下行床反应器热试装置设计与开发

气固并行向下流动的下行床反应器比提升管具有气固接触时间短、气固速度及浓度径向分布更为均匀、气固轴向返混大大减少、易实现高固气比操作等特点。在下行床反应器小型热试装置开发过程中,为发挥下行床的技术优势,重点研究和解决了反应器出入口结构、原料雾化、高温高流通量下固体循环量测量与控制等几个关键性的工程问题,为下行床反应器的热试研究和应用开发提供了基础。     

气固下行流化床反应器Ⅱ气固两相的流动规律

气固下行流化床反应器气固两相流动过程是比较复杂的，沿轴向气固两相运动可分为第一加速、第二加速和恒速３个运动段，沿径向局部气体速度、颗粒速度和颗粒浓度都具有不同程度的不均匀性。而这种不均匀性是由气固两相顺重力场湍动运动所决定的。和循环床提升管相比，下行管反应器气固两相沿径向分布的不均匀性得到有效地改善，气固可以实现超短接触操作，因而是一种新型高效气固超短接触反应器     

耦合流化床提升管内固含率径向分布及沿轴向的发展

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PV-4A型光纤密度仪测定了提升管内固含率沿径向的分布规律. 结果表明,固含率径向分布整体上呈现中心小、边壁大的环-核结构分布特征;沿轴向向上,各径向位置上的固含率在颗粒加速区逐渐降低,在充分发展区趋于稳定,在颗粒约束返混区又有所升高;各径向位置上的固含率随表观气速增大或颗粒循环强度减小而减小,且均匀性变好;提升管上部流化床内颗粒静床高度只对颗粒约束返混区内固含率径向分布有影响,而对颗粒加速区和充分发展区的固含率径向分布影响较小;当表观气速较低或颗粒循环强度较大时,颗粒约束返混区上部局部固含率最大值出现在无因次半径f=r/R=0.7附近,此时局部无因次固含率es*=es/ 沿轴向在H>5.33 m时不再具有相似性;通过比较径向不均匀指数,得到轴向各区固含率径向分布趋于均匀的程度依次为：充分发展区>颗粒约束返混区>颗粒加速区. 利用实验数据回归出了局部固含率径向分布关联式,其平均相对误差在6%以内.     

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。     

流动方向对循环流化床中颗粒混合行为的影响

对循环流化床提升管及下行床两种不同气固流动方式对颗粒混合行为的影响进行了较为深入的对比分析，发现在影响循环流化床颗粒混合的众多因素（如操作条件、床层直径、颗粒性质及床层内构件等）中，气固流动方向是影响颗粒轴向混合的最主要因素．当气固流动为顺重力场时（下行床），颗粒的轴向混合很小，流型接近平推流；当气固流动为逆重力场的提升管时，轴向颗粒混合将成倍增大，颗粒流动远离平推流流动．分析表明，下行床中颗粒混合仅为单一的弥散颗粒扩散，而提升管中则存在着两种颗粒混合机制：弥散颗粒扩散及颗粒团扩散．弥散颗粒的扩散基本以平推流的形式通过循环流化床，提升管中大量的颗粒轴向返混归因于颗粒团的严重返混并由此形成了提升管中颗粒停留时间的双峰分布．     

气固下行流化床反应器 Ⅲ气、固混合

与气固并流上行提升管反应器相比，气固并流下行管反应器的轴向气固返混明显降低，而径向气固混和仍然相当大，因而有利于提高气固快速反应的转化率及选择性。本文在分析下行流化床反应器内气、固混合机理的基础上，比较了有关气、固混合的研究方法及结果，并比较了提升管和下行管的不同混合现象，旨在促进对这一课题更加深入系统地研究，以适应循环床下行管反应器设计、放大和模型化的迫切要求。     

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.     

