垂直-傾斜組合立管中催化劑下料特征分析

陳曉玲，帕爾哈提·斯地克，趙國君，王雅強(qiáng)，彭 威

(1.中國石油大學(xué)(北京)克拉瑪依校區(qū)，新疆 克拉瑪依 834000；2.中國石油克拉瑪依石化有限責(zé)任公司；3.中國石油大慶石化公司)

流化催化裂化(FCC)裝置是流態(tài)化技術(shù)在石化工業(yè)的典型應(yīng)用之一，裝置的核心是其反應(yīng)-再生系統(tǒng)[1-2]。該反應(yīng)-再生系統(tǒng)由反應(yīng)器、再生器和循環(huán)立管組成，催化劑在反應(yīng)-再生系統(tǒng)中沿著一個(gè)回路循環(huán)流動(dòng)。循環(huán)立管有兩個(gè)作用：一是將催化劑從高處的低壓端輸送至低處的高壓端，為負(fù)壓差操作；二是保持催化劑循環(huán)回路的壓力平衡，防止發(fā)生油氣互竄[3-4]。催化劑顆粒逆壓力梯度流動(dòng)，使其流態(tài)呈現(xiàn)多樣性和多變性[5-6]，易引發(fā)下料不暢、壓力異常、催化劑架橋、氣體倒竄等一系列問題，直接影響油氣的裂化反應(yīng)和催化劑再生，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致裝置停工[7-9]。因此，立管內(nèi)催化劑的穩(wěn)定輸送對(duì)催化裂化裝置保持長周期運(yùn)行至關(guān)重要。

羅保林等[10]研究發(fā)現(xiàn)：在立管上部的脫氣區(qū)，催化劑顆粒為負(fù)壓差流動(dòng)；在立管下部的持氣段，催化劑顆粒為正壓差流動(dòng)；設(shè)置松動(dòng)風(fēng)可以有效改變垂直立管的壓力分布。張鋒等[11]通過測(cè)量工業(yè)FCC裝置再生斜管軸向壓力分布，對(duì)立管內(nèi)催化劑的流態(tài)進(jìn)行識(shí)別，發(fā)現(xiàn)再生斜管內(nèi)催化劑的流態(tài)依次為流化態(tài)、過渡填充流和填充流。

彭威等[12-13]發(fā)現(xiàn)，立管的幾何結(jié)構(gòu)、滑閥開度、松動(dòng)風(fēng)位置和流量等因素均影響催化劑的輸送性能。目前，對(duì)立管內(nèi)催化劑顆粒的下料狀態(tài)雖已進(jìn)行了大量研究[14-19]，但研究對(duì)象多為單一垂直立管或單一斜管，而對(duì)垂直-傾斜組合立管的研究很少，而垂直-傾斜組合立管恰恰是工業(yè)裝置的常設(shè)形式。為此，本研究以垂直-傾斜組合立管為模型，考察組合立管內(nèi)的催化劑在不同質(zhì)量流率下的流態(tài)和壓力分布特點(diǎn)，以及松動(dòng)風(fēng)位置變化對(duì)立管內(nèi)壓力分布和催化劑狀態(tài)的影響，提高對(duì)垂直-傾斜立管內(nèi)顆粒流動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)，以期為FCC裝置循環(huán)立管內(nèi)顆粒輸送故障的診斷和調(diào)節(jié)提供依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

FCC裝置的反應(yīng)-再生系統(tǒng)和試驗(yàn)垂直-傾斜組合立管結(jié)構(gòu)示意見圖1。其中，循環(huán)立管主要包括再生立管、待生立管、外循環(huán)立管等。如圖1(a)中的紅色箭頭所示，催化劑沿著回路循環(huán)流動(dòng)，包括顆粒的上行部分和下行部分。上行部分主要是指提升管和燒焦罐，下行部分主要是循環(huán)立管、汽提器和外取熱器。

圖1 反應(yīng)-再生系統(tǒng)和垂直-傾斜組合立管結(jié)構(gòu)示意a～f—壓力測(cè)量點(diǎn)； A～C—松動(dòng)風(fēng)噴嘴位置

組合立管主要由下料漏斗、上斜管、中部垂直管、下斜管以及用于控制催化劑質(zhì)量流率的料斗插板閥和立管出口插板閥組成。組合立管高為3.6 m，斜管內(nèi)徑為80 mm，上斜管、下斜管與垂線夾角分別為27°和37°。設(shè)置6個(gè)壓力測(cè)量點(diǎn)，分別為a～f；設(shè)置A，B，C共3個(gè)松動(dòng)風(fēng)噴嘴。

