多股受限射流体系流动、传递及反应协同强化研究

In the energy utilization processes such as petrochemical engineering, coal chemical industry and thermal power production, the reaction-transfer process between multiple confined jets and multiphase flow is a common phenomenon. The contact and mixing of high speed jets with multiphase flow in the process equipment will directly affect the efficiencies of mass transfer, heat transfer and reaction. In order to solve the mismatching between transfer process and reaction environment in the multiple confined jets-multiphase flow system, the countercurrent feed injection flow structure is proposed. By this way, the jet secondary flow is expected to be controlled and utilized efficiently. In order to obtain the coupling characteristics of transfer with reaction and the interaction mechanism of multi jets in the feed injection zone, dynamic characteristics of transfer process are investigated. It is anticipated to obtain the multi-phase flow model and the mass transfer model. Based on the kinetic characteristic, it is anticipated to get the interactions among multiphase flow, gas-sloid mass transfer and cracking reaction. Furthermore, it is anticipated to establish the synergy mechanism of flow, transfer and reaction in the multiple confined jets system. Then the integrated mathematical model and the scale-up rules in feed injection zone can be obtained. Finally, it is anticipated to construct the countercurrent contact riser feed injection technology, which is expected to promote to the optimization design and operation of multiple confined jets-multiphase flow reactor.

受限射流体系作为一种高效的进料反应区结构广泛应用于石油化工、煤化工、火力发电等能源领域，其进料形成的高速射流与固体颗粒和提升介质构成的多相流股间的接触和混合效果直接影响传质、传热及反应效率。针对该体系射流与多相流混合不佳、传递与反应动力学环境不匹配等关键技术难题，从实现多股受限射流-三维多相混合流场的有效调控理念出发，构建射流-多相流逆向接触流场结构，从根本上对射流“二次流”进行有效控制和利用。围绕提升管射流影响区传递与反应耦合协同特性以及受限射流-多相流交互作用机制，通过实验和理论分析获得各流动参数的动态特征，建立该区域复杂流场的多相流动模型和传质模型；结合反应动力学特征，揭示流动、传递与反应的非线性耦合规律；建立受限射流体系流动、传递与反应间的调控理论和方法，获得新型进料结构的普适性模型和放大规律，形成油剂逆流接触提升管进料新技术，为多股受限射流-多相流反应过程设备的优化设计提供参考。

受限射流体系作为一种高效的进料反应区结构广泛应用于石油化工、煤化工、火力发电等能源领域，其进料形成的高速射流与固体颗粒和提升介质构成的多相流股间的接触和混合效果直接影响传质、传热及反应效率。针对该体系射流与多相流混合不佳、传递与反应动力学环境不匹配等关键技术难题，采用大型冷模实验与数值模拟和理论分析相结合的方法，获得了射流-多相流耦合流场内的气固流动行为和动态混合特征，并建立流动-反应间的关联。利用信号解耦等处理技术和理论，提出高速射流与多相流动态混合过程中颗粒聚团的识别方法，获得了射流角度、速度等参数对聚团特征参数的影响，对射流-多相流耦合体系内复杂多相流场的介尺度结构特征形成突破性认识。利用气体示踪技术，建立了描述射流与多相流混合区内反应特征的多级串联全混流模型，以此为基础获得流动-反应间的关联，并建立了射流影响区高度的确定方法。结合提升管内总压降及预提升段、进料混合、充分发展段压降的动态数据，获得了斜向上射流和斜向下射流存在时提升管内各区域的压降特征，建立了油剂并流和逆流接触两种形式提升管内的压降模型，可供工程设计参考。基于上述理论分析，提出促进射流与多相流混合的高速射流-多相流逆向流场混合强化技术，大型冷模实验和数值模拟计算结果表明，逆向流场新型进料混合结构可以显著改善进料混合区内的油、剂匹配，促进油、剂间的混合及反应，提高反应效率。逆向流场提升管进料强化技术已成功应用于2.5万吨/年吡啶碱合成装置的提升管反应器，取得良好效果。综合大型冷模实验、理论分析及工业应用结果可得，所提出的高速射流-多相流逆向流场混合强化技术适用于化工及能源生产领域的多种反应过程，是从装备优化角度实现化工过程强化的有效手段。分析结果表明，将该技术用于催化裂化提升管反应器，可以显著减少进料混合区内的结焦，预计可提高轻油收率1~2个百分点。