催化裂化待生劑分配器性能的冷模實驗評價

張永民，趙 超，禹淞元，盧春喜

（中國石油大學 重質油國家重點實驗室，北京102249）

再生器是煉油廠流化催化裂化（Fluid catalytic cracking，簡稱FCC）裝置必不可少的組成部分。其主要功能是完成放熱的燒焦再生反應，以燒掉裂化反應過程中催化劑表面沉積的焦炭，恢復催化劑的活性，同時通過顆粒的循環供給反應系統熱量，以維持裝置的熱平衡［1］。從本質上講，催化裂化再生過程是發生在催化劑表面的沉積焦炭和空氣中氧氣之間的非均相氧化反應過程。為了滿足工藝要求，需要再生后的催化劑炭含量盡可能低；另一方面，為了降低裝置能耗，則希望盡可能消耗最少量的空氣，在工業操作中，這需要控制較低的再生煙氣氧含量。從化學反應工程學角度看，高效再生器實際上是一個要求氣、固相反應物都具有高轉化率的非均相氣-固流化床反應器。

為實現再生器內催化劑高效的燒焦再生過程，首要的條件是空氣中的氧氣能夠和待生催化劑上的焦炭高效接觸。對于FCC再生器這種Geldart A類［2］細顆粒流化床，氣泡相與乳化相間的傳質阻力往往是影響反應速率的控制性因素。采取措施減小床層內的平均氣泡直徑，將有利于增大乳相和氣泡相之間的傳質界面積，從而有利于提高再生燒焦強度。另一方面，還需要再生器內焦炭和氧氣在床內的分布要匹配。由于流化床內氣、固相分布的不可控性，唯一可行的辦法就是使氣、固兩相在床層橫截面上盡可能均勻分布。氣體的均勻分布可以通過改進氣體分配器來實現，目前已有很多有關這方面的研究［3-5］。但是，顆粒沿床層橫截面的均勻分布則并不容易解決。在小型流化床內，由于流化床自身具有較強的橫向混合能力，實現顆粒的均勻分布通常不需要特別的措施。但是，在動輒十幾米直徑的工業FCC再生器內，則必須采用待生劑分配器。待生劑分配不均將導致再生器燒焦強度降低以及裝置整體能耗的提高，而且還可能造成稀相尾燃，導致設備損壞等事故。

長期以來，待生劑的分配問題一直沒有得到足夠重視，早期國內大多數再生器內都沒有設置待生劑分配器。近年來，人們逐漸認識到了待生劑均勻分配的重要性，在一些裝置上已經開始設置一些結構簡單的船型和管式待生劑分配器［6］。但是，這2種分配器都是依據經驗設計，缺乏系統的實驗室研究結果支撐，而且工業裝置中分配器性能的好壞也很難準確判斷。國內外有關待生劑分配器的文獻資料也非常缺乏，除了授權的專利［7-14］以及UOP公司一篇有關利用CFD方法研究歐翼型待生劑分配器的報道［15］外，還沒有發現其他有關待生劑分配器的研究報道。

筆者設計并建造了一套能夠評價待生劑分配器性能的大型冷模實驗裝置。在此裝置上檢驗了依據現有工業設計規范制造的船型和管式分配器模型以及無分配器待生劑入口結構對待生劑橫向分配性能的影響，考察了不同操作條件對船型和管式分配器性能的影響規律及其存在的問題，為工業待生劑分配器的優化設計以及新型高效待生劑分配器的開發提供有益參考。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

為了在冷態實驗條件下評價待生劑分配器的性能，建立了如圖1所示的大型冷模實驗裝置。該實驗裝置的核心是1個鋼制的顆粒集料槽（8），其結構如圖2所示。由圖2可知，該集料槽是1個上方設有透明有機玻璃板頂蓋的方形槽體。槽體內沿橫向和縱向設有隔板，將其分隔為10個體積相同的獨立倉室。每個倉室的外壁均設有觀察窗，可以觀察顆粒流動情況，并大致確定內部料位的高度。每個倉室下方設有1個帶出料管的錐斗，出料管上連接有球閥，并通過軟管和下方的顆粒稱量罐連接。

圖1 評價FCC待生劑分配器性能的冷模實驗裝置及流程示意圖Fig.1 Schematic of the large cold model and flowsheet for performance evaluation of FCC spent catalyst distributor

