高密度下行床反应器的流体力学特性
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本课题组设计了一套新型的下行循环流化床 , 可在低气速下进行高浓度操作. 以空气为流化介 质 , 用硅胶和 FCC 催化剂以及玻璃珠为物料进行 实验 , 在更广的范围内研究了下行床内气固流动的 规律 , 为下行床的工业应用提供理论依据.
1 实验装置及实验方法
高密度下行循环流化床的研究比较少 , 一方面 是由于下行床的研究开展得较提升管晚 , 另一方 面 , 下行床内气固顺重力场流动机制造成床层浓度 很低. 气固在顺流下行过程中 , 固体颗粒在重力及
第 3 期
陈恒志等 : 高密度下行床反应器的流体力学特性
·457 ·
Fig1 1 Schematic diagram of downco mer set up
Foundation of China (20221603) .
·456 ·
化 工 学 报
第 56 卷
引 言
通过近几十年来的深入研究 , 循环流化床正逐 渐被广泛地运用到化工 、能源 、材料等领域. 循环 流化床按气固流动方向分为气固并流上行 (提升 管) 及气固并流下行 (下行床) 两大类. 下行床由 于气固接触时间短 , 分布均匀 , 轴向返混小等优 点 , 近年来一直是流态化领域的一个研究热点[1] . 随着研究的深入 , 特别是在推动下行床工业应用的 过程中 , 研究者也发现了下行床的一些不足之处 , 一个主要的缺陷就是下行床内颗粒浓度太低[2] . 下 行床被许多研究者认为是可替代提升管的新一代催 化裂化反应器 , 但提升管恒速段颗粒浓度是下行床 的 21 5～41 0 倍[3] , 因而 , 采用低浓度的下行床作 为反应器必将降低其效率. Bolkan2Kenny[4] 通过 对 FCC 模拟计算表明 , 当剂油比从 8 提高到 10 , 转化率就会提高 4 个百分点 ; Ma[5] 对下行床的传 热行为进行了研究 , 发现传热系数径向分布与颗粒 浓度径向分布一致 , 床内颗粒浓度是影响传热系数 的一个最重要的因素. Kim[6] 研究了下行床对壁的 传热系数 , 也发现传热系数随床层密度增加而增加.
Key words : high2densit y downer ; solids flux ; p ressure gradient ; p roperties of t he particle
2003 - 12 - 10 收到初稿 , 2004 - 03 - 25 收到修改稿. 联系人 : 李洪钟. 第一作者 : 陈恒志 (1969 —) , 男 , 博士研
高密度循环流化床由于其具有较高的床层浓度 以及高的颗粒循环流率 , 使循环流化床作为反应器 具有更广的适应能力及更高的操作弹性 , 引起了研 究者的注意. 然而令人遗憾的是 , 有关高密度下行 床只有一篇公开报道 , 还是在一直径为 25 mm 的 小型下行床内进行的[7] , 而几乎所有的有关高密度 循环流化床的研究报道[8] 都是针对提升管的 , 这样 的研究对于理解高密度下行床的流动规律还是远远 不够的. 因此 , 展开高密度下行床的研究 , 对推动 下行床的工业应用具有重要意义 , 从而需要研究者 更多的关注.
究生. 基金项目 : 国家自然科学基金项目 (20221603) .
Received date : 2003 - 12 - 10. Corre sponding author : Prof . L I Hongzhong. E - mail : hzLi @
home1ipe1 ac1 cn Foundation item : supported by t he National Nat ural Science
好的物料容易达到高的颗粒循环流率 ; 在低密度操作条件下 , 下行床内气固沿轴向流动过程可分为两个区域 :
加速区以及恒速区 ; 而在高浓度操作条件下 , 可分为 3 个区域 : 加速区 、恒速区以及出口受限区.
关键词 : 高密度下行床 ; 颗粒循环流率 ; 压力梯度 ; 颗粒浓度分布
中图分类号 : TQ 01 文献标识码 : A
文章编号 : 0438 - 1157 (2005) 03 - 0455 - 07
Hydro dynamic s in high2density downer reactor
CHEN Hengzhi , LI Hongzhong
( M ulti phase Reaction L aboratory , Institute of Process Engineering , Chinese A cademy of Sciences , Bei j ing 100080 , China)
Abstract : Experiment s were carried o ut in a special circulating fluidized bed of 51 6 m in height , 01 08 m in ID dow nco mer . Glass beads (ρp = 2480 kg ·m - 3 , dp = 131 μm) , FCC catalyst particles (ρp = 992 kg · m - 3 , dp = 82μm) and t wo kinds of silica gel (ρp = 750 kg ·m - 3 , dp = 128 μm and 572 μm) were used. The maximum of t he solids flux was 600 kg ·m - 2 ·s - 1 and a solids holdup as high as 01 14 was achieved. The result s showed t hat t he characteristics of t he t ransient solids co ncent ratio n at high2densit y operatio n were different f ro m t ho se at low2densit y operatio n. U nder low2densit y operatio n , t he p ro babilit y densit y dist ributio n ( PDD) curves had o ne peak , but under high2densit y operatio n , t here was a horizo ntal line aro und t he top of t he PDD curves. Solids co ncent ratio n increased wit h increasing solids flux. Smaller and lighter particles co uld achieve higher solids co ncent ratio n , while t he goo d fluidit y and heavier particles could achieve high solids flux. The pressure gradient was positive in the overall downer and the length of particles acceleration zone was about 115 —210 m. Depending on the structure of the exit , the downer could be divided into two regions : particle acceleration region and developed region under low2density operation or three regions : particle acceleration region , developed region , and exit region with high2density operation.
