催化裂化提升管進料混合段研究進展

王 釗，閆子涵，范怡平，盧春喜

催化裂化提升管進料混合段研究進展

王 釗，閆子涵，范怡平，盧春喜

（中國石油大學（北京）重質油國家重點實驗室，北京 102249）

催化裂化是煉油工業中重要的二次加工過程，提升管反應器是催化裂化裝置的核心部分，其中的進料混合段是原料油與催化劑的初始接觸階段，該區域油、劑間的接觸與混合效果將對裂化反應的產品分布產生直接影響。在傳統的提升管進料段結構中，存在著催化劑分布不均勻、顆粒返混嚴重等問題，不利于實現油、劑間快速而均勻的混合與反應。針對提升管進料混合段內存在的缺點與不足，國內外研究者提出了諸多改進方法，其中改變進氣方式、增加內構件、提升管變徑等方案的效果較為顯著。

提升管；混合進料段；結構優化

催化裂化工藝是石油加工業中不可或缺的工藝工程，提供了市場中大部分的汽、柴油等產品。提升管反應器是催化裂化的核心裝置之一，汽油、柴油和液化氣等諸多目的產品均是通過在其內裂化反應獲得。

根據在裂化反應過程中的作用，可以將提升管反應器沿軸向由下至上分為四個部分，分別是預提升段、進料混合段、充分反應段以及出口快分段［1,2］。其中的進料混合段是油、劑的初始接觸階段。在該區域內，原料油與催化劑間的接觸及混合效果將對整個裂化反應產生直接影響。

然而，實際生產中，進料混合段內存在以下問題：（1）進料混合段原料油與催化劑顆粒接觸及混合狀況不理想。在油劑初始接觸階段，催化劑顆粒沿徑向的分布極不均勻，且顆粒軸向速度較低，不利于油劑間快速而均勻地混合。（2）在提升管中油劑混合物的流動狀態不是理想的“平推流”，較多的催化劑顆粒聚集在提升管近壁，呈環-核結構，噴嘴射流的引入也加劇了顆粒的軸向返混，使油、劑之間進行反復接觸，造成較為嚴重的結焦。

針對提升管進料混合段內存在的問題，國內外研究者在對傳統進料段內氣、固兩相流動特點進行詳盡研究與分析的基礎之上，提出了諸多改進方法，其中一些方案實現了工業應用并取得了一定的效果。

1 提升管進料混合段內氣固流動特性研究現狀

提升管進料段內的流動狀況極其復雜，可以將該流場描述為“受限射流與三維三相流場的耦合”，相關研究主要采用實驗與數值模擬相結合的方法。

范怡平[3-6]等在內徑為186 mm、高14 m的有機玻璃提升管裝置內進行了提升管進料混合段內氣固兩相流動特性的研究。按照顆粒相與射流相的流動特征，將整個混合進料段由下至上分為四個區段，分別是：上游影響區、主射流影響區、二次流影響區和混合發展區。其中，二次流影響區段邊壁處的顆粒返混急劇增加，且油劑匹配效果較差，對油劑間的混合產生極為不利的影響。

鄂承林[7]等在Φ200 mm的提升管冷模實驗裝置上，研究了噴嘴射流在進料段的分布特征并考察了噴嘴氣速的影響。結果表明，噴嘴射流在進料混合段內存在六種徑向分布特征，沿軸向由下到上分別是：未混合區（強M型分布）、混合區（弱M型分布、強三峰分布、弱三峰分布、單峰分布）、完成混合區（環-核分布）。當噴嘴氣速增加時，未混合區、混合區及完成混合區的軸向高度均逐漸增加。該研究還指出：提升管直徑較大時，適當提高噴嘴氣速有利于噴嘴油氣與預提升氣體和催化劑顆粒之間的混合；提升管直徑較小時，適當降低噴嘴氣速有利于噴嘴油氣與預提升氣體和催化劑顆粒之間的混合。

王洪斌[8]等采用三維數值模擬的研究方法考察了噴嘴射流的角度與速度對提升管內流動的影響。根據數值模擬得到的結果，同一角度下，噴嘴的射流速度對催化劑和油氣的濃度分布以及氣相組成的濃度分布有一定影響，而在工業提升管噴嘴射流速度范圍內（60～80 m/s），射流速度的改變對提升管內流動形態的影響不明顯。射流角度的變化對提升管內流動和反應都有較大影響，從數值模擬的結果來看，射流角度不應當超過45°。

