导向挡板布置方式与结构参数对细颗粒湍动流化床流动特性的影响

导向挡板布置方式与结构参数对细颗粒湍动流化床流动特性的影响2007年7月石油炼制与化工PETROLEUMPROCESSINGANDPETROCHEMICALS第38卷第7期导向挡板布置方式与结构参数对细颗粒湍动流化床流动特性的影响张永民,卢春喜,时铭显(中国石油大学重质油加工国家重点实验室,北京102249)摘要在大型二维流化床冷模装置上研究导向挡板布置方式和结构参数对细颗粒湍动流化床流动特性的影响.结果表明,挡板的加入对气泡产生破碎作用,同时对颗粒的轴向返混产生抑制作用,不同的挡板布置方式和结构参数对流动特性的影响程度不同.挡板设置在床层中部对气泡的破碎效果最佳;挡板层数的增加有助于强化对气泡的破碎效果,同时还可增强对颗粒轴向返混的抑制作用;较小的叶片间距有助于破碎气泡,也有助于抑制颗粒轴向返混;较小的叶片倾角有助于抑制颗粒轴向返昆,但对气泡破碎的影响不大.关键词:导向挡板流化床结构参数流体流动1前言在流化床反应器中,由于气泡的存在使气体形成短路,造成气固相接触不均;另一方面,由气泡引起的固体颗粒返混造成颗粒在反应器内的停留时间不均匀,使反应转化率降低,产品选择性变差.为了减缓因气泡所造成的负面效应,在流化床内添加内构件是人们常采用的一种行之有效的方法.目前常用的内构件有水平构件,垂直构件和固体填料三种类型.水平构件的常见形式有挡网,单旋或多旋导向挡板等;垂直构件最一般的形式是垂直管束;固体填料是一种与填料塔规整填料结构相似的内构件.在上述内构件中,导向挡板在我国应用较多,目前已经成功应用于丁烯氧化脱氢,萘氧化制苯酐等装置口.近年来,随着流态化技术的不断发展,内构件应用的范围也在不断延伸,除了在传统的化工领域,人们也积极尝试在使用流化床反应器的其它工业领域通过合理添加内构件的方式来强化生产过程,提高生产效率.张永民等将导向挡板作为催化裂化汽提器的内构件,在直径186mm的冷态模拟试验装置中发现,带有导向挡板汽提器的汽提效率明显高于传统的盘环形挡板汽提器.另外,在传统的催化裂化床层再生器中添加适当的内构件,还可以强化气固相接触,改善催化剂的停留时间分布,从而达到提高烧焦效率和增加再生催化剂活性的目的3.但催化裂化的再生过程通常是在气速较高的湍动流化床中进行,其流动特性与传统的鼓泡流化床有很大差别,因此内构件在其中的使用方式与传统鼓泡床反应器有很大的不同.本研究通过研究导向挡板设置方式和结构参数对细颗粒湍动流化床流动特性的影响,以探讨导向挡板在细颗粒湍动流化床中应用的可行性.2实验2.1试验装置为了更加直观地观察气固两相在流化床中的运动规律,试验装置采用二维床结构,装置结构示意见图1.流化床所需的流化介质为空气,由1台罗茨鼓风机提供.来自风机的空气首先进人到气体缓冲罐中,再经过转子流量计定量输送到流化床中.进人流化床气体的分配由1个板式分布器完成,为了保证气体分配的均匀性,分布器下方设置1个气体预混器气体进入流化床层后,会携带一部分颗粒到床层外,为保证整个床层内颗粒质量和粒径分布的一致性,设置两级PV型旋风分离器来捕集这部分颗粒,并同时将其返回到密相床层中去.两级旋风分离器的总捕集效率在99.99以上,可以保证在试验过程中床层内颗粒的质量和粒收稿日期:200611-21;修改稿收到日期:20070卜06.作者简介:张永民(1978),男,中国石油大学(北京)在读博士生,主要从事催化裂化工艺与工程的研究工作基金项目:国家自然科学基金重大项目(20490200);国家杰出青年科学基金(20525621).