MTO裝置再生立管內催化劑輸送不暢的流態化特性分析

茍榮恒，潘海濤，尉秀峰，王云池，彭 威

(1.國能新疆化工有限公司，烏魯木齊 831404；2.中國石油大學(北京)克拉瑪依校區)

再生立管是甲醇制烯烴(MTO)裝置催化劑循環回路的下行管路。除MTO裝置外，立管輸送顆粒的操作在其他循環流化床裝置上也有應用，例如循環流化床鍋爐、催化裂化裝置等[1]。立管輸送顆粒保持穩定的流化狀態和顆粒質量流率是循環流化床裝置平穩運行的關鍵操作[2]。然而現場存在著大量的立管輸送顆粒不暢的問題[3-6]，如顆粒架橋、閥門竄氣、立管壓力逆轉和顆粒循環量波動等，造成反應溫度、壓力平衡、藏量料位等參數大幅度波動，已成為裝置高效運行的瓶頸。目前這類故障的診斷和處理往往依據積累的經驗，還缺乏基于立管顆粒輸送流化狀態的判斷和分析。某0.60Mt/aMTO裝置以甲醇為原料制取乙烯和丙烯等化工產品，甲醇處理量1.80Mt/a，烯烴產量約0.60Mt/a[4]。MTO裝置的反應器和再生器采用同軸式結構，通過再生立管將再生器的再生催化劑向下輸送至反應器內。但再生立管一直存在著催化劑輸送不暢的問題，表現為再生立管催化劑濃度和再生催化劑循環量大幅度波動，波動范圍分別為30～450kg/m3和20～50t/h。由于再生立管催化劑輸送存在不穩定性，嚴重影響了裝置的平穩運行，裝置操作難度大，產品收率下降。為此，通過測量再生立管軸向多點的壓力和現場工藝數據，分析再生立管內的催化劑流化狀態及其影響催化劑流動不穩定性的機理，以期提出相應的解決措施，進行立管輸送催化劑操作的調整。

1 MTO裝置和再生立管參數

1.1 0.60 Mt/a MTO裝置

圖1為某0.60 Mt/a MTO裝置反應-再生系統示意，主要包括反應器、再生器、冷卻器、汽提器、待生立管和再生立管等。反應器采用密相湍流流化床工藝，在催化劑的作用下將原料甲醇轉化為乙烯、丙烯等產品，反應溫度為475～485 ℃，反應主要發生在反應器底部的湍動流化床密相區。再生器位于反應器上方，采用密相湍流流化床，用空氣燒去待生催化劑上的部分積炭，恢復催化劑的活性，再生溫度為660～690 ℃，燒焦方式為不完全再生，燒焦反應主要發生在再生器底部的密相區域。待生催化劑通過待生立管提升至再生器，催化劑流化狀態為稀相輸送；恢復活性的再生催化劑通過再生立管進入反應器，催化劑流化狀態為密相輸送，催化劑循環量通過待生滑閥和再生滑閥開度進行控制和調節。

圖1 MTO裝置反應-再生系統示意

1.2 再生立管結構和參數

圖2為再生立管結構示意。再生立管內徑為Φ400 mm，立管入口位于再生器的外取熱器(冷卻器)底部。再生立管由上斜管、中部垂直管和下斜管3部分組成，其中，上斜管長度為2.9 m，水平夾角為45°；中部垂直管從頂端到滑閥前的長度為15 m，并在垂直管上部設置再生立管催化劑含量測量儀表。通過測量上、下兩個點的壓力p1和p2計算再生立管的催化劑表觀濃度ρ：

圖2 再生立管結構示意EL—標高

ρ=(p1-p2)/gh

(1)

式中：h為2個測量點之間的垂直距離，m；g為重力加速度，m2/s。A1～A3為3個松動風噴嘴，標高分別為32.2，29.5，26.2 m，松動介質為0.87 MPa氮氣；pi，ps，po分別為再生立管入口、滑閥前和滑閥后壓力。

