双层喷嘴提升管进料区内气固流动特性的数值模拟

为了改善催化裂化工艺的产品分布，提出了一种双层喷嘴提升管进料方案，即在原有喷嘴层下方加设2个对称的“副喷嘴”，目前尚缺少此类双层喷嘴结构提升管内气固流动特性的研究。采用能量最小化方法考虑介尺度非均匀结构的影响，气固相间曳力采用EMMS曳力模型，采用了适用于模拟提升管内油剂混合和流动规律的数学模型。为保证模拟的准确性，确定了适宜的颗粒与壁面间镜面反射系数。主副喷嘴间距为0.5 m，同时改变主副喷嘴进料方向，形成了4种组合结构，即down?down结构、down?up结构、up?down结构和up?up结构。通过比较双层喷嘴与单层喷嘴提升管进料段内油剂混合和流动特性发现，双层喷嘴结构对提升管进料区气固流动的影响较大，尤其对于主喷嘴向上的传统进料结构，副喷嘴射流能加快气固两相达到均匀稳定。副喷嘴射流会加剧进料区副喷嘴以上高度处固含率分布的不均匀程度。当主喷嘴向下时，单层喷嘴down结构具有较小的平均停留时间和停留时间分布的离散程度，当主喷嘴向上时，双层喷嘴up?up结构的平均停留时间和离散程度最小，表明两种结构能使油剂在较短的接触时间内实现强混合，同时抑制目标产品继续裂解，降低生焦量。     

提升管射流影响区内压力脉动特性研究

在提升管大型冷模实验装置中，采集了两种射流形式（射流向上倾斜和射流向下倾斜）提升管射流影响区内的压力动态数据，获得了压力脉动强度的轴、径向分布，并结合压力脉动信号的小波分解分析了不同射流形式对提升管内气固间作用规律的影响，建立了射流影响区内压力脉动特性与射流速度的联系。结果表明，与向上倾斜射流相比，向下倾斜射流使得提升管内压力脉动标准偏差整体数值增大约30%，而轴向、径向变化梯度均有所减小，气固混合过程的强度增大。小波分析结果表明，随着射流速度的增大，射流向上倾斜时，射流喷嘴入口截面附近区域小波能量整体数值将降低约25%，而在射流向下倾斜的射流影响区内小波能量整体数值将增大29%左右，其中ED4、EA8能量占比最大；向下倾斜的射流能有效增加射流影响区内高频压力脉动强度，有利于提高气固接触效果。     

新型催化裂化提升管进料段油、剂两相混合特性

通过大型冷模实验,引入射流相对浓度及颗粒相对浓度两个新参数,考察了油剂逆流接触新型提升管进料段内的油剂“匹配”状况。结果表明,喷嘴向下倾斜的进料方式能够强化油剂初始接触区域内两相混合,混合区高度可缩短约1/3。根据进料段内油剂匹配的特点,可将该新型进料段分为油剂初始接触区、气固扩散区和过渡恢复区3个部分。根据实验结果,得到了较佳的工况组合,分别为：喷嘴与轴向夹角α=30°,预提升气速U_r=4.1 m·s^-1,喷嘴气速U_j=64.2 m·s^-1。结合实验数据,对新型进料段中油剂匹配指数的轴向分布进行了拟合,结果可为油剂逆流接触提升管进料段的工业设计提供参考。     

原料射流对提升管内压降特性的影响

通过大型冷模实验，采集了不同原料射流形式的提升管内总压降及预提升段、进料混合及充分发展段压降的动态数据，对比了斜向上射流和斜向下射流存在时提升管内各区域的压降特征，分析了不同操作条件的影响。结果表明，相同操作条件下，射流与多相流逆流接触提升管总压降及各部分压降大于射流与多相流并流接触提升管总压降及各部分压降。其他操作条件一定时，不同射流与多相流接触方式提升管总压降及各部分压降均随预提升气速增大而减小，随颗粒循环强度增加而增大。当射流速度增大时，射流与多相流并流接触提升管内总压降及各部分压降变化不明显；射流与多相流逆流接触提升管内预提升段压降有所增大，进料混合及充分发展段压降、提升管总压降显著增加。结合传统提升管压降模型及因次分析，建立了射流与多相流并流和射流与多相流逆流接触两种形式提升管内的进料混合及充分发展区压降模型，可供工程设计参考。     

