FCC反应过程的CFD模拟进展

流化催化裂化(fluid catalytic cracking,FCC)工艺是石油炼制中的重要转化工艺,用于生产汽油、柴油、轻质烯烃等重要化工原料。FCC反应过程的CFD模拟有助于理解FCC反应器中流动和反应行为,辅助设计和优化FCC工艺设备,最终指导工业生产和实现虚拟调控和放大。从与FCC反应模拟相关的多相流动模型、反应动力学模型以及流动与反应之间耦合等方面做了回顾和总结。在流动与反应耦合研究方面,从湍流模型的使用、流动结构的影响、精细化模型的发展以及原油汽化模型的重要性这4个角度做了分析比较及总结。基于已有的研究工作,认为虽然很多研究表明CFD模拟能较好地揭示工业FCC提升管反应器内的流动和反应行为,但缺乏采用同一方法实现从小试到工业反应器模拟放大的实例,从侧面反映了当前的FCC理论模型和模拟技术还远未达到可以代替实验的水平。展望未来的FCC反应模拟,建议从模型精细度和计算效率上加强研发,并在此两方面寻求平衡,最终实现虚拟调控。     

FCC反应过程的CFD模拟进展

流化催化裂化（fluid catalytic cracking,FCC）工艺是石油炼制中的重要转化工艺,用于生产汽油、柴油、轻质烯烃等重要化工原料。FCC反应过程的CFD模拟有助于理解FCC反应器中流动和反应行为,辅助设计和优化FCC工艺设备,最终指导工业生产和实现虚拟调控和放大。从与FCC反应模拟相关的多相流动模型、反应动力学模型以及流动与反应之间耦合等方面做了回顾和总结。在流动与反应耦合研究方面,从湍流模型的使用、流动结构的影响、精细化模型的发展以及原油汽化模型的重要性这4个角度做了分析比较及总结。基于已有的研究工作,认为虽然很多研究表明CFD模拟能较好地揭示工业FCC提升管反应器内的流动和反应行为,但缺乏采用同一方法实现从小试到工业反应器模拟放大的实例,从侧面反映了当前的FCC理论模型和模拟技术还远未达到可以代替实验的水平。展望未来的FCC反应模拟,建议从模型精细度和计算效率上加强研发,并在此两方面寻求平衡,最终实现虚拟调控。     

流化催化裂化反应器的技术进展

介绍并讨论了近期开发的流化催化裂化反应器,包括两段串联反应器、双提升管反应器、下行式反应器、多段进料反应器以及新型提升管反应器端口结构技术。以新型反应器为核心技术的各种催化裂化新工艺可以有效地提高催化裂化反应的转化率和选择性,减少非理想产品产率,也可以改善产品质量,生产环境友好的清洁燃料油品。此外新型提升管反应器端口结构还可以抑制设备结焦,延长流化催化裂化(FCC)装置的开工周期。     

催化裂化提升管反应器模型的建立

工业催化裂化提升管反应器内既存在着气固两相的湍流流动,又存在着传热和裂化反应,而且这些过程是相互影响,高度耦合在一起的。本文全面系统地考虑湍流气因两相流动,传质,传热及反应等复杂因素及其相互影响,建立了催化裂化提升管反应器三维气固两相流动反应模型,形成了相应的数值解法,编制了大型的模拟计算程序。由此可对工业催化裂化提升管反应器内湍流气固两相流动进行系统的数值模拟研究。     

提升管反应器介尺度结构影响规律的数值模拟研究

提升管反应器存在典型的颗粒聚团介尺度结构,其分布特性对气固流动、反应有重要影响,对介尺度结构影响规律进行分析有助于为反应器的设计与优化操作提供基础信息。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气固两相流动模型,考虑了颗粒聚团对气固相间动量传递的影响。此外,进一步通过考虑颗粒聚团的存在以及颗粒聚团的非均匀性对化学反应的影响,提出了描述介尺度结构对反应速率影响的修正因子,与气固流动模型进行耦合,建立了基于介尺度结构的流动-反应综合数学模型,并进行了模型验证。进一步应用该模型,对工业催化裂化提升管反应器的流动-反应特性进行了模拟分析。结果表明,该模型可以合理描述提升管气固相互作用,能够预测出壁面附近存在较多介尺度结构的分布特性,由于聚团的存在使得重油组分难以与催化剂充分接触,生成汽柴油的反应速率较低,转化较慢,聚团的分布特性导致靠近边壁处的重油组分浓度较高,汽柴油组分浓度较低;汽柴油在聚团内部的流动阻力较大,在聚团内发生过量的二次反应生成较多焦炭,导致壁面处焦炭浓度较高。与传统基于平均化而未考虑聚团影响的模型相比,基于介尺度结构的模型所预测的汽油收率最佳值与工业实际相接近。因此,基于介尺度结构的流动-反应综合数学模型可以合理描述提升管内进行的流动-反应耦合特性,并能揭示介尺度结构对催化裂化反应过程的影响,有望为工业提升管装置反应终止剂技术的开发提供重要的基础信息。     

