連續(xù)重整催化劑提升管道設(shè)計(jì)探討

曹來(lái)宗

(中石化洛陽(yáng)工程有限公司，河南　洛陽(yáng)　471003)

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化工機(jī)械

連續(xù)重整催化劑提升管道設(shè)計(jì)探討

曹來(lái)宗

(中石化洛陽(yáng)工程有限公司，河南洛陽(yáng)471003)

石化連續(xù)重整裝置反應(yīng)部分催化劑采用含有鉑的催化劑，催化劑的再生是重整裝置的核心部分。催化劑提升管道為氣固輸送過(guò)程，輸送過(guò)程的壓降、催化劑和彎管的磨損是管道設(shè)計(jì)優(yōu)劣的兩個(gè)重要指標(biāo)。結(jié)合長(zhǎng)慶重整裝置，通過(guò)分析立管、斜管和彎管處的壓降，研究催化劑與彎管磨損的主要影響因素，對(duì)重整催化劑提升管管道設(shè)計(jì)提出合理建議。

催化劑提升；氣力輸送；壓降；磨損

目前連續(xù)重整過(guò)程催化劑再生循環(huán)工藝以美國(guó)UOP-CCR和法國(guó)AXENS-CCR催化劑循環(huán)工藝最為典型，還有近年由LPEC開發(fā)的超低壓連續(xù)重整技術(shù)。三者相同之處在于均采用氣力提升技術(shù)；不同之處主要在于反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)布局：UOP反應(yīng)器采用重疊布置，AXENS反應(yīng)器采用并列布置，LPEC反應(yīng)器采用兩兩疊加。本文結(jié)合長(zhǎng)慶60萬(wàn)噸/年連續(xù)重整項(xiàng)目，通過(guò)對(duì)法國(guó)AXENS連續(xù)重整催化劑提升管的分析，為提升管的布置提供參考。

1　催化劑循環(huán)

催化劑在再生器內(nèi)依次流過(guò)一段燒焦區(qū)、二段燒焦區(qū)、氧氯化區(qū)以及焙燒區(qū)后，流入第一下部料斗，并用氮?dú)夥创狄猿ニ鶌A帶的氧氣，下流入第一提升器，同樣在密封氮?dú)獾奶嵘逻M(jìn)入第一反應(yīng)器上部的第一上部料斗，然后在還原室中被熱氫氣還原后，進(jìn)入第一反應(yīng)器。在各個(gè)反應(yīng)器之間由循環(huán)氫氣提升，第四反應(yīng)器內(nèi)的催化劑靠自身重力下流至催化劑第五下部料斗，提升氮?dú)庥傻獨(dú)鈮嚎s機(jī)升壓，通過(guò)一次和二次氣量調(diào)節(jié)將催化劑提升至再生器上部緩沖器，由r射線料位儀監(jiān)測(cè)催化劑料位，當(dāng)料位達(dá)一定高度時(shí)，啟動(dòng)特殊球閥及特殊閘閥，將催化劑放入閉鎖料斗。特殊球閥僅隔斷催化劑不隔斷氣體，特殊閘閥隔斷氣體。閉鎖料斗中催化劑被升壓至與再生器壓力一致后，在定時(shí)器的控制下連續(xù)送入再生器進(jìn)行燒焦再生，從而完成整個(gè)催化劑的循環(huán)，具體催化劑循環(huán)見(jiàn)圖1。

圖1催化劑循環(huán)示意圖

在催化劑循環(huán)流程中，有兩個(gè)獨(dú)立的氣體提升系統(tǒng)：

(1)氮?dú)馓嵘到y(tǒng)

在反應(yīng)器再生器之間的催化劑輸送均采用密閉的氮?dú)馓嵘龤猓@樣可以有效地起到安全隔離作用。氮?dú)獾难h(huán)使用，可降低公用工程的消耗。

(2)氫氣提升系統(tǒng)