2 催化劑輸送不暢時的流動參數

2.1 操作工藝參數

表1為MTO裝置操作參數。再生立管催化劑為負壓差輸送，將催化劑從壓力82 kPa的再生器向下輸送至壓力122 kPa的反應器內，再生立管催化劑表觀濃度設計值為500 kg/m3，而實際值為30～450 kg/m3，遠低于設計值；待生立管操作為稀相輸送，待生立管催化劑表觀濃度為20～30 kg/m3，與設計值相近。反應-再生系統催化劑循環量設計值為55 t/h，而再生立管內的催化劑循環量波動較大，范圍為22～52 t/h，低于設計值。MTO裝置操作工藝參數表明再生立管催化劑濃度和再生催化劑循環量存在大幅波動，催化劑輸送不暢。

表1 MTO裝置操作參數

2.2 催化劑濃度和循環量的變化

圖3為某一操作時段現場DCS測量的再生立管內催化劑濃度隨時間的變化。由圖3可見，催化劑濃度呈現波動式變化，波動范圍為30～400 kg/m3，波動幅度較大，并長時間維持在30～130 kg/m3的低濃度區間。表明再生立管內催化劑輸送流化狀態存在不穩定的交替轉變，周期約為10 min。

圖3 再生立管內催化劑濃度隨時間的變化

圖4為某一操作時段再生立管催化劑循環量(Ws)隨時間的變化曲線。由圖4可見，再生立管的催化劑循環量范圍為22～50 t/h，且長時間處于20～25 t/h的低負荷區間，遠低于設計值55 t/h。對比圖3可知，再生立管催化劑循環量隨時間的變化與催化劑濃度的波動變化是一致的。催化劑循環量是MTO裝置反應-再生系統的關鍵工藝參數，決定了反應器藏量、反應溫度和劑油比。催化劑循環量大幅度波動嚴重影響了甲醇的轉化過程。

圖4 再生立管催化劑循環量隨時間的變化

2.3 再生立管的軸向壓力

圖5為再生立管軸向壓力設計值和實測值。由圖5可見，再生立管軸向壓力設計值呈單調線性增大趨勢，滑閥前壓力ps最大為189.5 kPa，再生立管催化劑表觀濃度為500 kg/m3。而實際再生立管軸向壓力測量值與設計值偏差較大，從再生立管入口至滑閥前，再生立管軸向壓力逐漸增大，但垂直管上部的壓力梯度明顯低于上斜管和垂直管下部的壓力梯度。再生立管入口(pi至p1)壓力由117 kPa增至125.9 kPa，壓力梯度為2.8 kPa/m；垂直管上部(p1至p2)壓力由125.9 kPa增至130.6 kPa，壓力梯度僅為0.9 kPa/m；垂直管下部(p2至滑閥前ps)壓力由130.6 kPa增至161.0 kPa，壓力梯度為4.6 kPa/m。由式(1)計算再生立管各部分催化劑表觀濃度，pi至p1為285.7 kg/m3，p1至p2為91.8 kg/m3，p2至ps為496.4 kg/m3。再生立管內的催化劑表觀濃度存在很大的變化，說明立管內的流態不是設計的密相流化輸送流態，并且上下各部分的催化劑流態不一致，存在著催化劑輸送流化狀態的轉變。

圖5 再生立管軸向壓力

3 再生立管內流化狀態和催化劑循環量的波動分析

立管軸向壓力分布反映立管內催化劑流化狀態的變化。負壓差立管內的氣固兩相流流動為順重力方向的逆壓力梯度流動，立管軸向任意兩截面間的壓差為[1]：

Δp=ρs(1-ε)gΔh-Δpf

(2)

式中：ρs為顆粒密度，kg/m3；ρs(1-ε)為催化劑床層密度，kg/m3；ε為空隙率；Δh為高度差，m；ρs(1-ε)gΔh表示靜壓降，kPa；Δpf表示摩擦損失壓降，kPa。式(2)與式(1)的不同之處在于摩擦損失壓降Δpf。當立管內催化劑顆粒為流化態時，Δpf較小，可忽略不計，式(2)可簡化為(1)，其中ρ=ρs(1-ε)，此時立管的蓄壓壓差與催化劑床層密度成線性關系，立管軸向壓力梯度越大表明催化劑床層密度越高。

