提升管反应器是催化裂化装置的关键设备，其内部流动表现出环-核特征：气固两相速度与颗粒浓度径向分布的不均匀性。这一特点造成催化裂化过程中裂化过度、结炭量增加，制约了轻油收率的进一步提高^[1]。改善这一问题的关键在于控制与优化提升管反应器的反应时间。在时间控制上，保证反应器中气体和固体反应历程相同是主要目标，而环-核结构是主要障碍^[2-7]。为削弱提升管反应器内气固流动的环-核特征，改善两相速度及固相浓度的径向分布，对添加环形挡板的提升管进行计算，分析提升管反应器内流场与浓度场的分布，寻求削弱提升管反应器内环-核流动特征、优化反应时间的方法。

1.   提升管反应器物理模型

在催化裂化提升管反应器中进行着原料液雾的气化、气固两相湍流流动、传热、传质、裂化反应等复杂过程^{[1, 8]}。以下仅对提升管反应器内的气固两相流动进行研究。采用空气为气相，固相密度为1 600 kg/m³，颗粒直径为0.07 mm。

1.1   模型假设

在循环床提升管操作的大部分条件下，流动的雷诺数均较高，属于湍流流动。在气固悬浮流动过程中，气固之间存在复杂的湍动作用，为增强计算的收敛性，做如下假设^[9]：

① 空间各处各颗粒相与流体共存，相互渗透，各相具有不同的群体速度、温度和体积分数。②颗粒相在空间中有连续的速度、温度及体积分数分布。③颗粒相与流体间除了时均运动相互作用外，还有湍流的相互作用以及自身的湍流对流、扩散、产生与消亡等，因而具有其自身的湍流输运特性，同时具有由于颗粒与颗粒间碰撞而引起的颗粒粘性、扩散与导热等输运特性。④忽略颗粒所受的浮力、附加质量力、Basset力、Magnus力、Saffman力、热泳力、压降梯度力，仅考虑颗粒在流场中所受的阻力和重力，认为颗粒群由同样质量和大小的颗粒组成。⑤湍流假定为各向同性，颗粒与颗粒之间的碰撞是造成颗粒间聚集和解体的主要原因。颗粒对气相湍流的影响主要表现为造成其湍动能的变化。

1.2   控制方程组

基于以上假设，采用欧拉算法的两相流模型进行模拟。气固两相流动的时均方程组如下^{[2, 9]}：

气相连续性方程：

颗粒相数密度连续性方程：

颗粒相似密度连续性方程：

气相动量方程：

颗粒相动量方程：

方程中未知，需通过湍流两相流模型封闭。

式中：t为时间，s；ε_g为气相湍动能耗散率，m²/s³；ρ_g为气相密度，kg/m³；v_i、v_j分别为气相的径向和轴向速度，m/s；v_pi、v_pj分别为颗粒相的径向速度和轴向速度，m/s；n_p为催化剂颗粒数密度，kg/m³；ρ_p为催化剂颗粒材料密度，kg/m³；v_i为气相的径向速度，m/s；p为静压，Pa；μ为动力粘性系数，kg/(m·s)；g为重力加速度，m/s²；τ_rp为颗粒相运动松弛时间，s；ε_p为颗粒相湍动能耗散率，m²/s³；τ_ij为颗粒相所受剪切力，Pa。

1.3   提升管反应器的分类

对3种添加不同形式环形挡板的提升管进行了分析计算(图 1，其中L₁=1 cm，L₂=2 cm，d为环形挡板的径向宽度，y为环挡板到提升管下部参考面的高度)。根据d和y的不同，将提升管分成3类（表 1）。

图  1  提升管反应器环挡板结构示意图

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表  1  提升管反应器的分类

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1.4   算法控制与边界条件的设置

基于上述控制方程，在Fluent中采用Eularian两相流模型，气相为初始相，颗粒相为第二相，固相入口处颗粒体积分数为55%，湍流模型采用k-epsilon(2eqn)，算法采用耦合SIMPLE算法和一阶迎风格式离散^[10-11]。松弛因子设置为0.2，增强模型的收敛性。

