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。     

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。     

提升管进料区内气体射流流动行为的调控及工业应用

射流促使提升管反应器中产生了重要的介尺度流动结构,对产品的收率、选择性以及提升管内壁的结焦都有重要的影响。对近年来提升管进料区内射流流动行为及调控的研究进行了回顾。二次流是造成传统进料区原料-催化剂浓度不匹配的主要原因。基于Kutta-Joukowski升力定律,从理论上介绍了二次流形成的机理以及主流、二次流轨迹的预测模型,给出了油剂逆流接触这一强化手段。针对常规催化裂化、吡啶碱合成等工艺,分别介绍了油剂逆流接触、双层喷嘴等不同的进料区流场强化方法、实验室研究结果和工业应用结果。结果显示,采用进料区强化方法后可以提高目标产品的收率并显著缓解反应器内部的结焦现象。     

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。     

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。     

催化裂化提升管进料段内油剂两相流动混合的优化及工业应用

通过冷模实验,揭示了催化裂化提升管进料混合段内存在两个问题,即在局部区域内颗粒相返混严重以及油剂两相浓度分布并不匹配-在油相浓度高(低)的位置,剂相浓度却较低(高).通过对实验结果的理论分析,提出了改善提升管内油剂两相接触、混合的思路,即利用和控制二次流,并借助于CS型催化裂化进料喷嘴对二次流实现"用其利,抑其弊",工业应用的结果清楚地表明CS喷嘴对提升管内油、剂两相流动、混合状况有明显地改善,可有效地提高液收率.     

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。     

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     

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。     

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.     

Diffusion of feed spray in fluid catalytic cracker riser

For fluid catalytic cracker (FCC) riser reactor, the diffusion pattern of feed spray and the flow features of catalysts in the feed injection zone were investigated in a cold‐riser model that is made of 186‐mm ID plexiglass pipe. In the feed injection zone, when a feed spray is introduced into the riser, a secondary flow of spray will occur. The secondary flow extends at first and then merges into the mainstream of spray. The occurrence of the secondary flow enhances the mixing of catalysts with feed. However, the extension of the secondary flow causes a violent catalyst backmixing; it is believed to be harmful to FCC reaction. The generation of the secondary flow of feed spray was theoretically analyzed by using the Kutta‐Joukowski Lift Theorem. Furthermore, a FCC feed nozzle, which can control/utilize the secondary flow in riser, was proposed. The effects of the nozzle used in some commercial FCC units are quite desirable. © 2009 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 2009     

Dispersion of feed spray in a new type of FCC feed injection scheme

A new type of FCC feed injection scheme in which the feed is injected downward into the riser to realize a countercurrent contact of feed oil with catalyst particles is put forward. The dispersion of feed spray and flow behaviors of particles in the new type of feed injection scheme are investigated via a large scale cold‐riser model. Experimental results show that the proposed scheme provides a better contact of feed oil with catalyst particles. Furthermore, the centerline equations of both the feed main flow and the secondary flow in the riser are given by introducing a density correction coefficient. The momentum‐ratio of the secondary flow to the main flow is then obtained and the trajectory of the feed main jets as well as the secondary flow is estimated by the centerline equation. The computed results give a reasonable agreement with the experimental data. © 2015 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 62: 46–61, 2016     

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.     

喷嘴射流在气固提升管内的扩散和混合行为

为获得不同形式射流在提升管内的扩散特征和气固混合行为,利用气体示踪技术,在大型提升管冷模实验装置中考察向上和向下倾斜两种射流的影响。通过引入射流特征浓度获得射流相在提升管内的分布特征,通过计算停留时间方差获得提升管内射流的局部停留时间分布特征,根据停留时间方差与操作条件及轴向高度的拟合结果计算射流影响区高度。结果表明,斜向下的射流进入提升管后沿径向分布更均匀,且可使混合流体在较短的距离内实现由近似“全混流”到近似“平推流”的过渡,与斜向上的射流相比,向下倾斜的射流可缩短射流混合区高度约50%。     

提升管内颗粒浓度梯度力的特性

由于Kutta-Joukowski横向力与浓度梯度力的共同作用,提升管内颗粒沿径向在边壁大量聚集并形成稳定的环?核结构。根据实验数据,分析了颗粒浓度梯度的径向分布特征,考察了不同操作条件下浓度梯度力系数K的分布特性。由Kutta-Joukowski横向力与浓度梯度的关系,提出了浓度梯度力的表达式Fρ=K(dρ/dr)A及浓度梯度力系数K的表达式K=[?ρg(νg?νp)(?v/?r)r]/?dρ/dr+(d2ρ/dr2)r?。提升管内颗粒群受到的浓度梯度力与浓度梯度力系数K有关。浓度梯度力系数K在提升管中心处为0,沿提升管径向呈“N”型分布,随表观气速增加而增加;提升管内充分发展段K的数值明显大于提升管加速区和出口约束区,总结了浓度梯度力系数K的经验关联式。     

Circulating fluidized bed hydrodynamics with air staging: an experimental study

The influence of secondary air injection (SA) on the hydrodynamics of circulating fluidized beds was studied in a 0.23-m ID riser. The secondary to primary air ratio, the vertical position, and the mode of injection (radial, tangential, and 45° entrance) are considered to be the key parameters of SA injection. It was found that the amount and location of SA have direct influence on the solids holdup and the segregation patterns in the riser. The SA divided the riser into two different flow zones: a dense turbulent zone below and a relatively dilute bed above the injection port. The mean solids velocity is found to be upwards with a greater magnitude in the center region. It is downwards with a smaller magnitude along the walls, suggesting core-annular flow structures for both above and below the SA injection region.