提升管催化裂化反应过程数值模拟

在气固两相流体动力学模型的基础上，采用基于机理反应的FCC14集总模型，考虑了反应温度、局部固体浓度变化以及流动对反应的影响，建立了重油流化催化裂化流动--反应耦合模型。模拟结果表明，重油裂化反应主要发生在喷嘴附近区域，在喷嘴附近已经有45%的重油转化为汽油和柴油。随着距离喷嘴位置的增加，汽油产率逐渐上升，但距离喷嘴位置12m以后，汽油产率基本保持不变。从汽油组成变化来看，在整个提升管内汽油中烯烃含量一直处于下降趋势，由喷嘴区域的60wt%降低到提升管出口位置的42wt%左右。汽油烷烃含量一直呈增加趋势，而汽油中环烷烃含量和芳烃含量变化较小。

1 前言

催化裂化在世界炼油工业中一直占有举足轻重的地位，作为重油催化裂化核心反应装置，提升管内流体流动、多相流体间的相间传热、传质状况无疑将影响重油催化转化的产品分布和产品质量。文献[1]在线取样的方法，分析了重油转化过程中液体产品、催化剂活性以及碳含量沿提升管分布，得出了一些有益的结论。由于在工业装置上进行在线取样十分困难，同样也存在一定的限制，只能得到较为有限的信息。因此，对重油催化过程详细信息的获取，只能通过数学模型的方法来了解。

目前关于重油催化裂化提出了许多模型，Weekman[2]提出的传统的催化裂化动力学方法--集总动力学方法将原料油的组成区分为芳香烃、烷烃、芳烃上的烷基取代基，我国也先后开发了蜡油、重油和渣油催化裂化集总动力学模型[3]。这些模型多在等温、平推流的基础上进行推导的，和提升管内实际反应环境存在较大差别，提升管内存在明显的轴向、径向不均匀性，催化剂密度相差20倍左右，提升管底部和出口温度相差100℃左右。显然，提升管内流动形式远远偏离于等温、平推流条件假设。对提升管中重油裂化过程的模拟，一定要考虑提升管内局部流动形态对反应的影响，这样才能准确描述提升管内真实的反应过程。

本文在优化的气固两相流模型的基础上，考虑了两相流动形态、局部催化剂浓度以及局部反应温度对反应的影响，采用了基于机理反应的14集总动力学模型，建立了重油流化催化裂化流动--反应耦合模型，模拟提升管重油催化裂化反应过程。

2 催化裂化反应模型建立

2.1 重油催化裂化集总模型

通过经典的催化裂化反应化学来表述集总反应，本文建立了催化裂化14集总动力学模型（如表1所示）。将重油划分为烷烃、环烷烃、芳烃三集总，产物汽油、柴油分别划分为烷烃、环烷烃、芳烃、烯烃四个集总，裂化气划分为烷烃和烯烃两个集总，焦炭一集总。各集总间的反应见表2，模型建立的细节参见文献[4]。

2.2 重油催化裂化流动—反应耦合模型

对提升管反应器中气固两相流动采用Eulerian多相流模型，假定原料油进入提升管反应器后瞬间气化，催化剂颗粒相和油气相均为连续相，两相之间相互共存，相互渗透。由于催化裂化反应是摩尔数增加的反应，反应后气体体积膨胀，流速变大，加剧了气固两相的湍流，促进了两相间质量、动量、热量的传递。在双流体模型中气相采用模型，颗粒相采用颗粒动力学模型。