1.2 催化劑性質(zhì)

催化劑選用催化裂化裝置的再生催化劑，由中國石油克拉瑪依石化有限責(zé)任公司提供，其特性參數(shù)見表1。

表1 催化劑的特性參數(shù)

1.3 測(cè)量方法與儀器

試驗(yàn)過程中，催化劑的質(zhì)量流率通過調(diào)節(jié)料斗出口和立管出口處插板閥的開度調(diào)控；立管內(nèi)壓力的測(cè)量系統(tǒng)主要包括多通道模擬信號(hào)采集儀、動(dòng)態(tài)壓力傳感器以及壓力測(cè)量探頭。其中，動(dòng)態(tài)壓力傳感器為北京傳感星空自控有限公司制造的CGYL-300B型高靈敏度微壓差變送器，量程為-5～5 kPa，精度為0.25%。測(cè)量時(shí)，在同一工況下同時(shí)測(cè)量立管6個(gè)測(cè)壓點(diǎn)的動(dòng)態(tài)壓力，測(cè)量時(shí)間為60 s，采樣頻率為200 Hz。

2 結(jié)果與討論

2.1 立管壓力分布

圖2為不同催化劑質(zhì)量流率(Gs)時(shí)組合立管的軸向壓力分布。由圖2可知，立管的軸向壓力隨著催化劑Gs的增大而增大，當(dāng)催化劑Gs大于638 kg/(m2·s)時(shí)，立管內(nèi)壓力增幅減小；在同一催化劑Gs下，立管上部和中部壓力增幅較大，下部增幅減小；當(dāng)催化劑Gs為720 kg/(m2·s)時(shí)，軸向壓力出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)，即壓力不升高反而降低。

圖2 不同催化劑質(zhì)量流率時(shí)立管軸向壓力分布質(zhì)量流率，kg/(m2·s)：■—53； ●—280； ▲—638；a～f—壓力測(cè)量點(diǎn)

立管軸向任意兩截面間的壓降采用式(1)計(jì)算[2]。

Δp=ρp(1-ε)gh±Δpf

(1)

式中：ρp為顆粒密度，kg/m3；ε為空隙率；εmf為初始流化空隙率；ρp(1-ε)gh為靜壓頭，kPa；Δpf為摩擦損失壓降，kPa。當(dāng)催化劑流態(tài)為稀相流化態(tài)時(shí)，ε接近于1，Δp趨近于零；當(dāng)催化劑流態(tài)為流化態(tài)時(shí)，斜管中的空隙率ε大于初始流化空隙率εmf，即εmf<ε<1，靜壓頭遠(yuǎn)大于摩擦損失壓降，Δpf可忽略不計(jì)，Δp=ρp(1-ε)gh；當(dāng)ε<εmf時(shí)，催化劑流態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫^渡填充流或填充流，Δpf急劇增大，Δp降低甚至為負(fù)值。

催化劑在不同質(zhì)量流率下，斜管內(nèi)催化劑的流態(tài)和氣泡運(yùn)動(dòng)情況如圖3所示。由圖3(a)和圖3(b)可知，當(dāng)催化劑Gs為53 kg/(m2·s)時(shí)，上斜管和下斜管內(nèi)的催化劑流態(tài)都是半管流，催化劑沿斜管底部壁面向下流動(dòng)，斜管上部無氣泡而是一個(gè)空腔(即分層流)，此時(shí)斜管內(nèi)催化劑的ε較大，故測(cè)壓點(diǎn)a～c和d～e的壓降很小；但立管中部直管c～d段內(nèi)催化劑為密相，ε較小，蓄壓能力增強(qiáng)，軸向壓力從1.106 kPa增大到4.227 kPa。

當(dāng)催化劑Gs為280 kg/(m2·s)和638 kg/(m2·s)時(shí)，立管內(nèi)均為滿管流，如圖3(c)所示。此時(shí)，上斜管內(nèi)有少量氣泡沿上壁上行，直管段和下斜管內(nèi)無氣泡，這與羅寶林提出的脫氣區(qū)和持氣區(qū)理論[10]是一致的。立管軸向壓力逐漸增大，但壓力梯度降低；由立管內(nèi)壓力分布(見圖2)可知，上斜管內(nèi)催化劑的流態(tài)為流化態(tài)，中部直管和下斜管內(nèi)催化劑的流態(tài)變?yōu)檫^渡填充流。