實驗時，首先關閉立管（9）上的蝶閥，依次開啟鼓風機（1）和上部流化床（10）內的流化風，使其內部顆粒物料流化。接著打開立管（9）上的蝶閥，催化劑顆粒經過立管（9）進入到待生劑分配器（14），通過分配器（14）上設置的分配孔分別流入到顆粒集料槽（8）中不同的倉室內。待上部流化床（10）中的顆粒流盡后，關閉立管（9）上的蝶閥，依次打開每個倉室下方的閥門，使顆粒沿下方連接的軟管（7）流入到稱量罐（5）中，通過事先標定好的質量-料位關系確定每個倉室內收集的催化劑質量。所有催化劑的總質量除以放料的總時間即得顆粒的循環量。每次經過計量的顆粒將被放入提升管（6）內，由提升風輸送至流化床（10）內。提升管（6）末端設置的倒L型慣性快速分離器（11）以及流化床頂部設置的旋風分離器（12）用以分離固體顆粒，以維持裝置內顆粒藏量的穩定。實驗用的羅茨鼓風機（1）主要提供三股風，分別為提升管提升風、流化床流化風、待生分配器輸送風，采用3個轉子流量計（3）控制流量。為方便安裝，本實驗裝置待生劑分配器催化劑入口和顆粒下料立管之間存在一段約100mm長與待生劑分配器同徑的水平管段，如圖3所示，輸送風管（φ26mm）設置在水平管段左側，與水平管同心布置。

圖2 冷模實驗裝置顆粒集料槽結構示意圖Fig.2 Geometry diagrammatic for the particle collector of large cold model

圖3 待生劑分配器顆粒入口結構示意圖Fig.3 Particle inlet structure of the spent catalyst distributor

圖4 實驗中采用的管式分配器和船型分配器模型Fig.4 Experimental models of pipe-and boat-type spent catalyst distributor

實驗所用的固體顆粒為工業FCC平衡劑，平均粒徑60μm，顆粒密度1500kg／m3，堆積密度922kg／m3。實驗中采用的管式和船型分配器模型分別如圖4（a）和圖4（b）所示。管式分配器實際上是一根φ90mm×5mm的有機玻璃管，入口端和催化劑立管下方的水平管相聯，末端設有蓋板。根據工業裝置管式分配器設計的基本原則，將管兩側中央位置均勻設置10個φ26mm的顆粒分配孔，分別對應催化劑集料槽的10個倉室。管下方設有19個φ6mm×1mm的短管，接壓縮風，用以流化和松動管底部的顆粒。船型分配器實際是將管式分配器的上半部分切去，僅保留下部的半圓管和19個松動風管，顆粒分配孔變為10個φ26mm的半圓形溢流豁口。當研究船型和管式待生劑分配器時，10個顆粒分配孔分別對著10個倉室，以收集來自不同分配孔（口）的進料，根據分配孔位置的先后，自左向右將各個對應倉室分別編號為1＃～10＃；當研究無分配器顆粒入口結構時，為了便于對比，在每個倉室中部增設了臨時隔板，見圖2（b）中的紅色虛線，將前后2個小倉室按1個倉室對待，這樣自左向右也形成了10個倉室，也將其分別編號為1＃～10＃。

1.2 測試方法

為了能夠定量比較各種類型分配器橫向分配顆粒的均勻性，根據每個出料口流出顆粒的分率（ci）定義了1個分配不均勻指數（ζ），其中ci為每個出料口顆粒收集量wi與理想顆粒收集量W／n之比，ci和ζ的數學表達式如式（1）、（2）所示。

ζ反映了分配器實際分布與理想分布之間的差異性，ζ越大，說明分配器的顆粒分配均勻性越差，越接近于零，說明顆粒橫向分配的均勻性越好。

另外，為了測量采用不同待生劑分配器結構時顆粒流動的狀態以及分配器造成的流動阻力，筆者還在待生劑分配器前端以及立管上方設置了2個動態表壓測壓點，用以測量立管中壓力的波動特性以及分配器產生的壓降。采用北京賽億凌科技有限公司STP型表壓傳感器，其壓力測量范圍為0～35kPa，精度為全量程的0.1%，采用北京康泰電子科技有限公司CBOOK2000高精度數據采集器采集信號。

