多产低碳烯烃变径提升管数值模拟研究

论文摘要

气固两相流态化渗透在石化、能源、冶金等各个领域,提升管工艺在石油加工中应用尤其广泛。对于多产低碳烯烃的过程,传统的提升管反应器很难同时满足大剂油比、适宜接触时间的目的,而变径提升管则可以较好地实现这两大目标。本文应用计算流体力学（CFD）商业软件,对重质油加工国家重点实验室内3m高的变径提升管冷模装置进行了数值模拟,摸索到一套能够描述该系统气固两相流动的计算模型及相关设置。此外,本文还对大庆炼化公司多产低碳烯烃工业装置内的气固两相的流动行为进行了模拟计算,给出气固两相在提升管内的分布状况,并依据计算的结果对比了不同结构对装置操作造成的影响。由冷模实验测得的固含率可知,提升管变径段内颗粒浓度非常高,团聚现象非常明显,在数值模拟中需要考虑这种团聚作用的影响,杨宁根据能量最小多尺度模型得到的曳力系数简化公式可以描述颗粒团聚的影响;对于固相采用颗粒动理学理论进行封闭,固相进口采用“进口固体通量=出口固体通量”的UDF设置,颗粒碰撞恢复系数取0.85。将模拟结果与相同工况下的实验值进行对比发现,除了轴线上一些位置存在较大的偏差外,其他位置尤其是在提升管边壁处吻合得较好,并且三维网格的计算结果比二维计算结果更准确。本文认为二维计算误差较大的原因主要在网格划分上,由于二维模型中的变径段面积扩大不够明显,导致轴线处气体速度偏大,因而固含率降低。大庆炼化两段提升管多产低碳烯烃（TMP）装置也采用变径提升管技术,并进行了部分装置的改造。本文着重对改造前后的装置的变径段部分进行气固两相流动模拟,同时对相同管径的传统提升管内气固流动状况进行了计算。通过计算结果的对比可以发现,改造后提升管内轴向上的催化剂分布比传统提升管要好,在主要反应区催化剂浓度高;径向上催化剂分布也比较均匀,环-核结构得到一定的弱化;有效避免了催化剂的高速碰撞,因而减小了催化剂磨损的量;催化剂的返混现象减小,可以减小催化剂的结焦,提高产品的结构;同时,变径段以上气固速度急剧增大,可以减少二次反应的发生。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 提升管及变径提升管的应用及其发展
• 1.2 提升管反应器气固两相流动的数值模拟
• 1.2.1 双流体模型
• 1.2.2 颗粒群轨道模型
• 1.3 课题的提出和意义
• 1.4 本文的工作和主要内容
• 第二章 小型变径提升管的数值模拟
• 2.1 气固两相流模型设置
• 2.1.1 两相流动基本控制方程
• 2.1.2 颗粒动理学相关模型及曳力模型
• 2.1.3 网格划分
• 2.1.4 设置模型参数及边界条件
• 2.2 不同曳力系数的影响
• 2.3 不同气速的影响
• 2.4 不同出口约束条件的影响
• 2.5 不同固体进料方式的影响
• 2.5.1 单进口单出口网格计算
• 2.5.2 两进口两出口网格计算
• 2.6 不同颗粒碰撞恢复系数e 的影响
• 2.7 不同颗粒温度表达式的影响
• 2.8 其他工况的计算
• 2.9 三维模型的计算
• 2.10 本章小结
• 第三章 工业化变径提升管的计算及不同结构造成的影响
• 3.1 计算设置
• 3.2 计算结果
• 3.2.1 轴向上时间平均固含率的对比
• 3.2.2 不同位置截面上固含率的对比
• 3.3 小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