渣油催化裂化提升管反应器性能的数值模拟——喷嘴射流速度与角度对流动反应的影响

应用三维数值模拟的研究方法,考察了喷嘴射流速度与角度对提升管反应器内流动、传热及反应的影响。从数值模拟结果来看,同一角度下、一定范围内的射流速度对提升管内流动形态改变不大,对催化剂和油气浓度分布、气相组成浓度分布有一定影响,而角度变化对流动、反应都有较大影响,从本研究的范围来看,可以得出对不同的操作条件和装置存在最优喷嘴射流速度和角度的结论,射流角度应不超过45°,且45°时60m·s~(-1)的射流速度为优。     

提升管催化裂化反应过程数值模拟

在气固两相流体动力学模型的基础上.采用基于机理反应的FCC14集总模型.考虑了反应温度、局部固体浓度变化以及流动对反应的影响,建立了重油流化催化裂化流动一一反应耦合模型.模拟结果表明,重油裂化反应主要发生在喷嘴附近区域,在喷嘴附近已经有45%的重油转化为汽油和柴油.随着距离喷嘴位置的增加,汽油产率逐渐上升,但距离喷嘴位置12m以后,汽油产率基本保持不变.从汽油组成变化来看,在整个提升管内汽油中烯烃含量一直处于下降趋势,由喷嘴区域的60wt%降低到提升管出口位置的42wt%左右.汽油烷烃含量一直呈增加趋势,而汽油中环烷烃含量和芳烃含量变化较小.     

FCC提升管反应器中颗粒聚团对裂化反应的影响

在对气固流动体系颗粒聚团实验现象分析的基础上,以减压馏分油裂化反应为例,对反应器中最常见的球形和椭球形聚团上的流动、传热和反应过程进行了模拟计算,得到了聚团内外油气和催化剂颗粒的速度分布、温度分布、浓度分布以及反应速率分布。研究结果表明,催化剂颗粒聚团的存在阻碍了油气与催化剂颗粒的充分接触,进而造成系统内速度和温度的不均匀分布,影响了裂化反应的发生,使得有颗粒聚团时的一次反应速率明显低于无聚团时的反应速率,颗粒聚团显著影响了油气在颗粒上的反应时间,最终导致气体和焦炭产率升高,对裂化反应产品收率分布十分不利。     

提升管内气粒流动行为的数值模拟

采用描述密相湍流气粒流动规律的k-ε-kp-εp-Θ双流体模型对不同尺度和操作条件下的提升管内的定常流动进行了计算流体力学数值模拟，获取了各种工况下有关颗粒速度、体积分率和质量流率分布等宏观流动行为的大量信息，并与相应条件下的实验数据取得了较好的吻合。此外还通过对大量模拟数据的分析获得了提升管内宏观流动规律的综合图像。该模型描述了密相湍流气粒流动规律，预测出了描述单颗粒脉动能大小的颗粒拟温度田和表征颗粒在介观尺度上脉动大小的颗粒湍动能江在床内的分布。分析表明：不同流动参数对颗粒在微观和介观尺度上的脉动有不同程度的影响；固含率对颗粒相的脉动行为和颗粒的质量扩散行为有重要的影响。     

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。     

用颗粒流的动力学理论模拟提升管反应器流动特征

引　言大量实验结果[1～ 3]表明 ,循环流化床内气相和颗粒相的两相流体系中 ,颗粒浓度在提升管的横截面上存在显著的非均匀分布 .颗粒在某些条件下聚集于管壁 ,在某些条件下也可能聚集于管中央[4 ].颗粒浓度分布的非均匀性可以分为两种类型 ,一是颗粒层 (Ｐａｒｔｉｃｌｅ -Ｌａｙｅｒｉｎｇ) [5 ],其微观结构近似颗粒固定床 ,颗粒在沿平均速度方向上有排列成床的趋势 ,但仍保持流体特性 ;另为颗粒群(Ｐａｒｔｉｃｌｅ -Ｐａｃｋｅｔｓ) [6 ],颗粒群在流化床中的行为如同单相湍流中的流体涡团 ,作无规则运动 ,不断地形成、分解 .催化裂化提…     