在反應(yīng)器之間的催化劑輸送利用重整生產(chǎn)的氫氣從再接觸罐出口引出一部分氫氣進(jìn)行提升，由二次氫氣量調(diào)節(jié)提升量。氫氣作為提升氣，使反應(yīng)物一直處在氫氣環(huán)境下，不影響反應(yīng)系統(tǒng)的正常操作。提升氫氣混入反應(yīng)物流，還可起到調(diào)節(jié)反應(yīng)入口氫分壓的作用。

2　氣力輸送基本原理

當(dāng)固體顆粒從靜止?fàn)顟B(tài)在空氣中自由下落時(shí)，由于受到重力的作用，下落速度將愈來(lái)愈快，同時(shí)，物體受空氣的阻力亦逐漸增大。當(dāng)物體的自重G以及物體在空氣中受到的浮力F1和阻力F2，按下列關(guān)系達(dá)到平衡時(shí)，即；

G=F1+F2

則物體將因慣性作用而以勻速V1向下沉降，這一速度就叫做沉降速度。

如果固體顆粒沉降速度為V1的物體，放在垂直向上的速度為V2的均勻氣流中，則物體運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)速度V將為：

V=V1-V2

此時(shí)，如果V1=V2，則物體的絕對(duì)速度V=0，即物體在氣流中停在原處，既不上升，也不下降。通常將這時(shí)的氣流速度稱為物體的懸浮速度。物體的懸浮速度在數(shù)值上與沉降速度相等，V1=V2。由此可見(jiàn)，當(dāng)物體處在大于其懸浮速度的氣流中時(shí)，則物體將被氣流帶動(dòng)。

3　催化劑輸送管道壓降

長(zhǎng)慶連續(xù)重整催化劑提升管線布置見(jiàn)圖2，從圖2可以看出，催化劑提升管線壓降主要體現(xiàn)在：垂直管道壓降、傾斜管道壓降、彎管局部阻力損失。

圖2　長(zhǎng)慶重整催化劑提升管道布置

3.1垂直管道壓降

垂直管道壓降可以分為加速段和勻速段。

顆粒勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，垂直稀相輸送過(guò)程直管段的壓降主要由顆粒重力引起的壓降ΔP1和氣固摩擦引起的壓降ΔP2[1]。

ΔP=ΔP1+ΔP2

(1)

式中：ρg、ρs——輸送氣和顆粒密度

ug、us——輸送氣和顆粒群的實(shí)際速度

fg、fs——?dú)怏w和顆粒的摩擦阻力系數(shù)

h，D——輸送管高度和直徑

ε——輸送過(guò)程的孔隙率

加速段壓降，包括顆粒重力引起的壓降ΔP1、氣固摩擦引起的壓降ΔP2、加速顆粒過(guò)程所產(chǎn)生的壓降ΔP3[1]，即：

Δp=Δp1+Δp3+Δp3

(2)

式中：usc——加速終止時(shí)顆粒群的運(yùn)動(dòng)速度

ug0——輸送氣入口處速度

3.2傾斜管道壓降

在傾斜安裝的輸送斜管內(nèi)，單位長(zhǎng)度上的壓降比垂直管道要大。由于傾斜安裝的輸送管內(nèi)，因重力作用使固體顆粒存在明顯偏流，使得氣固兩相流變得十分復(fù)雜，很難建立斜管輸送過(guò)程的定量描述方程。然而通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在傾斜安裝的輸送管內(nèi)單位長(zhǎng)度上的壓降與垂直管中的單位長(zhǎng)度壓降成正比[1]，即：

(3)

大量實(shí)驗(yàn)表明：45°斜管內(nèi)壓降之比為2.8。

3.3彎管局部壓力損失

催化劑輸送過(guò)程中，通常需要用彎管將不同位置和平面的設(shè)備聯(lián)系起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)催化劑的輸送。經(jīng)過(guò)彎管的氣固兩相間的壓降計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜，工程實(shí)踐中通常將它與垂直管道的壓降進(jìn)行比較，然后根據(jù)當(dāng)量壓降比值計(jì)算彎管處的壓降。例如：對(duì)于135°上彎頭的當(dāng)量壓降比值為1.6[1]，即：

