彭 威劉俊平張君屹于立勇劉艷升劉建新

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102249;2.中國(guó)石油烏魯木齊石化公司,新疆烏魯木齊 830019;3.中國(guó)石油 蘭州石化公司,甘肅 蘭州 730060)

在流化床反應(yīng)裝置(如費(fèi)-托合成、烴類(lèi)的催化裂化、渣油靈活焦化和甲醇制烯烴等工藝的裝置)的立管中,一直存在氣-固兩相流[1-2],但科技人員對(duì)該氣-固兩相流流態(tài)的判據(jù)還缺乏了解,在設(shè)計(jì)和操作工業(yè)立管時(shí),往往只能依據(jù)經(jīng)驗(yàn)法則。因此,在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中存在大量的立管流化輸送不暢問(wèn)題,如:在立管輸送過(guò)程中,發(fā)生架橋、竄氣、壓力逆轉(zhuǎn)和顆粒質(zhì)量流率波動(dòng)等問(wèn)題,已成為制約工業(yè)裝置高負(fù)荷、安全生產(chǎn)的瓶頸[3-5]。

對(duì)于FCC(Fluid catalytic cracking)裝置,立管是反應(yīng)器和再生器之間催化劑循環(huán)的輸送管,待生催化劑通過(guò)待生立管進(jìn)入再生器進(jìn)行燒焦、恢復(fù)活性,再生催化劑通過(guò)再生立管進(jìn)入提升管反應(yīng)器,維持反應(yīng)溫度穩(wěn)定,并催化油氣的裂化反應(yīng)。FCC裝置立管輸送催化劑操作有2個(gè)特點(diǎn)[6-7]:一個(gè)是立管內(nèi)的催化劑依靠重力向下流動(dòng),而氣體則可能向下流動(dòng)或向上流動(dòng),主要取決于氣-固兩相的相對(duì)速度和立管壓力梯度;另一個(gè)是立管的入口壓力低、出口壓力高,催化劑流動(dòng)屬于負(fù)壓差流動(dòng),因此必須在立管內(nèi)建立密相顆粒料封,防止氣體逆向反竄。此外,立管的底部通常安裝滑閥用于調(diào)控催化劑的輸送量,但閥前堆積的催化劑由于脫氣效應(yīng)易于失流化。工業(yè)上通常采取向立管通入松動(dòng)風(fēng)來(lái)改變催化劑的空隙率[8-9],從而防止催化劑發(fā)生架橋、不穩(wěn)定輸送、氣體反竄等造成操作參數(shù)大幅波動(dòng)的現(xiàn)象。

立管內(nèi)催化劑的流動(dòng)狀態(tài)影響立管操作的穩(wěn)定性。依據(jù)立管內(nèi)氣體的表觀速率大小,將催化劑流態(tài)劃分為流化態(tài)和非流化態(tài)[10-11];依據(jù)立管內(nèi)氣-固兩相滑移速率和空隙率的關(guān)系,將流化態(tài)劃分為密相流化和稀相流化,將非流化態(tài)劃分為過(guò)渡填充流態(tài)和填充流態(tài)[12-13]。另外,Li等[14-15]根據(jù)顆粒間接觸正應(yīng)力的大小,給出了流化態(tài)和非流化態(tài)的劃分標(biāo)準(zhǔn);但這些劃分流態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)在工業(yè)裝置上獲取難度大,難以作為常規(guī)參數(shù)來(lái)判斷流態(tài)。除了上述氣-固兩相流的流態(tài)劃分外,也有在實(shí)驗(yàn)室裝置上進(jìn)行氣-固兩相流流態(tài)演變及壓力波動(dòng)特征的研究[16-19],或采用CPFD模擬[20]展示設(shè)定條件下立管內(nèi)的氣-固兩相流流態(tài)。上述研究對(duì)立管的操作和設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義,但冷態(tài)實(shí)驗(yàn)或模擬條件與工業(yè)裝置立管操作參數(shù)差異較大,大多是在常溫、常壓條件下進(jìn)行的,不能直接用于工業(yè)裝置生產(chǎn)。關(guān)于工業(yè)FCC裝置立管輸送催化劑過(guò)程的分析主要來(lái)源于現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)報(bào)道[3-5,15],影響立管輸送操作的主要因素有立管兩端負(fù)壓差、平衡劑細(xì)粉含量、立管幾何結(jié)構(gòu)和松動(dòng)點(diǎn)設(shè)計(jì)等。