陈恒志 , 李洪钟
(中国科学院过程工程研究所多相反应开放实验室 , 北京 100080)
摘要 : 在一套内径为 80 mm , 高 51 6 m 的新型下行循环流化床内 , 以硅胶 、FCC 催化剂以及玻璃珠等颗粒为实
验物料 , 在颗粒循环流率最高达 600 kg ·m - 2 ·s - 1 , 床层颗粒平均浓度达 14 %的条件下 , 进行了低气速 、高浓
曳力的作用下 , 颗粒速度从上到下增大 , 造成床层 浓度是上浓下稀 , 到出口段浓度就非常小 , 通常在 1 %左右. 同时 , 许多下行床的研究者对固体颗粒 物料通常采用初始流态化进料 , 而颗粒的初始流化 速度很小 , 造成进料速率很小 , 因而 , 下行床内颗 粒的截面流率都较低 , 很少超过 200 kg ·m - 2 · s - 1 . 为了达到高浓度以及高的截面流率 , 有必要 对整个循环操作系统进行特殊设计. 首先 , 为提高 进料速率 , 可对固体颗粒进行预加速 , 使颗粒以较 高的速度进入下行床以达到高的循环率操作 , 为此 在分离器固体颗粒出口到下行床入口之间加一高约 1 m 的预加速段 , 在分离器气体出口加一调节阀 , 以维持分离器内一定的压力 , 促使颗粒以较高速度 进入加速段. 其次 , 保持下行床内较低的表观气 速 , 与颗粒进入下行床的速度相近 , 缩短颗粒的加 速过程 , 使颗粒尽快进入恒速段. 此外 , 在下行床 的出口采用缩口 , 使气固流出时受到一定的限制. 具体的实验装置如图 1 所示 , 从压缩机出来的空气 经缓冲罐再经流量计进入提升管 , 物料经过一阀门 进入提升管底部 , 气固在顶部经过一分离器进行初 步分离 , 颗粒顺流向下进入预加速段 , 气体再经过 旋风分离器到布袋除尘器而排空. 经过加速的颗粒 与下行气体在混合之后进入下行床 , 气固从下行床 出来后经气固分离器 , 气体再通过旋风分离以及布 袋过滤通过流量计后排空. 下行床直径为 80 mm , 高 51 6 m , 提升管直径为 120 mm , 高为 12 m. 实 验所选用的物料性质如表 1.
下行床内局部颗粒浓度采用中国科学院过程工 程研究所研制的 PC24 型光导纤维浓度测试仪测 量 , 其基本工作原理为 : 发光二极管出来的光分为 两束 , 一束测量床中的颗粒浓度 , 另一束作为参比 光 , 参比光与测量光路返回的反射光共用一个开 关 ; 每次采样前 , 仪器会自动测量一次参比光 , 并 与初始值相比较 , 两者相等时 , 计算机就关闭参比 光而打开反射光采样 ; 当两者不相等时 , 计算机会 自动调整使之与初值相等 , 再打开反射光进行采 样 , 这样减小外界环境对采样的影响 , 使测量值更 具有可比性. 下行床内表观气速采用流量计测量下 部气固分离器出来的气体流量而得到 ; 而随颗粒携 带进入料仓的少量气体 , 经计算可忽略. 在下行床 中部 ( H = 3 m) 设置一蝶形阀 (阀上开有小孔 , 气体可通过) , 在实验结束前 , 突然关闭蝶阀 , 测 量堆积到一定高度的物料所需时间 , 从而计算出颗
第 56 卷 第 3 期 2005 年 3 月
化 工 学 报
Vol1 56 No1 3
Journal of Chemical Indust ry and Engineering (China)
March 2005
研究论文
高密度下行床反应器的流体力学特性
度下行床内气固流动特性的研究. 实验结果表明 : 高浓度下颗粒浓度的波动特性与低密度的有所差异. 在低浓
度操作条件下 , 颗粒浓度的概率分布曲线为单峰 , 而在高浓度下 , 概率密度分布曲线近似为水平直线 ; 床层颗
粒浓度随固体颗粒循环流率的增加而提高 , 颗粒直径及密度小的物料容易达到高的床层浓度 , 密度大而流动性
1 实验装置及实验方法
高密度下行循环流化床的研究比较少 , 一方面 是由于下行床的研究开展得较提升管晚 , 另一方 面 , 下行床内气固顺重力场流动机制造成床层浓度 很低. 气固在顺流下行过程中 , 固体颗粒在重力及
第 3 期
陈恒志等 : 高密度下行床反应器的流体力学特性
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Fig1 1 Schematic diagram of downco mer set up
Foundation of China (20221603) .
