مدل‌سازی جریان سه‌فازی گاز- مایع- جامد راکتور بالارونده FCC

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

چکیده

شکست کاتالیستی سیال (FCC)، فرایندی برای تبدیل برش‌های سنگین نفت به محصولات با ارزش می‌باشد. در تحقیق حاضر، شبیه‌سازی CFD هیدرودینامیک و انتقال حرارت راکتور استوانه‌ای بالارونده سه فازی (گاز- مایع- جامد) فرایند FCC با در نظر گرفتن تبخیر قطرات مایع انجام شده است. به‌دلیل عدم تقارن ورودی، بخار، ذرات کاتالیست و قطرات خوراک اتمایز شده به‌صورت سه‌بعدی مدل‌سازی شده است. برای مدل‌سازی فاز گاز و ذرات کاتالیست از دیدگاه اولری شامل معادلات پیوستگی، مومنتوم، بقای اجزاء شیمیایی و انتقال حرارت برای هر دو فاز گاز- جامد و معادله دمای دانه‌ای برای ذرات کاتالیست استفاده شده است. هیدرودینامیک، انتقال حرارت و انتقال جرم (تبخیر قطرات) خوراک تزریق شده به راکتور بالارونده نیز با استفاده از دیدگاه لاگرانژی مدل‌سازی شده و نتایج شبیه‌سازی هیدرودینامیکی راکتور بالارونده با استفاده از داده‌های تجربی موجود معتبرسازی شده است. مقایسه مقادیر سرعت دو فاز گاز- جامد حاصل از نتایج مدل با داده‌های تجربی تطابق خوبی را نشان می‌دهد. نتایج مدل‌سازی جریان سه‌فازی، شامل میدان جریان، کسر حجمی هر فاز،تغییرات دمایی برای هر دو فاز گاز و ذرات کاتالیست و همچنین تغییرات اندازه و دمای قطرات خوراک اتمایز شده در راکتور بالارونده به‌دست آمده است. نتایج مدل‌سازی نشان می‌دهد زمان گرم شدن قطرات مایع، متناسب با قطر اولیه آنها می‌باشد و نیز عمل انتقال حرارت به قطرات مایع سریع بوده و این مرحله عامل محدود کننده در عملکرد راکتور بالارونده نمی‌باشد. در مرحله گرم شدن و تبخیر قطرات، مقدار بسیار کمی از جرم قطره تبخیر می‌شود و پس از رسیدن قطره به دمای نقطه جوش، قطر قطرات با شدت کاهش پیدا می‌کنند و کل قطره مایع در کسری از طول راکتور بالارونده تبخیر می‌شود. همچنین در این تحقیق رابطه‌ای برای زمان تبخیر کامل قطرات مایع توسعه داده شده است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Modeling of Gas-Liquid-Solid Multiphase Flow of FCC Riser Reactor

چکیده [English]

The Fluid Catalytic Cracking (FCC) is an important process for profitable conversion of heavy hydrocarbons into valuable products. In this study, a CFD simulation of hydrodynamic and heat transfer of FCC gas-liquid-solid riser reactor was carried out by considering the evaporation of liquid droplets. Since there is no symmetry in fluidizing steam, catalyst particles, and atomized liquid droplets, the reactor was modeled as a 3-D system. An Eulerian model was used for both gas and catalyst particles, which is comprised of continuity and momentum, species, heat transfer equations for gas and solid phases, and an equation for solid granular temperature. The hydrodynamic and heat and mass transfer (evaporating liquid droplets) were modeled using Lagrangian approach. The reactor hydrodynamic model predictions were compared with corresponding experimental data reported in the literature to validate the model. The distributions of gas and catalyst velocity are in good agreement with the experimental data. The multiphase results include flow field, distributions of volume fraction of each phase, temperature profiles of gas and solid phases as well as variation of atomized liquid droplet diameter and temperature. The simulation results indicate that the heating of liquid droplets takes place proportional to their initial size and immediately. Therefore, this step is not the controlling part of FCC riser operation. When the evaporation of the liquid starts, rate of droplet evaporation and reduction in droplet diameter are low. When the droplet temperature reaches the boiling point, the droplet diameter decreases faster and the total mass of liquid droplet evaporates in a fraction of riser reactor. In this research, a correlation for droplet evaporation time was also developed.

کلیدواژه‌ها [English]

  • CFD Modeling
  • FCC Riser
  • Gas-Liquid-Solid Flow
  • Droplet Evaporation
  • Fluidized Bed
منابع

[1] Sadeghbeigi, R., Fluid Catalytic Cracking Handbook, 1th Ed, Gulf Professional Publishing, 2000.

[2] Chen, Y.M., “Recent advances in FCC technology”, Powder Technology, Vol. 163, pp. 2–8, 2006.

[3] Kunni, D., & Levenspiel, O., Fluidization engineering, 2th Ed, Butterworth-Heinemann, 1990.

[4] Ranade, V.V., Computational flow modeling for chemical reactor engineering, 1th Ed, Academic press, 2002.