2 提升管進料混合段結構優化研究現狀

為實現進料段油氣流動混合理想狀態，近年來國內外研究者提出了許多改進性方案，并取得了一定的成果。

Haun等[9]提出了一種新型噴嘴進料方案，如圖1所示。該結構的主要的特點是噴嘴進料方向與提升管軸線垂直，或在±25°范圍內變動。這使得進料油氣在提升管整個截面上的擴散速度大大增加，原料油與催化劑接觸后在沿軸向上很短的距離內實現充分接觸，從而使反應時間縮短，產品質量提高。該結構在還提升管的中部設置了擋板，以防止較高氣速的水平進料對提升管內壁的沖擊。

Mauleon J L等[10]提出了一種新結構，如圖2所示。該結構的進料噴嘴向下傾斜，與催化劑流逆向接觸。催化劑顆粒由再生斜管進入提升管，由預提升氣體攜帶向上運動，在預提升段上部設有二次提升氣體，催化劑顆粒在兩股氣體的共同作用下向上運動，與斜向下的噴嘴噴入的油霧接觸并發生反應。

據介紹，該結構主要有以下優點：第一，原料油液滴的氣化速度與傳統的進料方式相比有很大提高，減少了催化劑的結焦；第二，生焦量的減少保護了催化劑催化裂化的活性，從而提高了產品的選擇性；第三，該結構使得催化劑顆粒與原料油進行良好的接觸，這就保證了裂化反應的迅速進行，從而縮短了催化劑在提升管內所需的停留時間，使提升管反應器的長度縮短；第四，該進料方式允許原料油中含有較多的重油成分，尤其是瀝青成分，且反應的轉化率有所提高。

Swan等[11]分析了噴嘴的出口流型及安裝位置對進料區域內流動及混合狀況的影響，并提出了優化方案。常見的提升管進料噴嘴出口流型有扇形、三角形等，該專利將出口流型為扇形的噴嘴與出口流型為三角形的噴嘴配合安裝，如圖3所示。該方法可以使原料油進入提升管后在提升管中心和邊壁處的分布趨于均勻，以改善該區域內油劑的接觸狀況。同時，在該專利中還提出將進料噴嘴分為兩組布置在提升管周向位置，其中一組的安裝位置靠近提升管中心，約為r/R=0.5位置處，另一組安裝在靠近提升管邊壁位置，約為r/R=0.9位置處。通過這種方式也可以使噴嘴油氣在提升管徑向上的分布更加均勻。

Maroy等[12]提出了一種新的提升管進料段結構。在傳統提升管反應器內，顆粒相在徑向上的分布為中間稀、邊壁濃的環-核結構，并且在邊壁存在顆粒的返混，這種分布是引起催化劑與原料油接觸不均勻的主要原因。為改變這一情況，該專利設計了兩種結構，使提升管底部而來的催化劑流向由傳統提升管中的豎直向上運動改為螺旋式向上運動，這將使提升管截面徑向上各點的顆粒濃度及速度分布區域均勻，同時消除了顆粒在提升管邊壁處的返混。第一種結構是在提升管內安裝螺旋型構件，誘導氣固混合流在提升管內做螺旋型運動，如圖 4所示。第二種結構是在提升管外部增加切向進氣管，通過切向進氣使提升管內的氣固流動形式變為螺旋式，如圖5所示。該設計主要有以下優點：第一，在噴嘴進料區，顆粒相的分布較為均勻，原料油與催化劑的接觸及傳熱效果較好；第二，原料油與催化劑顆粒實現迅速混合，提高了對重質油操作的能力；第三，極大程度減少了固體顆粒在邊壁處的滑落；第四，減少了顆粒對提升管內壁的磨損，提高了反應器的使用壽命。

