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预混器结构对提升管反应器气固流动行为影响的数值分析
作者:曹建涛 董良 孙启文
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CAE/模拟仿真展厅
通用有限元分析软件, 结构分析软件, 动力学分析软件, 声学分析软件, 板料冲压成形模拟软件, ...
摘要:选用FLUENT软件,通过数值模拟方法对四种不同提升管反应器预混段(Φ150mm×500mm)结构对提升管反应器(Φ150mm×4m)内气固流动行为的影响进行了分析,得到了不同预混段结构时提升管反应器内的气固含率、速度分布等详细状况。结果表明:预混段的结构对提升管内颗粒的速度和浓度分布有一定的影响,其中扩径带内构件结构和侧旋进风结构预混器使得提升管内颗粒浓度及流动状况较好。

引言

提升管反应器是一种高效的气固反应和传质传热设备,并且是催化裂化设备中的关键装置。提升管内颗粒浓度的分布特征对管内气固两相的传质传热速率、化学反应和颗粒输送的计算与设备设计等具有重要实际意义。然而,提升管反应器中预混段对改善提升管中催化剂颗粒的分布状况,提高反应器和催化剂的均匀接触、快速混合起到至关重要的作用。预混器与提升管反应器预提器有一本质区别是预混器内原料气与催化剂会发生快速反应并进行预混提升,改善催化剂在提升管主反应区内的分布,减少再生催化剂进入提升管后形成相当明显的偏流、返混和颗粒速度分布不均匀等情况。提升管预提器只是利用水蒸气等非参与反应气体对循环回来的催化剂进行预加速、预流化的作用,而这一特征特别是重油催化裂化中的重要组成部分之一。不同预混器结构所起到催化剂分布的效果不同,在此对常规缩径结构、扩径结构、扩径带内构件结构和侧旋进风结构对颗粒分布的影响进行详细分析。

以往的研究手段大都通过实验进行反应器结构优化,但是此类实验需要花费大量的人力物力,以及实验数据测量、流体流动的观察等方面较为困难且误差较大。本文选用FLUENT12.1软件,采用数值模拟的方法对4中不同结构预混器,在相同表观气速下提升管内气固流动状况进行了分析研究,得到了不同预混器结构时提升管内的气含率和颗粒浓度、速度的详细分布状况,并对其进行了比较,从而优化筛选预混器结构。

1 几何模型

预混器四种基本几何结构如图1所示。第一种结构为缩径结构如图1(a)所示。图1(b)为扩径结构预混器,该结构可使再生催化剂进入提升管后有足够的缓冲空间,减少了侧面进料形成的偏流。图1(c)是在扩径结构的基础上设置了内输送管,催化剂经内输送管形成催化剂流束,射入提升管中心区域。图1(d)为侧旋进风结构,气流进入反应器后可带动催化剂沿床壁旋转,从而增加提升管中心部分颗粒浓度,侧向进风与再生斜管轴向夹角为90度,其进风方式见图1(e)所示。

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图1 预混器结构示意图
(a) 缩径结构;(b)扩径结构;(c)扩径带内构件结构;(d)侧旋进风结构;(e)侧旋进风进口

2 控制方程及湍流模型

由于反应器为常压操作,压力基本均匀,提升管反应器内流体流动是不可压缩的两相流动过程。这个流动过程可以用两相不可压缩流体的连续方程和动量方程来描述。因为要考察提升管内每一点上物理量及其变化,将颗粒相处理为类似流体的连续相拟流体,所以本文采用欧拉模型研究提升管内流体流动行为。对湍流的模拟前三种预提器结构采用Realizable k-ε模型,侧旋进风结构由于考虑到旋流的影响,因此采用了RNG k-ε模型。该模拟采用了Gidaspow曳力模型。相应控制方程如下:

连续方程:

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式中t为时间,s;α为体积分数;ρ为密度,kg/m3;u为速度,m/s;m为质量,kg;下标q表示q相,下标pq表示两相间。

动量方程:

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式中,p为压力,N;u为应力张量;g为重力加速度,m/s2;F为总体积力,N;K为动量传递系数。

3 计算条件与边界条件

计算模拟的反应器见图1所示,四种结构中提升管部分直径都为0.15m,高度4.0m,再生斜管的直径为0.08m。预混器缩径结构缩径部分直径为0.1m,高0.5m;扩径结构直径为0.2m,高度为0.5m;扩径带内构件结构直径为0.2m,高度为0.5m。侧旋进风结构中,进风口与反应器成切向方向,如图2所示。在计算中对反应器进行了全尺寸数值模拟,网格划分全部采用了结构化网格,且未作任何简化。在前三种结构中采用底部直接均布进气,侧旋进风结构通过进风口侧向进风和提升气的方式进风。四种结构计算中提升管内表观气速一致为1.2m/s。根据操作条件下的流量,给定计算条件下的速度入口边界条件和压力出口边界条件。其模拟参数如下表所示:

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4 计算结果及分析

表征提升管反应器内流动、返混特性优劣的基本参数有气含率、固含率、气固速度流线等,它们也是提升管反应器设计的重要影响参数。因此,本文着重研究以上参数在反应器内的分布情况。