催化裂化提升管进料段内多相流动及其结构优化

催化裂化提升管进料段内油、剂两相的流动-混合状况对目标产品的收率具有重要的影响。早期研究多属于“探索性”的结构优化。近年来,通过大型冷模实验,结合理论分析和数值模拟,发现在传统结构进料段中,对油、剂混合流场起重要作用的是Kutta-Joukowski横向力引起的原料射流“二次流”。对二次流“用其利、抑其弊”是优化传统结构进料段的关键,目前已取得广泛的工业应用。而近期Kutta-Joukowski横向力分析以及冷模实验、数值模拟的结果表明,油剂逆流接触新型进料段可更有效地促进油剂混合,使两相接触更为均匀;较传统形式进料段结构具有更明显的优势。     

新型催化裂化提升管进料段内原料射流浓度分布的大型冷模实验研究

通过大型冷模实验研究了喷嘴射流与催化剂逆向接触的新型提升管进料段内喷嘴射流浓度沿径向的分布,考察了喷嘴气速、预提升气速的影响. 结果表明,喷嘴气速Uj=78.5 m/s和预提升气速Ur=4.1 m/s条件下可获得较好的油剂混合效果. 与传统形式相比,新型结构可促进油剂混合,在轴向距离H<0.7 m内完成油剂混合,油剂初始接触区域内喷嘴射流相浓度分布更均匀. 给出了新型进料段中不同区域喷嘴射流浓度沿径向分布的经验模型,计算值与实验值吻合较好.     

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。     

注塑螺杆计量段物料的停留时间分布

根据注塑螺杆的工作特点,计算了计量段的停留时间分布函数及表征计量段纵向混合能力的优化目标函数停留时间分布函数的方差。通过对无量纲最短停留时间的分析,得到了计量段物料的停留时间分布函数及其方差的影响参数。     

基于EMMS曳力模型的提升管进料混合段模拟

提升管进料混合段是催化裂化提升管反应器最关键的区域。为找到一种合理的方法以改善提升管进料段内油剂两相流动及混合状况,采用了EMMS曳力模型,对提升管进料混合段气固两相流混合及流动进行三维计算流体力学(CFD)模拟,并与实验数据进行了对比;分析了气固两相流动及混合特性,还模拟分析了不同进料角度对提升管进料混合段内二次流的影响以及两相流动、混合状况。结果表明,EMMS/Matrix曳力模型能够较为准确地模拟进料混合段内气固两相流动、混合过程;当喷嘴斜向上喷射进料时,射流影响区颗粒流混合不均匀,颗粒流恢复稳定流型所需时间长,且边壁受二次流影响,出现"高浓度、高返混"区域,工业过程中易引起结焦。由此提出了一种新型提升管进料段结构的改进方案,能合理利用二次流,实现颗粒流均匀混合和流动。     

入口结构对18 m气固循环流化床提升管内颗粒流动特性的影响

在高18 m、内径80 mm的循环流化床提升管内分别考察了三种入口结构对颗粒流动特性的影响。实验结果表明：入口结构主要影响提升管底部区域的颗粒流动特性,不同入口结构对颗粒流动影响不同。相同操作条件下,当采用多管式入口结构时,径向上提升管底部区域的颗粒浓度分布相对均匀,轴向上颗粒能够迅速达到充分发展状态,充分发展高度在9 m左右;当采用多孔板入口结构时,径向上提升管底部颗粒浓度差别较大,轴向上颗粒发展较慢,需要更高高度才能达到充分发展,充分发展高度约为11 m;当采用单管式入口结构时,径向上颗粒浓度分布和轴向上颗粒充分发展速度均处于前两者之间,底部颗粒浓度径向分布仍为中间稀、边壁浓的不均匀分布,颗粒浓度轴向充分发展高度约为10 m。     

逆向气体射流对下行床颗粒混合的影响

下行床入口结构的研究一直被人们所重视。今在内径为0．192m的下行床中颗粒达到均匀分布的部位，沿床四周均布了三个45度方向逆流场气体射流入口，在此处设立气体入口可以使颗粒分散与气固快速接触不再同时进行。采用磷光颗粒示踪技术对下行床有逆流场射流气体存在时颗粒的轴径向混合行为进行了研究。这种逆流场射流气体对下行床颗粒的轴向混合行为无明显影响，在各操作条件下下行床内颗粒均能以接近平推流的方式运动；但该射流气体可以大大加强颗粒的径向混合，有利于气固接触，在下行床颗粒径向混合越差的操作条件下，射流气体对颗粒径向混合的影响效果越明显，下行床的这种入口结构具有良好的应用前景。     

