渣油催化裂化工业提升管反应器的数值模拟

渣油催化裂化工业提升管反应器的数值模拟 王洪斌　徐春明 摘要　应用渣油催化裂化提升管反应器三维气固两相流动、传热及反应的数值模型，对工业提升管反应器进行了全面系统的数值模拟计算，得到了提升管反应器“灰箱”内部的流动、传热及催化裂化等信息，初步揭示了催化裂化提升管反应器内部流动、传热及反应过程之间高度耦合、相互影响的基本特性。模拟结果表明，在提升管内气固两相沿轴向、径向和切向都存在着浓度、速度及温度变化梯度，这是造成催化裂化反应速度分布不均匀的主要原因。提升管的进料段是裂化反应最复杂的区域。在喷嘴上方5～10 m处原料油反应基本结束，柴油产率最大值出现在提升管中下部，汽油产率最大值出现在中上部。提升管出口处反应温度及各组分浓度的模拟计算值与工业装置数据相一致，这说明该模型对工业提升管反应器具有较好的预测性，同时也验证了它的可靠性及合理性。 主题词　工业；反应器；渣油；催化裂化；数值模拟 中图法分类号　TE 624　 NUMERICAL SIMULATION ON COMMERCIAL FCC RISER REACTOR Wang Hongbin and Xu Chunming A model for gas-solid two-phase flow, heat transfer and reaction of FCC riser reactor was used to simulate numerically the processes of flow, hea t transfer and catalytic cracking reaction of three commercial RFCC. The detaile d information about the main characteristics of the interaction of flow, heat transfer and reaction were obtained. The concentration, temperature a n d velocity in the axial, radial and tangential directions of riser are unsteady, which causes the non-uniform distribution of velocity of cracking reactions. The most complex part of RFCC is in the feed injection zone. The calculated results for outlet parameters of reactor are in agreement with the commercial d ata, which gives a proof for the validation and good predictability of the two- phase flow, heat transfer and reaction.　 Subject words industry;　reactor; residua; catalytic cracking; numerical simulation　 About the first author　Wang Hongbin was graduated from the University of Petroleum in 1995. Now he works on numer ical simulation of FCC riser at the Laboratory of Heavy Oil Processing in the Un iversity of Petroleum, China (Beijing: 102200). 引　言 　　反应物和催化剂颗粒在提升管内浓度和温度的分布是影响催化裂化反应的关键性因素，而它们又与流动状况紧密相关。在提升管反应器下部，原料油以60 m/s左右的高速射入反应器并与催化剂接触，受热后迅速气化。气相体积的增加，加大了催化剂的湍流流动，使催化剂颗粒浓度、温度及速度分布不均匀，复杂的流动状况对两相间传热的影响很大，从而影响了反应物的裂化反应。为了深入了解渣油催化裂化提升管反应器内流动、传热及反应过程的机理，指导工业操作和优化设计，应用渣油催化裂化提升管气固两相流动、传热及反应模型［1］，对三套工业提升管反应器从定量的角度进行数值模拟研究。 1　数值模拟研究对象及工况条件 　　在工业提升管反应器中，高温再生催化剂被预提升气携带进入提升管反应器底部， 原料油气从提升管边壁喷嘴处以高速射流进入提升管，气固两相发生接触、混合、传热、反应，直至提升管出口。模拟对象是三套工业提升管反应器，模拟所需原始数据来自对三套反应器的详细标定数据。三套工业装置全部采用常渣进料，采用渣油回炼油十二集总催化裂化动力学模型［1］，对工业提升管反应器进行数值模拟。由于在三套工业装置中均采用了高效雾化喷嘴,在渣油催化裂化提升管反应器高温大剂油比的平衡闪蒸条件下,大部分原料油能够气化,部分未气化的液相渣油在催化剂上也发生反应,生成的气体产物参与气相主体流动，所以，假设原料油全部瞬间气化，在工业研究范围内仍是可行的。由于原料喷嘴呈对称分布，所以，原料射流也呈对称分布。为了减少计算工作量，只取一个喷嘴所在的对称扇形区域作为计算域。在计算域内，所模拟的提升管反应器的结构尺寸见表1，工况参数及原料性质见表2和表3. 表1　提升管反应器的结构尺寸

工况	提升管总长度 L/m	提升管在沉降器中长度 L1/m	提升管内径 D/mm	喷嘴个数	喷嘴对称性	喷嘴与轴线夹角 α/(°)
1	24.5	1.0	900	2	对称	30
2	38.5	0.8	650	2	对称	30
3	40.0	2.0	820	4	对称	45

