在催化裂化油漿過濾分離設(shè)備

陳燕蓉+黃南概+陳程+徐大鵬

摘要：文章簡述了催化裂化油漿過濾分離設(shè)備的研究背景，分析了運用TRIZ理論改進催化裂化油漿過濾分離設(shè)備從而提高過濾效率的可行性，并運用TRIZ理論對催化裂化油漿過濾分離設(shè)備進行了具體研究和創(chuàng)新設(shè)計，提出多個改進方案，并進行方案評價，綜合各方案的優(yōu)點獲得總體設(shè)計方案。新方案采用造價低廉的濾網(wǎng)代替昂貴的濾芯，并通過簡單的結(jié)構(gòu)設(shè)計，借助濾網(wǎng)的移動給油漿加壓，加速油漿過濾。新方案不僅能夠顯著地提高催化裂化油漿過濾分離效率，解決傳統(tǒng)設(shè)備過濾分離效率低的難題，還能夠有效降低生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟效益，應(yīng)用前景廣闊。

關(guān)鍵詞：TRIZ；催化裂化油漿；過濾分離；創(chuàng)新設(shè)計

1研究背景

催化裂化油漿是石油煉化等化工生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的一種相對密度大、黏度高的產(chǎn)品。據(jù)統(tǒng)計，全球每年催化裂化油漿產(chǎn)量大約為3750萬噸，主要作為重質(zhì)燃料油調(diào)和組分出售，若分離后油漿用于生產(chǎn)高品質(zhì)焦炭，每噸增加的凈利潤為7～15美元。對于大規(guī)模連續(xù)化生產(chǎn)，油漿的分離問題是石油煉化裝置能否穩(wěn)定運行以及提高經(jīng)濟效益的關(guān)鍵，也是工業(yè)研究領(lǐng)域的難點和熱點。

目前催化裂化油漿分離主要是采用具有反沖洗功能的過濾器系統(tǒng)。也就是在正常過濾工作過程中，含有固體顆粒的油漿在壓力差作用下，從過濾材料的一面流向另一面，固體顆粒就被截留在過濾材料的表面上，形成濾餅。隨著過濾時間的延長，積累在過濾材料表面上的濾餅厚度會增加，產(chǎn)生進出料壓差。當(dāng)壓差達到設(shè)定值或過濾時間達到設(shè)定值，過濾器就會停止進料，反向加壓，快速打開進料側(cè)的排渣閥門，過濾器內(nèi)的液體會產(chǎn)生爆破性的反向流動，將濾餅推離過濾材料，從排渣口流出過濾器，完成反沖洗。過濾器重新進料，進行下一周期的過濾過程。

現(xiàn)有的催化裂化油漿的過濾技術(shù)無法滿足長周期過濾連續(xù)運轉(zhuǎn)的需要，所用的催化裂化油漿過濾設(shè)備系統(tǒng)一般在使用3個月以內(nèi)就發(fā)生堵塞。原因是國內(nèi)都是用殘渣比很高的重油催化裂化裝置來催化裂化油漿，這樣的催化裂化裝置中的油漿瀝青質(zhì)含量很高。這些瀝青質(zhì)成分既不是固體，也不是液體，屬于膠體，如果瀝青質(zhì)附著在過濾材料上，無法通過反沖洗的辦法使其與過濾材料分離，甚至粘附到過濾材料內(nèi)部，不能反沖洗再生，導(dǎo)致整個過濾工序無法長時間運轉(zhuǎn)，過濾分離效率低。

2基于TRIZ理論的催化裂化油漿過濾分離設(shè)備創(chuàng)新設(shè)計可行性分析

催化裂化油漿過濾分離設(shè)備過濾效率低的問題本質(zhì)上就是傳統(tǒng)的油漿過濾分離工藝與設(shè)備之間存在技術(shù)矛盾。TRIZ理論針對不同的問題可采用不同的分析工具。分析工具是TRIZ用來解決矛盾的具體方法或模式，其中包括矛盾矩陣、物質(zhì)一場分析、39個通用技術(shù)參數(shù)、40條創(chuàng)新原理和76個標準解法等。因此，對于催化裂化油漿過濾分離設(shè)備過濾效率低的問題，同樣可以運用TRIZ理論構(gòu)建問題模型，進行系統(tǒng)分析，列舉解決方法，獲得最優(yōu)的解決方案。