目前,分析立管內(nèi)氣-固兩相流態(tài)的文獻(xiàn)較少,尤其是對(duì)工業(yè)FCC裝置立管的操作問(wèn)題還缺乏模型分析和定量計(jì)算。筆者根據(jù)某石化公司FCC裝置(1.0 Mt/a)再生立管現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的數(shù)據(jù)及其不同操作條件,分析立管內(nèi)氣泡和乳化相的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)反應(yīng)溫度的影響,以期指導(dǎo)工業(yè)FCC裝置立管輸送催化劑操作參數(shù)的調(diào)整。

1 FCC裝置立管數(shù)據(jù)測(cè)量

1.1 FCC裝置簡(jiǎn)介

圖1為某石化公司1.0 Mt/a FCC裝置反應(yīng)-再生系統(tǒng)示意圖。其反應(yīng)器和再生器為高低并列式結(jié)構(gòu),反應(yīng)器采用內(nèi)置提升管,提升管終端為三葉形快速分離裝置;再生器采用燒焦罐和密相床層再生技術(shù),稀相管終端為粗旋風(fēng)分離器,燒焦罐無(wú)外取熱器。

圖1 FCC裝置反應(yīng)-再生系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of reaction and regeneration system in FCC unit

表1為FCC裝置2種操作工況參數(shù)。該裝置燒焦罐溫度低,為了降低再生催化劑的積炭含量,保持催化劑活性,外排煙氣過(guò)剩氧含量較高,體積分?jǐn)?shù)為4%。在工況Ⅰ時(shí),加工量為120 t/h,催化劑循環(huán)質(zhì)量流量(Fs)為8.4×105kg/h,滑閥前催化劑時(shí)均密度為620 kg/m3;在工況Ⅱ時(shí),加工量為80 t/h,Fs為4.8×105kg/h,滑閥前催化劑時(shí)均密度為410 kg/m3。

表1 FCC裝置操作參數(shù)Table 1 Operation parameters of FCC unit

1.2 再生立管

圖2為再生立管結(jié)構(gòu)圖。再生立管入口為淹流式,操作方式為滿(mǎn)管流。由圖2可知,再生立管內(nèi)徑為0.7 m,由上、中、下3部分組成:上斜管長(zhǎng)3.9 m,與水平夾角63°;中部直管段長(zhǎng)5.7 m;下斜管長(zhǎng)3.4 m,與水平夾角60°。C0～C5為立管軸向5個(gè)截面,標(biāo)高分別為20.0、17.1、11.5、8.4、7.0和5.5 m;在C1、C2和C3截面設(shè)置3組松動(dòng)風(fēng),每組2個(gè)松動(dòng)風(fēng)噴嘴;C1和C3截面松動(dòng)風(fēng)噴嘴與水平夾角0°,2個(gè)噴嘴的中心角60°;C2截面松動(dòng)風(fēng)噴嘴與水平夾角30°,2個(gè)噴嘴中心角180°。松動(dòng)風(fēng)采用1.0 MPa、260℃的蒸汽。C1截面2個(gè)蒸汽噴嘴前安裝有直徑3.6 mm的限流孔板控制蒸汽流量;C2和C3截面的2支噴嘴前分別安裝直徑3.6 mm和10 mm的孔板。DI 106為再生立管下斜管內(nèi)催化劑密度測(cè)量?jī)x表,取壓點(diǎn)分別位于再生滑閥前1.5和3 m處。

圖2 再生立管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the regenerated standpipe

反應(yīng)溫度測(cè)量熱電偶設(shè)置于提升管出口處。反應(yīng)溫度受加工量、再生器床層溫度、催化劑循環(huán)量、松動(dòng)風(fēng)量、提升蒸汽量、滑閥開(kāi)度和原料預(yù)熱溫度的影響。正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),反應(yīng)溫度、催化劑循環(huán)量和滑閥開(kāi)度是動(dòng)態(tài)變量,其他參數(shù)為非變量。當(dāng)反應(yīng)溫度發(fā)生波動(dòng)時(shí),滑閥控制系統(tǒng)通過(guò)控制滑閥開(kāi)度來(lái)改變催化劑循環(huán)量,從而調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度。如:當(dāng)反應(yīng)溫度降低時(shí),再生滑閥會(huì)增大開(kāi)度,提高催化劑循環(huán)量,反應(yīng)放熱增加使反應(yīng)溫度升高,從而調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度,使其保持穩(wěn)定。

