流化催化裂化(FCC)提升管反应器气固流动行为的数学模型及模拟

摘要

随着原料油重质化、劣质化的趋势日益严重，以及面临石油化工产品质量和结构不断变化和提高的新要求，提升管作为高效重质油催化裂化反应器的局限性日益突出。研究FCC提升管反应器内气固两相流动行为及其相互作用规律，剖析反应器不同位置处的反应特征，为强化催化裂化反应过程提供理论指导具有重要意义。
　　本文以FCC提升管反应器内气固两相流动行为的多尺度特性为着眼点。首先从单个催化剂颗粒这一介观尺度出发，建立FCC商业催化剂的单颗粒模型。在此基础上，将其与FCC提升管反应器常规的CFD模型进行耦合，并引入颗粒粒群衡算模型，建立了同时考虑颗粒团聚、破碎及颗粒内部传递行为的气固两相流多尺度模型。多尺度模型模拟研究表明:以减压瓦斯油为原料进行裂化反应时，在提升管底部区域，颗粒内部传递效应显著，中上部区域逐渐减小。根据颗粒内部传递对FCC反应的影响，可沿提升管轴向划分为三个不同的反应区域:传递控制区，中间过渡区及反应控制区。并且，与以往常规的CFD模型模拟相比，本文建立的多尺度模拟可获得更为详细的流场分布信息，更深入的剖析热、质传递及化学反应之间的相互作用及其对最终产品分布、产品选择性的影响，其对反应器的优化设计具有更机理性的指导作用。
　　最后，本文针对广泛存在的催化剂颗粒静电效应，建立了FCC提升管反应器的静电耦合CFD模型，详细考场了静电效应对FCC提升管反应器流体力学的影响，并且对不同颗粒带电量、操作压力、表观气速、固体循环量等相关工程因素影响下的静电效应进行模拟分析。研究表明:FCC体系静电效应明显，存在如催化剂颗粒径向分离、额外静电压力梯度等现象;工艺操作条件在某些范围内对静电场强度都有较为显著的影响，其中表观气速的影响最为明显，固体循环量居中，操作压力的影响相对较小。居于上述分析，本文最后就如何利用静电进行流场优化提出了初步方案，为工业反应器的优化和放大设计提供理论参考依据。

目录

声明

摘要

前言

第一章 文献综述

1．1 提升管反应器概述

1．1．1 提升管反应器技术现状

1．1．2 提升管内气固两相流动的多尺度现象

1．2 气固两相流动的数值模拟方法

1．2．1 拉格朗日方法

1．2．2 欧拉方法

1．3 提升管反应器数值模拟现状

1．3．1 反应动力学模型

1．3．2 反应器工程模型

1．3．3 计算流体力学模型

1．4 论文的主要研究内容

参考文献

第二章 FCC催化剂颗粒的单颗粒模型

2．1 单颗粒模型方程

2．1．1 单颗粒物理模型

2．1．2 单颗粒数学模型

2．2 单颗粒模型求解

2．3 模拟结果与讨论

2．3．1 模型验证

2．3．2 单颗粒模型应用分析

2．4 本章小结

参考文献

第三章 FCC提升管反应器气固流动的多尺度模型

3．1 多尺度模型方程

3．1．1 常规两相流CFD模型

3．1．2 颗粒粒群衡算模型

3．1．3 气固两相流多尺度模型

3．2 模型求解

3．2．1 模拟体系及相关参数

3．2．2 模型求解

3．3 结果与讨论

3．3．1 模型准确性分析

3．3．2 多尺度传递-反应流动行为

3．4 本章小结

参考文献

第四章 FCC提升管反应器静电耦合气固流动模型

4．1 引言

4．2 静电力模型方程

4．3 模型求解

4．4 结果与讨论

4．4．1 模型验证

4．4．2 模型应用分析

4．4．3 流场优化

4．5 本章小结

参考文献

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

主要符号说明

硕士期间发表的文章

致谢