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再生器是催化裂化装置的重要组成部分,而再生器的操作性能与其内部的气固两相流动特性和混合行为密切相关。为了强化气固相接触、提高烧焦效率,可在催化裂化再生器中添加挡板内构件。为了给工业装置中内构件的设计提供理论指导,需深入认识再生器内气固流动特性以及内构件的作用机理。因此本文采用CFD模拟方法对再生器内气固两相流动行为进行了模拟研究,剖析导向挡板的作用机理。
首先,针对FCC颗粒湍动流化床内气固两相流动特点,在双流体模型的基础上,结合颗粒动力学理论,采用分段曳力模型,建立了FCC颗粒湍动流化床内气固两相流动模型。重点考察了颗粒温度计算方法、气固曳力模型和颗粒壁面边界条件对湍动床气固流动模拟的影响。结果表明,采用偏微分方程式计算颗粒温度时,密相床内颗粒体积分数和床层密度低,稀相区内颗粒体积分数和床层密度较高,建议采用偏微分方程方法计算颗粒温度。通过与实验数据的对比,确定采用185μm的颗粒团聚物直径来修正曳力模型,并选定壁面反射系数为0.001。
然后,利用所建立的湍动流化床气固两相流动模型,对挡板床内气固流动行为进行模拟研究,考察了挡板壁面处于无滑移和部分滑移两种情况下挡板床内气固流动特性。结果表明,导向挡板的加入对湍动床内气固两相流动行为具有很大的影响,导向挡板的加入改善了湍动流化床内的流化质量,有效抑制颗粒的返混。挡板壁面性质也对挡板床内气固两相流动有较大的影响,挡板壁面采用部分滑移条件时,稀密两相床层密度和稀相床内颗粒数量均大于挡板壁面无滑移的模拟结果,密相床内穿过导向挡板向上和向下运动的颗粒数量均增加。挡板壁面的光滑程度对挡板在流化床中的作用有一定的影响。
最后,考察了颗粒相壁面边界条件和气固曳力模型对工业催化裂化再生器模拟的影响。结果表明,壁面边界条件仅对壁面附近较小范围内的气固两相流动有一定影响,对床层内整体流动行为和反应过程影响较小。气固两相间的曳力对再生器内两相流动反应特性有较为显著的影响,再生器内密相床的高度随颗粒团聚物直径的减小而增加,不同的颗粒团聚物直径计算出的催化裂化再生器中气固两相温度分布和组分浓度分布规律一致,但是采用较小的颗粒团聚物直径模拟得到的气固两相温度均高于采用较大的颗粒团聚物直径的结果。