汽油催化改质反应过程数值模拟

在汽油催化反应动力学模型和气固两相流动模型的基础上,建立了汽油改质反应过程流动-反应耦合模型。针对不同的转化反应器构型（提升管、提升管-床层反应器）,对汽油改质过程进行了数值模拟。模拟结果表明,对提升管反应器而言,汽油经过低温改质反应后,烯烃含量可以从35.1%降低到18%左右,烯烃降低幅度可达48%,汽油中烯烃主要转化为异构烷烃。另外,随着反应温度的升高,汽油转化反应中的裂化反应增强,导致汽油收率下降。对于提升管-床层反应器而言,汽油中的烯烃含量可以降得更低,在床层空速4时,烯烃含量可以降低到5%左右,汽油收率为80%左右。     

PCC升降式反应器的两种新式进料结构

Based on the analysis of flow characteristics of the FCC riser feedstock injection zone, two novel feedstock injection structures are put forward. By investigating three flow parameters in the feedstock injection zone under the three different structures (the traditional and the novel No. 1, No. 2 structures): the local density, the particle backmixng ratio, and the jet eigen-concentration, the flow feature under three structures were obtained. The experimental results demonstrate that the flow features under both proposed structures are obviously improved comparing with those under the traditional structure. Especially, the performance of the deflector-structured No. 2 is more desirable than that of No. 1.     

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。     

催化裂化提升管末端旋流快分系统消涡板结构的数值模拟

在大型冷模实验基础上,采用RNG k-ε湍流模型对一套φ572 mm×3000 mm的旋流快分系统（SVQS）装置上部气体引出空间加设消涡板前后的气相流场进行了模拟研究。结果表明：在旋流快分上部空间加设两种不同结构消涡板都可以有效缓解边壁处的高速旋涡区。通过对比发现：在沉降器内壁面加装消涡板可以有效降低压降,降低消涡板上方气流即螺旋程度。直型消涡板压降较小,优于加装弯型消涡板。     

催化裂化提升管反应器中颗粒聚团裂化反应的数值模拟

Behavior of catalytic cracking reactions of particle cluster in fluid catalytic cracking (FCC) riser reactors was numerically analyzed using a four-lump mathematical model. Effects of the cluster porosity, inlet gas velocity and temperature, and coke deposition on cracking reactions of the cluster were investigated. Distributions of temperature, gases, and gasoline from both catalyst particle cluster and an isolated catalyst particle are presented. The reaction rates from vacuum gas oil (VGO) to gasoline, gas and coke of individual particle in the cluster are higher than those of the isolated particle, but it reverses for the reaction rates from gasoline to gas and coke. Less gasoline is produced by particle clustering. Simulated results show that the produced mass fluxes of gas and gasoline increase with the operating temperature and molar concentration of VGO, and decrease due to the formation of coke.     

FCC提升管反应器中终止剂注入对裂化反应的影响

通过对催化裂化提升管注入终止剂前后的工况进行数值模拟,研究了终止剂注入对提升管内速度分布、催化剂颗粒浓度分布、温度分布以及组分浓度分布的影响,考察了不同注入量以及注入高度的终止剂在提升管内的作用区域及其对裂化反应的影响。研究表明,终止剂的注入大幅提升了提升管内的油气速度,降低了催化剂浓度、油气和催化剂的温度,使得提升管内原料的裂化程度降低,二次反应减少。且不同注入量和注入高度的作用区域不同,对裂化反应的影响不同,应根据实际工况进行分析。     

