原料油汽化特性对催化裂化反应结焦过程影响的CFD模拟

为考察原料油汽化特性影响,在一套百万吨级工业FCC提升管中,基于多相欧拉模型耦合EMMS曳力和传质、油滴汽化和十二集总反应动力学模型,采用三维CFD模拟研究气液固三相流动、汽化、反应、结焦的复杂过程,新开发结焦预测模型定量预测结焦状况,对比研究不同原料油雾化液滴粒径和起始汽化温度下各相和反应组分浓度场、温度场分布和结焦程度。结果表明,模拟方法可较准确预测汽化、反应生焦和结焦过程,不同雾化液滴粒径和起始汽化温度通过流场分布和汽化快慢影响液相油滴汽化率和反应转化率;合适液滴粒径(60 μm)和起始汽化温度(654 K)可提升轻油、汽油、液化石油气目标产品收率并改善结焦程度。     

流态化模拟:基于介尺度结构的多尺度CFD

介尺度结构是研究气固流态化多尺度行为的关键。传统的基于平均化处理方式的双流体模拟不能准确描述流化床中的多尺度流动和传递行为。相较而言,基于能量最小多尺度(EMMS)方法的结构多流体模型(SFM)基于局部空间(网格)内的非均匀介尺度结构流动特征,其宏观预测结果与网格分辨率基本无关,因而可以大幅降低模拟计算量。基于SFM模拟得到的流动结构,EMMS多尺度传质模型进一步成功解释了传统传质文献中的数据差异。集成上述模型,形成了一整套模拟流化床流动-传递-反应耦合过程的多尺度计算流体力学(CFD)方法,并将其应用于预测循环流化床中典型的S型轴向分布、揭示噎塞转变的机理以及流化床放大困难的原因。多尺度CFD使工业规模循环床的三维、全系统、动态流动-反应耦合过程的准确模拟成为可能,并为实现从模拟向实时虚拟过程转变的目标打下基础。     

FCC反应过程的CFD模拟进展

流化催化裂化（fluid catalytic cracking,FCC）工艺是石油炼制中的重要转化工艺,用于生产汽油、柴油、轻质烯烃等重要化工原料。FCC反应过程的CFD模拟有助于理解FCC反应器中流动和反应行为,辅助设计和优化FCC工艺设备,最终指导工业生产和实现虚拟调控和放大。从与FCC反应模拟相关的多相流动模型、反应动力学模型以及流动与反应之间耦合等方面做了回顾和总结。在流动与反应耦合研究方面,从湍流模型的使用、流动结构的影响、精细化模型的发展以及原油汽化模型的重要性这4个角度做了分析比较及总结。基于已有的研究工作,认为虽然很多研究表明CFD模拟能较好地揭示工业FCC提升管反应器内的流动和反应行为,但缺乏采用同一方法实现从小试到工业反应器模拟放大的实例,从侧面反映了当前的FCC理论模型和模拟技术还远未达到可以代替实验的水平。展望未来的FCC反应模拟,建议从模型精细度和计算效率上加强研发,并在此两方面寻求平衡,最终实现虚拟调控。     

原料油汽化特性对催化裂化反应结焦过程影响的CFD模拟

为考察原料油汽化特性影响,在一套百万吨级工业FCC提升管中,基于多相欧拉模型耦合EMMS曳力和传质、油滴汽化和十二集总反应动力学模型,采用三维CFD模拟研究气液固三相流动、汽化、反应、结焦的复杂过程,新开发结焦预测模型定量预测结焦状况,对比研究不同原料油雾化液滴粒径和起始汽化温度下各相和反应组分浓度场、温度场分布和结焦程度。结果表明,模拟方法可较准确预测汽化、反应生焦和结焦过程,不同雾化液滴粒径和起始汽化温度通过流场分布和汽化快慢影响液相油滴汽化率和反应转化率;合适液滴粒径(60 μm)和起始汽化温度(654 K)可提升轻油、汽油、液化石油气目标产品收率并改善结焦程度。     

双分散颗粒湍动床反应器的多尺度模拟及细粉夹带优化

S-zorb吸附脱硫工艺技术是生产超低硫含量汽油的关键技术。目前,S-zorb湍动床反应器内的细粉夹带严重,容易堵塞其顶部过滤器,是影响反应器使用寿命和工艺流程运行周期的主要原因。因此,深入研究其反应器内的吸附剂颗粒和细粉颗粒的运动行为对优化反应器和提升工艺运行效率非常重要。本研究采用多尺度计算流体力学方法对双分散颗粒S-zorb湍动床反应器进行了模拟研究,考察了减少细粉夹带的优化方案。首先,比较了不同非均匀EMMS-bubbling曳力模型和EMMS-ANN模型对双分散颗粒运动行为的影响,发现采用上述两个模型都能合理预测吸附剂颗粒的流动行为和浓度分布,但EMMS-ANN模型对细粉颗粒的夹带量预测与工厂实验值的偏差大于前者。考察了一系列设计改造方案对减少细粉夹带的影响,结果表明,适当增大沉降段圆柱高度和半径以及增设固相出口横管都有助于减少细粉夹带,其中在反应区和沉降段之间的过渡区增设固相出口横管以及增大沉降段半径的方案对减少细粉夹带最有效。研究结果将有助于S-zorb工艺的进一步优化和升级。     

