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在依托催化裂化技术开发的清洁汽油生产工艺及其他一些新工艺过程中,存在着催化剂生焦量低,再生放热量不足以维持装置热平衡的问题,直接影响新工艺工业应用的经济性。中国石油大学(北京)提出了“多反应系统高效耦合流化催化反应新技术(MRSTM)”,拟开发出一种组合流化床再生移热器,可使低温的新工艺专用待生催化剂和高温的重油催化裂化再生剂在其中直接混合换热,完成专用催化剂的烧焦反应,再实现两种催化剂的高效分离,从而有效利用重油催化裂化再生过程产生的过剩热量解决新工艺热量不足的问题,能够大幅度减少设备投资。在这种新型组合流化床再生移热器中,须同时完成两种催化剂颗粒的混合、换热、反应以及分离。因此,两种粒径差异较大的双组分颗粒(下称“大差异双组份混合颗粒”)的流化、分级特性对于流化床再生移热器的开发无疑是一个非常关键的问题,因此本文对大差异双组份混合颗粒的流动、混合、分级规律进行了较为系统的研究。 为系统研究大差异双组份混合颗粒的流动及混合规律。采用了三套不同的实验装置,最小流化特性实验装置(φ260mm×2000mm),气体混合特性实验装置(500mm×30mm×6000mm(长×宽×高)),流动和混合规律实验装置(φ500mm×12500mm)。研究过程中采用FXC-Ⅱ/32型压力巡检仪、容积法、取样法等测量技术对大差异双组份混合颗粒的最小流化特性、气体返混特性以及双组份颗粒的流动与混合规律进行了系统地考察,得到了以下的认识: 对大差异双组份混合颗粒的最小流化特性进行了研究。得到了混合颗粒的最小流化特性曲线,由最小流化曲线可知混合颗粒的最小流化过程分为四个阶段:即完全流化、大小颗粒分离、大颗粒静止小颗粒流化、固定床。对应着混合颗粒的三个不同的状态:混合状态、部分混合部分分离、完全分离。并由最小流化曲线获得了双组份混合颗粒的起始流化速度、最小流化速度、完全流化速度、临界分离速度。混合颗粒的起始流化速度基本不随小颗粒表观质量分率的改变而变化,甚至要小于小颗粒的最小流化速度;其他特征速度均随小颗粒表观质量分率的增加而减小,当小颗粒表观质量分率达到0.4～0.5左右时,这种趋势变得不明显。根据这些特征速度得到了大差异双组份混合颗粒体系的流化相图。并且由此确定:为了实现大差异混合颗粒在密相床中的高效分离,气速应取3.3～4.5倍混合颗粒的最小流化速度。 对大差异双组份混合颗粒的流态化特性进行了实验研究,得到了混合颗粒密相区和稀相区的轴向颗粒浓度分布、床膨胀特性和不同操作条件下双组份混合颗粒的夹带速率,并根据稀相区的轴向颗粒浓度获得了双组份混合颗粒的输送分离高度TDH。实验结果表明:混合颗粒密相区的平均空隙率在小颗粒表观质量分率为0.4时存在最小值;双组份混合颗粒的TDH随表观气速和小颗粒质量分率的增加而增大。双组份混合颗粒的饱和夹带速率随表观气速和小颗粒表观质量分率的增加而增加。当表观气速小于0.55m/s时,随表观气速的递增梯度明显而随小颗粒表观质量分率的递增梯度不明显;当表观气速大于0.55m/s时,随表观气速的增加趋势减缓而随小颗粒表观质量分率的递增梯度明显增大。通过对实验结果的分析,得到了双组份混合颗粒基于空隙率的床膨胀系数、TDH以及夹带速率的经验关联式。 对大差异双组份混合颗粒混合/分离特性进行了研究,得到了双组份混合颗粒在不同轴向位置的截面平均颗粒组成分布。在轴向方向上,混合颗粒的组成分布差异明显;根据轴向组成分布获得了混合颗粒的“完全混合高度”和“临界上升高度”,并确定了截面平均颗粒组成的轴向分布、“完全混合高度”以及“临界上升高度”的经验关联式。借助于双组份混合颗粒的混合指数,考察了表观气速、床层高径比、小颗粒表观质量分率对混合指数的影响规律,通过对混合指数的分析,确定了组合再生移热器应采用两段工艺,上段主要完成混合换热,下段在进一步完成混合换热的同时重点完成颗粒分离功能。其中,上段适宜的操作参数为:表观气速ug0.1～0.3m/s,床层高径比Ho/D＞2.4,小颗粒表观质量分率xto0.4～0.6;下段适宜的操作参数则为:表观气速ug大于0.8m/s,床层高径比Ho/D＜2.4,小颗粒表观质量分率xfo0.4～0.6。根据物料平衡,建立了双组份混合颗粒在密相床中的颗粒组分分布模型。 用示踪法对大差异双组份混合颗粒体系中的气体混合特性进行了研究,得到了大差异双组份混合颗粒体系示踪气浓度在轴、径向的分布规律。与单组份颗粒体系流化床中气体混合特性相似,在同一轴向截面上,示踪气在床中心区的浓度低于边壁区的浓度,且随小颗粒表观质量分率的增加,流化床中的示踪气浓度逐渐减小。当小颗粒表观质量分率大于0.4时,流化床中示踪气浓度随小颗粒表观质量分率的变化不明显。借助于扩散混合模型,确定了混合颗粒的轴、径向扩散系数以及Peclet数,并揭示了在整体上,双组份混合颗粒的轴向扩散系数Da,g随小颗粒表观质量分率的增加而增大。当小颗粒表观质量分率大于0.4时,轴向扩散系数Da,g随表观气速的递增呈先增加后减小的趋势,且在表观气速为0.55m/s处达到最大值。而当小颗粒表观质量分率小于0.4时,轴向扩散系数Da,g随表观气速的增加而增大。Peclet数则始终随表观气速的增加而递增。得到了轴向扩散系数Da,g轴向Peclet数Pea以及径向Peclet数Per的经验关联式。