旋風分離器料腿漏風對壓降影響的實驗分析*

孔文文 嚴超宇 魏耀東

（中國石油大學（北京）重質油國家重點實驗室)

設計與計算

旋風分離器料腿漏風對壓降影響的實驗分析*

孔文文**嚴超宇 魏耀東

（中國石油大學（北京）重質油國家重點實驗室)

以直徑300 mm的旋風分離器為實驗對象，考察了在不同入口速度下料腿漏風量對旋風分離器壓降的影響，并以此為基礎，分析了某現場催化裂化裝置旋風分離器壓降出現的不穩定波動現象。實驗結果表明，旋風分離器下部料腿是一個負壓差立管，外部的壓力大于料腿內的壓力，易產生漏風，從而導致旋風分離器的壓降降低。旋風分離器的壓降隨漏風量增大而降低，入口速度越低漏風量影響的作用就越明顯。該旋風分離器的壓降波動是由于不穩定的翼閥排料產生的漏風變化造成的。

旋風分離器 料腿 翼閥 漏風 壓降 入口速度

0 前言

旋風分離器是催化裂化裝置中重要的設備之一。它的主要作用是在沉降器中將來自提升管反應器的油氣與催化劑分離，在再生器中將再生煙氣和再生催化劑分離。旋風分離器下部料腿出口通常設置翼閥，它起著穩定料腿中催化劑的密度和藏量，平衡催化劑循環系統的負壓差的作用，同時還具有料封的作用，具有防止外部氣體反竄進入料腿，維持鎖氣排料的作用[1-2]。由于旋風分離器料腿內的壓力小于外部空間的壓力，形成了負壓差排料環境，因此需要在料腿內堆積一個料柱形成蓄壓來平衡這個負壓差[3]。也就是說，在底部翼閥處形成一個料位靜壓，當這個靜壓值高于外部空間的壓力時，翼閥自動打開閥板進行排料；當靜壓值低于外部空間的壓力時，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時才開始排料。因此，翼閥性能直接影響旋風分離器的運行狀況，進而影響分離效率。

但在實際的操作過程中，當料腿內的顆粒質量流率較低時，料腿內難以建立有效的密相床，或密相料封高度不夠，出口處形成半管排料，于是就會產生漏風現象。翼閥外部的氣體在負壓差作用下通過翼閥進入料腿。這種漏風一方面會導致翼閥的磨損[4]，另一方面會影響旋風分離器內部的流場，使旋風分離器的壓降變化，進而降低旋風分離器的分離效率[5]。

本文從實驗上研究了不同入口速度下漏風對旋風分離器壓降的影響，并對某催化裂化裝置旋風分離器壓降出現的不穩定波動現象進行了分析。

1 實驗裝置和測量方法

1.1 實驗裝置

圖1為旋風分離器實驗裝置結構圖，圖2所示為其外形。旋風分離器入口采用180°蝸殼入口結構，筒體連接錐段，下面連接灰斗，灰斗下部為料腿，料腿連接一等徑水平管。旋風分離器直徑為300 mm，高度430 mm，入口尺寸176 mm×84 mm，排氣管直徑110 mm，圓錐段高度660 mm，灰斗直徑220 mm，料腿直徑80 mm，水平管直徑80 mm。

圖1 旋風分離器實驗裝置

1.2 實驗測量方法

為保證進入旋風分離器的氣體流動平穩，實驗采用負壓操作。實驗用氣為常溫常壓氣體，通過鼓風機引入。旋風分離器的入口速度用標準畢托管測量；漏風量通過料腿水平管上的閥門控制，漏風量速度采用熱線風速儀測量。由于水平管的直徑與料腿的直徑相同，因此水平管的氣體速度也是料腿的漏風速度。旋風分離器壓降通過U形管測出。