小型提升管反应器流动-反应耦合模拟

在提升管气固两相湍流流动模型和重油反应动力学集总模型的基础上,利用Fluent软件建立了催化裂化提升管反应器气固两相流动与反应耦合模型,对实验室小型提升管反应器进行了数值模拟,考察了气固两相的流动、传热、传质与反应过程。结果表明,提升管反应器内气固两相在轴向和径向的流动、传热与反应的分布不均匀。在入口附近。原料和催化剂温度变化显著,各组分的浓度变化剧烈,在提升管上部,变化平缓。反应器出口各组分质量分数的模拟值和实验值基本吻合。说明该模型对提升管反应器出口参数和反应结果具有较好的预测性。     

渣油催化裂化提升管反应器组成分布的数值模拟

在流动模型和集总反应动力学模型的基础上,将流动、传热、反应综合考虑,建立了渣油催化裂化提升管反应器的数学模型,通过对4套不同工况进行数值模拟,考察了反应器内气相组成分布和催化剂颗粒的温度、速度分布,得到了与工业装置基本一致的提升管出口参数,从而验证了模型的可靠性.     

FCC沉降器粗旋工作性能的数值模拟

引言 催化裂化工艺(fluidized catalytic cracking, FCC)是目前我国重质油轻质化加工的主要方法之一.重质油裂化反应过程主要在提升管反应器内完成,提升管出口通常设置旋风分离器(简称粗旋)将反应后油气与催化剂快速分离,以避免发生过裂化反应.粗旋工作性能的优劣直接影响装置目的产物的收率、沉降器内部结焦以及油浆固含量.     

渣油催化裂化反应技术新进展

重油催化裂化技术作为主要的重质油轻质化手段得到了迅速的发展,国内外围绕重油催化裂化的提升管反应器开发了许多新技术。概括介绍了渣油催化裂化提升管反应系统的最新进展,如新型进料喷嘴、轻烃预提升技术、两段提升管催化裂化、提升管末端快分技术、MTC等,并对目前工业提升管存在的问题和有待开发的技术领域进行了讨论。     

提升管-下行床耦合反应器模拟

采用轴径向二维扩散模型对提升管-下行床耦合反应器催化裂化反应进行了数学模拟,并与提升管及下行床进行了对比.结果表明,在下行床之前耦合一段适当长度的提升管不仅可以保证原料具有较高的转化率,而且可以保证目的产品的选择性较高,缩短达到相同产品收率所需的下行床长度.这种耦合反应器充分利用了提升管与下行床各自的优势,并可以根据具体的原料及产品需求调整进料的位置以改变提升段与下行段的长度比例,实现柔性操作.     

Numerical Simulation on Gas-Solid Two-Phase Turbulent Flow in FCC Riser Reactors(Ⅰ) Turbulent Gas-Solid Flow-Reaction Model

Gas-solid two-phase turbulent flows,mass transfer,heat transfer and catalytic cracking reactions areknown to exert interrelated influences in commercial fluid catalytic cracking(FCC)riser reactors.In the presentpaper,a three-dimensional turbulent gas-solid two-phase flow-reaction model for FCC riser reactors was devel-oped.The model took into account the gas-solid two-phase turbulent flows,inter-phase heat transfer,masstransfer,catalytic cracking reactions and their interrelated influence.The k-V-k_P two-phase turbulence modelwas employed and modified for the two-phase turbulent flow patterns with relatively high particle concentration.Boundary conditions for the flow-reaction model were given.Related numerical algorithm was formed and a nu-merical code was drawn up.Numerical modeling for commercial FCC riser reactors could be carried out with thepresented model.     