下行床内提高颗粒浓度及改善颗粒分布研究进展

重质油高效转化和优化利用是国民经济发展的重大需求,具有十分重要的现实意义和战略意义。提升管催化裂化一直是重油轻质化的重要手段,但提升管的不均匀环核结构及气固返混特性降低了重油转化率和产品选择性。相对于提升管,下行床具有近平推流流型及气固短停留时间的优点,处理重油具有潜在优势。但下行床内颗粒浓度过低且气固初始接触较差限制其推广及应用。本文综述了提高下行床颗粒浓度及改善颗粒初始分布的相关文章,指出了深入研究下行床的颗粒增浓机制及气固初始混合可以丰富下行床的基础研究并推动其工业应用。     

方截面循环悬浮床内构件对气固混合行为的影响

循环悬浮床内固相浓度很低,改善气固混合对增强接触反应、提高脱硫效率起着关键作用.今在过去实验的基础上,利用方形截面床内构件简单易实现的优点,在床中部安装对称构件,考察对称内构件对两相流动行为的影响.分别从方截面正向、斜向上的颗粒浓度分布,讨论了内构件对颗粒轴向返混、径向掺混及截面浓度的作用,分析了构件尺寸对实验结果的影响.较大尺寸的内构件在适当的表观气速时能够对改善流场中气固混合及提高截面浓度起到非常积极的作用.     

气固下行流化床反应器：Ⅰ下行管反应器的发展及其应用

和上行提升管反应器相比，敢固下行流化床反应器由于具有气固停留时间短，气固径向分布均匀，返混小等显著优点，因而在化工，石油，石油化工，能源等许多领域具有潜在的应用的前景，被誉为是２１世纪取代提升管反应器的一种新型高效反应器。     

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     

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     

Computer Simulation of the Performance of a Downer‐Regenerator CFB for the Partial Oxidation of n‐Butane to Maleic Anhydride

A reactor model for a downer‐regenerator circulating fluidized‐bed (CFB) during the partial oxidation of n‐butane to maleic anhydride is presented. Upflow reactors (risers) suffer from severe solids back mixing and gas‐solids‐separation, in comparison down flow reactors exhibit a more uniform gas‐solids flow and reduced backmixing, resulting in narrower residence time distributions. Due to the sensitivity of the VPO catalyst to over‐reduction, downer reactors present an interesting alternative to riser reactors. The reactor models for the downer and the regenerator fluidized‐bed are coupled with reduction and oxidation kinetics for the catalyst, respectively. The influence of the solids residence time distributions for the combined system of both reactors on the oxidation state of the catalyst is explored by a novel newly developed oxygen loading distribution. Simulation results suggest the limited solids‐flux in downers restrict the maximum butane concentrations, while the scale‐up is predicted to be uncritical.     

下行床反应器内催化裂化过程的CFD模拟

耦合湍流气粒多相流模型和催化裂化集总动力学模型,建立了描述下行床内多相流动和催化裂化过程的反应器数学模型,并利用计算流体力学单元模拟软件CFX4.3对下行床内的催化裂化过程进行了数值模拟及分析.模型能预测出在工业应用中反应器内最受关注的诸多参数,如固含率、相间滑移速度、压降、气固相的加速区以及各组分浓度的分布情况.预测结果表明,气相反应的进行将导致反应器内的气粒流动行为发生较大变化,充分考虑反应与流动行为的耦合十分重要;而反应器床径的增大将导致转化率和各产物收率的下降.     

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.     

Effects of the gas/solids distributor on the local and overall solids distribution in a downer reactor

In the last few years, the downer has been proposed as a new reactor for gas/solids reactions. Compared to state-of-the-art riser reactors, the cocurrent downflow of gas and solids should lead to a more uniform flow structure, close to plug flow. Experimental studies showed, that the gas/solids distributor at the top of the reactor is significantly influencing the flow pattern in a downer reactor. Local information about the solids concentration is indispensable for a thorough characterization of the flow structure in gas/solids flows. To obtain this information, x-ray computed tomography has been used for the experimental investigations.     

下行式循环流化床用于催化裂化过程的数学模拟

采用十一集总动力学,结合气固流体力学行为和轴、径向扩散行为,建立了适合于提升管及下行式循环流化床催化裂化的数学模型,采用此模型对催化裂化过程计算的结果表明,下行床内目的产品选择性显著高于提升管,但在与工业提升管相同的操作条件下,下行床内原料转化率较低,优势不能发挥。适当增加下行床长度、增大床径、使物料循环反应、增加剂油比、提高反应温度或反应压力等可以改善下行床的反应效果。下行床用于催化裂化过程,与之较匹配的应该是具有更高活性的催化剂,研制新型高活性催化剂也是下行床推向工业的重要措施之一。