MTO裝置再生立管內催化劑輸送理想流化狀態為密相流化流，再生立管軸向催化劑濃度分布均勻，沿催化劑流動方向，軸向壓力線性增大，如圖6中流態(a)所示。然而，由于再生立管較長，存在著斜管與垂直管的連接過渡，而且在底部安裝了滑閥。催化劑在再生立管內的下行流動過程中，在負壓差作用下催化劑聚集減速，夾帶氣體脫出，從而使催化劑濃度逐漸增大，空隙率逐漸減小，尤其是上斜管內催化劑的沉積作用使其易于脫氣，同時斜管與垂直管的拐彎對催化劑流動的約束，使斜管和垂直管的流化狀態和催化劑流通量不一致。在斜管和垂直管的連接處，氣泡流動方向受氣固線速和立管結構影響，可以上行、下行或靜止。當垂直管內上升的氣泡在拐彎點聚集形成“氣阻”時，大氣泡阻礙催化劑的正常流動，將密相流化流轉變為從上至下的過渡填充流、段塞流和密相流化流3部分。如圖6中流態(b)所示：上斜管內催化劑由于過度脫氣形成過渡填充流，摩擦損失增大，壓力梯度較密相流化流降低；垂直管上部由于大氣泡的存在催化劑流態為段塞流，催化劑含量低，導致立管壓力梯度最小，類似稀相流化流。垂直管下部催化劑在松動風的作用下保持密相流化流，催化劑濃度大，壓力梯度最高，與設計值相近。

圖6 再生立管催化劑流態及壓力分布

通過滑閥的催化劑循環量計算式[2]為：

Ws=Cv(A/Ao)(2ρbΔpv)0.5

(3)

式中：A為流通面積，Ao為滑閥全開時的流通面積，A/Ao為滑閥開度；ρb為滑閥前催化劑濃度，kg/m3；Cv為孔口系數；Δpv為滑閥壓降，kPa。在圖6流態(b)中，由于過渡填充流和段塞流部分蓄壓能力差，滑閥前的壓力ps減小，Δpv=ps-po降低，催化劑的輸送能力下降，導致催化劑的循環量Ws下降。但過渡填充流和段塞流的流化狀態是不穩定的，隨著松動風的注入和下部的密相料柱下落，在拐彎處聚集的氣泡壓力不斷增大，氣泡最終破碎或逃逸進入冷卻器密相床層，再生立管內的催化劑流化狀態恢復至密相流化流，循環量Ws升高。最后立管輸送催化劑流化狀態形成了過渡填充流、段塞流與密相流化流的交替轉變，軸向壓力的變化表現為圖6中曲線(a)、(b)的交替轉變。由于過渡填充流和段塞流狀態的操作時間長于密相流化流狀態的操作時間，導致催化劑濃度(圖3)和催化劑循環量(圖4)大幅度波動。

4 再生立管改造建議

根據再生立管內催化劑流化狀態的分析，催化劑流化狀態的多變性和多樣性是導致再生立管輸送催化劑操作異常的主要原因。為此對再生立管提出以下改造建議，如圖7所示：①在上斜管中部設置松動風A4，防止上斜管內出現過渡填充流，阻礙氣體上行，形成架橋；②在上拐彎點處設置松動風A5，松動風噴嘴方向與催化劑流動方向一致，利用松動風的射流作用疏通架橋催化劑，消除氣阻；③在垂直立管上部設置松動風A6，避免形成段塞流；④將測壓點P1下移，避開段塞流區，可實現再生立管催化劑濃度測量值穩定。

圖7 再生立管改造示意

5 結 論

在某0.60 Mt/a MTO裝置上，通過測量Φ400 mm再生立管軸向多點壓力，記錄再生立管催化劑濃度和催化劑循環量的變化，分析了催化劑輸送不暢的原因。再生立管內的催化劑流化狀態具有過渡填充流、段塞流和密相流化流的交替轉變特性。這種流態轉變是垂直管上部出現的“氣阻”造成催化劑頻繁架橋，導致催化劑濃度和催化劑循環量大幅度波動的主要原因。根據分析結果，提出了針對再生立管松動風布局的改造建議。