FCC沉降器內部空間壓力分布的數值模擬

孫文英，劉曉欣，王仲霞，嚴超宇

（1.中國石油大學（北京）化學工程學院，北京102249；2.中國石化石家莊煉化分公司）

沉降器是催化裂化裝置（FCCU）的重要組成部分，是油氣和催化劑進行分離和汽提的場所。沉降器操作中要求油氣和催化劑快速分離，并將分離出的油氣快速引出，實現催化劑的高效汽提，從而縮短高溫油氣在沉降器空間內的停留時間，防止輕質油氣組分過度裂化，進而減少輕質油損失，以及避免重質油結焦［1－2］。進入沉降器的物流主要有提升管反應油氣及其攜帶的待生催化劑、汽提蒸汽、防焦蒸汽，這些物流在沉降器內的流動狀態決定著沉降器內的壓力分布，而壓力分布又直接影響到沉降器內的油氣流動狀態和停留時間［3－5］。例如頂部旋風分離器（頂旋）是進行油氣和催化劑分離操作的場所，內部空間是一個壓力相對較低的區域，但收集的催化劑需要從頂旋料腿排入壓力相對較高的沉降器空間。若沉降器內的壓力平衡出問題，或頂旋料腿內的顆粒質量流率比較小，就會造成料腿內的料封高度不夠，使沉降器內的油氣反竄進入料腿，一方面影響頂旋的分離性能，另一方面造成頂旋翼閥的沖蝕磨損［6－7］。本課題采用Fluent計算軟件，建立沉降器區域全尺寸結構化計算模型并進行數值模擬，重點分析沉降器內油氣流動狀況及壓力分布的特點，以及頂旋和料腿區域內的壓力分布特點，為沉降器系統的設計和操作提供依據。

1 沉降器結構和網格劃分

圖1為國內某煉油廠1.40Mt/a催化裂化裝置的沉降器結構和網格劃分示意。沉降器高20m，直徑6m。提升管反應器內置在沉降器內部，提升管出口直聯一級旋風分離器（粗旋）。該沉降器采用包含3個粗旋和3個二級旋風分離器（頂旋）的分離系統，兩級旋風分離器之間采用口對口式連接。粗旋內徑1 328mm，頂旋內徑1 280mm。粗旋入口中心線離頂旋入口中心線的距離為4 569mm。提升管內的油氣進入粗旋，經初級分離后，油氣從粗旋出口排出進入沉降器空間，再進入頂旋進行二級分離，最后油氣從頂旋出口排出沉降器進入后續流程。分離后收集的待生催化劑進入沉降器下部的汽提器，經過汽提蒸汽汽提后從下部排出。而汽提蒸汽將催化劑顆粒之間的油氣和顆粒內部的油氣汽提置換出來后進入沉降器空間，與油氣混合后進入頂旋。

由于沉降器內部空間區域的油氣流動互相密切關聯，只有同時計算才能反映油氣在整個沉降器內部真實的流動情況。在空間區域離散化過程中，對所有區域均采用結構化網格，網格單元數為1.2×106個。

圖1 沉降器結構及網格劃分

2 計算模型和計算參數

計算采用Fluent 6.2流體計算軟件，湍流模型采用Reynolds應力輸運模型（RSM）。速度邊界條件的入口速度分別取提升管提升氣速和汽提段蒸汽表觀氣速，頂旋升氣管內流動狀態已趨于穩定，故設定壓力出口邊界條件。粗旋料腿的出口設為敞口。頂旋料腿的出口安裝翼閥，出口為封閉狀態，其余部分則設定固壁邊界條件。

在沉降器汽提段的表觀氣速為0.2m/s、頂旋出口的表壓為150kPa、沉降器系統內溫度為470℃、高溫油氣為流動介質［密度2.40kg/m3，黏度1.27×10－5kg/（m·s）］的條件下設置提升管出口氣速分別為12，15，18，20m/s，計算結果表明，在出口氣速為18m/s時模擬操作數據與實際生產工況的操作數據吻合，因此采用提升管出口氣速18m/s作為入口邊界條件。

3 結果與討論

3.1 沉降器內部壓力分區

根據計算結果，沉降器內部壓力分布大致可以分為3個壓力區域：高壓區，中壓區，低壓區。頂旋的內部壓力低于沉降器空間壓力，屬于低壓區，其平均壓力為152kPa；沉降器的空間壓力低于粗旋內部壓力，屬于中壓區，其平均壓力為155kPa；粗旋及提升管反應器的內部壓力最高，屬于高壓區，其平均壓力為156kPa。由于沉降器內部大空間的上升氣速比較低，可以認為整個沉降器空間的壓力一致，這樣沉降器各個壓力區之間的壓差主要是旋風分離器的壓降。高壓區與中壓區之間的壓差是粗旋的壓降，而中壓區與低壓區之間的壓差是頂旋的壓降。

