CN109799027B - 一种气液两相流体通过固定床压降的测定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种气液两相流体通过固定床压降的测定方法，步骤如下：1，测定工艺条件B下气液两相流经固定床床层的总压降Δp0，以及该固定床床层高度L0，床层填充介质的球形度
利用公式1和2得出液相产生的压降
和气相产生的压降
并利用公式3得到气相占据固定床床层填充介质间所形成孔道表面积与填充介质间所形成孔道总表面积的比值α；2，由公式4和5得到工艺条件A下液相压降Δpl和气相压降Δpg；3，由公式6得到工艺条件A下气液两相流经固定床时的总压降Δp；其中，工艺条件A和B相比，只有固定床床层高度和空隙率两个参数不同。本发明方法能够预测气液两相流体同时经过固定床床层时的压降情况，从而能够避免出现压降过高导致装置运行故障。
Description
技术领域
本发明属于炼油化工领域，涉及一种气液两相流体通过固定床压降的测定方法。
背景技术
与气固快速床、气液固浆态床、鼓泡床、移动床等流态化的反应器相比，固定床反应器存在堵塞、结垢、高压降、温度场均匀性差以及催化剂无法连续再生等方面的弊端，但固定床反应器以其操作控制的可靠性和简便性以及低投资等特点，仍在炼油化工领域中广泛应用。以渣油加氢为例，据统计目前占世界渣油加氢总加工能力75％以上的装置采用固定床反应器，且从目前渣油加氢技术的进展来看，未来固定床渣油加氢技术仍占有主导地位。
固定床反应器在设计和工业运行中需要多个指标来保证其效果，固定反应器压降是需要考察的指标之一。在固定床渣油加氢反应器催化剂装填过程中，密相装填有利于提高反应器内催化剂整体的寿命，延长换剂周期，但是密相装填会导致氢/油混合物通过床层压降增加，当压降增加超过选定循环氢压缩机所能提供的压头时，将导致循环氢压缩机无法正常操作，进而影响整个渣油加氢装置的运行。因此需要一种可靠的方法来预测固定床反应器压降，从而避免出现压降过高导致装置运行故障。
目前预测流体通过固定床填充介质床层的压降模型主要基于Ergun等人在1952年基于实验数据和机理分析得到的欧根方程。针对欧根方程是在研究球形颗粒床层建立的，在应用到偏离球形较大的填充介质床层中误差较大的问题，后续研究者提出需要考虑填充介质球形度的影响，并将其引入到欧根方程中，还有研究者建议将床层结构的影响引入到欧根方程中以提高模型的准确性。以上这些改进极大地提高欧根方程的适应性，但由于欧根方程和后续改进工作所描述的流体对象都是单相流，而在实际生产中常常遇到多相流固定床。以渣油加氢固定床反应器为例，由于流体介质为气液两相，实际测量得到的床层压降介于气体和液体等速通过固定床时采用欧根方程计算的压降之间。因此，亟需一种能够计算多相流固定床压降的计算方法。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种气液两相流体通过固定床压降的测定方法，该方法能够预测气液两相流体同时经过固定床床层时的压降情况，从而能够避免出现压降过高导致装置运行故障。
为了达到上述目的，本发明提供了一种气液两相流体通过固定床压降的测定方法，该方法包括如下步骤：
步骤1，测定工艺条件B下气液两相流经固定床床层的总压降Δp0，以及该固定床床层高度L0，床层填充介质颗粒的球形度
利用公式1和公式2分别得出工艺条件B下气液两相流经固定床时液相产生的压降
和气相产生的压降
并利用公式3得到气相占据固定床床层填充介质间所形成孔道表面积与填充介质间所形成孔道总表面积的比值α；
公式1
公式2
公式3
其中，
为在工艺条件B下气液两相流经固定床床层时液相产生的压降，Pa；
ρl和ρg分别为液相和气相密度，kg/m3；
ul和ug分别为液相和气相的表观流速，m/s；
L0为固定床床层高度，m；
ε0为固定床床层空隙率；
dp为固定床床层填充介质颗粒的当量直径，m；
Rel和Reg分别为液相和气相的雷诺数；
Δp0为在工艺条件B下气液两相流经固定床床层时的总压降，Pa；
α为气相占据固定床床层填充介质间所形成孔道表面积与填充介质间所形成孔道总表面积的比值；
步骤2，由公式4和公式5分别得到工艺条件A下气液两相流经固定床床层时液相产生的压降Δpl和气相产生的压降Δpg；
公式4
公式5
其中，其中，Δpl为工艺条件A下气液两相流经固定床床层时液相产生的压降，Pa；
