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.     

组合式提升管入口区颗粒的返混特性

根据文中提出的颗粒局部及整体返混比,对组合式提升管入口区颗粒的返混特性进行了研究,结果表明,在S型颗粒浓度轴向分布时,颗粒在床层底部的返混较小,在顶部的返混较大;而在指数形颗粒浓度轴向分布时,颗粒则在床层底部的返混较大,在顶部的返混较小.在不同操作条件下,床内颗粒具有不同的局部返混特性,在气速较高时,颗粒在床层中心的返混较少,在床层边壁的返混较多;在气速较低时,在床层顶部,颗粒在床层中心的返混较少,在床层边壁的返混较多,而在床层底部,颗粒则在床层中心和边壁处的返混较多,在床层中部的返混较少.     

耦合反应器提升管段颗粒速度分布及约束特性

A large-scale cold model experimental setup of a riser-fluidized bed coupled reactor was established according to the olefin reduction technology with an auxiliary reactor for FCC naphtha upgrading.Distributions of particle velocity in the riser section were experimentally investigated in the setup.Furthermore,the restriction index of particle velocity was defined to quantitatively show the restriction effects of the riser outlet lotus-shaped distributor and the upper fluidized bed on the particle flow behavior in the riser.The experimental results showed that the riser could be divided into two regions in the longitudinal direction,i.e.,lower traditional transport region and upper restriction region.In the longitudinal direction,the averaged cross-sectional particle velocity in the traditional transport region increased firstly,and then tended to be smooth,while decreased in the restriction region.With the increase of static bed height in the upper fluidized bed,the local particle velocity decreased,and the tendency of change in the core region is more than that in the wall region.Restriction effects of the lotus-shaped distributor and the upper fluidized bed on particle flow behavior enhanced with the increases of superficial gas velocity,solids flux and static bed height in the upper fluidized bed.In the same cross-section,outlet restriction effects enhanced with the increase of the dimensionless radial position r/R,and would not change when r/R≥0.5.     

流动反应器内返混研究

以多釜串联模型为主体,采用示踪法.对不同搅拌速率和不同流体流量下四联釜流动反应器内的返混状况进行了测定,建立了该系统的数学模型.结果表明,搅拌速率及流体流量影响系统返混程度大小,在实际的生产过程中,可以通过调节上述2个可控制的因素,对反应的过程进行控制和调节,使反应向着最有利的方向发展.     

三维上流式反应器床层流动和返混特性

采用内径为280 mm的上流式反应器,以空气模拟气相、甘油和水混合溶液模拟渣油。用3种不同粒径的氧化铝球形工业催化剂颗粒为填充颗粒,考察了不同模拟物系的颗粒粒径、颗粒密度、液相黏度、不同床层的高径比和不同操作条件对上流式反应器内床层压降及其波动、床层轴向返混的影响规律。得到模拟工业运行物系和操作条件的上流式反应器床层总压降关联式,相对误差在12%以内。床层总压降均随床层高径比、颗粒密度和液相黏度增加而增大,但随颗粒粒径的增大而减小,床层压降波动随表观气速增加而增大。填充颗粒粒径越小、颗粒密度越小、高径比越大,床层内轴向返混越严重;床层内压降和轴向返混均随表观气速的增加而增大。     

流化床-提升管耦合流化床反应器研究进展

耦合流化床反应器由于其独特的优越性,得到了越来越广泛的关注。介绍了近期流化床-提升管耦合流化床反应器的应用研究进展。同时对比了不同物性的颗粒在类似的流化床-提升管耦合流化床反应器内流动特性,发现不同物性的颗粒,在流化床-提升管耦合流化床反应器内的流动特性有着不同的特性。     

气固环流反应器内颗粒返混特性

采用光纤测量与数据处理方法,在不同操作条件下,对一套大型组合流化床燃烧器环流段内固体颗粒的局部返混及截面返混特性进行了测定. 结果表明,以颗粒局部返混比Rmix,L表征的局部返混特性规律为在环隙区的径向分布较均匀、而在其他区域(导流筒区、底部区和颗粒分流区)呈中心区小边壁区大的不均匀分布形态. 在环流反应器的整个流动区域内,Rmix,L变化范围为0~0.9,颗粒截面返混比Rmix,T变化范围为0.1~0.6.     