第7期张永民等.导向挡板布置方式与结构参数对细颗粒湍动流化床流动特性的影响61径分布基本不变.剩余的旋风分离器未能捕集的颗粒由1个布袋过滤器(图中未标出)收集,定期返回到床层中去.二级旋风分离器一级旋风分离器流化床分布板气体预混器图1二维床试验装置结构不恿二维床横截面长0.5m,宽30mm,床高6m,采用板式气体分布器,共设11个孔径为5mm的分布孔,开孔率1.44.兼顾目前工业装置的操作范围和该装置的具体情况,操作气速范围定为0.21.1m/s,共设9档气速.装置采用的颗粒为催化裂化平衡剂,平均粒径60m,颗粒密度1500kg/m.,堆密度922kg/m.,初始静床高1.29m.2.2研究内容与测试方法采用5种不同结构参数的导特性主要通过床层内的压力脉动来反映,以动态压力的标准偏差表示.许多研究表明,压力脉动是气泡特性,物料特性,床的几何特性等多种影响因素综合作用的结果.但在本试验中,由于采用对比试验的方法,可以基本排除物料及床结构等因素的影响,因而各结构之间压力脉动的差异主要体现在气泡特性的不同,而其中影响最大的因素则是气泡直径的大小.颗粒的轴向返混程度主要通过导向挡板下方低密度区的高度来体现.当流化床内不设置挡板而处于稳定操作时,床层某一个特定横截面上颗粒向上和向下的通量基本保持相等.床层内设置挡板内构件后,由于其局部截面积减小,造成局部气速增加,使得挡板下方颗粒更容易被带到挡板上方,而挡板上方的颗粒却不容易流到挡板下方.当床层气速较低时,尽管挡板间实际气速较高,但还没有达到足够大的颗粒提升能力,同时气体的能量还不足以抑制颗粒向下的流动,因此挡板下方的低密度区并不明显.当气速较高时,气体的能量增大,对颗粒的提升能力增强,同时也对挡板上方颗粒向下的流动产生了很大的阻滞作用,这样造成的结果就是挡板下方的颗粒不断地被带到挡板上方,而挡板上方的颗粒却由于受到挡板区高速气体的阻滞而不能以足够大的通量进入到挡板下方去,最终挡板下方的料面因为颗粒的输运不断降低,从而在挡板下方形成低密度区域.挡板下方低密度区的产生同时又大大减小了颗粒向上的通量,当向上的通量和向下的通量达到平衡时,挡板下方的料面将保持稳定,但这时挡板上下部区域的颗粒返混量将大大降低.因此,挡板下方低密度区的形成是挡板流化床实现自身稳态操作的一种自调节过程,同时也与挡板上下方颗粒的交换量相对应,是挡板对床层颗粒轴向返混抑制作用的一种体现,挡板下方的低密度区高度越大,说明挡板对床层轴向返混的抑制能力越强.由于料面的波动,很难通过直接测量的方式得到挡板下方低密度区的高度,因此根据挡板影响区域和床层主体之间的密度差间接换算出一特定高度,称为”准气垫”高度,以下简称”气垫”高度,该高度(H,)的计算式如下:Hv一AH一H/|D0(1)66石油炼制与化工2007年第38卷式中,为受挡板影响的差压测量段段数,H和pi分别为每一段对应的间距和实测密度,Po为离挡板最近但未受挡板影响区域的密度.床层密度的测量采用天水华天微电子有限公司生产的CYB020K和CYB050K型差压传感器,量程分别为2kPa和5kPa.两种传感器的输出信号均为05V的直流电压,精度等级为0.2级,输入端为±12V的直流电压.压力脉动的测量则采用GemsSensorsLtd公司生产的1200型表压传感器,量程为O0.08MPa,精度为满量程的0.5,输出信号为420mA的电流.在差压和压力脉动的测试中,均采用200Hz的采样频率和60S的采样时间,以保证足够的采样精度.