催化裂化可以说是最重要的重质油轻质化转化过程,是炼厂经济效益的主要来源,在石油炼制工业中具有举足轻重的作用。目前,由于石油资源重质化、劣质化以及对环境友好燃料和低碳烯烃等化工原料需求的增加,催化裂化面临着严峻的挑战。为此,各大石油公司和研究机构对催化裂化工艺进行了深入研究。高温、高剂油比、适宜停留时间的高苛刻度操作条件以及平推流流型,可以强化重质、劣质原料的转化,提高乙烯、丙烯等低碳烯烃的收率和选择性并可以兼顾生产清洁汽油。传统的提升管反应器在实际生产中存在着固含率较低、催化剂停留时间分布不均匀等缺点,在高苛刻度下操作无法满足生产需求。因而,开发新型催化裂化反应器成为人们关注的热点。新型反应器内颗粒流率和颗粒浓度的均匀分布非常重要,这对于需要高的固/气进料比率和均匀的固气停留时间,尤其是对于涉及气固接触反应停留时间要求苛刻的过程至关重要。高密度循环流化床反应器具有较高的气固处理量、颗粒浓度、气固径向分布较为均匀、轴向返混小,能够满足以中间产物为目的产品的催化裂化,尤其是高温、适宜反应时间的重油催化裂化反应所需要的条件。在充分考虑到高密度循环流化床反应器的优点基础上,对实验室已有循环流化床冷模装置进行了改造,实现了实验室高密度提升管及下行床的操作。在改进的高密度循环流化床提升管及下行床冷模装置上,详细考察了二者的流体力学特性和操作特性,研究表明:实验室条件下颗粒循环量可以达到1000 kg/m2s,实现了提升管反应器的增浓。在高颗粒循环量(Gs)下,提升管内床层颗粒浓度可以高达0.22-0.32,并且,颗粒浓度的轴向分布比较均匀。然而,颗粒浓度的径向分布并不均匀,从中心到边壁呈单调上升趋势。当Gs>700 kg/m2s时,中心稀相区浓度高达0.05,且径向范围缩至r/R≈0-0.2,仅占整个横截面积的20%。因此,高密度提升管内颗粒浓度得到了增浓。此外,考察颗粒浓度的标准差和间歇性不均匀指数发现,高密度操作条件下,颗粒湍动程度加剧。强烈的颗粒湍动可以改善气固混合和接触,进而可以提高反应器性能。高密度提升管内颗粒速度的轴向发展可分为三个区域:底部分布板控制区、中部加速区以及上部恒速区。当Gs>700kg/m2s时,颗粒速度的轴向分布更加的均匀。这可以保证颗粒停留时间的均匀性,有利于提升管内化学反应的进行。此外,对比低密度提升管,高密度操作条件下提升管壁面处没有向下运动的颗粒。由此可见,提升管的高密度操作可以减少其内因颗粒倒流而引起的轴向返混。这是高密度提升管优于传统低密度提升管的重要原因之一。在分析颗粒浓度和颗粒速度的基础上,本文对不同操作条件下颗粒浓度与速度的相互关系进行了考察。结果表明,在所考察的操作条件下,颗粒速度均随着颗粒浓度的增加而降低。对比发现,低密度提升管内颗粒速度和颗粒浓度之间的相关性较高密度条件下好。这揭示出不同操作条件下,提升管内颗粒运动机制的不同。低密度提升管内,颗粒受到气固之间作用力的约束,颗粒浓度与颗粒速度相互制约。高密度操作条件下,由于颗粒与颗粒之间的接触几率增加,颗粒—颗粒作用力削弱了气固作用力对流动的主导作用。颗粒—颗粒之间作用力具有随机性,导致高密度提升管内颗粒速度与颗粒浓度之间的相关性变差。总之,高密度提升管内较高的颗粒浓度、较少的轴向返混以及较强烈的气固湍动保证了气固之间良好的混合和接触,有利于提高反应器内化学反应效率。然而,在高密度操作下提升管内的颗粒径向分布不均匀性增加。这可能会导致径向气固分离,影响气固两相的径向混合。因此,高密度提升管并不是最优的反应器。为此,本文系统研究了高密度下行床内流体力学行为。研究发现,下行床内颗粒浓度随着颗粒循环量的增加而增加。当颗粒循环量达到700kg/m2s时,整个下行床内的平均颗粒浓度可以达到0.06,且轴向分布较为均匀。下行床内的颗粒浓度径向分布特点为:在整个截面中心处分布均匀,仅在近壁区稍有增加。对比提升管内颗粒浓度径向分布特点可以发现,高密度下行床内颗粒浓度的径向分布更加均匀。均匀的颗粒分布保证了下行床内气固流动的平推流特性,有利于化学反应的进行。对于下行床内的颗粒速度分布,其径向分布随操作条件的变化而变化。较低颗粒循环量下,颗粒速度在整个截面很大范围内分布非常均匀,仅在近壁区有所降低。很高的颗粒循环量下,颗粒速度的分布不均匀性增加,呈现出与提升管内颗粒速度类似的趋势,为中心高边壁低的“抛物线”型。高密度操作条件下行床内颗粒速度的径向不均匀性增加,但仍然比提升管内的分布均匀。此外,下行床内颗粒速度和颗粒浓度之间的关系不同于提升管。下行床内颗粒流动具有自我调控机制,抑制了下行床内颗粒聚集体的形成,从而抑制了径向的气固分离,最大限度的保证了反应器的平推流特性。高密度下行床将具有更大的研究意义及应用前景。