小型固定流化床評價裝置的改造和調試

張遠文，高明軍，譚映臨，崔曉珊，于維釗，張新功，葉 紅

(青島惠城環保科技股份有限公司，山東 青島 266500)

催化裂化是重質油輕質化的一個重要加工過程，而催化裂化催化劑的好壞關系到裝置的盈利水平，如何在實驗室對其性能進行準確地評價尤為關鍵。目前常用的評價裝置有MAT輕油微反裝置、重油微反裝置、FFB小型固定流化床裝置和ACE流化催化裂化評價裝置等[1]，其中FFB小型固定流化床在國內的應用非常廣泛，在催化裂化催化劑的實驗室評價、催化裂化原料油的性能評價、催化裂化反應機理的測試等方面發揮著重要的作用[2]。

青島惠城環保科技股份有限公司在2018年下半年采購了一臺FFB小型固定流化床評價裝置，在調試驗收過程中發現了一些問題，通過摸索改造解決了相關問題，現對其進行匯總和分析，對于今后的FFB小型固定流化床設備改造與操作應用具有參考和借鑒意義。

1 FFB裝置概況

1.1 裝置工藝流程簡介

裝置包括控制系統、進氣系統、進料系統、進水系統、反應系統、再生系統、收集系統及檢測系統等8部分，具體見圖1。裝入固定反應器中的催化劑由空氣流化、加熱至一定溫度后改由水蒸氣流化，待反應器被電加熱爐加熱至預定的反應溫度后，根據催化劑裝量和所需劑油比、空速確定原料油進料量和進油時間。原料油注入預熱器預熱后進入反應器進行反應，反應后的產物及隨后的汽提水蒸氣進入冷卻系統冷卻，經分離、計量、取樣、分析，可分別得到氣體和液體產物的總量和產物分布。反應結束后，反應器自動升溫至再生溫度，經質量流量計控制計量的氧氣進入反應器進行催化劑再生，再生煙氣中的CO經轉化爐完全轉化成CO2，經CO2紅外光譜分析儀實時測得煙氣中CO2的濃度，根據該濃度和氧氣實時流量，由計算機進行積分處理后得到總碳量，進而得到物料平衡數據。再生結束后，反應器自動降溫至反應溫度，預備下一次反應-再生周期。反應-再生始終在同一固定反應器內交替進行，反應器中的催化劑一直處于流化狀態。

圖1 FFB小型固定流化床工藝流程

煉廠氣由配有五閥七柱的賽默飛Trace1310 氣相色譜儀分析，液體產物由裝有2887色譜柱的賽默飛Trace1310 色譜儀分析，再通過模擬蒸餾分析獲得汽油、柴油及重油的組成。再生煙氣由華分賽瑞SR-200型CO2紅外光譜氣體分析儀在線測定。

1.2 驗收試驗

1.2.1 驗收條件結合實驗室在用的一套舊裝置的實驗數據和相關文獻[3-4]，并根據裝置生產廠家的企業標準及技術協議要求進行多組重復性試驗。要求兩種油樣分別進行3次試驗，物料平衡均達到97%以上，且至少有兩次結果符合以下指標：平行樣氣體產率誤差在±0.5%范圍，平行樣汽油產率誤差在±0.75%范圍，平行樣柴油產率誤差在±0.5%范圍，平行樣焦炭產率誤差在±0.3%范圍。

1.2.2 評價條件反應原料為原料油A和原料油B，催化劑為工業催化裂化平衡劑，催化劑藏量為180 g。催化劑評價條件為：原料油預熱溫度380 ℃，反應溫度510 ℃，質量空速20 h-1，再生溫度600～660 ℃，劑油質量比分別為4，6，8。

1.2.3 驗收用油及平衡劑數據表1為試驗原料油的性質，表2為平衡劑的性質。

表1 原料油性質

表2 平衡劑的性質

2 驗收中發現的問題及解決方法

驗證試驗中發現產物分布重復性差、焦炭產量穩定性差、液化氣和丙烯產率高的問題，據此對裝置進行了改造。

2.1 產物分布的重復性差

試驗過程中發現：密度較小的原料油A在劑油質量比為4時，平行試驗各產物分布誤差滿足設計指標要求，但隨著劑油比增大，平行試驗產物分布的重復性變差，而對密度較大的原料油B，即使在低劑油質量比為4時，平行試驗數據也很難滿足誤差要求，具體見表3。

表3 平行試驗的產物分布誤差 w，%

注：平行試驗誤差指平行試驗的兩組數據相減的差。

多組試驗后，拆下預熱器與反應器的連接管線，發現存有一些結焦的黑色物質和殘留的油，由某一試驗條件下改造前的CO2積分曲線(見圖2)出現雙頭峰和積分曲線拖尾的現象，分析得出高溫再生時部分殘留的油會隨再生氧氣一起進入反應器，進入反應體系，并隨著試驗次數的逐漸累積，導致產物分布重復性差，且原料油黏度越高該現象越明顯。針對發現的問題，采取了如圖3所示的改造措施：縮短預熱器與反應器連接管線，將預熱器豎立在反應器上方，連接管線長度由85 cm縮短為35 cm。