1.3 催化劑性質(zhì)

裝置使用的催化劑為蘭州催化劑廠生產(chǎn)的LZR-30型催化劑。表2為新鮮催化劑和再生催化劑特性參數(shù)。

表2 新鮮催化劑和再生催化劑的特性Table 2 Properties of the fresh and equilibrium catalyst

1.4 數(shù)據(jù)測(cè)量方法與儀器

在工況Ⅰ和工況Ⅱ的穩(wěn)定操作條件下,分別在C1～C3每個(gè)截面上選擇一個(gè)松動(dòng)風(fēng)噴嘴,沿再生立管軸向逐個(gè)進(jìn)行壓力測(cè)量;同時(shí)記錄C0、C4、C5點(diǎn)(見(jiàn)圖2)壓力值、DI 106儀表值和反應(yīng)溫度。壓力采用北京康斯特儀表科技公司生產(chǎn)的ConST211數(shù)字壓力表測(cè)量,量程0～400 kPa,測(cè)量頻率1 Hz,測(cè)量時(shí)間120 min?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量壓力數(shù)值均為表壓。

2 結(jié)果和討論

2.1 再生立管內(nèi)部參數(shù)

圖3為不同工況時(shí)再生立管軸向壓力分布。由圖3可知:工況Ⅰ時(shí),C0～C4截面壓力由185 kPa增至235.7 k Pa,滑閥后C5點(diǎn)壓力為190 k Pa;工況Ⅱ時(shí),再生立管軸向壓力分布與工況Ⅰ時(shí)相似,但各截面壓力略有降低。這是由于工況Ⅱ時(shí)再生立管靜壓隨著催化劑循環(huán)量降低而減小。另外,2種工況下C1～C2截面間壓力梯度小于C0～C1和C2～C4截面,說(shuō)明再生立管中部的催化劑流態(tài)不同于立管上部和下部的。這是因?yàn)樵谠偕⒐苤胁块L(zhǎng)5.6 m范圍內(nèi)未設(shè)置松動(dòng)風(fēng),催化劑脫氣造成密度增大[7,9]。

圖3 不同工況時(shí)再生立管軸向壓力分布Fig.3 Axial pressure profiles in the standpipe under different operation conditions

圖4為不同工況下提升管反應(yīng)溫度波動(dòng)曲線(xiàn)。整體來(lái)看,提升管反應(yīng)溫度存在較大的波動(dòng)變化,且工況Ⅰ的反應(yīng)溫度波動(dòng)幅度和波動(dòng)頻次高于工況Ⅱ的。在工況Ⅰ時(shí),反應(yīng)溫度的時(shí)均值和波動(dòng)范圍分別為483℃和466～487℃,且在測(cè)量時(shí)間段內(nèi),反應(yīng)溫度出現(xiàn)5次較大的波動(dòng),每次波動(dòng)的反應(yīng)溫度在1～2 min內(nèi)快速降至465～470℃,然后恢復(fù)到正常的波動(dòng)范圍內(nèi)。在工況Ⅱ時(shí),反應(yīng)溫度的時(shí)均值和波動(dòng)范圍分別為475℃和468～478℃,反應(yīng)溫度僅出現(xiàn)2次小幅波動(dòng)。

圖4 不同工況時(shí)提升管反應(yīng)溫度曲線(xiàn)Fig.4 Reactor temperature profiles under different operation conditions