Solids mixing in a fluidized bed riser

The solids mixing in a riser with a height of 10 m and 0.186 m inner diameter was investigated by using pneumatic phosphor tracer technique. Considering the shielding effect of the bed material on the light emitted from the phosphor tracer particle, a modified method for the phosphor tracer measurement is proposed. And then the curves of particle residence time distribution were obtained. The experimental results show that the particle diffusion mechanism can be explained by the dispersions of dispersed particles and particle clusters in the axial direction, and as well the core-annulus nonuniform distribution of the solids fraction in the radial direction of the riser. Moreover, based on the experimental results, a two-dimensional dispersion model was established to predict the solids axial and radial diffusion. Furthermore, the effects of superficial gas velocity and solids circulating flux on the axial and radial Peclet number of the particles were discussed; two empirical correlation formulas about the axial and the radial Peclet numbers were given; the calculated values agree well with the experimental results.     

双层喷嘴进料提升管内气固流动混合特性的大型冷模实验研究

为改善催化裂化工艺的产品分布,在传统单层向上原料喷嘴进料结构基础上,增加了2个对称、向下的“副喷嘴”。通过一套大型冷模实验装置,考察这种新型双层喷嘴进料段结构内气固流动混合特性,同时利用射流“二次流”理论,分析了逆向喷嘴射流二次流在提升管内的形成发展过程。实验结果表明,与传统单层向上喷嘴（主喷嘴）结构相比,双层喷嘴结构能够改善主喷嘴附近油剂匹配程度,提高气固接触效率。同时副喷嘴的加入可以将提升管进料段长度缩短1/3,减少油剂混合时间,加快气固相达到均匀稳定,实现抑制油气过度裂解,提高目标产品收率,降低生焦量的目的。     

喷嘴进料对催化裂化提升管流动行为的影响

This paper studies the influence of feed injection on the hydrodynamic behavior of fluid catalytic cracking riser reactors. Experiments were conducted in a cold model of 186mm ID with two oppositely inclined secondary air feed nozzles. The flow structure was determined by means of the axial static pressure measurements and local radial optic fiber probe measurements on different levels with emphasis on the sections downstream of the secondary injection. The measurements reveal that the secondary injection plays a crucial role on riser hydrodynamics. Just above the secondary injection, the flow and mixing are strongly affected, while below the secondary injection the effect is weak. The radial profile just downstream of secondary injection demonstrates wavy features. The effective region of secondary injection could be estimated by the axial pressure gradient profiles and/or the radial orofiles of local solids velocity and density.     

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     

Fate of solids fed pneumatically through a jet into a fluidized bed

Solid tracer particles were fed pneumatically through a jet into a fluidized bed to simulate the feeding of solids via a pneumatic transport line into a fluidized-bed reactor operating in the slugging-bed mode. The fluidized bed was defluidized instantaneously at different times after the initiation of the tracer particle injection. The bed was then sampled layer by layer to provide the radial and axial concentration profiles of the tracer. Regular and high-speed movies (1,000 frames per second) were taken to study the operation of the fluidized bed and the phenomena of the gas-solid two-phase jet. Experimental results on solid mixing, jet constriction and slugging frequencies, slugging bed height, slug length, jet penetration, and jet half-angle at three nominal jet velocities of 52, 37, and 25 m/s and corresponding solids loadings are presented. Additional experimental results on jet constriction and slugging frequencies, and slug volume (axial slug size) obtained for a wider range of jet velocities confirm the hydrodynamic trends observed during the tracer particle injection experiments. The results indicate that solids mixing increases, and well-mixed conditions are reached earlier, with an increase in jet injection velocity. The obtained mixing times were correlated successfully in terms of the excess gas velocity. The experimental data on jet penetration and slug motion were satisfactorily correlated by modified versions of existing theoretical relations. The modifications included the effect of the injected solids on jet penetration and jet half-angle and also the effect of our semicircular column geometry and single wall-slug configuration on the observed slug motion.     

Axial and lateral dispersion of fine particles in a binary-solid riser

Axial and lateral mixing of fine particles in a binary-solid riser have been investigated using a phosphor tracer method. The measured bimodal residence time distribution (RTD) demonstrated two types of axial dispersions of the fines: the dispersion of discrete particles and that of clusters. A proposed one-dimensional, bimodal dispersion model describes the bimodal RTDs very well. The axial Peclet number of the fines is not sensitive to the fraction of coarse particles, gas velocity and solids circulation rate. Lateral solids dispersion was determined by measuring the solids RTD at different radii using a point source tracer injection. A two-dimensional dispersion model describes the measured RTDs satisfactorily. Lateral solids mixing decreased as coarse particles were added into the riser. Correlations of the axial and lateral Peclet numbers obtained fit the experimental data well.