2 結果與討論

2.1 無分配器時顆粒的橫向分配特性

考察了無分配器時催化劑顆粒在顆粒集料槽10個倉室內的分配情況。表1和圖5為不同輸送氣速下各收料倉收集到顆粒的質量分率分布以及對應的不均勻指數。其中，輸送氣速是指輸送風量與立管水平段橫截面積之比。當沒有輸送風時，所有顆粒全部流入了第1個倉室內。輸送風對顆粒的橫向分配具有顯著的幫助，隨著輸送氣速的增大，能夠收集到顆粒的倉室逐漸增多，分配不均勻指數也隨之逐漸減小。由表1可知，在不同的輸送氣速下均有1個倉室收集到的顆粒物料量顯著大于其他倉室，而且該倉室的位置隨著輸送氣速的增大逐漸遠離噴出口，其所占的顆粒的質量分率也越來越小。說明此種情況下顆粒的橫向分配類似于液體的水平噴灑，輸送氣速的增大使顆粒獲得了更大的橫向動能，因此向前噴灑的距離越遠，橫向散布的面積越大。依此推斷，如果顆粒入口位置更高，也將對顆粒的橫向分配均勻性起到一定的改善作用。總體上，沒有分配器時，顆粒的橫向分配均勻性很差，即使在本研究中最大的輸送氣速下，最遠端的4個倉室依然收集不到任何顆粒。在工業裝置中，如果待生劑立管入口設置在再生器密相料面之上，顆粒沿再生器的橫向分配就是類似的情形。但是，還有很多其他裝置待生劑入口設置在密相料面以下，這時由于受到床層周圍其他顆粒的限制，輸送風對顆粒的加速作用將大大減弱，可以預期顆粒的橫向分配將會更加不均勻。

表1 無分配器時不同輸送氣速（ut）下顆粒集料槽各倉室收集的顆粒質量分率（ci）Table 1 Mass fraction（ci）of collected particles in 10collection bins of particle collector under different transport gas velocities（ut）at absence of catalyst distributor

圖5 無分配器時輸送氣速（ut）對顆粒分配不均勻指數（ζ）的影響Fig.5 Distribution homogeneity（ζ）as a function of transport gas velocity（ut）at absence of catalyst distributor

2.2 有船型分配器時顆粒的橫向分配特性

圖6為有船型分配器時顆粒橫向分配的不均勻性。由圖6可見，相比無分配器時，有船型分配器時顆粒的不均勻指數較小，表明其存在對顆粒的橫向分配均勻性具有一定的改善作用。由圖6還可以看出，輸送風的改善作用依然顯著，隨著輸送風速的增大，顆粒分配不均勻指數逐漸減小。另外，船型分配器底部通入松動風也會改善顆粒的橫向分配均勻性，但作用不如輸送風顯著。隨著松動氣速（即松動風量與立管水平段橫截面積之比）的增大，分配不均勻指數也有下降的趨勢。當松動氣速較小時，改善效果較為顯著；當松動氣速較高時，進一步增大松動氣速對顆粒橫向分配均勻性的改善效果將有所減弱。總體上，船型分配器的性能比較差，即使在本實驗中最大的輸送氣速和松動氣速下，仍然有2～3個倉室無法收集到顆粒。

圖6 不同輸送氣速（ut）和松動氣速（ua）下船型分配器的顆粒分配不均勻指數（ζ）Fig.6 Distribution homogeneity（ζ）of the boat distributor under different transport（ut）and aeration gas flows（ua）

在工業裝置中，船型分配器內松動風的引入是通過1根開孔的鋼管實現的。鋼管長度一般和分配器長度相當，開孔的方向一般豎直向下或傾斜向下，以避免停工時顆粒漏進管內。為避免干擾顆粒流動，鋼管直徑一般較小。通常，這一流化風管的設計往往會陷入兩難的境地。一方面，由于管徑小、長度大，只有在更高的過孔氣速和更高的分布管壓降下才有可能保證氣體的均勻分布，但過高的氣速會沖蝕分配器底部，造成設備磨損和影響裝置長周期運轉；另一方面，如果過孔氣速較小，氣體的均勻分布將難以保證，因此也無法保證整個分配器內顆粒具有良好的流動性和均勻的橫向分布，甚至有時顆粒會沿一些孔吸入，再從其他孔中噴出，造成分布孔的嚴重磨損。此外，在更大規模的工業再生器中，由于輸送風對顆粒橫向運動的影響范圍有限，尤其是當分配器設置在密相床層中時，顆粒的橫向分配均勻性將進一步變差。由此可知，在大型工業裝置中船型分配器將不會比本實驗裝置中有更好的表現。