湍流气固两相流动状况的数值模拟

应用已建立的提升管反应器固两相流动反应模型,对工业催化裂化提升管反应器内在有传热及裂化反应时的湍流气固两相流动进行了数值模拟,得到了气固两相湍充动状况的详细信息,揭示了提升管内部有反应和传热时气固两相湍流流动的基本特征。模拟结果表明,在轴向,径向和圆周方向都存在着流动,湍能与率剂颗粒浓度的不均匀分布,进料段内的流动是整个反应器最复杂的部分。工业提升管反应器内这一复杂的气固两相湍流流动必将对传热和裂     

Numerical Simulation on Gas-Solid Two-Phase Turbulent Flow in FCC Riser Reactors(Ⅱ) Numerical Simulation on the Gas-Solid Two-Phase Turbulent Flow

Numerical simulation on the flow,heat transfer and cracking reactions in commercial fluid catalyticcracking(FCC)riser reactors were carried out employing the developed turbulent gas-solid two-phase flow-reac-tion model for FCC riser reactors given in Part Ⅰ of the present paper.Detailed information about the turbulentflow fields in the riser reactor obtained revealed the basic characteristics of the gas-solid two-phase turbulentflows when heat transfer and catalytic cracking reactions were co-existing in the riser.Results showed that thedistributions of the flow,the turbulence kinetic energy and the catalyst particle concentration are not uniform inthe axial,radial and tangential directions.The most complicated part of the riser reactor is the feed injectingzone.The complicated configuration of the turbulent gas-solid two-phase flows would exert a great influence onthe results of interphase heat transfer and cracking reactions.     

Modeling of vaporization and cracking of liquid oil injected in a gas-solid riser

Vaporization and cracking of liquid oil injected in a gas-solid riser (fluid catalytic cracking riser reactor) was computationally studied in this work. Evaporation of a single drop injected in a stream of gas-solid mixture was analyzed first. A model for simulating evaporation of a drop considering heat transfer from the gas phase as well as from the solid particles was developed. The model relates the evaporation rate of droplet with rate of collisions of solid particles, specific heat capacities of solid and liquid, latent heat of vaporization, relative velocity of gas and liquid and temperatures of three phases. The understanding gained from such a model was then extended to simulate evaporation of liquid drops injected in FCC risers. The Eulerian-Lagrangian approach was used to simulate simultaneous evaporation and cracking reactions occurring in FCC riser reactors. A commercial CFD code, FLUENT (of Fluent Inc., USA) was used. Four and ten lump models were used for simulating cracking reactions. Appropriate user defined functions were developed to implement heterogeneous kinetics and heat transfer models in FLUENT. A special algorithm was developed to calculate accumulated coke on catalyst particles. A boiling point range was considered for simulating realistic oil feedstock. The model was first evaluated by comparing predicted results with published industrial data. The simulations were then carried out to understand influence of key design and operating parameters on performance of FCC riser reactors. The parameters studied included; initial oil droplet distribution, catalyst inlet temperature, catalyst to oil ratio and thermal cracking. The approach, model and results presented here would be useful for optimization of FCC operation, cost to benefit analysis of new FCC nozzles and related decision-making.     

Development and testing of an interconnected multiphase CFD-model for chemical looping combustion

An interconnected multi-phase CFD model is developed capable of describing the transient behavior of a coupled chemical looping combustion systems comprising of both air and fuel reactors. The air reactor is modeled as a high velocity riser, the fuel reactor as a bubbling fluidized bed. The models of both reactors are implemented as separate CFD simulations allowing for an exchange of solid mass through time-dependent inlet and outlet boundary conditions as well as mass, momentum, heat and species sinks. The developed framework is applied to a chemical looping combustion system based on Mn₃O₄ as carrier material in combination with CH₄ as fuel gas. Starting from a base case, different system configurations are investigated. The results indicate clearly that interconnected multi-phase CFD models are well suited for the design process of coupled chemical looping systems.     

提升管和下行床在催化裂化过程中的比较

在综合考虑流动、反应、传质的基础上,建立了适用于模拟提升管和下行床反应器中催化裂化过程的二维返混模型,并利用正交配置法进行数值求解,得到了各产物在两种反应器内的不同浓度分布规律。这处结果源于两者流动结构和混合状况的差异。和提升管相比,由于下行床内的气固两相流动更接近平推流,气固速度和颗粒浓度径向分布均匀,气固轴向返混小,因而可得到更高的汽油收率。