裴華健， 王成秀， 藍(lán)興英， 高金森， 徐春明

(中國石油大學(xué)(北京) 重質(zhì)油國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 102249)

目前，循環(huán)流化床在石油化工、環(huán)保、能源等不同領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，其中，催化裂化(Fluid catalytic cracking, FCC)工藝中的提升管反應(yīng)器是過去的一個(gè)世紀(jì)里應(yīng)用最成功的循環(huán)流化床技術(shù)[1]。眾所周知，提升管反應(yīng)器內(nèi)的氣-固兩相流動(dòng)十分復(fù)雜，提升管內(nèi)氣-固之間的相互作用直接影響了反應(yīng)器的效率。近幾十年，國內(nèi)外研究者采用不同方法系統(tǒng)地研究了提升管反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律，其研究結(jié)果表明，提升管反應(yīng)器內(nèi)不同軸向位置的氣-固流動(dòng)規(guī)律存在較大的差異[2]。現(xiàn)有的研究成果大部分以高度為10 m以下的提升管反應(yīng)器為研究對(duì)象，其顆粒循環(huán)速率在200 kg/(m2·s)以內(nèi)，然而催化裂化工業(yè)裝置的提升管反應(yīng)器高達(dá)15～20 m，而且通常在400～1200 kg/(m2·s)的顆粒循環(huán)速率下運(yùn)行。目前，僅有黃衛(wèi)星和盧春喜等的實(shí)驗(yàn)裝置可以達(dá)到15 m以上，但其顆粒循環(huán)速率均在300 kg/(m2·s)以下，Zhu課題組以及魏飛等[3-6]研究了較大顆粒循環(huán)速率下的氣-固流動(dòng)規(guī)律，但是其采用的實(shí)驗(yàn)裝置高度均在10 m以下，其內(nèi)部的氣-固流動(dòng)很可能沒有得到充分的發(fā)展。

提升管內(nèi)氣-固兩相流動(dòng)特征實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量方法也有多種，其中壓力信號(hào)的獲取易于實(shí)現(xiàn)，且能準(zhǔn)確有效地反映提升管內(nèi)氣-固流動(dòng)特性，因此對(duì)循環(huán)流化床提升管內(nèi)的壓力信號(hào)進(jìn)行分析有利于深入掌握提升管內(nèi)的氣-固流動(dòng)行為、流型轉(zhuǎn)變等特性以及裝置運(yùn)行穩(wěn)定性的監(jiān)測(cè)[7-10]。目前對(duì)壓力信號(hào)的分析主要集中在標(biāo)準(zhǔn)偏差、小波分析等來獲得提升管內(nèi)部非線性信息，在眾多壓力信號(hào)研究方法中，功率譜密度(Power spectral density, PSD)是一種將時(shí)域信息轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域信息的方法，主要應(yīng)用在時(shí)空尺度分布上呈現(xiàn)隨機(jī)性和非均勻性信號(hào)的分析，反映了能量在頻域上的分布情況，從而獲取在原始信號(hào)中體現(xiàn)不出的內(nèi)部信息，目前該方法在提升管的壓力信號(hào)分析中有效可行且應(yīng)用較廣[11-13]。

筆者以18 m工業(yè)高度的提升管反應(yīng)器為研究對(duì)象，采用FCC催化劑顆粒，在表觀氣速為5～9 m/s 范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)600 kg/(m2·s)的顆粒循環(huán)速率的操作工況，基于提升管反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)采集的不同軸向位置的壓力數(shù)據(jù)，應(yīng)用功率譜密度方法分析了提升管內(nèi)的氣-固流動(dòng)特性。本研究所使用的實(shí)驗(yàn)裝置及操作工況均與工業(yè)裝置相當(dāng)，其研究結(jié)果對(duì)深入認(rèn)識(shí)工業(yè)提升管反應(yīng)器內(nèi)的氣-固流動(dòng)規(guī)律和作用機(jī)制具有重要意義，可以為工業(yè)提升管的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和操作等提供重要的理論支撐。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)采用的裝置主要由提升管反應(yīng)器、氣-固分離系統(tǒng)、布袋除塵器、伴床、儲(chǔ)料罐等構(gòu)成，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。其中，提升管高為18 m，內(nèi)徑為80 mm，氣-固分離系統(tǒng)采用三級(jí)旋風(fēng)分離器組合構(gòu)成，內(nèi)徑為450 mm的伴床用以實(shí)現(xiàn)顆粒返料，伴床底部連接有內(nèi)徑為660 mm的顆粒儲(chǔ)料罐，儲(chǔ)存返料回來的顆粒。實(shí)驗(yàn)所用顆粒為FCC催化劑，顆粒密度約為1500 kg/m3，堆積密度970 kg/m3，平均粒徑為85 μm。