圖2為沉降器粗旋－頂旋中心縱截面的流場分布。沉降器內的壓力分布［見圖2（a）］決定著油氣的流動方式。粗旋在高壓下操作，頂旋在低壓下操作，因此在壓力的推動作用下，油氣從粗旋排氣管排出進入沉降器空間，然后再進入頂旋。從圖2（b）中可以看出，旋風分離器內的氣體速度較高，沉降器空間區域的流速很低，約為1.00m/s。由于壁面效應，在粗旋外壁和沉降器器壁附近某些區域的流速低于沉降器空間內的流速，形成了器壁附近的滯留層，使重質油顆粒易于沉積和滯留，最后形成結焦。

圖2 沉降器粗旋－頂旋中心縱截面的流場分布

3.2 粗旋出口－頂旋入口附近的流場

圖3為粗旋出口－頂旋入口處的流場分布。沉降器內的粗旋和頂旋是口對口式連接，流場如圖3（a）所示，粗旋出口的油氣高速進入頂旋入口。口與口之間的流體主要是粗旋的油氣，而口與口之間的間隙是汽提油氣、防焦蒸汽和粗旋料腿排出油氣的入口，這幾部分的氣體匯集粗旋出口的油氣一同低速進入頂旋。提升管反應器進氣量為112t/h，汽提油氣約占進氣量的4%，防焦蒸汽約占進氣量的3%，粗旋料腿排出量約占進氣量的0.8%。最終進入頂旋進行二次分離的氣體流量Q3為沉降器空間內油氣量Q2與粗旋出口噴射出的大部分油氣流量Q1之和，見圖3（b）。

圖3 粗旋出口－頂旋入口處的流場分布

圖3（c）是粗旋出口－頂旋入口處的壓力分布縱向截面圖。粗旋出口的平均壓力p1＝154.8 kPa，沉降器空間內的壓力p2＝155.1kPa，頂旋入口處壓力p3＝154.5kPa，p1與p2均大于p3。在這個壓力場的作用下，油氣由粗旋出口噴出后進入壓力較低的頂旋入口，同時沉降器空間的油氣也一同進入頂旋內。

3.3 頂旋的流場

頂旋出口是沉降器的出口，頂旋料腿出口置于沉降器的空間內，下面安裝有翼閥。從圖2可以看出，頂旋內流場具有典型的旋風分離器流場特征，是一個雙層漩渦結構，外層是旋轉向下的外旋流，內部是旋轉向上的內旋流，有一定的徑向速度。這個流場結構決定了旋風分離器內的壓力最低點在中心區域。由于料腿的入口位于旋風分離器中心，導致料腿內的壓力低于沉降器空間的壓力，兩者的壓力差是料腿排料的負壓差。這個負壓差需要在料腿內建立起一定高度的密相床來平衡，即在底部翼閥處形成一個料位靜壓。當這個靜壓值高于外部沉降器空間的壓力時，自動打開翼閥閥板排料；當靜壓值低于外部沉降器空間的壓力時，顆粒繼續蓄壓，增加底部的靜壓，直到高于翼閥閥板外的壓力值，才開始排料。

在實際的操作過程中，尤其是頂旋的入口濃度比較小時，導致料腿內的顆粒質量流率比較低，難以建立起有效的密相床，或密相料封高度不夠，在出口處形成半管排料，就會產生漏風現象，翼閥外部的油氣在負壓差作用下通過翼閥進入料腿。這種漏風會影響料腿的排料，降低旋風分離器的分離效率，增加催化劑的跑損，漏風還會夾帶催化劑顆粒，形成對旋風分離器翼閥閥板的沖蝕磨損，從而進一步破壞翼閥的密封性能，加劇漏風量。

3.4 油氣沿程的壓力分布

圖4 油氣沿程的壓力分布

沉降器內部的壓力分布決定著各部分油氣和蒸汽的流動路線和速度。圖4是計算的各部分油氣的沿程壓力分布和路線長度。從圖4可以看出，提升管出口油氣的壓降主要產生在粗旋和頂旋上，沉降器內上升油氣的壓降主要產生在頂旋上，但是油氣流動路線的長度有很大的不同。油氣由提升管反應器進入粗旋后經由粗旋分離進入頂旋，整個路程長度約為10m，停留時間比較短。而蒸汽汽提油氣經過沉降器的大空間緩慢上升進入頂旋，整個路程長度約為27m，停留時間比較長，容易造成結焦現象。

4 結 論

FCC沉降器內空間按壓力數值大小可以分為高壓區（粗旋及提升管內部區域）、低壓區（頂旋內部區域）和中壓區（沉降器空間）。這種壓力分布的形式決定著油氣的流動路線和速度，油氣運動過程中壓降主要發生在頂旋和粗旋上，而頂旋料腿的壓力低于沉降器空間內壓力，形成了負壓差。

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