4.1 预混器内气固含率

四种预混器结构中由于进口截面不同,进口气速也不尽相同。提升管反应器表观气速1.2m/s,水力直径0.15m。再生斜管下料进口颗粒相质量流率5kg/s,表观线速1.95m/s,固含率0.34,水力直径0.08m。四种提升管反应器的预混段高度0.6m。在缩管结构中提升气入口水力直径0.1m,线速2.7m/s,如图2(a)所示,在较高气速下缩管结构中固体颗粒含量较低,再生斜管下来的固体颗粒进入缩管结构后迅速提升进入提升反应区域。对于预混器扩管结构和带内构件结构,提升气入口水力直径0.2m,线速0.675m/s。其中带内构件结构中内构件为内径200mm,壁厚10mm 的圆柱状套筒,该内构件放置在缩径位置。侧旋进风结构中,提升气入口水力直径0.15m,线速度1m,二次风入口水力直径0.062m,线速度1.18m/s。提升气与二次风的风量比5:1。

由图2所示,四种结构中再生斜管下来的颗粒流进入预混器后都会在斜管对立面内侧壁形成颗粒高浓度区,其中缩径结构和侧旋进风结构中颗粒贴壁高浓度区距离底部进风口较高,而在两种扩径结构中颗粒高浓度区距离进口较低。这主要由于缩径结构中进口提升气速较高,而侧旋进风结构中,侧旋风使得固体颗粒的浓度降低,如图3所示,在缩径结构中气体出现了偏流,在两种扩管结构和侧旋进风结构中气体分布较为均匀。

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图2 预混器内轴截面时均固含率分布

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图3 预混器内轴截面时均气含率分布

4.2 预混器内速度分布

由图4所示预混器内轴截面时均颗粒速度分布,缩径结构中固体颗粒的速度较高,在扩径无内构件结构中固体颗粒的时均速度最低,再生下斜管中颗粒物料进入预混器后与气体混合较为均匀。在扩径有内构件预混器中,由于内置套筒构件的存在,在套筒内颗粒速度较高,颗粒基本可以以较高速度进入提升管中。侧旋进风预混器中颗粒中心速度较高,侧旋进风使得预混器底部气含率增加。在侧旋进风结构中,侧旋风量较小主要目的是侧旋风起到对颗粒的扰动作用,进而减小颗粒的边壁效应。

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图4 预混器内轴截面时均颗粒速度分布

4.3 预混器结构对提升管内气固含率的影响

由图5所示不同预混器结构时提升管内中心轴向时均颗粒浓度分布。对于缩径预混器结构颗粒在提升管底部浓度很低,但当进入提升管发展区域后其浓度分布呈逐渐增高的趋势,如图5中(a)所示。对于扩径无内构件结构预混器,颗粒在提升管内的浓度变化不半部分较为均匀,当提升管高径比大于20后颗粒浓度增高。对于扩径有内构件结构的预混器,在提升管下半部分颗粒浓度随着高径比的增加而逐渐增高,当高径比大于18时颗粒浓度随着高度的增加有所降低。侧旋进风结构预混器基本可使提升管内颗粒浓度随着高径比的增加呈逐渐增高的趋势,由于侧旋风的离心作用在提升管底部中心区域颗粒浓度较低。

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图5 不同预混结构对提升管内中心轴向颗粒时均颗粒体积分数分布

图6所示为不同预混结构时提升管内中心轴向时均颗粒速度分布,由图可见,由于预混器结构的不同致使提升管底部颗粒速度有所不同,在高径比低于10的区域,颗粒速度受预混结构影响较大。当高径比大于10后,中心轴向时均颗粒速度的波动范围基本在2.5m/s~3.5m/s之间。其中扩径带内构件结构和侧旋进风结构使得提升管上下部速度较为一致,但在接近出口区域颗粒速度略有降低。

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图6 不同预混结构时提升管内中心轴向颗粒时均速度分布

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图7 不同预混结构时横向截面颗粒时均速度分布(H/D=8)

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图8 不同预混结构时横向截面颗粒时均体积分数分布(H/D=8)

图7所示为不同预混结构时在高径比为8的位置截面,当表观气速保持一定时,时均的颗粒速度分布。由图可见,不同预混结构预混器所造成的中心颗粒速度由高到低依次为缩径结构、扩径结构、扩径带内构件结构和侧旋进风结构。其中扩径结构和侧旋进风结构较为接近。图8所示为不同预混结构时在高径比为8的位置截面,表观气速保持一定,时均的颗粒体积分数分布。由图中可以看到,不同的预混器结构颗粒的壁面效应有一定的区别,其中带有扩径带内构件结构预混器的提升管中颗粒壁面效应较小,提升管中心区域浓度较为平稳。

5 结论

采用数值模拟的方法对四种不同结构预混器对提升管反应器内的流体流动状况的研究结果表明,在提升管内表观气速一定的情况下,不同结构预混器内气固混合状况不同。初始气速不同造成提升管底部颗粒速度及浓度分布有所差别,缩径结构初始速度较高,而扩径结构预混器初始速度较低。通过相同表观气速下颗粒速度和颗粒体积分数的比较可看到扩径带内构件结构预混器和侧旋进风预混器可以得到较好的颗粒在提升管内的速度和浓度分布,但侧旋进风因为要把握侧旋进风量的大小以使它有效的扰动边壁颗粒,而并不是让它产生离心作用使边壁颗粒浓度增加,这一点可能会限制该结构预混器在工业装置上的操作范围及操作难度。

参考文献:
[1]陈俊武等. 催化裂化工艺与工程(M).北京:中国石化出版社,2005.1153~1163.
[2]伍倩等.气升式外环流反应器流体力学参数的轴径向分布(J).化工学报,2009,60(6), 1427~1433.
[3]陈巨辉等.粗糙颗粒动理学及流化床内气固流动的数值模拟(J). 化工学报,2011,62(5), 1197~1204.
[4]刘英聚等.催化裂化装置操作指南(M).北京,中国石化出版社,2007,54~85.(end)
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