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化 工 学 报
第 56 卷
引 言
通过近几十年来的深入研究 , 循环流化床正逐 渐被广泛地运用到化工 、能源 、材料等领域. 循环 流化床按气固流动方向分为气固并流上行 (提升 管) 及气固并流下行 (下行床) 两大类. 下行床由 于气固接触时间短 , 分布均匀 , 轴向返混小等优 点 , 近年来一直是流态化领域的一个研究热点[1] . 随着研究的深入 , 特别是在推动下行床工业应用的 过程中 , 研究者也发现了下行床的一些不足之处 , 一个主要的缺陷就是下行床内颗粒浓度太低[2] . 下 行床被许多研究者认为是可替代提升管的新一代催 化裂化反应器 , 但提升管恒速段颗粒浓度是下行床 的 21 5～41 0 倍[3] , 因而 , 采用低浓度的下行床作 为反应器必将降低其效率. Bolkan2Kenny[4] 通过 对 FCC 模拟计算表明 , 当剂油比从 8 提高到 10 , 转化率就会提高 4 个百分点 ; Ma[5] 对下行床的传 热行为进行了研究 , 发现传热系数径向分布与颗粒 浓度径向分布一致 , 床内颗粒浓度是影响传热系数 的一个最重要的因素. Kim[6] 研究了下行床对壁的 传热系数 , 也发现传热系数随床层密度增加而增加.
Key words : high2densit y downer ; solids flux ; p ressure gradient ; p roperties of t he particle
2003 - 12 - 10 收到初稿 , 2004 - 03 - 25 收到修改稿. 联系人 : 李洪钟. 第一作者 : 陈恒志 (1969 —) , 男 , 博士研
高密度循环流化床由于其具有较高的床层浓度 以及高的颗粒循环流率 , 使循环流化床作为反应器 具有更广的适应能力及更高的操作弹性 , 引起了研 究者的注意. 然而令人遗憾的是 , 有关高密度下行 床只有一篇公开报道 , 还是在一直径为 25 mm 的 小型下行床内进行的[7] , 而几乎所有的有关高密度 循环流化床的研究报道[8] 都是针对提升管的 , 这样 的研究对于理解高密度下行床的流动规律还是远远 不够的. 因此 , 展开高密度下行床的研究 , 对推动 下行床的工业应用具有重要意义 , 从而需要研究者 更多的关注.
究生. 基金项目 : 国家自然科学基金项目 (20221603) .
Received date : 2003 - 12 - 10. Corre sponding author : Prof . L I Hongzhong. E - mail : hzLi @
home1ipe1 ac1 cn Foundation item : supported by t he National Nat ural Science
好的物料容易达到高的颗粒循环流率 ; 在低密度操作条件下 , 下行床内气固沿轴向流动过程可分为两个区域 :
加速区以及恒速区 ; 而在高浓度操作条件下 , 可分为 3 个区域 : 加速区 、恒速区以及出口受限区.
关键词 : 高密度下行床 ; 颗粒循环流率 ; 压力梯度 ; 颗粒浓度分布
中图分类号 : TQ 01 文献标识码 : A
文章编号 : 0438 - 1157 (2005) 03 - 0455 - 07
Hydro dynamic s in high2density downer reactor
CHEN Hengzhi , LI Hongzhong
( M ulti phase Reaction L aboratory , Institute of Process Engineering , Chinese A cademy of Sciences , Bei j ing 100080 , China)
Abstract : Experiment s were carried o ut in a special circulating fluidized bed of 51 6 m in height , 01 08 m in ID dow nco mer . Glass beads (ρp = 2480 kg ·m - 3 , dp = 131 μm) , FCC catalyst particles (ρp = 992 kg · m - 3 , dp = 82μm) and t wo kinds of silica gel (ρp = 750 kg ·m - 3 , dp = 128 μm and 572 μm) were used. The maximum of t he solids flux was 600 kg ·m - 2 ·s - 1 and a solids holdup as high as 01 14 was achieved. The result s showed t hat t he characteristics of t he t ransient solids co ncent ratio n at high2densit y operatio n were different f ro m t ho se at low2densit y operatio n. U nder low2densit y operatio n , t he p ro babilit y densit y dist ributio n ( PDD) curves had o ne peak , but under high2densit y operatio n , t here was a horizo ntal line aro und t he top of t he PDD curves. Solids co ncent ratio n increased wit h increasing solids flux. Smaller and lighter particles co uld achieve higher solids co ncent ratio n , while t he goo d fluidit y and heavier particles could achieve high solids flux. The pressure gradient was positive in the overall downer and the length of particles acceleration zone was about 115 —210 m. Depending on the structure of the exit , the downer could be divided into two regions : particle acceleration region and developed region under low2density operation or three regions : particle acceleration region , developed region , and exit region with high2density operation.