鄭茂軍等[13]開發研究了一種抗滑落提升管反應器。該結構與傳統提升管相比主要有三方面的改進：二次提升技術、軸切向注入技術以及進料噴嘴區的縮徑結構。

其中的二次提升技術采用軸切向進氣，所產生的沿軸向向上的動能使得邊壁區顆粒劇烈湍動，加劇了顆粒間的碰撞，促使返混的顆粒團解體。軸切向進氣同時為邊壁顆粒提供了水平方向的動能，使得解體的顆粒向提升管中心流動，提高了核心區的顆粒濃度。進料噴嘴以上的縮徑結構可以改變氣固兩相的流動方向，在底部具有一定初速度的物流由于縮徑段的加速作用，會向核心區聚集，從而打破傳統提升管中的環-核結構；從壓力場的角度分析，縮頸段下部橫截面積大于上部，在該區域產生足夠的速度場，克服顆粒的重力作用，使物流獲得向上的推力，以抵消邊壁摩擦力和徑向擴散的影響，以近似于“平推流”的形式在提升管內流動。

范怡平[14,15]等在大量實驗的基礎上，開發了兩種新型提升管進料混合段結構，實現了對二次流的利用和控制，如圖6。其中，A型結構是在噴嘴出口正上方的提升管內壁焊接一定形狀的內構件，并在此內插件與提升管內壁間隙的開口處引入一股輔助氣體，該輔助氣體緊貼提升管內壁引入，使其進入二次流影響區段。B型結構是在噴嘴出口正上方的提升管內壁設置若干塊凸型導流板。與傳統的提升管進料結構相比，兩種新型結構的顆粒相相對返混比、密度分布均勻性指數、特征劑油濃度比等參數都有很大改善，B型結構的改善效果更為顯著。

文獻[6]中提出了一個“三分定理”，用來確定噴嘴射流所產生的二次流的位置，為控制和利用二次流提供了理論依據。以此為基礎，范怡平等[16,17]開發了一種CS 噴嘴，用于解決二次流的不利影響。其基本原理是，在確保霧化效果且不增加汽耗的前提下，在噴嘴出口處引出一股與二次流方向一致的“屏幕汽”，用于削弱二次流影響區段提升管近壁處顆粒相的返混；同時，由于氣體間的弛豫時間遠小于氣固間的弛豫時間，即輔助蒸汽與噴嘴油氣之間比其與催化劑顆粒更容易融合，因此，“屏幕汽”的引入對噴嘴射流在提升管進料段內的擴散速度影響較小，實現了對二次流的“揚長避短”。目前該進料混合段結構已在國內多家煉廠實現工業應用[18]。

3 結束語

本文對改進提升管結構，優化進料段油氣混合狀態的研究進展進行了綜述和討論，總結了影響油氣混合狀態的影響影響因素，并對比了不同結構的優缺點。目前對提升管進料混合段結構改進的主要方法包括：噴嘴角度及進氣方式的改變、增加內構件、提升管變徑等。其中，改變提升管進料段區域的流通面積或設置內構件取得的效果較為顯著，在顆粒濃度的徑向分布、油劑接觸狀況等方面都有不同程度的改善。對于提升管進料混合段來說，其結構及氣固接觸形式仍有進一步的改進空間，在今后的研究中應從改善顆粒分布，減少顆粒及油氣返混，提高氣固間接觸效率等方面進行進一步優化。

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Research Progress of Feed Injection-mixing Zone in FCC Riser

WANG Zhao，YAN Zi-han，FAN Yi-ping，LU Chun-xi
（State Key Laboratory of Heavy Oil, China University of Petroleum, Beijing 102249, China.）

Riser reactor is one of the most important units in the FCC process. In the feed injection-mixing zone of the riser reactor, the contact and flow conditions of oil and catalysts will directly affect the FCC reaction. The present research about gas-solid flow behaviors in the conventional feed injection zone indicates that the catalysts distribute quite unevenly in the feed injection zone, which is harmful for the contact and reaction of oil and catalysts. To solve the disadvantages of riser feeding mixed segment, domestic and overseas researchers put forward some improvement methods, including changing the way of air inlet, appending the internals and transforming the diameter of the riser.

Riser; Feed injection-mixing zone; Structure optimization

TE 624

： A

： 1671-0460（2015）05-0997-04

2015-03-22

王釗（1989-），男，黑龍江大慶人，碩士研究生，研究方向：過程裝備，氣固兩相流。E-mail：531006494wz@sina.com。

范怡平（1972-），男，副教授，博士學位，研究方向：過程裝備，氣固兩相流。