В работе изучена гидродинамика системы газ-твердое тело в лифт-реакторе каталитического крекинга с помощью программного пакета ANSYS Fluent. Представлена макроскопическая двухжидкостная модель Эйлера для описания твердой и газовой фаз в лифт-реакторе каталитического крекинга (FCC), при этом цеолитный катализатор и углеводородное сырье моделируются как два взаимопроникающих континуума.
Введение
Каталитический крекинг (FCC) является наиболее часто используемым процессом расщепления длинноцепочечных углеводородов вакуумного газойля на более легкие и коммерчески полезные продукты, такие как бензин, дизельное топливо и легкие олефины (этилен и пропилен), которые используются для производства пластмасс. Численное моделирование широко используется в нефтегазовой промышленности для разработки новых процессов и новых технологий. Общим элементом последних численных моделей является включение решателя CFD для более детального понимания гидродинамического (перемешивающего) поведения псевдоожиженных слоев [1]. Современные коммерческие пакеты CFD доказали свою способность генерировать точные результаты, которые зачастую дешевле получить по сравнению с проведением опытно-промышленного испытания.
Существует несколько исследований, в которых изучены гидродинамические потоки в реакторе FCC. Huang и др. [2] измерили скорость частиц и удержание твердых частиц путем экспериментального исследования с использованием волоконно-оптических зондов. Idris and Berne [3] использовали ANSYS CFX для создания кинетической модели. Однако их геометрия сильно отличалась от реальных реакторов FCC с высотой и диаметром равными 15,1 м и 0,1 м, что составляло примерно половину и около 10% от фактических высоты и диаметра промышленного реактора.
Ранее авторами была разработана модель химических превращений углеводородного сырья в процессе каталитического крекинга [4]. В настоящем исследовании мы стремимся разработать комплексную макроскопическую двухжидкостную модель Эйлера для точного отслеживания эволюции цеолитного катализатора и углеводородного сырья в реакторе FCC. В частности, мы стремимся смоделировать гидродинамические процессы в лифт-реакторе промышленной установки каталитического крекинга.
Описание модели гидродинамики лифт-ректора процесса каталитического крекинга
В работе проведено трехмерное моделирование двухфазного потока с использованием Эйлеровой двух жидкостной модели для исследования гидродинамики, моделируемого лифт-реактора промышленной установки каталитического крекинга. При выборе модели Эйлера, паровая фаза (поток сырья каталитического крекинга) и твердая фаза (катализатор) рассматриваются как взаимопроникающие среды. Для обеих фаз вводятся объемные доли и предполагается, что они являются непрерывными функциями времени и пространства.
Уравнения сохранения твердой фазы замкнуты с использованием определяющих уравнений, полученных из кинетической теории гранулированного потока (KTGF). Следует отметить, что сырье в модель, подается полностью испаренным на входе в форсунки и, следовательно, жидкая фаза на входе в аппарат отсутствует. Это оправдано тем, что для капли размером 100 мкм время, необходимое для полного испарения, в типичных установках FCC колеблется от 0,3 до 30,0 мс [5], что значительно меньше времени пребывания сырья в типичных промышленных реакторах (3–4 с).
В рамках модели Эйлера уравнения сохранения решаются отдельно для твердой и паровой фаз. Уравнение Навье-Стокса используется для представления движения пара и псевдоожиженных частиц [6].
Уравнение сохранения массы
Уравнение сохранения массы
Вывод уравнений сохранения может быть выполнен путем ансамблевого усреднения локального мгновенного баланса для каждой фазы [7].
Уравнение баланса объемной доли имеет вид:
Уравнение сохранения импульса
Уравнения импульса для обеих фаз были связаны межфазным обменным параметром, которые определяются соответственно:
Если число Рейнольдса Re < 1000, то необходимо учитывать как инерционный, так и вязкий эффекты. Коэффициент сопротивления определяется следующим уравнением, которое также зависит от числа Рейнольдса:
Уравнение сохранения энергии
Для описания сохранения энергии в Эйлеровых многофазных моделях для каждой фазы записано отдельное уравнение энтальпии:
Этапы гидродинамического моделирования
Моделирование проводилось с использование академической версии программного обеспечения ANSYS Fluent 20.2. Данный программный пакет, был использован для решения численной дискретизации уравнений сохранения массы, импульса и вида методом конечных объемов. Инструмент Autodesk Inventor Professional 2020 использовался для создания трехмерной геометрий, которая позже были объединена с помощью ANSYS Meshing. Моделирование проводилось с помощью инструмента Solver, который позволяет устанавливать граничные условия, фазовые свойства и взаимодействия, необходимые для получения точных данных FCC.
Выбор геометрии и сетки
Для проведения моделирования, была построена 3D геометрия, соответствующая размерам промышленного лифт-реактора FCC. Построенная геометрия, включает четыре форсунки (отверстия) подачи сырья, симметрично расположенных с каждой стороны лифт-реактора (рисунок 1).
В таблице 1 представлены геометрические размеры лифт-реактора промышленной установки каталитического крекинга.