基于多尺度模型的MIP提升管反应历程数值模拟

MIP(maximizing iso-paraffins process)工艺采用两个反应器串联技术,可有效改善汽油质量。MIP反应器的冷态模拟虽能揭示反应器内的流动行为及几何结构的影响,但无法考虑反应引发的变化。为更准确地揭示该反应器中的油气及颗粒运动行为,尝试了三维瞬态反应模拟。模拟采用双流体模型结合十二集总反应动力学模型,并在相间动量传递模型和传热模型中考虑了多尺度结构的影响,然后与基于均匀分布的传统模型作对比。结果表明,相比于传统模型,多尺度模型能较准确预测二反段内的流动结构、颗粒浓度以及温度分布。在预测产率方面,两种模型所得结果类似,都对油浆和柴油的预测较好,对液化气和干气的预测偏差较大。这说明,仅在动量传递及传热模型中考虑多尺度结构的影响是不够的。     

初始分布对气固提升管动力学模拟的影响

近期研究表明,合理的初始分布能够大幅缩短气固提升管瞬态模拟从初始到达稳定状态所需的过渡时间。以此为基础,研究发现,若以时均统计的流场信息作为模拟的初始分布,则模拟能够很快达到稳定。然后,对影响过渡时间的各个时均流场参数(如压力、气固相速度、空隙率分布等)进行了敏感性分析,发现提升管的空隙率轴向分布是其中最为关键的因素。最后,利用EMMS(energy-minimization multi-scale)模型预测的空隙率轴向分布作为气固提升管动力学模拟的初始条件进行模拟,结果表明,计算很快能达到稳定,且预测的颗粒通量等参数与实验吻合较好。     

TiO2/SiO2复合薄膜的形成历程与超亲水性关系

考察了溶胶-凝胶法制备TiO2／SiO2复合薄膜过程中,正硅酸乙酯(TEOS)的水解时间与膜的超亲水性的关系,通过XRD分析了SiO2添加量对TiO2锐钛矿晶型的影响,并研究复合薄膜的表面处理对其亲水性的影响。实验发现,当无因次反应时间为0．4时,复合薄膜的亲水性最好;SiO2的引入能够抑制金红石晶型的生长,最佳含量在10～20％。     

基于EMMS模型的大型催化裂化装置再生器气固分布数值模拟

大型催化裂化装置中再生器的规模庞大,其中的气固分布装置对整体性能有重要影响。与传统的冷模实验相比,对再生器整体和气固分布器局部的多尺度计算机模拟有利于更深入地了解其流动规律,高效便捷地考察不同结构设计与操作条件对气固分布的影响,辅助其优化设计。结合双流体模型和EMMS曳力模型,首先模拟了中石化现有3.5 Mt·a^-1大规模清洁汽油生产装置的再生反应器,进而模拟并分析了基于同一工艺设计的7 Mt·a^-1超大规模再生反应器内不同气体和固体分布器对流动与混合过程的影响。模拟结果表明:3环较2环分布器能有效改善气体分布的均匀性,但增加每个环上的气体入口数对其分布的改善有限;而对固体分布器,开孔率减小可增加其阻力,并在一定程度上改善混合性能。进一步讨论了研究分布环喷口处的气固流动与混合细节的必要性,初步展示了基于EMMS模型的离散颗粒模拟方法(EMMS-DPM)对其的有效性。     

工艺条件对费托铁基催化剂气固流化特性的影响

传统上浆态床费托合成铁基催化剂主要采用浆态床反应器进行还原,之后转移至费托合成反应器中进行反应。随着费托合成反应器规模的扩大,配套的浆态床还原技术显现出了生产能力小,还原周期长等不足。通过对费托合成铁基催化剂气固流化特性进行研究,开发产能大、还原周期短的气固流化床还原技术能够显著提高费托合成装置的经济效益。在分析了费托铁基催化剂物性参数的基础上,利用氢气和氮气的混合气模拟还原合成气,在能够升温加压的不锈钢气固流化床反应器内,研究了工艺条件对催化剂气固流化特性的影响,包括温度、压力条件对床层压差脉动幅值的影响,温度、表观气速对反应器床层内气固分布的影响,并结合数值模拟揭示了加压条件下表观气速和温度条件对反应器床层轴向和径向的颗粒体积分数分布、径向颗粒速度分布的影响规律,获得了加压条件下床层从鼓泡流化态到湍动流化态的转变速度并与常压结果进行了对比。实验结果表明,压力增加能够降低床层压差脉动幅值;床层气固分布变化规律及关联计算结果表明在3.0 MPa条件下床层由鼓泡流化态转变为湍动流化态的气速为0.26 m/s。床层不同高度的径向模拟结果表明,在不同表观气速下,反应器内颗粒体积分数都沿径向呈中心稀、边壁浓的"环-核结构",颗粒速度沿径向呈中心上行、边壁下行的流动趋势;温度升高会造成床层压差脉动幅值减小,但对颗粒体积分数和颗粒速度分布的影响并不显著。在气固流化床的工业运转中适当加大操作压力,利于湍动流化态的形成及流化质量的改善。