性

以18m提升管反应器为研究对象,基于压力数据研究了提升管内的气-固流动轴向分布特性。该18m实验装置操作弹性较大,当表观气速为5~9m/s时,颗粒循环速率可以在150~550kg/(m~2·s)之间控制操作。在表观气速为5m/s,颗粒循环速率达到400kg/(m~2·s)以上时,提升管反应器所有轴向高度的平均固含率均在0.1以上,表明整个提升管反应器达到了高密度操作状态。提升管内固含率的轴向分布呈指数型分布特点,与多段式分布特性存在一定的差异。此外,系统研究了操作条件对固含率轴向分布的影响。结果表明,颗粒循环速率的增加或表观气速的降低,均有助于提高提升管内各截面的固含率。     

多流型新型提升管冷模实验研究

在高8.1 m、扩径段直径120 mm和等径段直径50 mm的提升管冷模实验装置上对一种底部变径结构和设置有内部导流筒的新型提升管进行了研究,考察了操作条件对其轴向和径向固含率与颗粒速度的影响,以及导流筒及环隙内的固含率和颗粒速度的分布。结果表明,与传统提升管相比,该新型提升管内可同时存在多种流型,提升管底部扩径段内为径向较为均匀的密相床,上部等径段为稀相床;导流筒的存在对从斜管下来的固体颗粒产生重新分配的作用;导流筒和环隙内存在较大的固含率和颗粒速度差;由于导流筒的抽吸作用,在提升管底部扩径段内,管中心处催化剂颗粒向上运动,边壁处催化剂颗粒向下运动。     

变径提升管反应器扩径段内固含率分布研究

以催化裂化平衡催化剂为固体介质，空气为流化介质，在变径提升管流态化实验装置上，考察了扩径段内固含率的轴径向分布情况及操作条件的影响，并对瞬时固含率信号进行了概率密度分析。结果表明，变径提升管内截面平均固含率沿轴向大致呈S形分布，扩径段固含率高于等径提升管底部；扩径段径向固含率呈中心稀、边壁浓的不均匀分布，相对于等径提升管底部，径向不均匀程度得到有效改善；截面平均固含率及各径向位置固含率均随颗粒循环速率的提高和表观气速的降低而增大。扩径段各径向位置瞬时固含率信号波动强度大，频率高，概率密度分布均匀，有利于强化气固混合并改善两相间接触情况。     

提升管与流化床耦合反应器内固含率的轴向分布

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，采用多点压力密度仪测定了提升管内轴向压力梯度及截面平均固含率沿轴向的分布规律。结果表明，提升管内固含率的轴向分布呈上下两端大、中间小的C型分布特征，颗粒在提升管内沿轴向的运动可分为颗粒加速区、充分发展区和颗粒约束返混区；提升管内截面平均固含率随颗粒循环强度的增大而增大，随表观气速的增大而减小，提升管出口的流化床内颗粒静床高度只对颗粒约束返混区固含率有影响，而对颗粒约束返混区长度及颗粒约束返混区以下区域固含率影响较小。利用实验数据回归出了提升管内截面平均固含率的轴向分布及颗粒约束返混区最大颗粒返混比的经验模型，其计算值与实验值吻合较好。     

变径提升管反应器扩径段内气固流动特性研究

在变径提升管冷模装置上,以空气和催化裂化平衡剂为介质,考察了颗粒浓度的轴径向分布情况,并对扩径段内的微观流动特性进行了分析。结果表明,变径提升管内颗粒浓度整体上呈“上稀下浓”的分布形式,且沿轴向高度径向不均匀指数逐渐减小。与传统提升管底部相比,扩径段内颗粒浓度及间歇性指数显著增大,且沿径向分布更均匀,说明气固作用力显著增强,并且气固微观流动行为沿径向变化梯度减小。气固微观流动行为受反应器结构影响显著,变径提升管扩径段内气固流动行为类似湍流床,颗粒浓度波动幅度大,频率高,稀相和浓相分布相对均匀,有利于强化气固两相的接触及混合过程。     