Δpg为工艺条件A下气液两相流经固定床床层时气相产生的压降，Pa；
ρl和ρg分别为液相和气相密度，kg/m3；
ul和ug分别为液相和气相的表观流速，m/s；
L为固定床床层高度，m；
ε为固定床床层空隙率；
dp为固定床床层填充介质颗粒的当量直径，m；
Rel和Reg分别为液相和气相的雷诺数；
步骤3，由步骤1得到的α，步骤2得到的Δpl和Δpg，以及公式6得到工艺条件A下气液两相流经固定床时的总压降Δp；
Δp＝Δpl·(1-α)+Δpg·α
公式6
其中，Δp为在工艺条件A下气液两相流经固定床时的总压降，Pa；
其中，工艺条件A和工艺条件B相比，只有固定床床层高度和床层空隙率两个参数数值不同。
本发明所述的气液两相流体通过固定床压降的测定方法，其中，液相和气相的雷诺数Rel和Reg分别优选由公式7和公式8得到，
公式7
公式8
其中，ρl和ρg分别为液相和气相密度，kg/m3；
dp为固定床床层填充介质颗粒的当量直径，m；
ul和ug分别为液相和气相的表观流速，m/s；
μl和μg分别为液相和气相的粘度，Pa·s；
β为液相在气液两相体积流量中所占体积分数。
本发明所述的气液两相流体通过固定床压降的测定方法，其中，所述Δp0的测定方法优选为：利用U形管压差计直接测量，或通过压力测量仪分别测定床层进出口压力。
本发明所述的气液两相流体通过固定床压降的测定方法，其中，所述填充介质颗粒的球形度
优选为通过颗粒图像分析仪测量获得。
本发明所述的气液两相流体通过固定床压降的测定方法，其中优选的是，测定工艺条件B下气液两相流经固定床床层时液相和气相的质量流量Gl和Gg，根据公式9得到液相在气液两相体积流量中所占体积分数β，
公式9
其中，Gl和Gg分别为实际测定得到的液相和气相的质量流量，kg/s；
ρl和ρg分别为液相和气相密度，kg/m3。
本发明所述的气液两相流体通过固定床压降的测定方法，其中优选的是，测定工艺条件B下气液两相流经固定床床层时液相和气相的质量流量Gl和Gg，根据公式10和公式11得到液相和气相的表观流速ul和ug，
公式10
公式11
其中，Gl和Gg分别为实际测定得到的液相和气相的质量流量，kg/s；
ρl和ρg分别为液相和气相密度，kg/m3；
A为固定床床层截面积，m2。
本发明所述的气液两相流体通过固定床压降的测定方法，其中，所述液相和气相质量流量的测定方法优选为采用质量流量计测量，或者采用体积流量计测量得到体积流量后分别乘以液相和气相的密度得到液相和气相的质量流量。
本发明所述的气液两相流体通过固定床压降的测定方法，其中，所述工艺条件A和工艺条件B下得到的液相雷诺数相同，所述工艺条件A和工艺条件B下得到的气相雷诺数相同。
本发明所述的气液两相流体通过固定床压降的测定方法，其中优选的是，所述液相雷诺数Rel介于0～15之间；气相雷诺数Reg介于0～30之间；沿固定床床层轴向方向上，液相密度波动范围-5％ρl～5％ρl，液相粘度波动范围-5％μl～5％μl；沿固定床床层轴向方向上，气相密度波动范围-20％ρg～20％ρg，气相粘度波动范围-10％μg～10％μg。
本发明的有益效果：本发明提供了一种气液两相流体通过固定床压降的测定方法，具体为通过测定已装填好固定床床层(工艺条件B)条件下，气液两相流体的总压降，来预测不同床层高度和不同孔隙率条件下(工艺条件A)气液两相经过该床层的压降情况，以避免出现压降过高导致装置运行故障的情况。根据本发明所提供的测定方法，所预测的气液两相流过固定床床层的总压降与实际测定的数据误差小于10％。
具体实施方式
以下对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例，下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件。
本发明考虑固定床反应器通常在低雷诺数下操作，所形成床层压降主要来源于流体与填充介质所形成孔道表面之间的摩擦力，在实际的流动过程中，气液相充分混合分散，孔道表面将按比例由气液两相占据，进一步，气液两相对床层总压降所做的贡献也由其占据孔道表面的比例和气/液单相通过床层的单位高度床压降共同决定，基于这一思路，本发明提出了一种气液两相流体通过固定床压降的测定方法。