2.3 有管式分配器時顆粒的橫向分配特性

圖7為有管式分配器時顆粒橫向分配的不均勻性。由圖7可知，在較低輸送氣速下，輸送氣速和松動氣速對不均勻指數的影響規律和船型分配器基本一致，輸送風量和松動風量的增大均有助于改善顆粒橫向分配的均勻性。但是，在這一操作條件范圍內，輸送風的作用較小，而松動氣速的增大則更能有效地改善顆粒橫向分配的均勻性。當輸送氣速大于3.3m／s，不同松動氣速下不均勻指數均存在一個顯著的突降趨勢。出現這一變化的原因和管式分配器及前端立管水平段內的氣-固相流動型態密切相關，是氣流輸送顆粒能力與立管顆粒輸送能力相互主導的結果。根據實驗觀察，當輸送氣速小于3.3m／s時，立管水平段內的氣-固相流動型態如圖8（a）所示，呈活塞狀流動，顆粒一股一股地被氣柱擠出，位于水平段處的瞬態壓力變化則如圖9中紅線所示，呈低頻大幅波動模式。這時輸送氣速較低，氣體需要集聚一定的能量才能克服顆粒自身重力以及顆粒層與輸送管之間的摩擦阻力，最終形成對顆粒的輸送，氣體對顆粒的輸送能力成為了影響顆粒循環量的控制性因素；由圖9還可知，這時分配器及水平段的總壓降較高，這主要是分配器及水平管內顆粒流動阻力較大的緣故。當輸送氣速大于3.3m／s，立管水平段內的氣-固相流型發生了改變，如圖8（b）所示，顆粒在分布器的水平管段內的分布比較均勻，已呈現稀相流動，這時氣流對顆粒的輸送能力已經足夠大，影響顆粒循環量的控制性因素反而轉變為立管對顆粒下行流動的摩擦阻力，位于水平管處的瞬態壓力呈高頻小幅波動模式（見圖9中黑線）。這時分配器及水平管內的氣流阻力較小，總壓降反而大幅度下降（見圖9）。在無分配器及采用船型分配器時，由于也存在一個立管水平段，實驗中也觀察到了類似的流動規律，但是由于水平管段較短，因此其影響較小，不如管式分配器中顯著。

圖7 不同輸送氣速（ut）和松動氣速（ua）下管式分配器的顆粒分配不均勻指數（ζ）Fig.7 Distribution homogeneity（ζ）of the pipe distributor under different transport（ut）and aeration gas flows（ua）

圖8 高、低輸送氣速下不同的2種氣-固流動模式Fig.8 Different gas-solid flow patterns under high and low transport gas velocities（a）Under low transport gas velocities；（b）Under high transport gas velocities

圖9 高、低輸送氣速下立管末端壓力脈動的差異Fig.9 Different pressure fluctuation patterns at the end of vertical tube under high and low transport gas velocities

另外，當松動氣速較高時，在較高的輸送氣速范圍內不均勻指數出現了極小值，在圖7中用2個虛線框表示了這些極小值點的存在，之后再增大輸送氣速反而使不均勻指數有所增大，這時更多顆粒選擇經管式分配器最末端的幾個分配孔流出。這一趨勢表明并不是松動氣速越高越好，而是存在最優值。至于出現這一趨勢的內在原因，還有待在今后進一步探究。

2.4 顆粒循環量對分配器顆粒分配均勻性的影響

除輸送風以及流化風的影響外，顆粒循環量也影響分配器顆粒分配的均勻性。圖10為2個不同輸送氣速下3種待生劑入口結構的分配不均勻系數隨立管蝶閥開度的變化。在本實驗中，催化劑循環量的調節是通過改變待生立管上蝶閥的開度來實現的，閥板開度角從0°增大到90°代表蝶閥從完全關閉狀態逐漸打開直至最大開度。盡管由于所形成的流動阻力不同，相同蝶閥開度下采用不同待生劑入口結構中催化劑的循環量并不完全相同，但由圖10也可以近似地反映出顆粒循環量對顆粒分配均勻性的影響。事實上，本實驗過程中催化劑的循環量也是不斷下降的，不同閥板開度僅能調節操作過程中催化劑的平均循環量。這是由于本實驗采用間歇操作方式，實驗過程中密相流化床中的料位不斷下降，導致立管推動力的不斷下降以及催化劑循環量的不斷下降。

