循环流化床具有气固通量高、可连续操作和传质传热性能好等优势,在石油化工行业得到了广泛的应用。尤其对于炼油过程中的催化裂化工艺,循环流态化技术更占据着举足轻重的地位。然而传统循环流化床提升管内形成了不均匀的气固环核流动结构,从而导致气固两相的分离。同时,较低的颗粒浓度进一步限制了传统提升管在要求高固气比和强气固接触工艺中的应用。因此,为了提高提升管内颗粒浓度、改善流动结构及强化气固接触,亟需开发一种新型结构形式的反应器。本论文在一套循环流化床冷态模拟实验装置上,对底部增设扩径段的变径提升管内气固流动特性进行了系统研究。结果表明,变径提升管底部扩径段内形成气固密相湍流,而上部输送段则处于稀相状态。与等径提升管底部相比,扩径段内截面平均颗粒浓度增大,径向颗粒浓度、速度及通量分布梯度减小,气固流动结构得到改善。通过对瞬时颗粒浓度信号的分析可知,扩径段内气固湍动剧烈,瞬时信号概率密度分布趋于均匀。此外,通过引入臭氧的催化分解反应,进一步考察了变径提升管内气体分布及气固接触情况。等径提升管底部臭氧分解反应主要发生在边壁处,而变径提升管扩径段中心位置臭氧分解却较为明显,且径向臭氧浓度分布的不均匀性沿轴向得到改善。虽然等径和变径提升管反应器性能与理想平推流反应器均存在一定差距,但与等径提升管相比,变径提升管内均匀的流动结构和强烈的气固湍动,强化了臭氧的催化分解,提高了气固接触效率。根据本论文和文献数据,建立了多流型提升管湍流段内颗粒浓度的经验关联式,并将其用于预测变径提升管扩径段内轴向颗粒浓度分布。随后,采用玻尔兹曼函数将局部颗粒浓度与其截面平均值和径向位置进行了关联。结果表明,这些关联式可以较为准确地预测扩径段内轴径向颗粒浓度分布。此外,将气固接触效率与操作条件相关联,并结合气固接触效率定义式,预测了扩径段内轴向臭氧浓度分布。同时,还进一步获得了扩径段内径向臭氧浓度分布的关联式。最后,在一套催化裂化中试装置上,对变径提升管反应器应用于重油催化裂解多产乙烯丙烯工艺中的可行性及其反应性能进行了考察。结果表明,变径提升管可显著强化回炼轻汽油和丁烯的转化,尤其是轻汽油转化率明显提高;而催化轻质烃类裂解后的半待生剂仍具有较高的重油转化能力,从而保证了组合进料方案的可行性。以重油作原料,采用变径提升管反应器的单段催化裂解过程可产出13 wt.%的乙烯和27wt.%以上的丙烯。与之相比,虽然两段催化裂解过程中乙烯收率降低,但丙烯收率相近,同时又可以兼顾汽油的生产,具有更高的经济效益。