Несмотря на то, что в работе моделировался весь лифт-реактор, особое внимание было уделено зоне впрыска сырья и нижней конической расширительной секции с подающими форсунками, поскольку эта часть характеризуется сложным взаимодействием между двумя фазами. Для целей конвергенции сетки были протестированы три треугольные сетки с различной плотностью (таблица 2).
Для выбора подходящей плотности сетки были проведены расчеты массы фаз, находящихся в объеме реактора в течение 50 секунд астрономического времени. Результаты расчетов представлены на рисунке 2.
По результатам расчетов, представленным на рисунке 2, для всех исследуемых сеток достижение стационарного состояния происходит спустя 15-20 секунд астрономического времени. Среднее значение максимальной скорости катализатора составило 59.39, 64.11 и 67.14 для сеток 1, 2 и 3, соответственно. В целом по результатам, представленным на рисунке 2, можно заключить, что расхождения между расчетами, проведенными с использованием второй и третьей сеток незначительны. Вместе с тем расчет с использованием сетки 3 требует в 3,43 раза больше времени для 10 секунд астрономического времени, что является существенной затратой вычислительных ресурсов. Учитывая все вышеперечисленное, было принято решение о выборе сетки 2 (рисунок 3).
Свойства фаз
Жидкая дисперсная фаза (катализатор) обладает свойствами твердого вещества, которые определены с использованием KTGF. В качестве материала данной фазы был выбран цеолит, основной компонент катализаторов FCC, плотность которого была задана 2100 кг/м3. Частицы гранулированной фазы считались сферическими, гладкими и неупругими.
При рассмотрении фазовых взаимодействий были выбраны модель сопротивления Gidaspow и модель подъема Moraga для определения функций сопротивления и подъема для каждой фазы. Кроме того, коэффициент реституции для столкновений между гранулированными фазами (столкновения катализатор–катализатор) был выбран равным 0.99, что привело к снижению кинетической энергии из-за столкновений. Это было использовано, поскольку соответствующая оценка значения коэффициента реституции находится в диапазоне 0,80–0,99 [8]. Выбор самого высокого значения в этом диапазоне позволяет упростить результаты. В качестве алгебраической модели межфазной области была выбрана ia–symmetric модель, которая учитывает объемные доли первичной (исходное сырье) и вторичной (катализатор) фаз для оценки межфазной области [7].
Определение точных граничных условий имеет решающее значение для получения реалистичных результатов. Изначально, для проверки достоверности результатов расчета гидродинамической модели, граничные условия задавались такие же, как в статье Yang et.al. [9].
Кроме того, свойства фаз поддерживались постоянными на протяжении всего моделирования. Для моделирования течения на стенках лифт-реактора было применено условие отсутствия скольжения для газовой фазы, обусловленное существованием пограничного слоя вблизи стенки. Однако исследования гидродинамики ректора каталитического крекинга не дают четкого представления об условиях скольжения, которые следует применять для дисперсной фазы. В данной работе было выбрано условие частичного скольжения.
Результаты расчетов
Скорость перемешивания фаз характеризуется следующими ключевыми параметрами: величиной и распределением скорости, объемной фракцией фазы и задержкой твердого вещества. В текущем разделе представлены результаты, полученные для этих ключевых параметров после проведения моделирования.
Контуры, представленные на рисунке 4, показывают, что скорости твердой фазы изменяется в большом интервале. Скорость твердой фазы в патрубке и разгонном участке лифт-реактора изменяется в интервале от 1 до 9 м/с, но доходя до зоны впрыска сырья, за счет его высокой скорости, ускоряется до 50 м/с (рисунок 4 А). За счет того, что катализатор самотеком стекает по патрубку, в его верхней части объемная доля не превышает 0,44 (рисунок 4 Б). При этом, за счет невысокой скорости пара, который поднимает катализатор в верх, объёмная доля до уровня ввода сырья находится на уровне 0,55. В свою очередь, объемная доля катализатора после зоны ввода сырья значительно снижается, доходя до 0,2, что связано с высокой скоростью сырья на выходе из форсунок, которое значительно ускоряет частицы катализатора.
Контуры объемной доли, полученные в [9], свидетельствуют о значительной задержке твердой фазы под форсунками подачи сырья. Это похоже на полученные результаты (рисунок 4), доказывая, что эта геометрия точно отражает накопление фаз в реальном процессе каталитического крекинга. Оба контура показывают объемную долю катализатора чуть менее 0,6 по всей регенерированной трубе катализатора и очень низкое ее значение после впрыска высокоскоростного исходного сырья.
Гидродинамическая модель промышленного реактора каталитического крекинга
Учитывая, что полученная модель обладает довольно высокой сходимостью с результатами модели, представленной в статье [9], следующим шагом было изменение рабочих и граничных условий, с использованием значений, полученных с промышленной установки каталитического крекинга. При этом, значения скоростей на входе не были известны, поэтому в качестве граничных условий на всех входах был задан массовый расход. Граничные условия представлены в таблице 3.
