A new transient nonuniformity index for the feed injection zone of a multiphase fluidized bed reactor
孔双祝，蔡敏，李建，程锋，卢春喜，刘梦溪*，刘超伟，王智峰，侯凯军
Keywords: Gas-solid fluidized bed; Nonuniformity index; Computational fluid dynamics; Feed injection zone
DOI: 10.1016/j.partic.2025.05.002
多相流化床反应器进料区的复杂结构会导致截面发生非对称的气固不均匀分布现象，进而影响反应器的性能。本文基于进料区的瞬时气固分布数据，以及径向和周向上的不均匀性，提出瞬态截面不均匀指数（The transient sectional nonuniformity index,TSNI）作为量化不均匀分布的指标。该指数的时空分布特性可以更准确地反映截面上气固两相实时分布的均匀性和进料区气固接触效率的变化。根据TSNI指数可将进料区分为气泡影响区、射流影响区和加速区。数值模拟结果显示，TSNI与喷嘴气体速度、催化剂循环率等操作条件高度相关。
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亮点
1. 针对复杂几何结构内的不均匀流场，提出了一种新的无量纲指数（TSNI），用于表征截面瞬态气固分布的不均匀性。
2. TSNI的时空分布特性可以更准确地反映截面气固两相实时分布的均匀性和进料区气固接触效率的变化。
3. 通过考察TSNI的时空分布，研究了中心升气管、喷嘴射流等结构对进料区流场的影响，并将进料区分为气泡影响区、射流影响区和加速区。
4. TSNI与喷嘴气体速度、催化剂循环率等操作条件高度相关。
研究背景
多相流化床反应器的进料区设有进料喷嘴、催化剂循环管等构件，导致截面不同径向和周向位置处气固两相不均匀分布，进而影响反应器的性能。然而，传统的径向不均匀指数难以表征非轴对称的不均匀性分布，因此，亟需一个新的量化指标来表征复杂结构进料区的不均匀性，并以此为进料段设计和结构改造提供依据。
图1. 合成吡啶碱耦合反应器进料段气固时均分布云图
要点精读
1. 瞬态气固分布不均匀性的考察
以往的研究通常采用时间平均值来评估两相分布，但实际上气固两相之间的接触和反应是瞬时发生的。因此，基于瞬态气固分布的指标更适用于对反应器性能进行评价。如图2所示，四个二维气固反应器中，蓝色代表固相，白色代表气相，固体颗粒在气相的曳力作用下向上移动。当所有网格中的气固两相自下而上依次通过观察截面时，每个网格的时间平均固含率均为0.25，由此得到的四个反应器的不均匀性指数均为0或气固均匀分布的结论。然而，在每个时刻不同反应器中的气固分布均互不相同，导致气固接触效果也不同。显然，基于时间平均数据的不均匀性指数无法描述这种瞬时差异。
图2. 不同气固两相流动状态示意图
2. 瞬态截面不均匀指数（TSNI）的时空分布
本文基于瞬时固含率分布，提出了瞬态截面不均匀指数（TSNI），并根据式（1）计算截面TSNI以考察其时空分布特性。
根据TSNI指数，将进料区自下而上依次划分为气泡影响区、射流影响区和加速区，而且不同区域的TSNI曲线存在显著差异。在气泡影响区（h = –100mm），TSNI曲线的振幅比其他截面更大，频率较低，表明该区域内气固分布变化剧烈，中心升气管形成的大气泡是导致截面不均匀的主要因素。射流影响区（h = –40mm）的TSNI整体均值最大，表明射流影响区内的截面分布最不均匀，且TSNI曲线的振幅最小，表明该区域内的聚团尺寸较小。加速区（h = 80mm）的TSNI整体均值最小，表明截面上气固分布相对均匀，且TSNI曲线振幅增大并出现宽峰，表明加速区内出现尺寸较大的颗粒聚团。
图3. 进料区内不同轴向高度的TSNI随时间变化
3. 截面不均匀性随操作条件的变化规律
通过改变喷嘴气速、催化剂循环速率等操作条件，进一步考察了TSNI平均值MTSNI和标准差STSNI分布的变化。
当喷嘴气速增加，射流最大穿透深度的位置向下移动，气泡影响区被压缩，相应的TSNI平均值MTSNI更大，表明横截面上气固分布的不均匀性增强。同时，射流影响区向下扩展，喷嘴射流的轴向影响范围扩大。当喷嘴气速继续增加到31 m/s时，气泡影响区消失。
当催化剂循环速率增加时，射流最大穿透深度变小，气泡影响区内TSNI的标准差STSNI呈上升趋势，表明更多的催化剂抵消了喷嘴射流引起的扰动，气泡因此变得更加稳定，不容易破裂。此外，射流影响区受到压缩，表明颗粒的增加抑制了射流的轴向穿透能力。在加速区，MTSNI指数随催化剂循环速率的增加而增加，表明横截面上固含率的分布变得更加不均匀。
图4. 不同条件下MTSNI和STSNI的轴向分布
结论与展望
为了准确描述进料区非对称气固分布的瞬态不均匀性，本文提出了瞬态截面不均匀性指数（TSNI），并研究了该指数的时空分布特性，得到以下结论：
- 基于气固分布的时间变化，TSNI指数、MTSNI和STSNI可以反映截面上的气固分布特征，有助于划分不同流动状态的区域；
- 喷嘴气速和催化剂循环率是影响气固分布的关键因素。气速增大会压缩气泡影响区，而催化剂循环率提高则会压缩射流影响区；
- 增大喷嘴气速，会导致射流影响区内的气固分布不均匀性增强，从而降低了气固传质效率；
- 提高催化剂循环率，则可以减轻喷嘴对床层的影响，使气固分布更加均匀，改善了气固相间交换。
通讯作者
刘梦溪，中国石油大学（北京）化学工程与环境学院教授、博导，中国颗粒学会理事，教育部多相分离技术与装备教育部工程中心主任。主要研究方向为多相流反应器开发、流态化、多相流动与传递。近年来主持国家重大研发计划课题1项、国家自然科学基金2项，主持横向课题多项，完成工业化改造50余套。获发明专利授权16项，在国内外发表研究论文75篇（其中SCI论文40余篇），出版专著2本。获石化联合会科技进步一等奖2项，教育部技术发明二等奖2项，颗粒学会技术进步一等奖、自然科学二等奖各一项等。北京市高等教育教学成果二等奖1项，全国石油化工优秀教学团队负责人。
供稿：原文作者
排版：《颗粒学报》编辑部
文章信息
Kong,S.,Cai,M.,Li,J.,Cheng,F.,Lu,C.,Liu,M.,.. . Hou,K. (2025). A new transient nonuniformity index for the feed injection zone of a multiphase fluidized bed reactor. Particuology,103,164-175. https://doi.org/10.1016/j.partic.2025.05.002.