超短接触旋流反应器流动特征及反应行为研究

摘要

催化裂化工艺(FCC)是最重要的重油轻质化的工艺之一,随着原料油的重质化和劣质化,传统催化裂化装置的反应时间长、生焦严重、产品质量差等弊端日益明显。因此,非常有必要开发新型催化裂化反应器来实现催化裂化反应的高苛刻度条件以优化产品结构。本文针对新型超短接触旋流反应技术,采用数值计算、实验研究和理论分析的方法,对旋流反应器内部气固两相流动、剂油短时接触时间及裂化反应过程进行了全面的研究。
　　 本文首先对旋流反应器三维流动梯度场及二次旋流特性进行研究,分析混合腔和分离腔内的压力分布、湍流分布特征,考察了固相迁移运动规律及颗粒浓度分布,模拟结果发现:混合腔内气固两相在低气速剪切流下接触混合,为催化反应进行提供了前提,之后由下部环形空间均匀流出,经导向叶片旋转加速后在分离腔内形成强旋流状态,固相颗粒向边壁的径向迁移速度加快,气固实现快速分离。
　　 其次,本文对旋流反应器短时接触水平及气固传热效果进行了研究,主要针对反应器固相停留时间与高温下温度场变化规律进行考察,分析得到固相停留时间分布曲线绝大部分呈单峰分布,固相颗粒达到排尘口的时间短而一致,虽然气固接触时间很短,但是气固两相垂直正交接触,快速传热,尤其是混合腔入口附近温度变化梯度较大。
　　 在此基础上进一步研究了不同结构参数(混合腔入口位置、叶片位置、叶片出口角和叶片个数)、不同操作参数(剂油比、操作温度、进风方式和颗粒粒径)对旋流反应器内部流动和传热的影响规律。研究结果表明,结构和操作参数对旋流反应器流场和温度场都有不同程度的影响,并且各参数对流动和传热的交互作用也不可忽略。
　　 最后,本文对优选出的旋流反应器结构模拟计算内部裂化反应行为,并将裂化反应产品收率与提升管反应器进行比较,得到以下结论:虽然旋流反应器的最终转化率均低于提升管反应器,但就产品选择性来说,旋流反应器在改善产品结构和减小生焦方面存在优势。并进一步结合旋流反应器特有的压力场、浓度场和温度场,建立旋流反应器内流动梯度场及反应梯度场的匹配关系。
　　 上述研究工作对旋流反应器催化裂化反应过程的深入研究奠定了基础,为新型短接触反应器的研制开发提供了理论依据。