喷嘴射流速度与角度对流动反应影响的数值模拟

帝博石化第二节喷嘴射流速度与角度对流动反应影响的数值模拟进料喷嘴是催化裂化提升管反应器的重要构件.原料油经过喷嘴从边壁以一定角度的高速射流的形式进人提升管反应器，与高温再生催化剂接触换热并迅速气化.一部分未气化的原料油迅速吸附在催化剂上随催化剂一流动并不断反应。因此，油、剂人口的混合区不仅是油气和催化剂混合、气化和开始加速的重要区域，还是反应的重要初始区域泪。由于油气的高速射流作用，提升管喷嘴附近区域内流动、传热及反应都十分剧烈。在此中，为了降低热裂化程度和充分发挥催化剂的固有活性，就必须提高油气和催化剂的接触效率，使之充分混合，使原料均匀分布，尽量减少返混.在整个提升管横截面七保持稳定的剂油比。而原料油气的射流速度和射流度必然起着关键的作用。下面利用已建立的涟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拟程序NUMOCORR一2，在原料性质及其他工况参数等不变的条件下，从气固两相流动、接触、混合和反应的理和本质上，定量地考察了进料喷嘴射流速度和角度对流动、传热及反应的影响。一、模拟对象本研究针对炼油厂一个重油催化裂化提升管反应器，数值模拟的工况参数见表7一3。通过三维微分数值模拟的方法分别考察30.、45’和60.的射流角度(一与轴线夹角，下同)下60m/s、70m/s、SOm/s的射流速度对流动反应的影响，并以此获得进料喷嘴射流速度和角度对流动反应的定量影响。由于进料喷嘴分布具有对称性，因此在实际数值模拟中，为减少计算量和网格划分数量，只选取对称喷嘴所在区域为计算域。例如4个喷嘴呈对称分布，故只取90，的扇形区域为计算域。二、数值模拟结果及讨论1.封流速度和角度时流场的影响从图7一5的提升管轴向截面流场分布可以看出，在提升管反应器的下部喷嘴区域，与轴线呈一定夹角的高速进料油气与催化剂相互作用，产生了强大的抽引和卷吸，使提升管进料段附近的气固两扣出现回流，造成了气固两相返混。图7一6和图7一7的横截面流场分布揭示了在提升管下部存在涡流返混现象。这些复杂的流动现象必然对催化剂和反应油气的分布产生重大影响.进而影响催化裂化反应。在本研究考察的工业提升管喷嘴射流速度范围内(60一80m/s)，改变射流速度对提升管内流动形态的影响并不十分明显，只是回流和涡流的大小有变化。提升管内气固两相速度有所不同.这说明在通常的工业提升管射流速度范围内.涡流和回流通常是存在的，通过改变射流速度来消除涡流和回流并不可行。2.射流速度和角度对沮度场的影响由于进料沮度比较低.在喷嘴射流区域气固两相换热后温度有一个突降.在此之后两相温度下降主要是因为裂化反应吸热，曲线斜率变化比较小。图7一8给出了相同射流速度、不同射流角度下提升管内横截面气相平均温度沿提升管高度的分布。由图看出，除在喷嘴附近略有不同外《射流角度为朽.混合温度稍高)，射流角度为30‘和45‘的曲线基本敢合，而射流角度为阅.的情况就与30’和45.大有不同:它在喷嘴处的温度突降后没有明显的一个回升，而且在中下部的温度比较低.而在提升管上部温度又高于30’和45’。这一差异也可以从表7一4中射流角度为60，与射流角度为30.和45’的不同得到体现。分析原因主要是因为射流角度为60.时，径向的速度分最比较大，造成横截面卜两相湍流相互作用尤为突出，与催化剂接触碰撞比较剧烈，湍流换热程度高，换热速度快，低温进料的影响范困就要小.而且催化剂与油气的碰撞接触几率也大大增加.反应速度提高，因此两相温度在此区迅速下降，形成中下段的温度比射流角度为30‘和45’低的现象。同时湍流程度的增加造成了油气和催化剂分布不均匀，使之在提升管上部反应速度降低.反应吸热少，裂化反应程度低.造成上部温度反而高。而射流角度为30’和45’时径向速度增加带来的油气混合的不均匀性与碰撞儿率的增加相抵消，因此射流角度为30’和45’时温度和组分分布的差异并不十分明显。3.射流速度和角度(与轴线夹角)时反应组分分布的影响虽然从流场、温度场的分布形态来看，工业提升管范围内的射流速度对它们的影响并不明显，但射流速度和角度对催化荆和气相各组分的分布却产生了一定的影响。对催化裂化反应，催化剂浓度与气相浓度乘积是催化反应的关键因素。图7一9反映了流动对催化荆和气相浓度分布的影响，图7一10和图7一11则直接反映了流动对催化裂化反应产物的影响。图7一9中3种悄况下两相浓度乘积分布各不相同，必然造成图7一10和图7一11中组分分布的不同。相比之下，图7一9中射流角度为30.下两相浓度乘积的分布更为均匀些，射流角度为45’和印.时的变化起伏稍大。表7一4给出了不同射流速度和角度下，数值模拟得到的提升管反应器出口组分质量分数的数据.图7一9一图7一11中的数据为提升管内包括回炼油和水蒸气在内的真实质量分数。从中可以看出:(l)射流角度为60.时，不管在哪种射流速度下，尤论是柴油、汽油还是轻质油总收率都比射流角度为30’和朽.时小很多。这是因为射流角度为60.时，轴线速度分旦太小，而径向速度分傲比较大.造成了气固两相在径向有较大湍流流动相互作用，从而使催化剂和油气分布不均匀.而且反应温度偏低造成了反应转化率低.该一点也验证了图7一5‘图7一7和图7一8中射流角度为60.与30’、45，的差异。(2)射流角度为45’和30’时.柴油、汽油和轻质油总收率相差并不很大，焦炭和气休的产率变化也不明显。从多产汽油的角度来看.相同的射流速度下30’略优一些，而其轻质油总收率也略大一些。从总的轻质油收率和减少气体和焦炭产率的角度来看，45’时60m八的射流速度为优。(3)在射流角度为45’或30，时，70m/s射流速度下的柴油收率较高，而汽油的收率在80m/s时最大;在70m/s时提升管出11处反应形成的新回炼油从最少，这说明裂化反应的总转化率较高，随之而来的是焦炭、气体的产量也比的m/s、80m/s时增大;射流速度为60m/s时焦炭和气体总产率最小。总之，对渣油催化裂化反应.提升管下部是流动反应的主要区域，由于气固两相之间在提升管下部存在强烈的瑞流相互作用，而湍流相互作用又决定了提升竹下部催化剂和油气的分布状况.因此在提升管中.同样的操作工况下.要得到最大的汽油、柴油和轻质油收率.并不是射流速度和轴向速度越大越好(以此来缩短反应时间，减少二次反应发生).而是存在着最优的喷嘴射流速度和角度。三、结论(l)从本研究的范围来看，相同射流角度下，射流速度对流动形态影响并不明显.但对沮度和浓度分布产生了一定影响;而射流角度对流动和反应都有较明显的影响。这是因为射流角度的改变直接改变了轴向和径向的速度分布。(2)本研究得到的结果表明:射流角度以不超过45’为优;而且综合考虑.射流角度为45’.射流速度为60m/s时最优。