圖5為依據(jù)DI 106儀表測(cè)量的再生立管下斜管內(nèi)的催化劑表觀密度變化曲線(xiàn)。由圖5可知,工況Ⅰ的催化劑密度波動(dòng)范圍和波動(dòng)頻次大于工況Ⅱ的。工況Ⅰ時(shí),下斜管內(nèi)催化劑密度時(shí)均值約620 kg/m3,波動(dòng)范圍為0～650 kg/m3,測(cè)量時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)5次波動(dòng),波動(dòng)時(shí)間點(diǎn)與反應(yīng)溫度相對(duì)應(yīng),說(shuō)明再生立管內(nèi)催化劑流態(tài)直接影響反應(yīng)溫度;工況Ⅱ時(shí),下斜管內(nèi)催化劑密度時(shí)均值約410 kg/m3,波動(dòng)范圍為200～430 kg/m3,測(cè)量時(shí)間段內(nèi)催化劑密度僅出現(xiàn)2次波動(dòng)。

圖5 再生立管內(nèi)催化劑密度變化曲線(xiàn)Fig.5 Catalyst density profiles in the regenerated standpipe

2.2 再生立管內(nèi)催化劑流態(tài)判斷

催化劑在再生立管內(nèi)向下流動(dòng)的過(guò)程中,伴隨著氣體的脫除和被壓縮,立管內(nèi)軸向壓力逐漸升高,流化氣體量不斷減小。若立管足夠長(zhǎng)且無(wú)松動(dòng)風(fēng),則催化劑空隙率(ε)會(huì)不斷減少,最終接近填充流空隙率(ε0),而催化劑形成填充流態(tài),因此立管需要設(shè)置間距合適的松動(dòng)風(fēng),彌補(bǔ)流化減小的氣體量。

依據(jù)Leung等[9,21-22]對(duì)立管的流態(tài)分析,再生立管中可能出現(xiàn)的2種輸送操作工況,如圖6所示。一般在立管入口和上部氣-固兩相滑落速度大,催化劑流動(dòng)為密相流化。若此時(shí)通入的松動(dòng)風(fēng)量約等于立管內(nèi)流化氣體減小的體積,立管軸向壓力逐漸增大,壓力梯度呈線(xiàn)性分布,催化劑空隙率雖然減小,但始終大于初始流化態(tài)空隙率(εmf),見(jiàn)圖6(a)。此時(shí),滑閥壓降和滑閥開(kāi)度合適,反應(yīng)溫度穩(wěn)定,是理想的操作工況。

若催化劑脫氣速度過(guò)快或立管下部通入的松動(dòng)風(fēng)體積小于立管內(nèi)減小的流化氣體體積,立管壓力梯度呈上大、下小的變化。立管上部催化劑輸送為密相流化,空隙率逐漸減小,軸向壓力不斷增大;立管中下部的空隙率小于εmf時(shí),催化劑流態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫^(guò)渡填充流態(tài)或填充流態(tài),軸向壓力呈凸型分布,見(jiàn)圖6(b)。在過(guò)渡填充流態(tài)時(shí),沿立管向下催化劑空隙率繼續(xù)減小直至等于填充流態(tài)空隙率ε0,軸向壓力繼續(xù)增大,如圖6(b)中①線(xiàn),此工況立管壓力梯度小于密相流化態(tài)的。在填充流態(tài)時(shí),催化劑空隙率不再變化,氣體穿過(guò)催化劑間隙下行,軸向壓力逐漸減小,立管壓力梯度為正壓差,如圖6(b)中②線(xiàn);此時(shí),滑閥壓降小、立管推動(dòng)力不足,催化劑輸送量受限,一般發(fā)生在滑閥突然關(guān)小的時(shí)候,需要快速對(duì)滑閥前堆積的催化劑進(jìn)行松動(dòng),防止反應(yīng)溫度大幅度降低。

圖6 再生立管內(nèi)不同的催化劑流態(tài)Fig.6 Catalyst flow patterns in the standpipe

但實(shí)際上,由圖3可知,工業(yè)FCC裝置再生立管內(nèi)催化劑的流態(tài)不同于圖6中2種工況的催化劑流態(tài)。該裝置再生立管結(jié)構(gòu)是斜管、垂直管和斜管的組合,立管內(nèi)部的催化劑流態(tài)比較復(fù)雜,由于松動(dòng)風(fēng)位置和松動(dòng)風(fēng)量設(shè)置不合理,再生立管內(nèi)出現(xiàn)了3種催化劑流態(tài)。因此,根據(jù)圖3實(shí)際工業(yè)FCC裝置再生立管的壓力分布,本研究構(gòu)建工業(yè)FCC裝置再生立管組合流態(tài)模型,如圖7所示。

