高硫焦用强混反应器流动特性

根据炼油工业近年来流态化技术的发展及相关新技术的应用,设计了一套适合高硫焦燃烧特点的新型强混反应器冷态实验装置. 强混反应器主要由混合段和提升段两部分构成,两部分的设备结构尺寸分别为f240 mm′3000 mm和f70 mm ′9000 mm. 选取了适合工业应用的实验操作条件：提升段操作表观线速度6~20 m/s,颗粒循环速率20~230 kg/(m2.s). 系统考察了高硫焦模拟颗粒在混合段的流动特性. 通过对强混反应器轴、径向颗粒浓度和速度分布的实验测定,将强混反应器的混合段沿轴向分为两个区,沿径向分为两个或三个区,并提出用径向分布指数来表征颗粒浓度和速度的径向不均匀性.     

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.     

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。     

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.     

采用电阻层析成像技术测量三相外环流反应器中相含率的实验研究

结合电阻层析成像技术和差压法,以平均粒径为3 mm的聚氨酯为固相,空气为气相,水为液相,对f90 mm的气升式三相外循环环流反应器中局部相含率及其径向分布进行了研究. 结果表明,在实验范围内,增大固相体积分率不影响气含率在上升管中的分布特征;固含率随着表观气速的增大先增大,当表观气速ug=0.09 m/s时反应器达到充分发展段,固相已充分循环;上升管中气固虚拟相的径向分布呈中心高、边壁低的特征,但并非严格对称,在r/R=0~0.2间出现极大值;下降管中气固虚拟相在径向上分布较为均匀. 本工作证实了两种技术相结合测量气液固三相相含率的可行性.     

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.     

带中心管的两股催化剂颗粒混合预提升结构中的流动特性

在一套大型冷模实验装置上,采用光纤测量系统考察了带中心管的两股催化剂颗粒混合预提升结构内固含率和颗粒速度的分布,以径向不均匀指数对固含率和颗粒速度径向分布进行定量描述,并与不同的预提升结构进行对比. 结果表明,带中心管的预提升结构沿轴向可分为底部、中心管和提升管区,各区固含率和颗粒速度径向分布均匀程度为提升管区>底部区>中心管区;提升管区内1.3~2.3 m间存在一固含率和颗粒速度分布均匀截面;与无中心管的预提升结构和传统预提升结构相比,本实验结构固含率径向分布更均匀,有利于油剂接触;确定了截面平均固含率的影响参数为终端固含率es', Froude数Fr和轴向高度/提升管直径h/Dr;由实验数据回归出预提升结构内截面平均固含率轴向分布的经验模型,计算值与实验值吻合较好.     

气液固三相外环流反应器相含率分布与气液流动结构

结合电阻层析成像和差压法,以粒径3 mm的聚氨酯(密度1110 kg/m3)和粒径0.5, 1, 3 mm的玻璃珠(密度2460 kg/m3)为固相、空气为气相、水为液相,在直径0.09 m、高3.1 m的气液固三相气升式外环流反应器中考察了固相颗粒密度、粒径、固相含率对上升管和下降管中气含率的影响. 结果表明,当玻璃珠粒径为0.5和1 mm、表观气速ug>0.10 m/s时环流反应器可达到充分发展段. 以玻璃珠为固相时,气含率随固相含量和粒径增大而增大,从层析图像可见,在r/R=0~0.2处出现非导电相的极大值,且加入大颗粒的下降管中气固含率明显大于加入小颗粒的. 根据电阻层析成像的虚拟像,给出了时间序列的气固混合相的流动特征.     

气液固三相流化床局部相含率

在以焦末为固相、空气为气相、水为液相的三相流化床中研究了局部气含率和局部固含率径向分布。实验用流化床内径100 mm,高1.7 m,焦末粒度1.07 mm。分别采用电导探针法和光纤法测定局部气含率和局部固含率。结果表明:表观气速为0.35—0.71 cm/s,表观液速为2.12—3.54 cm/s时,局部气含率在流化床中沿径向r/R=0—0.8处分布较均匀,在靠壁面处下降至约0.5%,且随表观液速增加而减小,随表观气速增加而增大,且在距分布板轴向高度分别为370 mm和470 mm时趋势一致,大小沿轴向增加,在表观气速一定时,液速小于2.12 cm/s时,气含率沿径向减小的趋势较明显。局部固含率沿径向分布较均匀,基本不随表观气速变化而变化,随表观液速增大而增大,且在距分布板轴向高度分别为370 mm和470 mm时趋势一致,大小沿轴向减小。     

多级气液鼓泡塔中筛板结构对气垫层高度及局部气含率的影响

采用压差法和双电导探针法考察了筛板结构对f300 mm多级鼓泡塔中筛板下侧气垫层高度和筛板上下两处局部气含率的影响. 结果表明,气垫层高度随表观气速ug增加而增加,随开孔率降低而增加,当ug从0.04 m/s增加到0.24 m/s时,气垫层高度从0.01 m增加到0.06 m. 而局部气含率的径向分布与普通鼓泡塔相似,都随ug增加而增加,随径向位置r/R增加而减小;筛板的引入使局部气含率在轴向方向发生较大变化,ug=0.027 m/s时,筛板上下两侧的局部气含率均在0.05左右,但ug增加到0.11 m/s时,下侧气含率则普遍增加到0.3~0.35,而上侧则在0.25~0.3之间,下侧普遍比上侧气含率高.     

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.     