圖1 循環(huán)流化床裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of circulating fluidized bed

實(shí)驗(yàn)流化介質(zhì)為壓縮空氣，儲(chǔ)料罐中的顆粒經(jīng)下料斜管進(jìn)入提升管底部，由主風(fēng)攜帶向上運(yùn)動(dòng)，在提升管出口，顆粒和氣體通過3組旋風(fēng)分離器進(jìn)行分離，絕大多數(shù)顆粒都會(huì)通過伴床返回到儲(chǔ)料罐內(nèi)，剩余極少細(xì)小顆粒經(jīng)過布袋除塵器返回儲(chǔ)料罐內(nèi)，氣體則由排氣口排至室外。

1.2 測(cè)量方法

提升管動(dòng)態(tài)壓力數(shù)據(jù)包括壓差數(shù)據(jù)與壓力數(shù)據(jù)，采用壓差傳感器來測(cè)量2個(gè)測(cè)量點(diǎn)之間的壓差，壓力傳感器測(cè)量提升管頂部和底部位置的絕壓。表1是壓差(壓力)傳感器的測(cè)量位置分布，測(cè)量位置是指由壓力測(cè)量點(diǎn)至氣體分布板之間的垂直距離，其中P23、P24為壓力傳感器，其余均為壓差傳感器。

壓差(壓力)傳感器通過數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)相連接，實(shí)驗(yàn)過程中，數(shù)據(jù)采集卡可將壓差(壓力)傳感器測(cè)得的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將其轉(zhuǎn)化為壓差(壓力)信號(hào)進(jìn)行記錄并保存。本實(shí)驗(yàn)壓力信號(hào)采集頻率為2 Hz，采樣時(shí)間為3600 s。

表1 壓差(壓力)傳感器的測(cè)量位置分布Table 1 Location distribution of differential pressure (pressure) sensors

1.3 分析方法

功率譜密度[14]是一種常用的隨機(jī)信號(hào)分析方法，其本質(zhì)是利用自相關(guān)函數(shù)來描述一個(gè)時(shí)刻與另一個(gè)時(shí)刻之間的依賴關(guān)系，再對(duì)自相關(guān)函數(shù)進(jìn)行傅里葉變換，得到功率譜密度FPSD，單位為kPa2/Hz。功率譜密度函數(shù)實(shí)現(xiàn)了壓力信號(hào)的時(shí)間域向頻率域的轉(zhuǎn)換。功率譜圖表示了能量在頻率域上的分布，它能夠反映壓力瞬時(shí)波動(dòng)程度，功率譜振幅越大，能量越大，壓力信號(hào)的波動(dòng)程度就越劇烈。

2 結(jié)果與討論

圖2為提升管軸向高度z=0.78 m處，表觀氣速Ug=5 m/s、顆粒循環(huán)速率Gs=200 kg/(m2·s)工況下的壓力信號(hào)瞬時(shí)波動(dòng)圖。由圖2可見，壓力信號(hào)始終處于動(dòng)態(tài)波動(dòng)，且每一時(shí)刻波動(dòng)程度不同。提升管內(nèi)壓力信號(hào)波動(dòng)的原因主要包括3個(gè)方面：一是提升管內(nèi)的氣-固間相互作用，如顆粒間的碰撞、聚并，氣-固間相互摩擦等行為帶來的壓力波動(dòng)；二是由空氣壓縮機(jī)進(jìn)入提升管內(nèi)的主風(fēng)，其自身帶有的脈動(dòng)特性引起的壓力波動(dòng)；三是實(shí)驗(yàn)裝置的震動(dòng)引起的提升管內(nèi)壓力波動(dòng)。筆者應(yīng)用功率譜密度函數(shù)來分析提升管內(nèi)的壓力信號(hào)波動(dòng)，對(duì)壓力信號(hào)波動(dòng)的原因作進(jìn)一步闡述。

圖2 提升管內(nèi)壓力信號(hào)瞬時(shí)波動(dòng)圖Fig.2 Pressure fluctuation signal in the riser z=0.78 m; Ug=5 m/s; Gs=200 kg/(m2·s)

2.1 壓力信號(hào)功率譜分析

圖3為提升管不同工況的壓力信號(hào)功率譜。由圖3可知，提升管內(nèi)壓力信號(hào)的功率譜圖在不同頻域內(nèi)的振幅大小不同，其中低頻區(qū)域譜圖振幅較高，高頻區(qū)域的譜圖振幅較小。功率譜振幅的大小代表著能量的高低，在圖3中低頻區(qū)域的能量較高，故低頻區(qū)域?qū)μ嵘軆?nèi)的壓力信號(hào)瞬時(shí)波動(dòng)起主導(dǎo)作用。