由圖7可知:在立管上部,催化劑為密相流化態(tài),壓力梯度大;在立管中部,由于脫氣和氣體壓縮效應(yīng)催化劑形成過(guò)渡填充流,壓力梯度降低;而立管下部通入的松動(dòng)風(fēng)量大于立管內(nèi)氣體減小的體積時(shí),空隙率增大,催化劑流態(tài)由過(guò)渡填充流轉(zhuǎn)變?yōu)槊芟嗔骰?壓力梯度升高。此時(shí),反應(yīng)溫度、滑閥壓降和斜管密度波動(dòng)較大,操作不平穩(wěn),一般發(fā)生在采用低劑/油比操作、滑閥前松動(dòng)風(fēng)過(guò)量的工況。

圖7 工業(yè)FCC再生立管內(nèi)的組合流態(tài)Fig.7 Combined flow patterns in the industrial FCC standpipe

依據(jù)圖3中再生立管的壓力分布以及催化劑流態(tài)對(duì)立管壓力分布的影響分析,可以判斷該裝置再生立管內(nèi)的催化劑流態(tài)是多種流態(tài)組合。立管軸向任意兩截面間的壓差(Δp,k Pa)公式[6-7]為:

式(1)中:ρp為催化劑顆粒密度,kg/m3;g為重力加速度,m/s2;Δh為取壓點(diǎn)之間的垂直高度,m。ρp(1-ε)gΔh表示勢(shì)能壓差,kPa;Δpf表示摩擦損失壓降,k Pa。催化劑流態(tài)為流化態(tài)時(shí),其勢(shì)能壓差遠(yuǎn)大于摩擦損失壓降,Δpf可忽略不計(jì),即:

因此,催化劑的表觀密度(ρ)可表示為[1]:

由再生立管軸向壓力分布和立管內(nèi)催化劑流態(tài)分析可知:C0～C1截面和C2～C4截面間催化劑流態(tài)為流化態(tài),催化劑表觀密度計(jì)算符合式(3);C1至C2截面間催化劑流態(tài)為過(guò)渡填充流,Δpf較大不可忽略,催化劑密度約為初始流化態(tài)密度(ρmf)。

圖8為再生立管軸向催化劑表觀密度分布。工況Ⅰ時(shí),C0～C1截面間催化劑流動(dòng)狀態(tài)為密相流化態(tài),由式(3)計(jì)算可得,催化劑密度由550 kg/m3增至680 kg/m3,表明氣泡上行,催化劑下行,為脫氣區(qū);C1～C2截面間催化劑密度由680 kg/m3增至850 kg/m3,說(shuō)明催化劑產(chǎn)生堆積,催化劑流態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫^(guò)渡填充流態(tài);C2～C3截面間催化劑表觀密度由850 kg/m3降至520 kg/m3,說(shuō)明催化劑流態(tài)由過(guò)渡填充流態(tài)轉(zhuǎn)變密相流態(tài)化;C3～C4截面間催化劑表觀密度變化不大。工況Ⅱ時(shí),C0～C2截面間催化劑表觀密度的變化情況與工況Ⅰ時(shí)相同,C2～C3截面間催化劑表觀密度由850 kg/m3降至480 kg/m3。

圖8 再生立管催化劑表觀密度變化曲線(xiàn)Fig.8 Catalyst apparent density curves in the regenerated standpipe

2.3 氣-固兩相運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及對(duì)反應(yīng)溫度的影響

對(duì)于FCC催化劑顆粒,當(dāng)床層表觀速度(uf)大于初始鼓泡速度(umb)時(shí),床層內(nèi)出現(xiàn)氣泡,除umb的氣體使床層呈現(xiàn)散式流化外,超過(guò)的(uf-umb)氣量在床層內(nèi)以氣泡相存在,氣泡相以外為散式流化的顆粒乳化相。立管內(nèi)氣泡的運(yùn)動(dòng)方向取決于氣泡和乳化相的相對(duì)速度,當(dāng)氣泡上升速度大于乳化相下行速度時(shí),氣泡穿過(guò)乳化相上行,否則氣泡向下運(yùn)行。但斜管內(nèi)氣泡的流動(dòng)方式與立管不同:當(dāng)催化劑循環(huán)強(qiáng)度比較低時(shí),斜管內(nèi)受重力的影響氣-固兩相流易產(chǎn)生分層流,即氣泡沿斜管上部上行,催化劑貼近斜管下部下行;當(dāng)催化劑循環(huán)強(qiáng)度比較高時(shí),催化劑夾帶氣體快速下行[23-25]。