Моделирование лифт–реактора с использованием рабочих параметром промышленной установки показало распределение твёрдой фазы со значительно меньшей объемной долей (рисунок 5 А), по сравнению с результатами, полученными при рабочих условиях лифт–реактора статьи [9], ввиду того, что в данной статье расход катализатора составлял 1740 кг/с, а на промышленной установке – 533 кг/с. В верхней части лифт–реактора объемная доля катализатора после зоны ввода сырья значительно снижается, доходя до 0,16, что связано с высокой скоростью сырья, которая в этой области достигает 95 м/с (рисунок 5 Б) на выходе из форсунок, которое значительно ускоряет частицы катализатора. Также, за счет не высокой скорости пара, который поднимает катализатор в верх, объёмная доля до ввода сырья находится на уровне 0,44, это объясняется тем, что при значительно меньшем расходе катализатора, скорость водяного пара сохраняется практически на том же уровне, что и в статье [9] катализатор не успевает накапливаться в большем количестве. Скорость катализатора показала значительное повышение на уровне ввода сырья (с 50 м/с до 70 м/с).
На рисунке 6 показано, что температура катализатора, проходя по реактору, за счет теплообмена с сырьем, снижается с 922 К до 917 К на отметке 20 м, и до 908 К на отметке 40 м. В нижней части лифт реактора температура водяного пара изменяется в интервале от 630 до 663 К, и от 634 до 718 К для сырья.
Таким образом, была построена гидродинамическая модель лифт-реактора промышленной установки каталитического крекинга, с учетом геометрии и производительности реального промышленного объекта.
Разработанная модель позволяет оценить распределение температуры, скоростей движения катализатора и углеводородов по высоте аппарата с учетом гидродинамических факторов.
В дальнейшем созданную модель планируется усовершенствовать, включив более детальное описание конструкции аппарата, а также выполнив моделирование с учетом основных химических реакций, протекающих в процессе каталитического крекинга.
Модель, включающая реакции крекинга, будет учитывать тепловой эффект реакций, потери кинетической энергии и позволит прогнозировать температуру крекинга, чего не было сделано ранее. Это также позволит изучить распределение массовых долей продуктов крекинга с учетом гидродинамики аппарата. Используемая методология и полученные результаты могут служить мощным инструментом для управления и оптимизации промышленного процесса каталитического крекинга.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Лондонского Королевского Общества № 21-53-10004.
Литература
1. Amblard B. CFD modeling of the coke combustion in an industrial FCC regenerator / B. Amblard, R. Singh, E. Gbordzoe, L. Raynal / Chemical Engineering Science. – 2016. – Vol. 170. – P. 731-742.
2. Huang W.Hydrodynamics and Flow Development in a 15.1 m Circulating Fluidized Bed Riser / W. Huang, A. Yan, J. Zhu / Chemical Engineering Technology. – 2007. – Vol. 30, issue 4. – P. 460–466.
3. Idris M.N. CFD Modelling Gas-Solid Flows in CFB/FCC Riser Reactors: Simulation Using Kinetic Theory of Granular Flow (KTGF) in a Fully Developed Flow Situation / M.N. Idris, A. Burn / AIChE. – 2008.
4. Назарова Г.Ю. Моделирование работы промышленной установки каталитического крекинга вакуумного газойля из смеси казахстанской и западно-сибирской нефти / Г.Ю. Назарова, Е.Н. Ивашкина, Э.Д. Иванчина, А.А. Орешина, Е.К. Вымятин, Т.А. Калиев, Р.Д. Попов, А.В. Антонов, Г.Ж. Сейтенова / Мир нефтепродуктов. – 2020. – №3. С. 6.
5. Barbosa A. Three Dimensional Simulation of Catalytic Cracking Reactions in an Industrial Scale Riser Using a 11-lump Kinetic. / A. Barbosa, G. Lopes, L. Rosa, M. Mori, W. Martignoni / Chemical Engineering Transactions. – 2013. – Vol. 32. – P. 637-642.
6. Gidaspow D. Multiphase flow and fluidization / D. Gidaspow / Continuum and Kinetic. Academic press limited: Gardners Books. – 1994. – P. 467.
7. Idris M.N. CFD Modelling Gas-Solid Flows in CFB/FCC Riser Reactors: Simulation Using Kinetic Theory of Granular Flow (KTGF) in a Fully Developed Flow Situation / M.N. Idris A. Burn / American institute of chemical engineers. – 2008. Vol. 16-21. – P. 1-19.
8. Lopes G.C. CFD Study of Industrial FCC Riser: The Effect of Outlet Configurations on Hydrodynamics and Reactions / G.C. Lopes, L.M. Rosa M. Mori, J.R. Nunhez, W.P. Martignioni / International Journal of Chemical Engineering. – 2012. – P. 1-16.
9. Yang Q. CFD investigation of hydrodynamics, heat transfer and cracking reactions in a large-scale fluidized catalytic cracking riser / Applied Mathematical Modelling. – 2016. – Vol. 40, issue 21–22. – P. 9378–9397.
