结构化填料设计对流化床脱烃塔放大过程中气固流动及气泡动力学的影响

《Powder Technology》：Influence of structured packing design on gas–solid flow and bubble dynamics in fluidized bed stripper scale-up

流化催化裂化（FCC）stripper中采用KFBE结构 packing可显著改善气泡破碎效果和气固接触效率。通过CFD模拟系统研究不同内构件尺寸、反应器直径及表面气速的影响，发现当内构件尺寸放大系数小于2时，气泡直径可控制在5cm以下，且分布均匀性保持稳定。实验与模拟验证表明，该结构在规模化应用中仍能有效抑制气泡合并，维持低床密度波动（<5%）和短气体相停留时间（163.2秒）。研究结果为工业stripper设计提供理论依据，建议内构件放大系数不超过2，最佳表面气速范围为0.1-0.4m/s。

　　在炼油工业中，流化催化裂化（FCC）技术是将重质油转化为轻质产品的重要工艺之一。FCC反应器中，油气体与催化剂颗粒发生接触，将大分子的碳氢化合物裂解为更小的分子。裂解后的部分碳氢化合物可能残留在催化剂的孔隙中或吸附在催化剂颗粒之间，导致产品收率下降，并增加再生器的焦炭负荷，从而提高二氧化碳（CO?）排放。为了提高FCC系统的效率，有必要对裂解后的碳氢化合物进行有效回收，这一过程通常由“汽提器”（stripper）完成。汽提器通过引入蒸汽，将残留在催化剂中的碳氢化合物和焦炭重新释放，以减少排放并提高产品收率。

汽提器的运行通常采用气固流化床的形式，其中催化剂颗粒在重力作用下从顶部进入汽提器，而蒸汽则从底部的分布环引入，形成气固逆向流动。这种逆向流动有助于提高汽提效率，但同时也伴随着气泡的形成和聚集，这对汽提过程产生负面影响。较大的气泡不仅减少了有效气固接触面积，还可能将催化剂颗粒向上带起，造成流体回混，影响整体效率。因此，如何有效控制气泡的大小和分布，是提升汽提器性能的关键。

在工业实践中，汽提器的内部结构设计对于气固流动行为和气泡特性具有显著影响。常见的内部结构包括盘环挡板、带有分流管的盘环挡板、格栅和结构化填料等。其中，结构化填料因其复杂的几何设计，能够有效破碎气泡并减少回混，从而提升汽提效率。结构化填料的使用还能够改善气固流场的均匀性，减少气泡在汽提器中心区域的聚集现象，使气固接触更加充分。然而，目前对于结构化填料在扩大规模过程中的性能研究仍显不足，尤其是在实际工业应用中的可扩展性和操作灵活性方面缺乏系统的理论指导。

本研究以一种结构化填料（KFBE）为基础，参考Koch-Glitch公司的专利设计，重点探讨其在汽提器中对气固流动行为和气泡特性的影响。通过系统分析填料尺寸、汽提器直径以及蒸汽表观速度等因素，研究了它们对气固流场和气泡分布的调控作用。研究结果表明，当内部组件的尺寸放大至原尺寸的两倍以内时，汽提器中的气泡直径仍可控制在5厘米以下，这表明填料结构在扩大规模时仍能保持良好的气泡破碎效果。同时，随着汽提器直径的增加，气固持留量、气泡分布以及气相停留时间的分布模式基本保持不变，说明该填料结构具有良好的适用性和扩展性。此外，即使在蒸汽表观速度升高时，气泡直径仍能保持在5厘米以下，表明该结构在抑制气泡聚并方面具有较强的性能。

本研究采用计算流体力学（CFD）方法，对汽提器内部的气固流动行为和气泡动态进行了系统分析。CFD模型基于两相流模型，并结合改进的Gidaspow阻力模型，以更准确地模拟气固相互作用。实验结果表明，该模型能够有效捕捉气固流动场和气泡行为，为实际工业应用提供可靠的理论依据。研究中还探讨了不同尺寸的结构化填料对气固流动的影响。结果显示，填料尺寸的增加会降低其对气泡的破碎能力，导致气泡尺寸增大，甚至出现超过10厘米的大气泡。这表明，在扩大汽提器规模时，填料尺寸应受到严格限制，以确保其性能不受影响。

同时，研究还发现，随着汽提器直径的增加，气固流场的分布模式和气泡特性保持相对稳定，说明该结构具有良好的适应性。在不同蒸汽表观速度下，气固停留时间的分布变化较小，且填料能够有效维持气固接触的均匀性。这表明，结构化填料不仅适用于不同规模的汽提器，还能够适应不同操作条件下的气固流动行为，从而提升整体汽提效率。通过本研究的系统分析，为结构化填料在工业汽提器中的应用提供了重要的理论支持和优化依据。

在实际工业应用中，提升汽提器的效率不仅有助于提高FCC产品的收率，还能减少再生器中的焦炭负荷，从而降低CO?排放。然而，随着FCC原料中重质馏分比例的增加，碳氢化合物更容易滞留在催化剂孔隙中，使得汽提难度加大。因此，开发能够有效破碎气泡、抑制气泡聚并的结构化填料，是应对这一挑战的重要手段。本研究的结果表明，结构化填料能够在保持气泡尺寸较小的前提下，有效提升气固接触效率，并实现更均匀的气固分布，从而优化汽提过程。

此外，研究还指出，汽提器内部结构的设计不仅影响气固流动行为，还决定了其在不同操作条件下的适应能力。填料尺寸的扩大可能导致气泡尺寸增加，进而影响汽提效率。因此，在设计和优化汽提器时，必须综合考虑填料尺寸、汽提器直径以及蒸汽表观速度等因素，以确保其在扩大规模时仍能维持良好的性能。同时，填料的几何结构也对气泡的破碎和分布起着关键作用，如交错排列的填料能够有效抑制气泡的聚并，从而提高汽提效率。

通过本研究的深入分析，不仅揭示了结构化填料在汽提器中的作用机制，还为实际工业应用提供了理论指导。在扩大汽提器规模的过程中，填料结构的优化有助于维持气固接触的均匀性，提高汽提效率，并减少CO?排放。研究结果表明，结构化填料在扩大规模时仍能保持较高的性能水平，这为未来的工业应用提供了坚实的基础。同时，本研究还强调了在设计和操作过程中，合理控制填料尺寸和蒸汽表观速度的重要性，以确保汽提器在不同工况下的稳定运行。

总之，结构化填料在汽提器中的应用，能够有效提升气固接触效率，优化气泡分布，并改善流场的均匀性。这不仅有助于提高FCC产品的收率，还能降低再生器的焦炭负荷，从而减少环境污染。随着重质油原料在FCC中的应用日益广泛，开发高效、可扩展的汽提器结构成为提升整体工艺效率的关键。本研究的结果表明，结构化填料在扩大规模时仍能保持良好的性能，为未来的工业应用提供了重要的理论依据和实践指导。