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。     

提升管-下行床耦合反应器内颗粒混合行为

引　言循环流化床中气固两相的流动有两种不同的方式 :提升管中为气固并流上行的逆重力场运动 ,下行床中为气固并流下行的顺重力场运动 .其差异表现为提升管内颗粒浓度、速度以及气体速度在径向上严重的不均匀 ,颗粒浓度概率密度分布以及速度的瞬时信号都表明了颗粒团 -空穴两相结构的存在[1] ,一些研究[2 ,3] 还发现提升管中颗粒的停留时间分布 (ＲＴＤ)曲线存在较大的拖尾甚至出现双峰 ,研究者认为提升管内存在弥散颗粒和颗粒团两种不同的混合机理 ;下行床则比提升管大大改善 ,气固速度、颗粒浓度沿径向分布要均匀得多 ,颗粒的ＲＴＤ曲线…     

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。     

高密度下行床-提升管耦合反应器内的气固流动行为

在新提出并建立的“下行床-提升管”耦合循环流化床装置上进行了实验研究,研究结果表明,与提高一次风率相比,提高二次风率（二次风与一、二次风之和的比值）,有利于提高颗粒循环量.当颗粒循环量达到400 kg•m^-2•s^-1时,第一提升管出口处的固含超过了20％,此时下行床内充分发展段的固含超过了5.5％,即高浓度颗粒充满了整个循环流化床系统,并且第一提升管内的颗粒径向浓度分布趋于均匀.     

提升管与气-固环流床层耦合反应器颗粒相循环比的模型及预测

引言Geldart A类颗粒气-固环流技术是一种利用气-液环流原理,并结合气-固聚式流化体系特点而开发的一种新型流态化技术[1],具有气固接触效率高、传质传热性能好等优点,被广泛用于石油炼制领域中的催化裂化汽提器、提升管出口粗旋快分的预汽提器、外取热器、石油焦燃烧器和降烯烃反应器等装备中[2]。     

Nature and characteristics of gas–liquid flow regimes in a micro-packed bed reactor

Micro-packed bed reactors (μPBRs) have the advantages of high heat and mass transfer efficiency and excellent safety, and they have been successfully applied to hydrogenation and oxidation reactions. However, the study of gas–liquid flow regimes in the μPBR, which is essential for the mass transfer modeling and reactor scale-up, is still insufficient due to the limitation of micro-scale and complexity of capillary force. In this work, the flow regimes in the two-dimensional μPBR were systematically studied by visual method utilizing a high-performance camera. Four typical flow regimes and characteristics were captured, and flow regime transition was revealed. Effects of gas and liquid superficial velocities, liquid physical properties, and particle sizes on liquid spreading areal fraction and pressure drop were investigated. Flow regime transition correlation of churn flow and pseudo-static flow in the μPBR was provided for the first time based on the summary of the current and previous published results.     

Fluidized bed catalytic reactor modeling across the flow regimes

Fluidized bed reactor models are generally specific to a single flow regime resulting in ambiguities and discontinuities at the regime boundaries. In practice, only the bubbling, turbulent and fast fluidization regimes are of industrial significance for catalytic reactions. The turbulent fluidization regime is especially advantageous because of improved interphase mass transfer, resulting in improved selectivities and conversions. It is shown that some of the difficulties in modeling can be resolved by means of the probabilistic-averaging model, recently published by Thompson et al. (1999). This model interpolates between the Grace (1984) two-phase bubbling bed model at low velocities and single phase axially dispersed flow for fully established turbulent fluidization conditions, leading to improved predictions of conversion and selectivity for catalytic fluidized bed reactors operated at flow rates covering the full range between bubbling and fully turbulent fluidization. An analogous approach should be useful for beds operated at higher gas velocities as fast fluidization conditions are approached.     