通過分析提升管內(nèi)壓力波動(dòng)的原因發(fā)現(xiàn)，由于氣體自身的脈動(dòng)及裝置震動(dòng)始終存在，出現(xiàn)頻率高，對(duì)應(yīng)于功率譜圖中高頻區(qū)域的能量；而顆粒行為相對(duì)于氣體脈動(dòng)及裝置震動(dòng)屬于低頻現(xiàn)象，所以譜圖中的低頻區(qū)域應(yīng)是由于氣-固間相互作用及顆粒間的碰撞、聚并等行為造成的，即氣-固間的相互作用是引起提升管內(nèi)壓力瞬時(shí)波動(dòng)的主要原因。

2.2 影響因素

2.2.1 顆粒循環(huán)速率

圖4為提升管高度z=4.06 m處，表觀氣速Ug=7 m/s、顆粒循環(huán)速率分別為200 kg/(m2·s)、300 kg/(m2·s)、500 kg/(m2·s)工況下的壓力信號(hào)功率譜。由圖4可見，功率譜振幅隨著顆粒循環(huán)速率的增大而增大，其中在低頻區(qū)域的漲幅比高頻區(qū)域更加明顯。譜振幅的增大，表明提升管內(nèi)壓力瞬時(shí)波動(dòng)程度加強(qiáng)。這是因?yàn)楫?dāng)表觀氣速一定時(shí)，隨著顆粒循環(huán)速率的增大，提升管內(nèi)顆粒濃度增大，使氣-固兩相間的相互接觸及顆粒間的碰撞、聚并等行為增加，從而造成功率譜圖低頻區(qū)域的振幅增大，壓力瞬時(shí)波動(dòng)程度越大。同時(shí)，顆粒濃度增大后，裝置震動(dòng)必然加強(qiáng)，氣體的流動(dòng)也會(huì)受到干擾，脈動(dòng)增強(qiáng)，所以在高頻區(qū)域的譜振幅也會(huì)有所增加，但是相對(duì)于由氣-固間相互作用造成的低頻振幅的變化幅度要小得多。

圖3 提升管內(nèi)壓力信號(hào)功率譜Fig.3 Power spectrum of pressure signal in the riser Ug=7 m/s; z=4.06m Gs/(kg·m-2·s-1):(a) 300; (b) 500

圖4 壓力信號(hào)功率譜隨顆粒循環(huán)速率變化圖Fig.4 Power spectrum of pressure signal under different solids circulating rates Ug=7 m/s; z=4.06 m

2.2.2 提升管軸向位置

圖5為表觀氣速Ug=5 m/s、顆粒循環(huán)速率Gs=200 kg/(m2·s)工況下，不同提升管高度處的功率譜圖。由圖5可知，在提升管不同軸向位置處其功率譜振幅差異很大，即提升管的軸向高度對(duì)壓力信號(hào)的波動(dòng)程度有明顯影響。其中，在提升管底部z=0.78 m處，功率譜振幅較大。這是由于在提升管底部區(qū)域顆粒濃度大，氣-固兩相在此區(qū)域的運(yùn)動(dòng)較為混亂，氣-固接觸、顆粒碰撞等行為發(fā)生頻次較高，使得該區(qū)域的壓力波動(dòng)程度較強(qiáng)，且受到入口結(jié)構(gòu)和氣體分布器結(jié)構(gòu)的影響，該區(qū)域的裝置震動(dòng)也相對(duì)劇烈，使高頻區(qū)域的振幅也較大。隨著提升管軸向位置向上，功率譜振幅逐漸減小，在提升管頂部z=16.46 m處，功率譜振幅很小，且在不同頻域上沒有明顯差異，低頻高能、高頻低能的現(xiàn)象基本消失。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是提升管頂部顆粒已達(dá)到充分發(fā)展，顆粒濃度很稀，氣-固相對(duì)均勻地向上運(yùn)動(dòng)，氣-固間的相互作用處于穩(wěn)定狀態(tài)，顆粒間的碰撞、團(tuán)聚等行為頻次較底部更低，使該區(qū)域的壓力波動(dòng)程度很小。

圖5 壓力信號(hào)功率譜隨提升管軸向位置變化圖Fig.5 Axial distribution of power spectrum of pressure signal in riser Ug=5 m/s; Gs=200 kg/(m2·s)

2.3 功率譜中主峰分析

在功率譜圖中會(huì)出現(xiàn)1個(gè)最高的主峰，與之對(duì)應(yīng)的頻率稱為主頻。主峰是造成提升管內(nèi)壓力信號(hào)瞬時(shí)波動(dòng)的主要因素，主峰振幅的大小反映的是對(duì)壓力波動(dòng)強(qiáng)度的影響程度，主頻反映的是壓力波動(dòng)控制因素的產(chǎn)生頻次。因此，有必要對(duì)功率譜中主峰做進(jìn)一步分析。首先，為了便于比較，將功率譜中的振幅進(jìn)行量化換算[15]，通過式(1)得到換算后的主峰振幅Ap，單位為dB。