圖3 立管內(nèi)催化劑和氣泡運(yùn)動(dòng)情況

當(dāng)催化劑Gs為720 kg/(m2·s)時(shí)，從立管入口向下，軸向壓力逐漸增大，但在測(cè)壓點(diǎn)e以下，軸向壓力減小；壓力出現(xiàn)了逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象。此時(shí)，上斜管內(nèi)催化劑流態(tài)為流化態(tài)，中部直管內(nèi)催化劑流態(tài)為過渡填充流，下斜管內(nèi)催化劑流態(tài)為填充流。試驗(yàn)觀察結(jié)果表明，此時(shí)催化劑在插板閥前形成堆積，為填充流的典型現(xiàn)象。

2.2 動(dòng)態(tài)壓力分析

立管內(nèi)氣-固兩相流的脈動(dòng)壓力信號(hào)可以表征氣-固兩相流的流態(tài)特性，通過分析立管內(nèi)不同位置的動(dòng)態(tài)壓力，可以提取催化劑的流態(tài)特征參數(shù)，建立流態(tài)特征參數(shù)與兩相流流態(tài)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系[20-22]。工業(yè)中催化劑的常規(guī)循環(huán)Gs約為650 kg/(m2·s)，因此試驗(yàn)選取催化劑Gs為628 kg/(m2·s)時(shí)立管內(nèi)的壓力信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓力分析。圖4為組合立管各測(cè)壓點(diǎn)在30 s時(shí)間段內(nèi)的脈動(dòng)壓力信號(hào)及其利用快速傅里葉變換(FFT)后得到的壓力變化頻率和幅度。

圖4 動(dòng)態(tài)壓力及頻域分析a～f—壓力測(cè)量點(diǎn)

由圖4(a)可以看出，測(cè)壓點(diǎn)a的動(dòng)態(tài)壓力與其余各點(diǎn)壓力差距很大，這與時(shí)均壓力分析結(jié)果一致。這是因?yàn)閍點(diǎn)催化劑流態(tài)為流化態(tài)，其余各點(diǎn)催化劑流態(tài)為過渡填充流或填充流。動(dòng)態(tài)壓力的脈動(dòng)曲線由兩種不同的脈動(dòng)疊加而成。一種為頻率較高、波幅相對(duì)較小的高頻低幅信號(hào)，即曲線上鋸齒形小峰，主要由氣泡擾動(dòng)形成；另一種為頻率較低、波幅相對(duì)較大的低頻高幅信號(hào)，即曲線上周期較長的大波峰/波谷，如圖中紅線區(qū)域，主要為不穩(wěn)定的顆粒流動(dòng)。

對(duì)比圖4(a)中測(cè)壓點(diǎn)a～f的動(dòng)態(tài)壓力脈動(dòng)曲線可知，從立管入口到出口(由a至f)的壓力脈動(dòng)具有良好的相似性，特別是不同測(cè)壓點(diǎn)的低頻高幅壓力信號(hào)呈現(xiàn)出較為一致的趨勢(shì)，說明此時(shí)立管內(nèi)的壓力信號(hào)是自上而下傳遞的，并存在一定的滯后性；壓力脈動(dòng)可能主要是由入口進(jìn)料流率的不穩(wěn)定引起的，這種進(jìn)料流率的不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致進(jìn)入立管內(nèi)顆粒流量和顆粒濃度不穩(wěn)定，從而產(chǎn)生低頻高幅的壓力脈動(dòng)。對(duì)于曲線中的高頻低幅部分，如上斜管測(cè)壓點(diǎn)a，其高頻波動(dòng)幅度明顯大于其他測(cè)點(diǎn)(其他脈動(dòng)曲線鋸齒峰不明顯)，這主要是由立管入口氣體壓力的脈動(dòng)造成的。

由圖4(b)可知，各測(cè)壓點(diǎn)動(dòng)態(tài)壓力的頻率相似，主要集中在2 Hz 以下的低頻區(qū)，主頻為0～0.5 Hz的寬頻，表明立管內(nèi)催化劑顆粒為穩(wěn)定的密相輸送，氣泡量較少，因而壓力的波動(dòng)幅度較小。