其中，通过测定工艺条件B下的气液两相通过固定床床层的总压降及相关参数，进而可以预测在其他工艺条件下(与工艺条件B相比，只是固定床床层高度和空隙率两个参数不同)，比如工艺条件A下，固定床床层的总压降情况，从而避免出现压降过高导致装置运行故障。
下面通过具体实施例对本发明的技术方案进一步说明如下。
实施例1
步骤1，在表1的工艺条件下利用压力表测定的气液两相流体通过固定床床层的总压降为689.46kPa。
表1工艺条件参数
公式1
公式2
公式3
根据公式1、2和3，得到气相占据固定床床层填充介质间所形成孔道表面积与填充介质间所形成孔道总表面积的比值α为0.4847；
步骤2，仅仅改变步骤1的固定床床层高度为6.14m，固定床床层空隙率为0.4830，其他工艺条件均不变，根据公式4和公式5分别得到该工艺条件下气液两相流经固定床床层时液相产生的压降Δpl为371.11kpa，气相产生的压降Δpg为2.79kpa；
公式4
公式5
步骤3，由步骤1得到的α，步骤2得到的Δpl和Δpg，以及公式6得到步骤2工艺条件下气液两相流经固定床时的总压降Δp的预测值为192.59kpa，实际床层压降测量值190.12kpa，相对误差1.29％。
Δp＝Δpl·(1-α)+Δpg·α
公式6
实施例2
该实施例的操作同实施例1完全相同，只是改变步骤2的固定床床层高度为4.57m，固定床床层空隙率为0.4053。计算步骤与实施例1相同，本实施例预测压降为503.65kPa，实际床层压降测量值为509.32kPa，相对误差为1.12％。
实施例3
步骤1，在表2的工艺条件下利用压力表测定的气液两相流体通过固定床床层的总压降为530.64kPa。
表2工艺条件参数
公式1
公式2
公式3
根据公式1、2和3，得到气相占据固定床床层填充介质间所形成孔道表面积与填充介质间所形成孔道总表面积的比值α为0.5078；
步骤2，仅仅改变步骤1的固定床床层高度为12.2m，固定床床层空隙率为0.4320，其他工艺条件均不变，根据公式4和公式5分别得到该工艺条件下气液两相流经固定床床层时液相产生的压降Δpl，气相产生的压降Δpg；
公式4
公式5
步骤3，由步骤1得到的α，步骤2得到的Δpl和Δpg，以及公式6得到步骤2工艺条件下气液两相流经固定床时的总压降Δp的预测值为594.64kPa，床层实际压降测量值为585.19kPa，相对误差为1.61％。
Δp＝Δpl·(1-α)+Δpg·α
公式6
实施例4
该实施例的操作同实施例3完全相同，只是改变步骤2的固定床床层高度为13.6m，固定床床层空隙率为0.4057。计算步骤与实施例3相同，本实施例预测压降为861.38kPa，床层实际压降测量值为842.05kPa，相对误差为2.27％。
实施例5
步骤1，在表3的工艺条件下利用压力表测定的气液两相流体通过固定床床层的总压降为678.25kPa。
表3工艺条件参数
公式1
公式2
公式3
根据公式1、2和3，得到气相占据固定床床层填充介质间所形成孔道表面积与填充介质间所形成孔道总表面积的比值α为0.8542；
步骤2，仅仅改变步骤1的固定床床层高度为12.4m，固定床床层空隙率为0.4830，其他工艺条件均不变，根据公式4和公式5分别得到该工艺条件下气液两相流经固定床床层时液相产生的压降Δpl，气相产生的压降Δpg；
公式4
公式5
步骤3，由步骤1得到的α，步骤2得到的Δpl和Δpg，以及公式6得到步骤2工艺条件下气液两相流经固定床时的总压降Δp的预测值为408.08kPa，床层实际压降测量值为400.23kPa，相对误差为1.96％。；
Δp＝Δpl·(1-α)+Δpg·α
公式6
实施例6
该实施例的操作同实施例5完全相同，只是改变步骤2的固定床床层高度为13.9m，固定床床层空隙率为0.435。计算步骤同实施例5，本实施例预测的床层压降为708.34kPa，床层实际压降测量值695.32kPa，相对误差为1.87％。
由上述实施例数据可以看出，本发明关于气液两相流经固定床压降的测定方法预测得到的压降值与实际测量的压降值误差一般低于2.5％，因此，本发明方法较为准确，可以对固定床床层的压降进行预测，以避免出现压降过高导致装置运行故障的情况。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。
Claims (9)
