气固旋流反应器冷模实验装置设计及关键设备内两相流动分析

摘要

基于短时接触催化裂化技术，中国石油大学（华东）提出了超短接触旋流反应器技术，利用器内组分间传质性能好、接触时间短、产物实时分离等优势来解决重油加工中存在的问题。为了在更接近工业条件的情况下进行实验研究，探索旋流反应器放大规律，结合工业催化裂化装置的特点和操作要求，设计了一套气固旋流反应器大型冷模实验装置。设计包括装置工艺流程和操作参数的确定，设备工艺计算、压力平衡计算、主要设备选型，详细施工图纸绘制，并对旋流反应器、汽提器和再生器这三个关键设备内的两相流动特性开展数值研究。 首先，通过工艺结构计算，确定旋流反应器柱段直径为Φ170×10mm，混合腔直径和高度分别为Φ400×10mm和320mm，切向和轴向入口直径分别为Φ80×5mm和Φ100×5mm，排气芯管直径为Φ100×5mm；汽提器和再生器均采用大小头设计，汽提器大、小头外径分别为500mm、300mm，高度均为3m；再生器大、小头外径分别为500mm、400mm，高度分别为8m、3m。通过压力平衡计算确定两器标高，装置总高为16.5m，再生滑阀和待生滑阀压降分别为12.38kPa和20.49kPa，说明冷模实验装置设计合理。 其次，基于工艺结构计算结果，进行装置设计，并绘制详细的施工图纸，包括总图1张，零件图52张。 进一步，采用数值模拟方法对不同操作工况下装置关键设备内两相流动特性开展研究。研究结果表明，随着进气量增加，旋流反应器混合腔内固含率分布变均匀，分离腔内气固轴向滑移速度变化不大，切向滑移速度逐渐增大，进气量在280~290m3/h区间内，旋流反应器分离效率相对较高；剂油比增大，旋流反应器混合腔内气固混合程度高，分离腔内轴向气固滑移速度减小，切向滑移速度增大，分离效率逐渐降低；汽提器内固含率沿轴向呈下大上小不均匀分布，随着表观气速增大，上部空间固含率逐渐增大，不利于上部催化剂的进入，增大旋风分离器负荷；随着表观气速增大，再生器底部固含率逐渐减小，上部固含率逐渐增大，易增大旋风分离器负荷；依据压力分布模拟结果进行系统压力平衡核算，确定滑阀压降，其值与工艺计算值接近，说明装置设计合理。 本文为开展气固旋流反应器冷模实验基础研究及放大规律探索提供理论指导。

目录

声明

符号对照表

第一章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 催化裂化工艺研究进展

1.1.1短时催化裂化工艺

1.1.2组合催化裂化工艺

1.3 催化裂化装置研究进展

1.3.1 反应器研究进展

1.3.2 再生器研究进展

1.3.3 汽提器研究进展

1.4 课题研究内容

第二章 方案及工艺流程确定

2.1设计目的及原则

2.2工艺流程

2.3 设计条件及工艺参数

2.3.1 工艺参数设定

2.3.2 原料工况设定

2.4 本章小结

第三章 冷模装置工艺计算及图纸绘制

3.1 反应系统设计

3.1.1 旋流反应器工艺结构设计

3.1.2 汽提器工艺结构设计

3.1.3 汽提器旋风分离器工艺结构设计

3.1.4 提升管工艺结构设计

3.2 再生系统设计

3.2.1 再生器工艺结构设计

3.2.2 再生器装置旋风分离器工艺结构设计

3.3 反应-再生系统压力平衡计算

3.3.1 埃索压力平衡设计准则

3.3.2 待生系统压降

3.3.3 再生系统压降

3.3.4 旋风分离器压力平衡计算

3.4 松动点布置及松动气量确定

3.4.1 松动点布置

3.4.2 松动气量确定

3.5主要设备选型

3.5.1 风机选型

3.5.2 压缩机选型

3.5.3 流量计选型

3.5.4 阀门选型

3.6 装置三维图绘制

3.7 施工图绘制

3.8 本章小结

第四章 关键设备内两相流动分析

4.1 数学模型及计算方法

4.1.1 几何建模及网格划分

4.1.2 湍流模型

4.1.3 边界条件及数值解法

4.2 旋流反应器内两相流动分析

4.2.1 进气量对两相流动影响

4.2.2 剂油比对两相流动影响

4.3汽提器内两相流动分析

4.3.1 表观气速对固相浓度分布影响

4.3.2 催化剂流动分析

4.3.3 初始床层高度对两相流动影响

4.4 再生器内两相流动分析

4.4.1 表观气速对固相浓度分布影响

4.4.2 催化剂流动分析

4.4.3 初始床层高度对两相流动影响

4.5 装置压力平衡分析

4.5.1 两器压降分布计算

4.5.2 装置压力平衡计算

4.6 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 主要结论

5.1 展望

参考文献

附录A 冷模装置三维效果图

附录B 冷模装置主要施工图

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致谢