圖2 連接管線改造前后的CO2積分曲線

圖3 預熱器與反應器連接管線改造示意

裝置改造后又進行了平行試驗驗證，圖2為CO2積分曲線，表4為產物分布誤差。從圖2可以看出，改造后CO2積分曲線明顯改善。從表4可以看出：平行試驗誤差明顯減小，裝置準確性和重復性有較大的提升，但需要進一步查找部分焦炭產率重復性差的原因。

表4 連接管線改造后平行試驗的產物分布誤差 w，%

2.2 焦炭產率穩定性差

裝置再生煙氣中的CO需經CO轉化爐全部轉化為CO2后再通過CO2紅外氣體分析儀進行在線檢測。該方法對氣體流量和含水量有較高要求。原裝置設計中再生煙氣通過脫水罐進行初級脫水后直接通過CO轉化爐，進而通過CO2紅外分析儀檢測分析，進入紅外分析儀的再生煙氣流量僅通過紅外分析儀自帶的轉子流量計調節和控制。

該設計存在以下問題：①再生煙氣脫水、降溫過程不穩定，導致再生煙氣流量波動較大，單純通過轉子流量計很難將進入CO2紅外分析儀的流量穩定控制在0.5 L/min；②CO轉化爐尺寸較小，流量為3 L/min的再生煙氣全部進入CO轉化爐時，不能保證CO全部轉化為CO2；③未完全干燥的再生煙氣會使干燥罐內變色硅膠迅速變紅，增加了氣阻，導致積分曲線延遲、拖尾，進而導致積炭量數據波動。

針對發現的問題，采取了如圖4所示的改造措施：在脫水罐與CO轉化爐間增加煙氣冷凝罐，在冷凝罐下端增加分流針型閥，起到進一步冷凝干燥和煙氣分流排空的作用。

圖4 煙氣冷凝罐改造示意

改造后進行平行試驗，CO2紅外光譜分析儀的轉子流量計能穩定保持在0.5 L/min，平行試驗結果見表5。由表5可以看出，裝置改造后的焦炭產率平行誤差均滿足設計要求。

表5 煙氣冷凝罐改造后平行試驗的產物分布誤差 w，%

2.3 液化氣和丙烯產率高

在相同的評價條件下，對比新舊兩套裝置產物分布情況，具體見表6。由表6可見，新裝置的液化氣和丙烯收率均明顯高于在用的另外一臺舊的固定流化床裝置，也與實際應用數據[5]相距甚遠。

表6 新裝置改造前后及舊裝置在相同操作條件下的試驗數據

對比兩套裝置發現：新裝置的流化壓力為0.007 MPa左右，最大反應壓力為0.018 MPa左右；舊裝置的流化壓力為0.03 MPa左右，最大反應壓力為0.12 MPa，舊裝置的系統壓力明顯高于新裝置。根據理論[6-7]可知：隨反應壓力的增加，液化氣產率和丙烯產率呈線性降低。結合表6可見，新裝置上的液化氣產率明顯高于舊裝置，這會影響今后的催化劑配方篩選工作[8]，因此有必要對設備進行進一步改造，降低液化氣和丙烯產率。

裝置改造措施如下：①金屬燒結過濾管的過濾精度由原15 μm改為5 μm；②縮小反應器出口的冷凝管管徑(由公稱直徑10 mm變為公稱直徑8 mm)。改造后的新裝置流化壓力為0.027 MPa左右，反應時的最高壓力為0.10 MPa。由表6可知，改造后新裝置上的液化氣和丙烯產率有明顯改善。

3 結 論

(1)為了在小型固定流化裝置上得出穩定準確的數據，對裝置的預熱器與反應器的連接方式進行了優化設計，預熱器豎立在反應器上方，并且盡可能地縮短管線長度，能明顯減少未反應的重油組分在管線內的殘留。改造后各產物分布平行樣誤差有明顯改善，裝置準確性和重復性有較大的提升。

(2)煙氣冷凝管的增加，能加強再生煙氣的冷凝效果，保證積炭數據的準確和穩定。改造后的裝置運行平穩，數據重復性高，適應性好。

(3)適當提高系統壓力(控制流化時裝置壓力為0.03 MPa左右，最高反應壓力為0.12 MPa)后的小型固定流化床新評價裝置上的液化氣和丙烯產率明顯降低，產物分布接近舊裝置，如此操作對指導催化劑配方篩選和性能評價對比具有更好的指導意義。