新型变径提升管冷模实验研究

以催化裂化平衡剂和常温空气为介质,在新型变径提升管冷模实验装置上考察了不同的操作条件对固体循环量及颗粒浓度轴径向分布的影响,并描述了扩径段内的流动结构。结果表明：固体循环量随着表观气速的增大而增大,随着伴床料位高度的增加而增大,且在改变进气比例时,循环量随着预提升气占比的增加而增大;与传统提升管相比,该新型结构提升管内部存在多种流型且扩径段内固含率有明显增加,底部扩径段内为密相湍流形态,固含率为0.3~0.4,上部等径段为稀相气力输送形态,固含率无明显变化,为0.05~0.1。新型变径提升管对斜管下来的催化剂起到了重新分配的作用,抑制了传统的“环-核”流动,使颗粒浓度径向分布更加均匀。     

变径组合提升管浓相区颗粒流动特性

在颗粒循环强度(G_s)为32.65~84.59kg/(m~2·s)、固/气比(Gs/(ρ_g·U_g))为9.22~47.95的操作条件下,对变径组合提升管浓相区颗粒流动特性进行了实验研究,并与以往高密度循环流化床和循环湍动流化床对比。结果表明,变径组合提升管浓相区各局部位置均存在上行与下行颗粒;随着无因次半径增加,局部时均固含率和颗粒返混比增加,局部颗粒速度及颗粒质量净流率则降低。当Gs/(ρg·Ug)在27~47.95范围,各截面平均固含率基本不再随其变化而变化,变径组合提升管浓相区进入高密度操作状态,对应局部时均颗粒速度和颗粒质量净流率均向上。在高密度操作下,变径组合提升管在局部流动特性上与循环湍动流化床相近,在截面平均及浓相区整体流动特性上与高密度循环流化床相近。     

逆流变径耦合催化裂化提升管进料段内固含率及颗粒速度的径向分布

优化现有的油、剂逆流接触催化裂化提升管进料段结构,将进料喷嘴倾斜向下与内径变化相耦合。通过大型冷模实验装置,考察了在逆流变径耦合催化裂化提升管进料段不同轴向高度,固含率和颗粒速度的径向分布及操作条件对其产生的影响,并分别与前人所用的同径结构内的分布结果进行比较。结果表明,与对应的油、剂逆流接触催化裂化提升管进料段同径结构相比,变径结构进料段内,射流控制区域范围约缩短45.2%,且变径结构进料段内局部固含率分布更加均匀,有利于油、剂两相均匀混合。在实验操作范围内,提高预提升气速和适当提高进料喷嘴气速可使催化剂颗粒在径向分布更加均匀。     

湍动流化床颗粒流动特性的数值模拟

采用欧拉-拉格朗日研究方法,通过数值模拟对湍动流化床流化特性开展研究,得出了床层内压力、固含率、颗粒速度及粒度分布规律。结果表明:床层中心处的压力沿轴向高度逐渐减小;固含率沿轴向高度逐渐减小,呈“ε”型分布,分为底部密相区、中间过渡段及上部稀相区,在稀相区呈现出中间低、边壁高的“环核”结构,且该结构沿轴向逐渐减小,直至消失;颗粒轴向速度沿轴向起伏变大,中心区域的颗粒速度普遍大于边壁处的颗粒速度,且颗粒下落位置由边壁向中心存在移动;颗粒粒径分布沿轴向逐渐降低,稀相区分布相对比较均匀。     

催化裂化提升管内气固流动特性的数值模拟

采用欧拉双流体模型及颗粒动力学理论对Y型提升管内的气固两相流动进行了三维数值模拟研究。分析了提升管内的气固流动特征,比较了不同表观气速和不同颗粒循环量下提升管内的运动特性。研究结果表明,提升管内存在典型的非均匀流动特点,固含率轴向分布为单调递减分布,径向分布为典型的环核流动结构,表观气速和颗粒循环量对提升管内的流动有重要影响。     

Modeling of gas-solid flow in a CFB riser based on computational particle fluid dynamics

A three-dimensional model for gas-solid flow in a circulating fluidized bed(CFB) riser was developed based on computational particle fluid dynamics(CPFD).The model was used to simulate the gas-solid flow behavior inside a circulating fluidized bed riser operating at various superficial gas velocities and solids mass fluxes in two fluidization regimes,a dilute phase transport(DPT) regime and a fast fluidization(FF) regime.The simulation results were evaluated based on comparison with experimental data of solids velocity and holdup,obtained from non-invasive automated radioactive particle tracking and gamma-ray tomography techniques,respectively.The agreement of the predicted solids velocity and holdup with experimental data validated the CPFD model for the CFB riser.The model predicted the main features of the gas-solid flows in the two regimes;the uniform dilute phase in the DPT regime,and the coexistence of the dilute phase in the upper region and the dense phase in the lower region in the FF regime.The clustering and solids back mixing in the FF regime were stronger than those in the DPT regime.     