(4)

3.4減小輸送壓降措施

(1)減少?gòu)澒軘?shù)量。彎管的局部阻力損失要比直管大，因此應(yīng)該盡可能減少?gòu)澒艿氖褂脭?shù)量。從圖2可以看出長(zhǎng)慶連續(xù)重整催化劑從第四下部料斗提升到再生上部料斗使用了四段彎管，反應(yīng)器下部料斗與上部料斗之間使用了兩端彎管。

(2)輸送管道應(yīng)該盡可能短。從式(1)、(2)、(3)、(4)分析可知：管道長(zhǎng)度越大，管道壓降就越大。

(3)增加管道內(nèi)壁光滑度。管道粗糙度越大，顆粒與管道內(nèi)壁的摩擦系數(shù)就越大，造成的壓降也就越大。

(4)彎管前應(yīng)留有一定長(zhǎng)度的直管段。氣力輸送分為加速段和勻速段，如果直接連接彎管，加速段沒(méi)有達(dá)到預(yù)定速度，就容易造成管道堵塞。

(5)降低輸送風(fēng)速度。從壓降三個(gè)關(guān)系式可以看出，輸送風(fēng)速度越高，壓降就越大，因此降低風(fēng)速可以減小壓降損失。長(zhǎng)慶連續(xù)重整總提升風(fēng)速為3 m/s。

(6)彎管曲率半徑盡可能大。彎管曲率半徑越大，越接近直管，因而壓降就越小。AXENS工藝包要求提升管線傾斜度不小于60°，長(zhǎng)慶重整選用60°，曲率半徑為1800 mm的彎管。

4　催化劑磨損及彎管磨損

連續(xù)重整催化劑提升系統(tǒng)中，催化劑顆粒經(jīng)過(guò)彎管時(shí)，其運(yùn)動(dòng)形式既有滾動(dòng)又有滑動(dòng)，同時(shí)催化劑顆粒之間及顆粒與管道之間還發(fā)生碰撞。通常彎管磨損量可表示為：

彎管磨損量=kvn

(5)

式中：n——隨彎管材料而定，一般為2～3[2]

連續(xù)重整催化劑為價(jià)格昂貴的貴金屬催化劑，因而減少催化劑磨損率是催化劑提升管道設(shè)計(jì)考慮的一個(gè)重要因素。根據(jù)力學(xué)和摩擦學(xué)原理，催化劑的磨損比主要與顆粒的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，并與顆粒速度成冪指數(shù)關(guān)系，即[1]：

(6)

式中：K，m——磨損比例系數(shù)和磨損指數(shù)因子

εg——系統(tǒng)孔隙率

ug、ut——輸送氣表觀氣速和顆粒終端速度

4.1催化劑及彎管磨損主要影響因素

(1)輸送氣流速度對(duì)磨損的影響：磨損是粒子與管道內(nèi)壁摩擦或撞擊造成的，顆粒速度越大，撞擊或摩擦的能量就越高，磨損就越嚴(yán)重。從(5)和(6)分析可知物料輸送速度越大，彎管與催化劑磨損就越嚴(yán)重，但是如果輸送氣流速度太低，就會(huì)造成輸送管堵塞。

(2)彎管結(jié)構(gòu)對(duì)磨損的影響：彎管曲率半徑與管道直徑之比(R/D)對(duì)磨損的影響很大。傳統(tǒng)理論認(rèn)為彎管曲率半徑越大，彎管越趨向于直管，因此彎管壓降和磨損就越小。但是Mason彎管驗(yàn)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，物料經(jīng)過(guò)彎管時(shí)，會(huì)在內(nèi)壁外側(cè)和內(nèi)側(cè)彈跳，每個(gè)磨損點(diǎn)意味著能量的損失和物料的破碎。一般情況下，長(zhǎng)半徑彎管曲率半徑越大，撞擊點(diǎn)就越多，能量損失就越大，磨損越嚴(yán)重[3]。