表2　提升管反应器工况参数

工况	预提升 气介质	流量Q/(kg.s-1)			催化剂密度 ρ/(kg.m-3)	催化剂粒径 d/μm	进料温度T/℃			原料油气射流速度 v/(m.s-1)	进料喷嘴轴 向位置/m
		预提升气	原料油	催化剂			预提升气	油气	再生催化剂
1	干气	0.046 881	12.180 34	64.865 50	1 550	65	606.8	430.0	606.8	62.6	0.5
2	水蒸汽	0.138 889	15.300 97	83.375 96	1 500	65	620.1	425.0	620.1	60.0	5.0
3	水蒸汽	0.104 167	5.264 58	21.319 45	1 650	65	637.5	448.7	637.5	59.8	1.0

表3　原料性质

工况	常压渣油的组成(%)			回炼油的组成(%)
	烷基碳CP	环烷碳CN	芳香碳CA	烷基碳CP	环烷碳CN	芳香碳CA
1	64.90	17.60	17.49	49.82	28.13	22.05
2	75.68	10.39	13.93	63.66	64.45	19.89
3	71.60	12.50	15.90	52.97	13.09	33.94

2　模拟结果与讨论 2.1　气固两相湍流流动 　　数值模拟结果证实，由于原料油的高速射入，催化剂颗粒与原料油发生剧烈碰撞，大大增加了气固两相在提升管下部的湍流程度。由原料油的高速射流产生的强大抽引和卷吸作用，使原料油在喷嘴附近形成一定回流（见图1），这就造成了在催化裂化提升管反应器中出现复杂的气固两相流动现象。 催化剂的运动是油气提升和自身重力作用的综合结果，这种两相之间的相互作用，不仅使气固速度在轴向上（特别是在过喷嘴截面的局部区域）存在滑移(见图2)，而且使速度在径向和切向上的分布亦不均匀，如图3所示。

图1　提升管反应器轴截面（通过原料喷嘴）催化剂速度矢量示意图 (工况1) (箭头表示原料进料喷嘴，下同）

图2　提升管反应器轴截面气固速度滑移等值线图(工况2) 　　由图3可见，在原料喷嘴附近的进料横截面上存在着较大的涡流，但随着反应的不断进行和提升管高度的增加,射流的影响逐渐减弱，涡流流动渐趋平缓，直至消失。由于湍流的相互作用，从流场形式上看，气固两相的差别并不是很大。

图3　提升管反应器横截面气相速度矢量示意图(工况3) 2.2　气固两相温度分布 　　气固两相的温度分布与湍流流动紧密相关，在提升管反应器喷嘴进料处，油气的高速射流不仅造成了复杂的湍流流动，而且还形成了很不均匀的温度分布。由图4可见，在喷嘴所在的横截面内，两相温差最高可达40～50 ℃，由于两相间湍流作用比较剧烈，使油气和催化剂充分混合，在离喷嘴不到2 m的横截面处两相温差只有3～4 ℃，在离喷嘴十几米处两相温差已小于2 ℃.同时图5也表明，在喷嘴区域，两相温度均急剧下降，离开喷嘴射流区后，温度变化则趋于平稳。这是因为在喷嘴处原料迅速吸热并升温至两相混合温度，造成了气固两相的温度突然下降，但随着反应的进行，温度下降的主要原因是裂化反应吸热。从图5 还可以看出，温度在提升管反应器前半段的下降速率明显比后半段快，这也说明了提升管下部的反应条件比较苛刻，裂化反应主要是在前半段进行。

图4　提升管反应器横截面上气固两相温度滑移等值线(工况2，温度单位：℃)

图5　提升管反应器气固两相温度分布(工况2) 2.3　气固两相浓度分布 　　随着反应的不断进行，在轴向上，气相体积不断增大，使催化剂颗粒浓度逐渐减小；在径向上，由于湍流作用而形成的环核流动使催化剂颗粒分布很不均匀，即中心浓度低，边壁浓度高（见图6）.催化裂化反应不仅与气相组分的浓度有关，而且与催化剂颗粒的浓度密切相关，对两相浓度乘积分布的考察结果见图7.由图7可知，在不同横截面上催化剂浓度与气相浓度乘积的分布也很不均匀，在提升管横截面中心处的浓度也明显比边壁低，最多可相差5～6倍，这必然造成气相反应在提升管反应器内分布的不均匀性，边壁处的反应必然比中心处的反应快，这也可以从各组分在提升管内的浓度分布（图8）得到证实。图6、7的数值表明，离开喷嘴截面数米后，催化剂浓度以及催化剂浓度与气相浓度乘积就已迅速下降。这一现象同样表明在这段区域内反应速度很快。