2.3 松動(dòng)風(fēng)對(duì)立管壓力分布的影響

催化劑在依靠重力向下流動(dòng)過程中，立管內(nèi)壓力逐漸升高，同時(shí)伴隨著氣體的快速脫除和流動(dòng)相的體積壓縮。若立管足夠長且無松動(dòng)風(fēng)，則催化劑的空隙率會(huì)不斷減小，最終填充空隙而形成填充流態(tài)。因此，立管需要設(shè)置松動(dòng)風(fēng)以彌補(bǔ)流化氣體量的減少[23-24]。為了研究立管內(nèi)不同位置的松動(dòng)風(fēng)對(duì)催化劑流動(dòng)狀態(tài)的影響，選擇在滿管流狀態(tài)下，分別測(cè)量無松動(dòng)風(fēng)、3個(gè)不同位置(A、B、C噴嘴)分別通入松動(dòng)風(fēng)時(shí)立管內(nèi)的壓力分布，結(jié)果如圖5所示。

圖5 松動(dòng)風(fēng)對(duì)立管軸向壓力分布的影響■—無松動(dòng)風(fēng)； ●—A點(diǎn)松動(dòng)風(fēng)； ▲—B點(diǎn)松動(dòng)風(fēng)； 點(diǎn)松動(dòng)風(fēng)

由圖5可知，未通入松動(dòng)風(fēng)時(shí)，立管內(nèi)壓力測(cè)量點(diǎn)a～c段的壓力增加且增幅較大，c～d段的壓力梯度快速減小，d～f段壓力逐漸降低。這表明立管軸向依次出現(xiàn)了流化態(tài)(a～c段)、過渡填充流(c～d段)和填充流(d～f段)。

當(dāng)在A點(diǎn)通入松動(dòng)風(fēng)時(shí)，立管上部(a～c段)的壓力明顯比無松動(dòng)風(fēng)時(shí)增大，上斜管的平均壓力由1.93 kPa升高至2.84 kPa；立管下部(e～f段)壓力未增大，軸向壓力存在逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象，并且逆轉(zhuǎn)點(diǎn)上移至c點(diǎn)。這表明在A點(diǎn)通松動(dòng)風(fēng)僅能改善上斜管和直管段催化劑的流動(dòng)狀態(tài)，但無法改變下斜管和插板閥前催化劑的堆積狀態(tài)。同時(shí)，由于A點(diǎn)通入的松動(dòng)風(fēng)是上行的，大氣泡會(huì)阻礙催化劑的正常進(jìn)料，造成催化劑循環(huán)質(zhì)量流率下降。

當(dāng)在B點(diǎn)或C點(diǎn)通入松動(dòng)風(fēng)時(shí)，立管的軸向壓力變化規(guī)律相似，立管上部(a～c段)壓力與無松動(dòng)風(fēng)時(shí)差別不大，但立管中部和下部形成了較好的蓄壓能力，出口閥門前的壓力分別達(dá)到了7.5 kPa和9.0 kPa左右。同時(shí)，催化劑出口質(zhì)量流率也有較大幅度的增加。因此，應(yīng)在組合立管的直管段底部或插板閥前設(shè)置松動(dòng)風(fēng)，從而減小催化劑在立管下部堆積形成填充流的幾率，提高立管的蓄壓能力和催化劑的循環(huán)流率。

3 結(jié) 論

(1)垂直-傾斜組合立管內(nèi)的催化劑流態(tài)是非均勻的多相流態(tài)。隨著催化劑質(zhì)量流率的增加，立管內(nèi)軸向壓力增大，催化劑流態(tài)由稀相流逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槊芟嗔鳌Ｔ诿芟嗔鞴r下，上斜管內(nèi)催化劑流態(tài)為流化態(tài)，直管段和下斜管內(nèi)催化劑流態(tài)為過渡填充流；當(dāng)催化劑Gs為720 kg/(m2·s)時(shí)，下斜管內(nèi)的催化劑流態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樘畛淞鳎斐闪⒐軆?nèi)軸向壓力發(fā)生逆轉(zhuǎn)。

(2)組合立管內(nèi)動(dòng)態(tài)壓力及其頻率分析表明：催化劑為流化態(tài)時(shí)立管內(nèi)壓力波動(dòng)呈“鋸齒”型，波動(dòng)頻率較高，催化劑流態(tài)為過渡填充流和填充流時(shí)，立管內(nèi)壓力波動(dòng)呈“山峰”型，波動(dòng)頻率較低；總體來講，密相輸送時(shí)，立管內(nèi)動(dòng)態(tài)壓力的主頻帶為低頻率(0～0.5 Hz)。

(3)對(duì)于垂直-傾斜組合立管，在上斜管段通入的松動(dòng)風(fēng)是向上行的，無法改變立管中、下部催化劑的堆積；在直管段和下斜管段通入松動(dòng)風(fēng)，可以減少催化劑在插板閥前形成填充流的幾率，顯著提高立管蓄壓能力和催化劑循環(huán)質(zhì)量流率。