采用瞬态求解器，时间步长设置为0.002 s，时间步数为10 000，即20 s的流动时间，打开时均选项，进行迭代计算。

2.   计算结果

2.1   传统提升管反应器内流动特征

根据传统提升管不同截面上的气相速度分布情况(图 2，其中r/R为截面点距管壁的距离与提升管半径的比值)可知，在同一截面上，气体的速度分布有很大差异，呈现出明显的环-核流动特征，即中心部位速度大，靠近壁面区域速度小，整体呈抛物线状分布；随着在提升管反应器内的高度上升，抛物线趋于平缓，同一截面上的速度差异减小；靠近壁面区域，出现了速度小于0的现象，即返混现象，在y=5 m的截面上表现最为明显。无论是环-核特征还是返混现象，都不利于控制反应时间。

图  2  传统提升管反应器内气相速度分布

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根据颗粒相速度与气相速度在截面y=4 m上的对比结果（图 3），由于气固两相的湍动作用，中心区域两者的速度相差不大，靠近边壁的区域则存在较为明显的催化剂滑落现象，并存在一定程度的返混现象。根据提升管反应器内颗粒相的体积分数分布（图 4），在低截面，中心颗粒浓度显著低于边壁，形成所谓的环-核流动结构，即在提升管反应器中心的催化剂颗粒浓度低，而在边壁处，颗粒浓度高；随着截面升高，由于气固湍动的不断加强，颗粒浓度的环-核特征减弱，浓度分布趋于均匀。

图  3  传统提升管反应器相同截面气固两相速度对比曲线

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图  4  传统提升管反应器内颗粒相体积分数分布

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计算结果表明：气固两相的速度分布与固相浓度的分布都呈现出明显的环-核特征，并且边壁处存在一定程度的返混，这与提升管反应器内实际的流动状况非常接近^[2]，从而说明气固两相湍流流动模型对气固两相湍流机制和相互影响的模化是准确的，具有很好的预测性。

2.2   不同结构计算结果的对比

由图 3中气固两相速度的对比可知，经气固两相的充分湍动后，颗粒相速度分布与气相速度分布相似度极高，故在此仅对气相速度进行分析。根据不同形式提升管内y=3 m截面上气相速度的分布（图 5），对比传统提升管反应器，添加环挡板的3种提升管内的环-核流动特征均有不同程度的减弱，呈现出比较缓和的抛物分布，更加接近平推流动。但结构2和结构3均出现明显的负速度，并且在环挡板部位出现明显的涡流现象（图 6、图 7）。

图  5  不同提升管反应器内气相速度对比曲线

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图  6  壁面附近的回流

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图  7  提升管反应器环挡板附近的涡流

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根据颗粒相浓度的对比结果（图 8），3种添加环挡板的提升管反应器内颗粒相浓度分布均优于传统提升管。结构1为平缓的抛物型分布，结构2和结构3在半径较小部位呈现出较大的浓度梯度，靠近中心部位变化平缓。3种结构均削弱了浓度分布的环-核特征。

图  8  不同结构提升管反应器内颗粒相浓度对比

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祝京旭等^[12]研究了不同边界条件、不同开环比例的环挡板式提升管内的轴向压力分布、浓度分布。其中，开环比例为环挡板处横截面面积与提升管其他部位的横截面面积之比。根据颗粒流量为160 kg/（m²·s）、初始气速为6 m/s时2 m处的高度截面上固体颗粒浓度随气相速度的变化情况（图 9a），颗粒相浓度随着气相速度的增大而逐渐减小，即存在边壁浓度大、中心浓度小的特征。根据结构1、结构2、结构3三种不同结构提升管反应器同一截面上颗粒相浓度随气相速度的变化情况（图 9b），由于初始条件不同，实验值与模拟值有明显的差异，但颗粒相浓度的变化趋势与实验值相似程度较高，验证了模拟结果的正确性。

图  9  环挡板提升管反应器内气固两相流动模拟结果

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3.   结论

在提升管内添加环挡板能够改变提升管内的流动状况。在所计算的3种结构中，结构2和结构3虽然能够达到径向速度和浓度较为缓和的分布状况，但另一方面，环挡板的设置加剧了边壁处的返混现象，并在挡板部位出现涡流现象，不利于反应时间的控制；结构1则能够在没有加剧气固轴向返混的前提下，改善流动的环核特征。可以预测，通过合理设定环挡板的结构和位置分布，能够改善气固两相的流动状态，以接近和达到主体段的平推流状态，使控制和优化反应时间成为可能。