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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 曹建涛，董良，孙启文 （上海兖矿能源科技研发有限公司煤液化及煤化工国家重点实验室，上海 201203 ） 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。 关键词： 提升管；预混器结构；流动；数值模拟； 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[1] 。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[2-4] 。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。 (a) (b) (c) (d) (e) 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 κ-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 κ-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： (α ρ ) +∇⋅(α ρ u ) m ； ∂t q q q q q pq 式中 t 为时间，s; 为体积分数； 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： ∂ (α ρ u ) +∇⋅(α ρ u u ) −α (∇p +ρ g +ρ +F ) +∇⋅τ +K u +m u ∂t q q q q q q q q q q q