[5] Goldschmidt, M.J.V., Beetstra, R., & Kuipers, J.A.M., “Hydrodynamic modeling of dense gas-fluidized beds: comparison and validation of 3D discrete particle and continuum models”, Powder Technology, Vol. 142, No. 1, pp. 23– 47, 2004.

[6] Chiesa, M., Mathiesen, V., Melheim, J.A., & Halvorsen, B., “Numerical simulation of particulate flow by the Eulerian-Lagrangian and the Eulerian-Eulerian approach with application to a fluidized bed”, Computers and Chemical Engineering, Vol. 29, No. 2, pp. 291-304, 2005.

[7] Van der Hoef, M.A., Sint Annaland, M.V., & Kuipers, J.A.M., “Computational fluid dynamics for dense gas–solid fluidized beds: a multi-scale modeling strategy”, Chemical Engineering Science, Vol. 59, pp. 5157–5165, 2004.

[8] Yang, N., Wang, W., Ge, W., & Li, J., “CFD simulation of concurrent-up gas–solid flow in circulating fluidized beds with structure-dependent drag coefficient”, Chemical Engineering Journal, Vol. 96, pp. 71–80, 2003.

[9] Mathiesen, V., Solberg, T., & Hjertager, B.H., “Predictions of gas/particle flow with an Eulerian model including a realistic particle size distribution”, Powder Technology, Vol. 112, pp. 34–45, 2000.

[10] Hansen, K.G., Ibsen, C.H., Solberg, T., & Hjertager, B., “Eulerian/Eulerian CFD simulation of a cold flowing FCC Riser”, International Journal of Chemical Reactor Engineering, Vol. 1, pp. 1-15, 2003.

[11] McKeen, T., & Pugsley, T., “Simulation and experimental validation of a freely bubbling bed of FCC catalyst”, Powder Technology, Vol. 129, pp. 139–152, 2003.

[12] Behjat, Y., Shahhosseini, S., & Hashemabadi, S.H., “CFD modeling of hydrodynamic and heat transfer in fluidized bed reactors”, International Communications in Heat and Mass Transfer, Vol. 35, pp. 357–368, 2008.

[13] Zimmermann, S., & Taghipour, F., “CFD modeling of the hydrodynamics and reaction kinetics of FCC fluidized-bed reactors”, Ind. Eng. Chem. Res., Vol. 44, pp. 9818-9827, 2005.

[14] Benyahia, S., Arastoopour, H., Knowlton, T.M., & Massah, H., “Simulation of particles and gas flow behavior in the riser section of a circulating fluidized bed using the kinetic theory approach for the particulate phase”, Powder Technology, Vol. 112, pp. 24–33, 2000.

[15] Jiradilok, V., Gidaspow, D., Damronglerd, S., Koves, W.J., & Mostofi, R., “Kinetic theory based CFD simulation of turbulent fluidization of FCC particles in a riser”, Chemical Engineering Science, Vol. 61, pp. 5544 – 5559, 2006.

[16] Huilin, L., Gidaspow, D., Bouillard, J., & Wentie, L., “Hydrodynamic simulation of gas–solid flow in a riser using kinetic theory of granular flow”, Chemical Engineering Journal, Vol. 95, pp. 1-13, 2003.

[17] Gao, J., Xu, C., Lin, S., Yang, G., & Guo, Y., “Advanced model for turbulent gas–solid flow and reaction in FCC riser reactors”, AIChE Journal, Vol. 45, No. 5, pp. 1095-1113, 1999.

[18] Benyahia, S., Ortiz, A.G., & Paredes, J.I.P., “Numerical analysis of a reacting gas/solid flow in the riser section of an industrial fluid catalytic cracking unit”, International journal of chemical reactor engineering, Vol. 1, pp. 1-14, 2003. [19] Novia, N., Ray, M.S., & Pareek, V., “Three-dimensional hydrodynamics and reaction kinetics analysis in FCC riser reactors”, Chemical Product and Process Modeling, Vol. 2, No. 2, pp. 1-19, 2007.

[20] Chang, S.L., Lottes, S.A., Zhou, C.Q., Bowman, B.J., & Petrick, M., “Numerical study of spray injection effects on the heat transfer and product yields of FCC riser reactors”, Journal of Heat Transfer, Vol. 123, pp. 544-555, 2001. [21] Nayak, S.V., Joshi, S.L., & Ranade, V.V.,“ Modeling of vaporization and cracking of liquid oil injected in a gas–solid riser”, Chemical Engineering Science, Vol. 60, pp. 6049 – 6066, 2005.

[22] Patankar, S.V., Numerical heat transfer and fluid flow, McGraw-Hill, 1980.

[23]- Versteeg, & H.K., Malalasekera, W., “An introduction to computational fluid dynamics”, The finite vol method, 1th Ed., Longman scientific & Technical, 1995.

[24] Yang, Y.L., Experimental and theoretical studies on hHydrodynamics in cocurrent upward and downward circulating fluidized beds, Ph.D. thesis, Tsinghua University, Beijing, China, 1991.

[25] Law, C.K., “Recent advances in droplet vaporization and combustion”, Prog. Energy Combust. Sci., Vol. 8, pp. 171-201, 1982.