AP=10×lg(FPSD×1000)

(1)

對(duì)于主峰振幅Ap，分析其隨顆粒循環(huán)速率、提升管軸向位置的變化關(guān)系。

圖6 Ap隨顆粒循環(huán)速率、提升管軸向位置的變化Fig.6 Variation of main amplitude under different solid circulating rates and axial positions Ug=9 m/s z/m: (1) 0.78; (2) 3.06; (3) 8.06; (4) 13.06; (5) 16.46

圖6為提升管不同軸向位置處，主峰振幅Ap隨顆粒循環(huán)速率Gs的變化情況。由圖6可見，Ap的值隨著顆粒循環(huán)速率的增大逐漸增大；隨著提升管軸向位置的升高，Ap的值隨之降低。這也驗(yàn)證了隨著顆粒循環(huán)速率的增大，提升管內(nèi)顆粒濃度增大，顆粒行為對(duì)壓力瞬時(shí)波動(dòng)提供的能量多，振幅也呈上升趨勢(shì)。此外，在提升管中間發(fā)展區(qū)域(z為3.06～13.06 m)主峰振幅Ap隨顆粒循環(huán)速率基本呈現(xiàn)線性變化，線性關(guān)系如表2所示，由表2中關(guān)系式進(jìn)一步定量地看出主峰振幅Ap的值隨著顆粒循環(huán)速率的增大逐漸增大。

表2 主峰振幅Ap與顆粒循環(huán)速率Gs的線性關(guān)系Table 2 Linear relationship between main amplitudes and solid circulating rates

提升管底部和頂部處由于受到出入口結(jié)構(gòu)的影響，Ap隨顆粒循環(huán)速率的線性關(guān)系不夠明顯；同時(shí)，底部區(qū)域顆粒處于加速狀態(tài)，運(yùn)動(dòng)相對(duì)復(fù)雜，引發(fā)的顆粒行為較多，所以底部振幅大，而隨著提升管軸向位置的升高，顆粒逐漸進(jìn)入充分發(fā)展段，氣-固流動(dòng)趨于均勻，對(duì)壓力瞬時(shí)波動(dòng)的影響小，所以振幅Ap呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。通過對(duì)功率譜主峰振幅Ap的分析，更有利于了解提升管內(nèi)壓力信號(hào)波動(dòng)的原因及影響因素。

3 結(jié) 論

應(yīng)用功率譜密度分析提升管內(nèi)的壓力信號(hào)，更深入地認(rèn)識(shí)提升管內(nèi)氣-固兩相間的相互作用程度。研究結(jié)果表明，通過功率譜圖中不同頻域的能量強(qiáng)弱可以初步確定提升管內(nèi)的壓力信號(hào)波動(dòng)受氣-固間相互作用例如氣-固摩擦及顆粒碰撞、聚并等行為的影響。同時(shí)，不同操作工況下分析得到的功率譜有所不同，功率譜振幅隨著顆粒循環(huán)速率的增大而增大，說明提升管內(nèi)的顆粒濃度增大引起氣-固間相互作用加強(qiáng)，壓力信號(hào)波動(dòng)增大；隨提升管軸向位置的升高逐漸減小，且在提升管頂部處不同頻域的能量分布變得更為均勻，說明在提升管底部區(qū)域氣-固流動(dòng)相對(duì)復(fù)雜，氣-固間的作用程度較強(qiáng)，壓力信號(hào)波動(dòng)較大，而在充分發(fā)展區(qū)域氣-固均勻流動(dòng)，其相互作用也處于穩(wěn)定狀態(tài)，壓力信號(hào)波動(dòng)較小。此外，功率譜中主峰振幅的大小反映的是氣-固間相互作用對(duì)提升管內(nèi)壓力波動(dòng)的影響程度，主峰振幅大小隨著顆粒循環(huán)速率的增大而增大，且在充分發(fā)展區(qū)域呈現(xiàn)出線性增大的趨勢(shì)，同時(shí)隨著提升管軸向位置的升高而減小，進(jìn)一步說明在不同操作工況及提升管不同軸向位置處氣-固間相互作用對(duì)壓力信號(hào)波動(dòng)的影響程度不同。

致謝:中國石油大學(xué)(北京)化工學(xué)院趙亮教授、魏強(qiáng)副教授及鄧春副教授對(duì)本實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行提供了幫助，實(shí)驗(yàn)過程中得到了蘇鑫、毛曉陽和李婧雅等同學(xué)的協(xié)助，在此表示衷心的感謝。