3催化裂化油漿過濾分離設(shè)備的改進

3.1現(xiàn)有設(shè)備中存在的問題

油漿過濾分離設(shè)備是指能夠分離油漿中固體顆粒的設(shè)備（如圖1所示）。其基本原理是在壓力作用下，迫使油漿通過濾芯，固體顆粒截流于濾芯上，從而達到油漿和固體顆粒分離的目的。

由于國內(nèi)催化裂化油漿中的瀝青質(zhì)含量很高，常常粘附在濾芯內(nèi)部，造成濾芯堵塞，導(dǎo)致濾芯無法反沖洗再生而需要更換，且無論是國外引進的還是國內(nèi)的裝置和技術(shù)，在我國的工業(yè)運行時間都不太長，導(dǎo)致油漿過濾效率低，所以目前大多數(shù)煉油廠為了保證工藝的連續(xù)運行，安裝2臺過濾器，其中1臺作為備用。但是這并不能夠解決根本的問題，我們必須進一步研究和改進油漿過濾分離的裝置，以便提高它們的工業(yè)運行時間，從而提高過濾效率。

3.2系統(tǒng)分析

對現(xiàn)有的催化裂化油漿過濾分離設(shè)備建立系統(tǒng)分析模型（如圖2所示）。

通過系統(tǒng)模型圖可知，造成催化裂化油漿過濾分離效率低的主要原因是：1.油漿中瀝青含量高造成油漿黏度高；2.泵的過濾推動力不足；3.顆粒物堵塞濾芯造成過濾阻力大。這3個問題是導(dǎo)致催化裂化油漿過濾分離效率低的關(guān)鍵，但是考慮到問題1油漿中的瀝青是系統(tǒng)本身存在的，對系統(tǒng)而言是不可控的，且因為過濾速度與過濾推動力成正比與過濾阻力成反比，因此著重從增大過濾推動力和減小過濾阻力兩方面進行創(chuàng)新改進。

3.3 TRIZ應(yīng)用過程與方案生成

3.3.1增大過濾推動力的解決方案

TRIZ認為創(chuàng)新設(shè)計的核心在于解決技術(shù)問題中的矛盾沖突。要提高催化裂化油漿過濾分離器的過濾速度，需要增大泵對油漿的推動力，促使油漿快速通過濾芯，因此，問題中存在一對技術(shù)矛盾：改善的工程參數(shù)為9速度，而惡化的工程參數(shù)為10力。通過查找矛盾矩陣得到三個可供參考的創(chuàng)新原理：13反向作用原理，28機械系統(tǒng)替代原理，15動態(tài)特性原理和19周期性作用原理。

根據(jù)13反向作用原理“用相反的動作代替問題定義中所規(guī)定的動作”及“將物體上下顛倒或內(nèi)外翻轉(zhuǎn)”得到方案1，通過將油漿入口和出口的位置上下顛倒，使油漿能夠在重力的作用下通過濾芯，然后在過濾器下方加裝一個真空泵對過濾器抽真空，借助真空泵的負壓減小過濾器下方的壓強使上方的油漿能夠快速通過濾芯。

根據(jù)15動態(tài)特性原理“c如果一個物體整體是靜止的，使其移動或可動”得到啟示，將固定不動的濾芯替換為可移動的濾網(wǎng)，通過濾網(wǎng)移動對設(shè)備內(nèi)部油漿施加一定的壓力，加快油漿的過濾速度。得到方案2（如圖3所示），通過伸縮軸和滑板使濾網(wǎng)能夠左右移動，給濾網(wǎng)中間的油漿施加壓力，從而加快過濾效率；或者方案3（如圖4所示），在使用過程中，通過活塞桿和滑板帶動濾網(wǎng)上下運動，對設(shè)備內(nèi)部油漿形成一定的壓力，從而加快了過濾效率。