返混对气-固反应特性测试和活化能表征的影响

采用冷态研究和高温反应相结合的方法,探究了气-固反应过程中返混对反应特性和动力学的影响。首先利用脉冲示踪法考察微型流化床内的气体停留时间分布规律和气体返混特性,揭示床内径D、表观气速U_g、介质颗粒粒径d_p对床内气体返混程度的影响,并分析气体流动偏离平推流的程度,得到其最大程度接近平推流的操作范围。进而,选取活性焦燃烧这一典型气-固反应,分析微型流化床反应分析仪中不同程度的返混状态下等温燃烧的反应行为和活化能演变,再现了D、U_g、d_p对反应测试结果的影响,即：随着床径减小及表观气速和介质颗粒粒径的增大,反应器内产物气体经历的返混程度减小,使得产物气体近平推流的输出并被即时检测,获得更好揭示反应本质特性的反应活化能。活化能数值随返混程度的减少而增大,且更易达到稳定反应状态。     

径向反应器的研究与应用进展

介绍了径向反应器在流体流动方面的特点和优点,对径向反应器的数学模型研究的进展进行了详细的讨论,介绍了径向反应器在合成氨、CO变换、甲醇氧化重整制氢、催化重整、乙苯催化脱氢制苯乙烯等方面的应用。认为通过计算流体力学的方法,对径向反应器的流动行为进行模拟是径向反应器发展的趋势之一,结合径向反应器的优点,进一步拓展径向反应器的应用范围是其发展趋势之一。     

间热径向流反应器料层厚度对煤热解特性的影响

考察了方形径向流固定床煤热解反应器中变化煤层厚度对料层升温速度及煤热解产物分布特性的影响。随着料层厚度增加,导致煤热解反应要求的时间增长,热解水和气的产率相应增加,焦油和半焦收率逐渐降低,但焦油中轻质组分(沸点低于360℃组分)含量呈升高趋势,半焦和煤气热值稍许降低。如,加热壁温度900℃、从45 mm至105 mm增加煤料层厚度时,焦油产率从7.17%(质量,下同)下降到6.26% (相对干基煤),但焦油中的轻焦油组分含量则从67%升至72.7%,半焦产率由80.0%降至77.0%,热解水和煤气产率分别由6.96%和5.91%增至8.85%和7.90%,煤气热值则由24348.5 kJ·m^-3下降至20649.2 kJ·m^-3。所得半焦的热值径向上由高温侧向低温侧逐渐降低,煤料层越厚、热值降幅越大,而相同煤料层厚度处与加热壁平行的同一轴向平面上的半焦热值基本相同。针对研究的反应器,气相热解产物在反应器内沿径向(横向)由高温料层区向低温料层区流动。在该过程中伴随着热解产物对远离加热壁的低温煤料的传热、热解生成重质组分的冷凝和在煤/半焦颗粒表面的吸附截留,进而在低温料层进一步升高温度时发生二次裂解等物理化学过程。反应器内煤层厚度越大,上述各种伴随的物化作用越显著,从而明显影响煤料层的升温及热解特性。     

短接触旋流反应器导叶位置对气相流动的影响

采用雷诺应力模型对不同导叶位置下的短接触旋流反应器内气相流动进行数值模拟,并且用组分输运方程研究了气体在旋流反应器内停留时间的分布规律,分析了导叶位置对反应器内气相停留时间分布、气相流场以及排气管入口短路流的影响。结果表明:不同导叶位置的旋流反应器排剂口处气相停留时间分布曲线相似,而混合反应区内气相停留时间分布曲线仅在时间轴上发生微小偏移;叶片离反应器入口越远,混合反应区内切向速度越小,而排气管下方分离反应区内外旋流切向速度显著增大及准自由涡范围减小;叶片与排气管入口距离减小可以降低附近短路流率,减小催化剂的“跑损”,但也增大了排气管内气流旋转强度,造成不必要的能量损耗增大。