圖9為再生立管內(nèi)氣泡運(yùn)行狀態(tài)示意圖。依據(jù)流態(tài)將立管內(nèi)氣-固流動(dòng)劃分為A、B和C區(qū):A區(qū)為密相流化區(qū),氣泡在負(fù)壓差作用下沿斜管上部上行,氣泡來(lái)源為脫除的催化劑夾帶的煙氣和C1截面通入的松動(dòng)風(fēng);B區(qū)為過(guò)渡填充流區(qū),乳化相密度接近ρmf,無(wú)氣泡;C區(qū)為密相流化區(qū),由于其上方為高密度催化劑過(guò)渡填充流區(qū),氣泡只能被催化劑攜帶下行。

圖9 再生立管中氣泡流態(tài)Fig.9 Flow patterns of bubbles in the standpipe

若氣泡被攜帶量小于C2和C3點(diǎn)通入的松動(dòng)風(fēng)量,剩余的松動(dòng)風(fēng)就會(huì)在下斜管上部形成大氣泡。根據(jù)顆粒質(zhì)量連續(xù)性方程(Fs=ρp(1-ε)usA)和催化劑表觀密度公式(3),Fs和ρ隨ε增大而減小。當(dāng)ε增大時(shí),Fs和ρ減小,導(dǎo)致反應(yīng)溫度降低,此時(shí)滑閥通過(guò)增大開(kāi)度提高Fs,大氣泡隨催化劑排出再生立管,Fs和ρ增大,反應(yīng)溫度恢復(fù);滑閥關(guān)小后,下斜管內(nèi)再次形成大氣泡,如此往復(fù),操作產(chǎn)生較大的波動(dòng)。當(dāng)下斜管上部氣泡較小時(shí),反應(yīng)溫度和ρ波動(dòng)較小;當(dāng)氣泡較多時(shí),氣泡連通在一起形成分層流,氣泡通過(guò)DI106時(shí)形成連通壓差回零,儀表記錄的催化劑密度顯示值回零,見(jiàn)圖5,但實(shí)際上下斜管下部催化劑是連續(xù)輸送的。

在A區(qū),催化劑密度由550 kg/m3增至850 kg/m3,脫除氣體體積流量(Qd,m3/h)公式為:

式(4)中,ρdense為700℃時(shí)再生器密相床層密度,kg/m3。

1.0 MPa蒸汽流經(jīng)限流孔板的質(zhì)量流量公式[6]為:

式(5)中:W為蒸汽質(zhì)量流量,kg/h;dr為孔板直徑,m;p為蒸汽壓力,Pa;T為蒸汽溫度,℃。

因此,蒸汽體積流量(Q,m3/s)計(jì)算公式為:

由式(4)、(5)和(6)可計(jì)算得到再生立管不同區(qū)域氣泡體積流量,并可計(jì)算不同區(qū)域氣泡表觀速率(ub,m/s)。其計(jì)算公式為:式(7)中,A為立管橫截面積,m2。

由圖9再生立管不同區(qū)域氣泡的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析可知:A區(qū)氣泡運(yùn)動(dòng)方向向上,氣泡體積流量包括催化劑脫除的氣體體積流量(Qd)和C1截面通入的松動(dòng)風(fēng)流量(QC1);B區(qū)為填充流區(qū),無(wú)氣泡,流量為零;C區(qū)氣泡體積流量包括C2與C3截面通入的松動(dòng)風(fēng)流量QC2和QC3,2種工況下B區(qū)的催化劑都是密實(shí)狀態(tài),C區(qū)氣泡無(wú)法上行,故其運(yùn)行方向向下。表3為再生立管不同區(qū)域氣泡流量和速率。

表3 再生立管內(nèi)的氣泡參數(shù)Table 3 Parameters of bubbles in the standpipe

再生立管不同截面催化劑表觀速率(us(Ci),m/s)公式為:

表4 再生立管內(nèi)催化劑下行速率Table 4 Catalyst velocities in the standpipe

圖10為2種工況下再生立管內(nèi)催化劑和氣泡的速率分布。工況Ⅰ時(shí),催化劑從C區(qū)帶離的松動(dòng)風(fēng)體積流量(Qvalve,m3/h)計(jì)算公式為:式中:ρvalve為再生滑閥前的催化劑平均密度(DI106),kg/m3;ρmf為B區(qū)催化劑密度,約850 kg/m3。催化劑密度由850 kg/m3降至620 kg/m3時(shí),攜帶離開(kāi)的氣泡體積流量為366.6 m3/h,遠(yuǎn)小于C區(qū)通入的松動(dòng)風(fēng)總量681 m3/h,剩余的松動(dòng)風(fēng)聚集成為段塞氣泡(Slug)較大,如圖10(a)。大氣泡影響空隙率和催化劑循環(huán)量,造成反應(yīng)溫度和斜管內(nèi)催化劑密度大幅度波動(dòng)。

圖10 再生立管內(nèi)氣泡和催化劑的速度分布Fig.10 Velocity profiles of bubbles and catalyst in the standpipe

對(duì)于工況Ⅱ,催化劑密度由850 kg/m3降至410 kg/m3時(shí),攜帶離開(kāi)的氣泡體積流量為606 m3/h,接近C區(qū)通入的松動(dòng)風(fēng)流量,剩余松動(dòng)風(fēng)形成的段塞氣泡(Slug)較小,如圖10(b),反應(yīng)溫度和催化劑表觀密度波動(dòng)較小。

因此,再生立管下部氣泡聚集影響催化劑空隙率和催化劑循環(huán)量,是導(dǎo)致反應(yīng)溫度波動(dòng)的主要原因。再生立管下部松動(dòng)風(fēng)流量的控制應(yīng)保證立管下部氣泡速率低于乳化相的下行速率,多余氣泡盡量被催化劑全部帶離再生立管進(jìn)入提升管。操作調(diào)整時(shí)應(yīng)注意:若反應(yīng)溫度大幅度波動(dòng),說(shuō)明再生立管下部催化劑被過(guò)度流化,應(yīng)根據(jù)催化劑循環(huán)量和斜管催化劑密度,定量計(jì)算并減少多余的松動(dòng)風(fēng)量;若反應(yīng)溫度穩(wěn)定,但立管壓力梯度降低,或滑閥開(kāi)度增大,說(shuō)明立管下部催化劑形成了填充流,應(yīng)適當(dāng)增大再生立管下部松動(dòng)風(fēng)量,防止滑閥開(kāi)度過(guò)大。

3 結(jié) 論

在1.0 Mt/a FCC裝置上,通過(guò)測(cè)量再生立管軸向壓力分布,分析再生立管內(nèi)催化劑密度和反應(yīng)溫度的變化,得出以下結(jié)論:

(1)立管軸向壓力分布是立管內(nèi)催化劑流動(dòng)狀態(tài)的宏觀反映。該裝置再生立管內(nèi)出現(xiàn)了不同的催化劑流態(tài)組合,其中,上、下斜管內(nèi)的催化劑流態(tài)為密相流化,中部直管段為過(guò)渡填充流。

(2)該裝置再生立管A區(qū)為脫氣區(qū);B區(qū)由于松動(dòng)風(fēng)量不足形成過(guò)渡填充流;C區(qū)通入了過(guò)量的松動(dòng)風(fēng)?；y前大氣泡的形成改變了催化劑空隙率與催化劑循環(huán)量,是下斜管內(nèi)催化劑密度和反應(yīng)溫度產(chǎn)生波動(dòng)的根本原因。

(3)再生立管軸向氣泡的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)取決于松動(dòng)風(fēng)流量和催化劑循環(huán)量,在操作調(diào)整時(shí),應(yīng)核算氣泡相和乳化相的運(yùn)動(dòng)速度,避免過(guò)度松動(dòng)。

(4)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù),建立了一種工業(yè)FCC裝置組合再生立管流態(tài)模型,可以用于再生立管流化問(wèn)題的判斷和操作調(diào)整。