3.3.2過濾阻力大的問題

系統(tǒng)中的過濾阻力與附著在過濾材料上的固體顆粒厚度有關(guān)。所以減小過濾阻力的解決辦法主要從減少過濾材料上的附著物出發(fā)，這就意味著需要增大清洗力度將過濾介質(zhì)上的附著物清洗干凈，那么就需要增大反沖洗系統(tǒng)的壓強。根據(jù)以上分析可知，改善了10力，就會惡化11壓強，通過查找矛盾矩陣表得到3個可供參考的創(chuàng)新原理：18機械振動原理、21減少有害作用的時間原理、11事先防范原理。

根據(jù)18振動原理“C利用共振頻率：超聲波碎石機擊碎膽結(jié)石”得到方案4，通過在濾網(wǎng)上加裝超聲模塊來提高清潔力度。

3.4方案評價

對上述形成的備選方案從過濾效率、使用成本和清潔力度等方面進行綜合性地客觀評價，具體情況如下表1所述。

綜合考慮上述4個備選方案，結(jié)合方案1至方案4的優(yōu)點，克服其存在的缺陷，獲得總體設(shè)計方案：一是如圖5所示將油漿入口設(shè)置在過濾器上方，然后通過伸縮軸和滑板使濾網(wǎng)能夠從左右兩邊向中間移動，對濾網(wǎng)中間的油漿進行加壓，再借助真空泵的負壓作用進一步提高油漿的過濾速率。當(dāng)過濾設(shè)備中的過濾效果變低，濾網(wǎng)上污垢嚴重時，使用真空泵將過濾設(shè)備中的油漿抽離干凈后，從兩側(cè)底部的？由漿出口灌入沖洗液，待沖洗液液面淹沒伸縮桿時，啟動超聲模塊，對濾網(wǎng)及分離設(shè)備內(nèi)部進行超聲清潔，并通過油漿入口對設(shè)備內(nèi)反吹加壓，使設(shè)備內(nèi)壓力上升，壓力上升到一定程度后，打開沖洗液出口，在真空泵反吹的壓力下，將沖洗液沖出。二是如圖6所示，油漿入口設(shè)置在過濾器下方，通過活塞桿和滑板帶動濾網(wǎng)上下移動，對設(shè)備內(nèi)部的油漿形成一定的壓力，從而加快油漿通過濾網(wǎng)的速度，提高過濾效率。當(dāng)設(shè)備內(nèi)部的油渣量達到一定數(shù)量時，將過濾好的油漿抽離，打開油渣出口排放油渣。當(dāng)設(shè)備內(nèi)過濾效率低，需要對濾網(wǎng)進行清洗時，將油漿入口封閉，利用真空泵將油漿從油漿出口進行抽離，封閉油漿出口，將沖洗液入口打開，灌入沖洗液，使沖洗液全部沒過過濾網(wǎng)，打開超聲模塊進行超聲清洗，然后從沖洗液入口進行加壓，當(dāng)壓力升高到一定程度時，封閉沖洗液入口，以最快的速度打開油渣出口，將沖洗液排出。

4結(jié)論

TRIZ理論具有鮮明的特點和優(yōu)勢。通過使用矛盾矩陣、39個通用技術(shù)參數(shù)和40條創(chuàng)新原理等TRIZ解題工具獲得的催化裂化油漿過濾分離設(shè)備，不僅過濾效率高、清潔效果好，還能夠有效降低生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟效益。該設(shè)備為煉油廠的催化裂化油漿過濾分離工序的連續(xù)運行提供了有力支撐，還能夠推廣應(yīng)用于其他工業(yè)產(chǎn)品的過濾分離工序中，應(yīng)用前景十分廣闊。同時，也為提高催化裂化油漿系統(tǒng)相關(guān)工序的工作效率提供了一定的理論基礎(chǔ)。

（科技部創(chuàng)新方法工作專項資助項目）

責(zé)編/馬銘陽