内构件对于高密度提升管流体力学行为的影响

引　言近年发展的高密度提升管反应器 ,由于其较高的颗粒固含量 ,很容易达到很高的反应效率 .同时由于其具有的高气固通量、颗粒的循环操作方式和优良的传热性能 ,使得这一类反应器特别适宜于以中间产物为目的产品、要求高转化率和高选择性的强放热氧化 -还原类反应过程[1,2 ] .但大量实验表明 ,提升管特别是高密度提升管中空隙率、气体和颗粒速度沿径向的分布很不均匀 .这样将造成非常严重的颗粒和气体返混 ,固体颗粒停留时间分布变宽 ,反应程度参差不齐 ,造成反应器的处理能力偏低[1～ 4 ] .许多研究者采用在提升管中加设内构件的方法来改…     

A study of the pressure balance around the loop of a circulating fluidized bed

Pressure measurements around the loop of a circulating fluidized bed with 152 mm ID riser and L-valve fecuer were analysed to determine the effect of operating parameters (superficial gas velocity in the range 2.2 - 4.0 m/s, solids circulation flux in the range 5 - 50 kg/m² · s and solids inventory, in the range 80 - 180 kg) on the components of the pressure balance. The riser pressure drop, and hence, riser solids holdup were not affected by changes in the inventory of solids in the system, provided riser superficial gas velocity and solid circulation flux were held constant. The mean suspension concentration in the riser was found to be directly proportional to the ratio of solids flux to superficial gas velocity (G / U) in the riser.     

提升管-流化床耦合反应器颗粒约束返混区的流动特性及约束作用分析

针对催化汽油辅助反应器改质降烯烃工艺,在一套提升管-流化床耦合反应器大型冷态实验装置上,系统研究了提升管出口段的颗粒流动特性,通过定义约束指数R_i（R_i为颗粒约束返混区实际截面平均固含率与理论截面平均固含率之比）定量反映提升管出口分布器及流化床层的约束作用。结果表明,与常规提升管相比,耦合反应器提升管出口存在一个颗粒约束返混区,其长度主要受表观气速、颗粒循环强度及上部流化床内颗粒静床高度影响;由于出口设置了倒锥形分布器,使得颗粒约束返混区靠近提升管出口区域在表观气速较低和颗粒循环强度较大时,局部固含率最大值出现在量纲 1半径Φ＝0.7处;颗粒约束返混区的约束指数在靠近出口的过程中逐渐增大,气固流动受到分布器及上部流化床层的约束作用亦逐渐增强。     

喷管型气体分布器和颗粒物性对提升管内气固两相流动行为的联合影响

在两套均采用喷管型气体分布器的循环流化床实验装置上分别采用河沙和FCC颗粒系统测试了提升管内的轴向压力梯度分布和局部颗粒浓度,研究了气体分布器结构和颗粒直径及密度对上行气固两相流动行为的共同影响.结果表明,当表观气速小于8.0 m·s-1时,粗重的河沙颗粒在喷管型气体分布器效应逐渐消失的过程中会出现不同程度的减速,而细轻的FCC颗粒在本实验的测试范围内则不存在上述现象.当采用喷管型气体分布器时,粗重的河沙颗粒在加速过程中,不仅其颗粒浓度显著高于FCC,而且其沿径向分布的不均匀程度也明显大于FCC;但在充分发展段,河沙的颗粒浓度不仅比FCC低,而且在径向的分布也更为均匀.     

提升管反应器进料混合段内气固两相流动特性(Ⅰ)实验研究

根据实际工业的操作条件 ,采用催化裂化催化剂及空气 ,在大型冷模实验装置上对催化裂化提升管进料混合段内射流相与颗粒相的速度场、浓度场进行了系统测试 .结果表明 ,由于旋涡场的诱导作用 ,喷嘴射流注入到提升管中以后将会产生二次流动 ,二次流先是发展扩大 ,随后又与主流逐渐汇合 .根据混合流场的分布特点 ,可以将这一极其复杂的流场由下到上分为上游影响区段、主射流影响区段、二次流影响区段、混合发展区段 4部分 ,各区段在径向上又可再分为 2或 3个区来表征有关参数的分布特点     

A comparison of flow development in high density gas‐solids circulating fluidized bed downer and riser reactors

Comparison of flow development in high density downer and riser reactors is experimentally investigated using fluid catalytic cracking particles with very high solids circulation rate up to 700 kg/m²s for the first time. Results show that both axial and radial flow structures are more uniform in downers compared to riser reactors even at very high density conditions, although the solids distribution becomes less uniform in the high density downer. Solids acceleration is much faster in the downer compared to the riser reactor indicating a shorter length of flow development and residence time, which is beneficial to the chemical reactions requiring short contact time and high product selectivity. Slip velocity in risers and downers is also first compared at high density conditions. The slip velocity in the downer is much smaller than in the riser for the same solids holdup indicating less particle aggregation and better gas‐solids contacting in the downer reactors. © 2015 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 61: 1172–1183, 2015     

Hydrodynamics and Flow Development in a 15.1 m Circulating Fluidized Bed Riser

Hydrodynamics and flow development are studied in a long riser circulating fluidized bed reactor (15.1 m). Optic fiber probes were used for the measurement of local solids distribution. Pressure drops were also measured with pressure transducers along the riser. The flow development in the riser center is almost instant with solids holdup remaining constant and low, and particle velocity remaining high along the riser. The particle flow is firstly developed from center, and then towards the wall. The riser height is an important factor for the design of circulating fluidized bed reactors. Increasing the solid circulating rate significantly slows down the flow development process, while increases in the superficial gas velocity accelerate it.