由圖10還可以看出，相對輸送風而言，催化劑顆粒循環量對顆粒分布均勻性的影響較小，但總體上無論輸送風速大小，隨著顆粒循環量的增大3種待生劑入口結構顆粒分配的均勻性均有所下降。在本實驗裝置中，3種待生劑入口結構下催化劑的最大循環量均不超過2kg／s，對應的立管顆粒循環流率在400kg／（m2·s）以下，小于工業裝置的操作范圍（750～1500kg／（m2·s））［16］）。根據圖10所顯示的趨勢，可以預見在工業裝置中由于催化劑循環量的進一步增大，無論管式還是船型分配器的性能還將進一步下降。

圖10 不同輸送氣速（ut）下3種待生劑入口結構的分配不均勻指數（ζ）隨立管蝶閥開度的變化Fig.10 Distribution homogeneity（ζ）vs valve plate orientation in three inlet structure of spent catalyst distributor under different transport gas velocities（ut）

2.5 不同型式分配器性能的對比

根據3種顆粒入口結構的研究結果，選取船型和管式分配器各自最佳的操作條件，將它們的不均勻指數變化規律和無分配器時進行對比，結果如圖11所示。由圖11可見，待生劑分配器的作用顯著，而且管式分配器性能要顯著優于船型分配器。在實驗中還觀察到，當輸送氣速大于3.8m／s時，管式分配器所有10個催化劑分配孔中均有顆粒流出，這是船型分配器在所有實驗操作條件下均無法實現的。由于輸送風加速顆粒的影響范圍有限，可以預期在更大型的工業裝置中，船型分配器的性能將會進一步變差，而處于稀相流動型態的管式分配器的性能將不會受太大的影響，是唯一能夠顯著改善顆粒橫向分配均勻性的待生劑分配器結構。但是，管式分配器需要消耗較高的輸送風量，因此也會一定程度上增加裝置能耗。另外，使用管式分配器時還會改變待生劑輸送管路中的壓力平衡特性，使待生劑輸送管路中的流動阻力有所增加。當裝置無法增加待生劑管路推動力時，例如在裝置改造時，這可能會導致待生劑管路顆粒輸送能力下降，使裝置劑／油比（催化劑與原料油的質量比）和加工能力下降，從而影響裝置的經濟效益。

圖11 不同型式待生劑分配器顆粒均勻指數（ζ）隨輸送氣速（ut）的變化Fig.11 Distribution homogeneity（ζ）vs transport gas velocity（ut）in different spent catalyst distributors

盡管本研究中筆者采用了間歇的顆粒流動方式，與工業裝置中顆粒連續流動的方式并不完全相同，另外所用待生劑分配器模型的尺寸相比工業裝置也較小，但是實驗過程中氣-固相流動的基本特性和工業裝置相同，可以通過所獲得的一些趨勢性認識對工業裝置中待生劑分配的情況進行合理推測，從而獲得一些符合實際的規律性認識以及改進分配器性能的思路。

3 結 論

（1）借助足夠量的輸送風，管式待生劑分配器能夠顯著改善顆粒的橫向分配均勻性，即使在大型的工業裝置中也能夠實現，但會因此增加裝置能耗以及待生劑輸送管路的流動阻力，可能因此降低裝置劑／油比和加工量，影響裝置的經濟效益。

（2）船型待生劑分配器對顆粒橫向分配均勻性的改善效果十分有限，而且在大型工業裝置中，其作用還將進一步減弱。

（3）對于本研究中所有3種顆粒進料結構，輸送風均能顯著改善顆粒橫向分配的均勻性，隨著輸送氣速的提高，不均勻指數顯著下降。對于慣性和管式分配器，增加松動氣速也能改善顆粒的橫向分配均勻性，但總體上其影響不如增大輸送風量顯著；隨著催化劑循環量的增大，3種待生劑入口結構的顆粒橫向分配均勻性均有一定程度的惡化。

（4）由于受管內氣-固流型轉變的影響，管式分配器存在一個臨界輸送氣速，在此臨界氣速以上，顆粒橫向分配均勻性顯著改善。

符號說明：

——第i個出料口顆粒流出量比率，＝

i——出料口（或倉室）編號

n——出料口（或倉室）個數

p——壓力，Pa

wi——第i個倉室收集到的顆粒質量，kg

W——每次實驗流出的顆粒總質量，kg

ua——松動氣速，m／s

ut——輸送氣速，m／s

ζ——不均勻指數

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