提升管内气固两相双组分颗粒流动的离散颗粒硬球模型的模拟

基于离散颗粒(DPM)硬球模型,数值模拟提升管内双组分颗粒气固两相湍流流动行为。应用Vreman的亚格子尺度（SGS）模型模拟气体湍流,建立考虑不同颗粒加速度效应的两颗粒碰撞最小时间计算模型。数值模拟预测了大颗粒和小颗粒的速度和浓度分布。研究结果表明小颗粒具有高的轴向速度和脉动速度,而大颗粒具有低的轴向速度和脉动速度。在床中心区域,小颗粒轴向速度分布出现3个峰值,对于大颗粒轴向速度仅出现两个峰值。在壁面区域大颗粒和小颗粒速度均出现两个峰值。沿床径向方向呈现床中心颗粒浓度低、壁面区域颗粒浓度高的环核流动结果。随着表观气速的增大,颗粒浓度沿径向和床高分布趋于均匀。在床中心区域模拟计算轴向颗粒速度、颗粒浓度和RMS速度与文献实验结果相吻合。在提升管内气体湍流对小颗粒流动具有一定的影响,颗粒间碰撞作用对颗粒相流动的影响大于气相湍流的影响。     

催化裂化提升管进料区新型助流剂技术的CFD模拟

为改善提升管进料区气固两相混合状况、消除二次流对近壁面处返混的影响,提出了一种新型助流剂技术。该技术在边壁处形成一层助流剂“保护层”,可阻止进料射流与催化剂在边壁处过长接触。通过三维CFD模拟对比了3种助流方式（逆流式、顺流式、交叉式）对传统进料区催化剂与进料混合和边壁返混的改进效果,并对最佳方式下助流剂量做进一步的优化。结果表明,逆流式助流方式最理想,交叉式助流方式最差。合适的逆流式助流方式（如助流剂注入量为进料相总流率的15%时）可改善进料区催化剂与进料相混合,抑制二次流扩张,明显减弱近边壁处（|r/R|>0.9）返混强度。     

提升管出口SVQS自然旋风长度的数值模拟

采用RNG k-ε湍流模型对一套φ600 mm×4150 mm的SVQS旋流快分装置的气相流场及自然旋风长度进行了模拟研究。结果表明,SVQS旋风尾涡的截面位置与隔流筒下端面最大切向速度衰减达88%时的截面位置相吻合,并据此定义了SVQS的自然旋风长度。基于SVQS旋流快分切向速度的分布规律发现,SVQS的自然旋风长度随喷口气速的增加和汽提气速的减小而逐渐增大。参照旋风分离器自然旋风长度的计算方法,基于SVQS旋流快分的结构特点及模拟计算结果,提出了提升管出口SVQS旋流快分自然旋风长度的计算关系式。     

催化裂化提升管反应器流动反应耦合模型研究进展

催化裂化(FCC)工艺在重质油轻质化过程中发挥着重要作用, 而FCC提升管反应器的模型化是催化裂化新工艺与新装备的开发、催化裂化装置稳定操作与生产调优等常需做的工作。本文首先根据流动模型与反应模型不同的集成方式对提升管反应器流动-反应耦合模型进行了归纳与分类, 并回顾了国内外流动-反应耦合模型的研究历程, 指出了耦合模型的发展趋势;随后对当前研究较多的计算流体力学(CFD)流动-反应耦合模型进行了较为全面的阐述, 包括对耦合模型的应用场合、模型求解解耦方法的研究情况等均作了介绍, 同时还分析了该类耦合模型所存在的不足之处, 并指出工业提升管反应器在线采样技术的开发在耦合模型的验证工作上的必要性;最后, 对FCC提升管反应器流动-反应耦合模型研究进行了总结与展望, 以期能够为FCC提升管反应器模型化新方法的提出以及耦合模型的验证工作等研究给予借鉴和指导。     

新型CDCM催化剂在两段提升管催化裂化装置上的应用

CDCM催化剂在800 kt·a^－1两段提升管重油催化裂化装置（TSRFCC）上的应用结果表明,该催化剂具有活性高、目的产品选择性好、重油裂解能力强和抗重金属污染能力强的特点。能显著改善产品分布和提高产品质量，在操作条件基本不变的情况下，液态烃收率和总液收分别可提高2.80和0.60个百分点，同时汽油辛烷值和诱导期提高，液态烃中丙烯含量增加。