圖2 旋風分離器實驗裝置照片

旋風分離器的入口氣速分別是18 m/s、15 m/s、13 m/s、10 m/s。實驗中改變漏風量，測量旋風分離器的壓降，觀察其隨漏風量的變化。

2 實驗結果及分析

圖3 料腿漏風速度對旋風分離器壓降的影響

圖3 是不同入口速度vi下，料腿漏風速度對旋風分離器壓降的影響。沒有漏風的情況下，即漏風速度為零時，旋風分離器的壓降最高；料腿漏風后，旋風分離器的壓降隨漏風速度增大而逐漸降低。當增大旋風分離器入口速度時，旋風分離器的壓降是增大的。例如在不漏風的情況下，入口速度vi=10 m/s時，壓降為1.3 kPa；入口速度為vi=18 m/s時，壓降為4.1 kPa，增加了2.15倍。當漏風速度為8 m/s時，入口速度vi=10 m/s時，壓降為0.7 kPa；入口速度為vi=18 m/s時，壓降為3.8 kPa，增加了4.4倍。這表明料腿漏風對旋風分離器的影響是很大的。

為進一步分析料腿漏風對旋風分離器壓降的影響，用旋風分離器的入口風量和無漏風壓降為基準進行無量綱數據處理，見圖4。圖4表明，在不同入口速度下，漏風量對旋風分離器的壓降影響是不同的，入口速度越低，影響的程度越明顯。例如在漏風量Ql為無漏風入口風量Q0的20%條件下，入口速度為vi=18 m/s時，壓降降低了約8%；入口速度為vi=10 m/s時，壓降降低了約25%。

圖4 旋風分離器壓降與漏風量的關系

旋風分離器的流場測量表明[6]，旋風分離器中心區域在切向速度的作用下是一個低壓區，而升氣管處于這個低壓區的中心。旋風分離器料腿漏風后，氣流上竄進入旋風分離器，提高了中心區域上行的軸向速度，外部的氣體不易進入內旋流，導致旋風分離器旋轉切向速度的減小，中心區域的壓力上升，從而導致升氣管的壓力增大，旋風分離器的出口壓力增大，也就引起旋風分離器的壓降降低。

3 現場旋風分離器壓降波動的分析

3.1 入口速度和入口濃度對壓降波動的影響

旋風分離器的壓降變化說明有影響旋風分離器壓降的操作參數發生了改變。一般影響旋風分離器的壓降的操作因素比較多，主要有入口速度和入口濃度，還有料腿漏風的影響。

入口速度vi與旋風分離器壓降Δp的關系式是

式中Δp——氣相旋風分離器的壓降；

ξ——阻力系數。

式（1）表明，在入口速度不變的條件下，壓降是維持不變的。

入口濃度Ci對旋風分離器的影響比較大。一方面，分離的顆粒在器壁堆積，使器壁表面的摩擦阻力增加，造成旋轉流的切向速度降低；另一方面，氣固混合密度增加，使動量損失增大。很多學者提出了各自不同的經驗公式[7]，例如Baskakov的經驗公式[8]是

式中Δps——旋風分離器中氣固兩相的壓降。

對催化裂化裝置旋風分離器而言，入口濃度比較高。采用式（2）計算，當入口濃度由5 kg/（kg氣）變化到10 kg/（kg氣）時，壓降變化增大近1倍，即壓降的變化向壓降增大的方向進行。催化裂化裝置旋風分離器的入口濃度受到多種因素的影響，主要是受流化床下部的流化風變化的影響。通常旋風分離器的入口設置在流化床的輸送分離高度（transport disengaging height，TDH）之上[3]，在穩定的操作條件下旋風分離器入口濃度的變化是有限的。