内构件对高密度提升管颗粒浓度分布的影响

为改善工业高密度提升管反应器内颗粒浓度径向的不均匀分布 ,对加设钝体式内构件的提升管内颗粒浓度分布规律进行研究。试验结果表明 :由于钝体对回流颗粒的阻截 ,使床层底部颗粒浓相区的平均颗粒浓度有所下降 ,但对颗粒循环量没有影响。与传统提升管相比 ,颗粒浓度的径向分布变得均匀 ,在一些轴向位置甚至出现中心颗粒浓度高而边壁低的分布 ;钝体的约束使颗粒的湍动程度增加     

进气喷嘴位置对循环流化床反应器循环量的影响

在高10.6m、内径100mm的循环流化床冷态模拟实验装置上研究了底部预提升气以及喷嘴进气量对循环流化床反应器循环量的影响,对比了3种不同喷嘴位置结构下系统循环量的变化情况以及提升管底部和喷嘴附近气固流动行为的差异,描述了预提升段内气体分布及流动结构。结果表明:预提升气和喷嘴进气是颗粒向上输送的重要推动力,随着喷嘴进气口高度的提高,预提升气对颗粒循环速率的作用效果愈加明显;对于喷嘴进气口位置最低的结构,其系统循环量、喷嘴附近颗粒浓度以及气固接触状况均优于其它结构;在提升管底部,气体多次形成逆流接触,内循环流动和局部涡流作用有效促进了颗粒沿径向混合,有利于颗粒循环量的提高。     

内构件对变径提升管内气固流动特性的影响

以催化裂化平衡剂和常温空气为介质,在变径提升管冷态模拟装置上,主要考察了不同操作条件下钝体及环管内构件对变径提升管扩径段内压降、轴径向颗粒浓度分布及径向不均匀指数的影响,并描述了扩径段内的气固流动结构。结果表明:在相同操作条件下,钝体结构产生的压降较环管大,可降低系统的有效压头;颗粒浓度分布受内构件影响明显,环管进气的射流效应使颗粒浓度降低,径向分布均匀性减小,而钝体的存在可明显改善环管结构的弊端,削弱射流作用,提高颗粒浓度,增大局部固气比,促使气固再分布,形成两相错流流动,强化气固接触,且在中心区域形成涡流,增强扩径段内的湍动程度;与环管结构相比,钝体内构件使扩径段内的颗粒径向不均匀指数减小,使颗粒分布更加均匀,且其受操作条件的影响比较小,操作稳定性更高。     

上流式反应器中气体分散性能的研究

在上流式反应器冷模实验装置中,以带圆柱形上升管的多孔板气液分布器为对象,考察了表观气速、轴向高度、上升管直径、固体颗粒形状对气含率分布的影响。结果表明,该气液分布器产生的初始气泡尺寸较大,多为毫米级气泡;气速越大,轴向位置越高,局部气含率的径向分布越不均匀;上升管直径为26 mm的气液分布器的气体分散性能优于上升管直径为48 mm的气液分布器;球形、齿球形和三叶草形固体颗粒对气泡有破碎作用,且三叶草形固体颗粒破碎效果优于球形固体颗粒,使用三叶草均形固体颗粒的填料层上方气含率分布偏差最小。     

两种循环流化床预提升结构的对比分析

在循环流化床上考察了两种不同预提升结构对系统循环量的影响,并且从宏观和微观两方面对提升管内气固流动行为进行了比较分析。结果表明:立管结构提升管和莲蓬头结构提升管颗粒循环量存在明显的差别,立管结构提升管中颗粒流通截面积增加,进口阻力减少,系统循环量整体上高于莲蓬头结构,而且这种循环量差异在伴床高供料强度下更加明显;由于莲蓬头进口结构的强约束作用,相同操作条件下其底部颗粒浓度高于立管结构;在提升管底部区域,莲蓬头结构提升管中径向不均匀指数以及间歇性指数均高于立管结构,说明采用莲蓬头式分布器导致局部颗粒湍动剧烈的同时,气体与颗粒以及颗粒之间的作用力分布也更不均匀;瞬时颗粒浓度信号分析及概率密度分布结果表明,虽然底部采用莲蓬头式分布器可在一定程度上缓解过渡区气固分离现象,但整体不均匀流动结构并未发生根本的变化。