重油催化裂化提升管反应器的介尺度结构及其影响

Fluidized catalytic cracking (FCC) is a critical approach to convert heavy oil into light products, and the riser reactor is the key part of FCC unit. The meso-scale structure is the typical flow characterization in the riser reactor, which leads to the heterogeneous spatio-temporal distribution of all the parameters of oil gas and catalyst particles. The numerical simulations were applied to predict the flow, heat/mass transfer, and reaction behavior in the riser reactor. However, most of these simulations were based on the conventional two-fluid model which was mainly resolved by the average method, and did not consider the meso-scale structure and its effects, thereby leading to the deviation of predicted results with actual data. Therefore, the present work will focus on the investigation on the meso-scale structure and its effects on heat transfer, mass transfer and chemical reaction in the riser reactor, and then develop a combined flow-transfer-reaction model involving the meso-scale structure, to accurately predict the reaction process in the riser, which is significantly useful for the efficient regulation and scale-up of FCC riser reactor.

催化裂化是重油轻质化的重要手段，而提升管反应器是催化裂化装置的核心部分。提升管反应器中存在复杂的介尺度流动结构，使得反应油气和催化剂颗粒的各参数都呈现时空非均匀分布。研究者们采用模拟计算方法来预测提升管反应器内流动、传递和反应行为，但是大部分模拟方法是基于传统的平均化处理方式的双流体模型，未考虑到体系中的介尺度结构及其影响，导致模拟与实际情况存在偏差。为此，本研究充分考虑介尺度结构动态变化及其对传递和反应行为的影响，建立基于介尺度结构的提升管反应器流动-传递-反应综合数值模拟方法，准确预测提升管反应器的反应历程，为提升管反应器的有效调控和放大提供理论依据。

催化裂化是重油轻质化的重要手段，而提升管反应器是催化裂化装置的核心部分。在提升管反应器局部区域分散单颗粒会形成浓度较高、不断聚合和解体的颗粒聚团，使得反应油气和催化剂颗粒的各参数呈现时空非均匀分布，这些不同形态的颗粒聚团就是提升管内存在的介尺度结构。研究者们采用数值模拟方法来预测提升管反应器内流动、传递和反应行为，但是大部分模拟方法是基于传统的平均化处理方式的双流体模型，未考虑到反应器内存在的颗粒聚团介尺度结构及其影响，导致模拟与实际情况存在偏差。为此，本项目开展介尺度结构特性及其与传递反应耦合规律的研究。. 首先采用CFD-DEM方法对提升管内气固两相流动进行模拟，基于模拟结果建立颗粒聚团的定量描述方法，深入分析介尺度结构的结构特征和运动特性。然后，采用数值模拟方法研究了不同构型的介尺度结构在不同操作条件下对气固流动和传递行为的影响，同时还研究了油气在不同构型介尺度结构中的反应状况，剖析了介尺度结构对油气反应速率的影响规律，建立了基于介尺度结构的反应速率模型。综合上述研究结果，在双流体模型框架基础上，耦合考虑颗粒聚团影响的EMMS曳力模型和上述建立的反应速率模型，建立了基于介尺度结构的提升管反应器流动-传递-反应综合数学模型，以一套中试装置实验数据检验所建立的综合模型的合理性。最后，将该模型用于工业提升管反应器的模拟计算，揭示介尺度结构对提升管反应器反应历程的影响规律。. 通过该项目的研究，在理论上深化了多相流反应工程中关于介尺度结构特性及其与传递反应耦合规律等基础理论的认识，而且所建立的模型和方法可以拓展应用到其它多相流动体系；在技术上，所建立的基于介尺度结构的提升管反应器流动-传递-反应综合数值模拟方法，可准确预测提升管反应器中的流动、传递和反应行为，为工业催化裂化反应过程的有效调控提供指导。