3.2 現場壓降波動的測量及分析

圖5 某再生器旋風分離器壓降隨時間的變化曲線

圖5 是某現場催化裂化裝置再生器旋風分離器壓降隨時間變化的測量記錄曲線。記錄過程中主風風量開始為50 000 Nm3/h，在t=270 min時提高風量，升到58 000 Nm3/h。由圖5可以看出，壓降有一個大的階躍式變化，即主風風量增大后，旋風分離器的壓降有了迅速提高，這與式（1）和圖3的實驗結果是一致的。以t=270 min為分界線，將圖5分為前半部分和后半部分。前半部分和后半部分的壓降有個相同的趨勢，旋風分離器壓降發生了比較大的向下波動變化，最大波動幅度達3 kPa，間隔不固定，短的1～2 min，長的10～30 min，約占平均壓降的20%。

由于在每部分中，旋風分離器的入口風量和入口濃度是固定不變的，因此旋風分離器出現這種壓降的波動可能是料腿翼閥漏風引起的。旋風分離器在運行過程中，當料腿中催化劑料位上升到一定高度時，閥板的推動力大于阻力，翼閥打開進行排料，料腿中料位開始下降，此時翼閥外部的氣體在壓力作用下進入料腿，形成漏風。當料位下降到一定的位置時，閥板的推動力小于阻力，翼閥未能及時關上，料腿上較低的料位沒有形成足夠的料封，從而造成更大的氣流進入料腿向上竄，進而造成旋風分離器壓降短時間內下降。當翼閥關閉時，開始建立新的料封，漏風消失，旋風分離器的壓降又恢復到正常值。圖6所示為料腿翼閥的漏風示意圖。

圖6 料腿翼閥的漏風

在催化裂化裝置中，旋風分離器的漏風使其壓降發生不穩定的變化，一方面上竄氣體導致旋風分離器的分離效率下降，另一方面會造成翼閥的沖蝕磨損和料腿的振動，這是一個潛在的事故隱患，需要予以關注。

4 結論

旋風分離器的性能對催化裂化工藝的操作起到至關重要的作用。在現場的裝置運行中，旋風分離器下部料腿翼閥的漏風對其內部流場有一定影響，進而造成旋風分離器壓降和分離效率的波動。本文以直徑300 mm的旋風分離器為實驗對象，考察了在不同入口速度下料腿漏風量對旋風分離器壓降的影響，并以此為基礎，分析了某現場催化裂化裝置旋風分離器壓降出現的不穩定波動現象。

（1）旋風分離器下部料腿是一個負壓差立管，外部的壓力大于料腿內的壓力因而產生漏風。這種漏風一方面會導致翼閥的磨損，另一方面會影響旋風分離器內部的流場，使旋風分離器的壓降發生變化。

（2）增大旋風分離器的入口速度，可使旋風分離器的壓降增大。料腿沒有漏風的情況下，旋風分離器的壓降最高；料腿漏風后，旋風分離器的壓降隨漏風量的增大而逐漸降低。

（3）不同入口速度下，漏風量對旋風分離器的壓降影響不同。入口速度越低，漏風量影響的程度越明顯。

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Experimental Analysis of Dipleg Gas Leakage Effect on Pressure Drop of Cyclone Separator

Kong Wenwen Yan Chaoyu Wei Yaodong

Taking a cyclone separator with the diameter of 300 mm as the experimental subject,the dipleg gas leakage effect on the pressure drop under different inlet velocities are studied.Based on the results,the unstable fluctuations of the pressure drop in an industrial FCCU are analyzed.It shows that the dipleg is the riser with the negative pressure differential so that the gas leakage occurs and the pressure drop decreases when the external pressure exceeds the internal pressure.Moreover,the pressure drop decreases along with the increase of the gas leakage and the effect becomes more evident with the lower inlet velocity.And the variation of the gas leakages due to the discharging of the trickle valve attributes the fluctuations of the pressure drop.

Cyclone separator；Dipleg;Trickle valve；Gas leakage；Pressure drop；Inlet velocity

TQ 051.8

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.08.001

2015-11-06)

*國家自然科學基金項目（21176250）；中國石油大學（北京）基本科研基金資助項目（2462015YQ0301）。

**孔文文，女，1989年生，碩士研究生。北京市，102249。