4.2減小管道及催化劑磨損措施

(1)物料輸送速度越大，彎管與催化劑磨損就越嚴(yán)重，因此輸送速度應(yīng)在盡可能低的氣速下進(jìn)行，但是如果輸送氣流速度太低，就會(huì)造成輸送管堵塞。實(shí)踐證明，催化劑的顆粒提升速度應(yīng)小于2 m/s。

(2)彎管對(duì)催化劑磨損影響比較大，因此應(yīng)該盡可能減少?gòu)澒軘?shù)量，從圖2可以看出長(zhǎng)慶連續(xù)重整催化劑從第四下部料斗提升到再生上部料斗使用了四段彎管，反應(yīng)器下部料斗與上部料斗之間使用了兩端彎管。

(3)長(zhǎng)半徑彎管曲率半徑越大，撞擊點(diǎn)就越多，能量損失就越大，磨損越嚴(yán)重。因此如果僅從磨損方面考慮，應(yīng)該減小彎管的曲率半徑。

(4)彎管及管道粗糙度越大，催化劑與管道的磨損就越嚴(yán)重，因此催化劑輸送管線內(nèi)壁應(yīng)該盡可能的光滑，以減少摩擦磨損。

5　結(jié)　論

催化劑氣力輸送是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，優(yōu)化配管布置，盡可能降低催化劑和管道的磨損，以及降低管道壓降是布置管道的兩個(gè)重要指標(biāo)。通過(guò)壓降與磨損的分析，提出以下建議：

(1)催化劑輸送管道應(yīng)該盡可能短，這樣可以有效減小壓降和減少催化劑與管道的磨損。

(2)盡量減少?gòu)澒艿臄?shù)量，并且要選用曲率半徑大和小于90°的彎管，R/D>6[4]，但曲率半徑過(guò)大會(huì)造成彎管磨損嚴(yán)重，因此彎管R/D(R為彎管曲率半徑；D為輸送管直徑)應(yīng)該在一個(gè)合理范圍內(nèi)。

(3)催化劑輸送管道內(nèi)壁應(yīng)盡可能光滑，這樣可以有效減小摩擦系數(shù)。

(4)催化劑輸送管道由于磨損比較嚴(yán)重，出于安全考慮，常選用厚壁管。長(zhǎng)慶項(xiàng)目選用DN80，壁厚為SCH160的合金鋼鋼管。

(5)催化劑輸送管道在彎管前應(yīng)該留一定長(zhǎng)度的直管段，這樣可以避免管道堵塞。

(6)氣固輸送會(huì)產(chǎn)生管道震動(dòng)，因此要根據(jù)支撐點(diǎn)合理設(shè)置支架。

[1]徐承恩.催化重整工藝與工程[M].北京:中國(guó)石化出版社,2006:470-474.

[2]李志華,金秋華.氣力輸送系統(tǒng)中彎管磨損分析及應(yīng)對(duì)措施[J].硫磷設(shè)計(jì)與粉體工程,2007(1):20-23.

[3]李勇,朱秀蘋.氣力輸送中影響彎管磨損的因素及解決方法[J].水泥工程,2008(1):44-47.

[4]唐國(guó)俊,李建鑌.橡膠機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1997:250-256.

Study on the Design of CCR Catalyst Lifting Pipeline

CAOLai-zong

(Luoyang Petrochemical Engineering Corporation, Sinopec, Henan Luoyang 471003, China)

Catalyst containing platinum is used in reaction unit of CCR. The regeneration of the catalyst is the key part of the CCR. Catalyst lifting about CCR is a gas-solid conveying process. The pressure drop, the abrasion of the catalyst and the bend pipe are two important indexes in the pipeline design. Based on the Changqing CCR project, according to the pressure drop analysis of the riser tube, the inclined tube and the bend, researching of the main influence factors about the catalyst abrasion, the designing of catalyst riser pipe was proposed.

the lifting of catalyst; pneumatic conveying; the pressure drop; the abrasion

曹來(lái)宗(1983-)，男，工程師，主要管道設(shè)計(jì)。

TQ914.1

B

1001-9677(2016)010-0175-03