两种信号均经凌华PCI9111DG型多功能数据采集卡进行A/D转化后,输入并记录在计算机中.3结果与讨论3.1挡板设置高度的影响采用结构2型挡板,设置层数仅为1层,考察设置高度(挡板距分布板的高度,以下用H表示)分别为358,800,1616mm时的床层流动特性.三种不同设置高度的挡板床与自由床压力脉动的对比见图3,其中图3(a)和图3(b)分别对应两个不同高度(H)的测压点.从图3可以看出,挡板的存在对床层的流动特性具有非常大的影响,在0.7m/s以下的低气速区,设置挡板能明显降低床层的压力脉动,这主要是因为挡板对气泡的破碎作用所致.但是,当气速超过0.7m/s以后,挡板床的压力脉动反而较自由床高.此时床层已完全进入湍动流化状态,从试验现象可以看到,床层气泡直径变小,床内各处的气泡分率和气泡大小均趋向均一;但挡板的存在却造成挡板上方气体分布不均,气体沿挡板导向方向首先偏向床层的一侧流动,然后沿这一侧向上流动,而另一侧的固体则由于密度较高而向下运动,从而形成固体颗粒的循环运动.气体分布不均造成床层密度不均,因此挡板床的压力脉动反而较高.当床层逐渐进入到完全湍动流化状态后,其自身所具有的破碎气泡的能力已经很强,因此如果单从破碎气泡这一方面考虑,该操作阶段并不适合加挡板.从图3还可以看出,挡板设置高度不同对床层压力脉动的影响程度是不同的,挡板设置在床层中部时,整个床层的压力脉动下降最大,因而挡板的最佳设置位置应当为床层密相区的中部.当挡板设置在床层底部区域时,由于该区域受分布板射流区的影响,气泡的直径较小,因而挡板的作用不大;当挡板设置在床层顶部时,当气速低于0.7m/s时,挡板上方的密相区高度很低,挡板影响区的高度很小,因而整个床层压力脉动的变化也不大;挡板设置在床层中部时,不仅对气泡具有明显的破碎效果,而且其影响的区域面积也最大,因而压力脉动下降的幅度最大.时臀蕾出表观气速/m?s(a)H=308mm表观气速/m?S-I(b)H:1225mm图3挡板设置高度对床层压力脉动的影响一自由床;挡板床(1层)高度:一1616mm;一8OOmm;v一358mm3.2挡板设置层数的影响为了进一步优化挡板结构,采用双层和三层挡板结构(见图4)考察挡板设置层数对床层流动特性的影响,其中每层挡板均为结构2型内构件,设置位置为密相区的中部.在试验中发现,由于采用交错导向结构,挡板上方气体的分布较单层挡板更加均匀,尽管还存在一定的颗粒循环流动,但影响区域的面积却大大减小,床层操作也较单层挡板更加稳定.在床层中部一点处(H一765mm)三种挡板床结构在不同的操作气速下的压力脉动见图5.从图5可以看出,随着挡板层数的增加,床层的压力脉动明显降低.这可能一方面与挡板层数增多后第7期张永民等.导向挡板布置方式与结构参数对细颗粒湍动流化床流动特性的影响67./(a)双层,/(b)三层图4双层和三层挡板结构对床层影响的范围增大有关;另一方面,相邻挡板之间”之”字形的排布方式也对气泡的破碎起到了很大的作用.此外,从图5还可以看出,在床层完全进入湍动流化阶段后,三层挡板结构的压力脉动依然很低,说明挡板的交错设置方式使气体的分布更加均匀,增强了床层操作的稳定性.皂幅蕾出表观气运/m?S图5挡板层数对床层压力脉动的影响一自由床;挡板设置层数:一1层;一2层;v一3层挡板层数对下方”气垫”高度的影响见图6.从图6可以看出,随着挡板层数的增加,”气垫”的高度明显增加.当气速低于0.6m/s时,三者的差距很小,但是当气速超过0.6m/s后,三者的区别明显加大.说明当床层气速较低时,挡板的层数对床层颗粒轴向返混抑制作用的影响并