1.一种气液两相流体通过固定床压降的测定方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤1，测定工艺条件B下气液两相流经固定床床层的总压降Δp0，以及该固定床床层高度L0，床层空隙率ε0，床层填充介质颗粒的球形度
利用公式1和公式2分别得出工艺条件B下气液两相流经固定床时液相产生的压降
和气相产生的压降
并利用公式3得到气相占据固定床床层填充介质间所形成孔道表面积与填充介质间所形成孔道总表面积的比值α；
其中，
为在工艺条件B下气液两相流经固定床床层时液相产生的压降，Pa；
ρl和ρg分别为液相和气相密度，kg/m3；
ul和ug分别为液相和气相的表观流速，m/s；
L0为固定床床层高度，m；
ε0为固定床床层空隙率；
dp为固定床床层填充介质颗粒的当量直径，m；
Rel和Reg分别为液相和气相的雷诺数；
Δp0为在工艺条件B下气液两相流经固定床床层时的总压降，Pa；
α为气相占据固定床床层填充介质间所形成孔道表面积与填充介质间所形成孔道总表面积的比值；
步骤2，由公式4和公式5分别得到工艺条件A下气液两相流经固定床床层时液相产生的压降Δp1和气相产生的压降Δpg；
其中，Δp1为工艺条件A下气液两相流经固定床床层时液相产生的压降，Pa；
Δpg为工艺条件A下气液两相流经固定床床层时气相产生的压降，Pa；
ρ1和ρg分别为液相和气相密度，kg/m3；
ul和ug分别为液相和气相的表观流速，m/s；
L为固定床床层高度，m；
ε为固定床床层空隙率；
dp为固定床床层填充介质颗粒的当量直径，m；
Rel和Reg分别为液相和气相的雷诺数；
步骤3，由步骤1得到的α，步骤2得到的Δpl和Δpg，以及公式6，得到工艺条件A下气液两相流经固定床时的总压降Δp；
Δp＝Δpl·(1-α)+Δpg·α 公式(6)
其中，Δp为在工艺条件A下气液两相流经固定床时的总压降，Pa；
其中，工艺条件A和工艺条件B相比，只有固定床床层高度和床层空隙率两个参数数值不同。
2.根据权利要求1所述的气液两相流体通过固定床压降的测定方法，其特征在于，液相和气相的雷诺数Rel和Reg分别由公式7和公式8得到，
其中，ρl和ρg分别为液相和气相密度，kg/m3；
dp为固定床床层填充介质颗粒的当量直径，m；
ul和ug分别为液相和气相的表观流速，m/s；
μl和μg分别为液相和气相的粘度，Pa·s；
β为液相在气液两相体积流量中所占体积分数。
3.根据权利要求1所述的气液两相流体通过固定床压降的测定方法，其特征在于，所述Δp0的测定方法为：利用U形管压差计直接测量，或通过压力测量仪分别测定床层进出口压力。
4.根据权利要求1所述的气液两相流体通过固定床压降的测定方法，其特征在于，所述填充介质颗粒的球形度
为通过颗粒图像分析仪测量获得。
5.根据权利要求2所述的气液两相流体通过固定床压降的测定方法，其特征在于，测定工艺条件B下气液两相流经固定床床层时液相和气相的质量流量Gl和Gg，根据公式9得到液相在气液两相体积流量中所占体积分数β，
其中，Gl和Gg分别为实际测定得到的液相和气相的质量流量，kg/s；
ρl和ρg分别为液相和气相密度，kg/m3。
6.根据权利要求1所述的气液两相流体通过固定床压降的测定方法，其特征在于，测定工艺条件B下气液两相流经固定床床层时液相和气相的质量流量Gl和Gg，根据公式10和公式11得到液相和气相的表观流速ul和ug，
其中，Gl和Gg分别为实际测定得到的液相和气相的质量流量，kg/s；
ρl和ρg分别为液相和气相密度，kg/m3；
A为固定床床层截面积，m2。
7.根据权利要求5或6所述的气液两相流体通过固定床压降的测定方法，其特征在于，所述液相和气相质量流量的测定方法为采用质量流量计测量。
8.根据权利要求2所述的气液两相流体通过固定床压降的测定方法，其特征在于，所述工艺条件A和工艺条件B下得到的液相雷诺数相同，所述工艺条件A和工艺条件B下得到的气相雷诺数相同。
9.根据权利要求2所述的气液两相流体通过固定床压降的测定方法，其特征在于，所述液相雷诺数Rel介于0～15之间；气相雷诺数Reg介于0～30之间；沿固定床床层轴向方向上，液相密度波动范围-5％ρl～5％ρl，液相粘度波动范围-5％μl～5％μl；沿固定床床层轴向方向上，气相密度波动范围-20％ρg～20％ρg，气相粘度波动范围-10％μg～10％μg。
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