陈恒志 , 李洪钟
(中国科学院过程工程研究所多相反应开放实验室 , 北京 100080)
摘要 : 在一套内径为 80 mm , 高 51 6 m 的新型下行循环流化床内 , 以硅胶 、FCC 催化剂以及玻璃珠等颗粒为实
验物料 , 在颗粒循环流率最高达 600 kg ·m - 2 ·s - 1 , 床层颗粒平均浓度达 14 %的条件下 , 进行了低气速 、高浓
曳力的作用下 , 颗粒速度从上到下增大 , 造成床层 浓度是上浓下稀 , 到出口段浓度就非常小 , 通常在 1 %左右. 同时 , 许多下行床的研究者对固体颗粒 物料通常采用初始流态化进料 , 而颗粒的初始流化 速度很小 , 造成进料速率很小 , 因而 , 下行床内颗 粒的截面流率都较低 , 很少超过 200 kg ·m - 2 · s - 1 . 为了达到高浓度以及高的截面流率 , 有必要 对整个循环操作系统进行特殊设计. 首先 , 为提高 进料速率 , 可对固体颗粒进行预加速 , 使颗粒以较 高的速度进入下行床以达到高的循环率操作 , 为此 在分离器固体颗粒出口到下行床入口之间加一高约 1 m 的预加速段 , 在分离器气体出口加一调节阀 , 以维持分离器内一定的压力 , 促使颗粒以较高速度 进入加速段. 其次 , 保持下行床内较低的表观气 速 , 与颗粒进入下行床的速度相近 , 缩短颗粒的加 速过程 , 使颗粒尽快进入恒速段. 此外 , 在下行床 的出口采用缩口 , 使气固流出时受到一定的限制. 具体的实验装置如图 1 所示 , 从压缩机出来的空气 经缓冲罐再经流量计进入提升管 , 物料经过一阀门 进入提升管底部 , 气固在顶部经过一分离器进行初 步分离 , 颗粒顺流向下进入预加速段 , 气体再经过 旋风分离器到布袋除尘器而排空. 经过加速的颗粒 与下行气体在混合之后进入下行床 , 气固从下行床 出来后经气固分离器 , 气体再通过旋风分离以及布 袋过滤通过流量计后排空. 下行床直径为 80 mm , 高 51 6 m , 提升管直径为 120 mm , 高为 12 m. 实 验所选用的物料性质如表 1.
下行床内局部颗粒浓度采用中国科学院过程工 程研究所研制的 PC24 型光导纤维浓度测试仪测 量 , 其基本工作原理为 : 发光二极管出来的光分为 两束 , 一束测量床中的颗粒浓度 , 另一束作为参比 光 , 参比光与测量光路返回的反射光共用一个开 关 ; 每次采样前 , 仪器会自动测量一次参比光 , 并 与初始值相比较 , 两者相等时 , 计算机就关闭参比 光而打开反射光采样 ; 当两者不相等时 , 计算机会 自动调整使之与初值相等 , 再打开反射光进行采 样 , 这样减小外界环境对采样的影响 , 使测量值更 具有可比性. 下行床内表观气速采用流量计测量下 部气固分离器出来的气体流量而得到 ; 而随颗粒携 带进入料仓的少量气体 , 经计算可忽略. 在下行床 中部 ( H = 3 m) 设置一蝶形阀 (阀上开有小孔 , 气体可通过) , 在实验结束前 , 突然关闭蝶阀 , 测 量堆积到一定高度的物料所需时间 , 从而计算出颗
第 56 卷 第 3 期 2005 年 3 月
化 工 学 报
Vol1 56 No1 3
Journal of Chemical Indust ry and Engineering (China)
March 2005
研究论文
高密度下行床反应器的流体力学特性
度下行床内气固流动特性的研究. 实验结果表明 : 高浓度下颗粒浓度的波动特性与低密度的有所差异. 在低浓
度操作条件下 , 颗粒浓度的概率分布曲线为单峰 , 而在高浓度下 , 概率密度分布曲线近似为水平直线 ; 床层颗
粒浓度随固体颗粒循环流率的增加而提高 , 颗粒直径及密度小的物料容易达到高的床层浓度 , 密度大而流动性