图6　催化剂颗粒浓度在横截面上的等值线图 (工况1,浓度单位：kg/m3) 　　采用渣油回炼油十二集总模型的处理方法，将新鲜原料油和回炼油分别划分为CP、CN和CA，因此可以从数值模拟的角度比较全面地考察新鲜原料油和回炼油的反应状况，得到有关催化裂化反应产物在提升管内分布的大量信息。模拟结果表明，与流场、温度场相类似，气相组分的浓度场在轴截面、横截面上的分布也不均匀。图8给出汽油组分在横截面上的分布，图中数据为包括水蒸汽和回炼油在内的真实质量分数。在提升管下部，流动传热比较剧烈，反应条件比较苛刻，反应也较为剧烈，汽油组分的分布很不均匀。随着反应传热渐趋平缓，组分分布也趋于均匀。图9给出三种工况下反应物及产物的收率分布曲线。由图9可看出，裂化气和焦炭产率沿提升管高度的增加而逐渐提高，而柴油和汽油都在出现最高值后又略有下降，并且柴油产率最高值的出现比汽油早，一般在提升管中下部就开始出现。而汽油产率的最高值出现在提升管中上部，离出口10～15 m处\.从图9还可以看出,反应初期，各组分浓度曲线的斜率都比较大，这表明各个组分在提升管原料入口以上5～15 m区域内迅速增加或迅速减少，在此区域内反应进行地比较剧烈。工况2，3中新鲜原料油浓度曲线下降趋势比工况1快，这是因为工况1的原料性质比工况2和工况3差，且回炼比也很高，这样就大大降低了新鲜原料油在混合进料中的浓度，使新鲜原料的反应速度减慢。由此可见，不仅原料性质对裂化反应有较大影响，而且回炼油的性质和回炼比对反应也有较大影响。 表4给出了提升管反应器出口反应温度和各组分浓度的模拟结果以及相应的工业装置操作数据实际值。通过对比，模拟结果的平均误差都比较小，可以说明本研究模型的合理性与可靠性。

图7　催化剂颗粒浓度与气相浓度乘积在横截面上的等值线图(工况2)

图8　汽油组分浓度在提升管横截面上的等值线图(工况1) 表4　提升管出口参数的模拟计算结果与工业装置数据对比

对比参数	工况	出口温度 T/℃	提升管出口各组分的质量分数(%)
			回炼油	柴油		汽油		气体		焦炭
模拟结果	1 2 3	518.9 508.0 500.0	47.01 14.01 17.24	15.51 22.73 14.62	18.82 39.05 38.35		9.75 11.24 13.90		5.15 7.90 6.88
工业数据	1 2 3	517.0 507.1 501.3	46.69 13.90 17.12	15.93 22.00 15.29	19.10 41.05 39.61		9.24 10.98 13.18		5.59 7.49 6.03

图9　三种工况下提升管反应器内反应物及产物的收率沿高度的分布曲线 3　结　论 　　(1)催化裂化提升管反应器内的流动、传热和反应传质十分复杂，在轴向、径向和切向上都存在速度、浓度和温度梯度，这是造成反应不均匀分布的主要原因。 　　(2)提升管反应器内流动、传热和反应最复杂的区域是在喷嘴附近，造成这一现象的主要原因是原料油的高速射流所引起的湍流扰动。在此区域内，不仅存在着激烈的湍流相互作用，而且还存在着涡流、回流和温度突降等现象。 　　(3)提升管喷嘴处的原料气化升温吸热使催化剂温度急剧下降，此后两相的温度则下降比较平缓。裂化反应受湍流流动传热的影响，在提升管下部5～15 m区域内原料油的主要反应已经结束，并发生二次反应，在此区域内柴油、汽油和总轻质油收率均出现最高值。 　　(4)三套工业装置的计算值与实际值对比结果证明了本模型的合理性和可靠性，本模型可以用于工业提升管反应器的操作优化及技术改进。 第一作者简介:王洪斌，男，1974年生，1995年毕业于石油大学（华东），现在石油大学（北京）重质油实验室从事催化裂化数值模拟的研究。 作者单位:石油大学重质油加工国家重点实验室，北京102200 参考文献 ［1］　王洪斌，徐春明，高金森等.渣油催化裂化提升管反应器气固两相流动、传热、反应模型的建立.石油大学学报(自然科学版)，1998，22(6)：87～91