連續重整催化劑提升管道設計探討

曹來宗

(中石化洛陽工程有限公司，河南　洛陽　471003)

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化工機械

連續重整催化劑提升管道設計探討

曹來宗

(中石化洛陽工程有限公司，河南洛陽471003)

石化連續重整裝置反應部分催化劑采用含有鉑的催化劑，催化劑的再生是重整裝置的核心部分。催化劑提升管道為氣固輸送過程，輸送過程的壓降、催化劑和彎管的磨損是管道設計優劣的兩個重要指標。結合長慶重整裝置，通過分析立管、斜管和彎管處的壓降，研究催化劑與彎管磨損的主要影響因素，對重整催化劑提升管管道設計提出合理建議。

催化劑提升；氣力輸送；壓降；磨損

目前連續重整過程催化劑再生循環工藝以美國UOP-CCR和法國AXENS-CCR催化劑循環工藝最為典型，還有近年由LPEC開發的超低壓連續重整技術。三者相同之處在于均采用氣力提升技術；不同之處主要在于反應器的結構布局：UOP反應器采用重疊布置，AXENS反應器采用并列布置，LPEC反應器采用兩兩疊加。本文結合長慶60萬噸/年連續重整項目，通過對法國AXENS連續重整催化劑提升管的分析，為提升管的布置提供參考。

1　催化劑循環

催化劑在再生器內依次流過一段燒焦區、二段燒焦區、氧氯化區以及焙燒區后，流入第一下部料斗，并用氮氣反吹以除去所夾帶的氧氣，下流入第一提升器，同樣在密封氮氣的提升下進入第一反應器上部的第一上部料斗，然后在還原室中被熱氫氣還原后，進入第一反應器。在各個反應器之間由循環氫氣提升，第四反應器內的催化劑靠自身重力下流至催化劑第五下部料斗，提升氮氣由氮氣壓縮機升壓，通過一次和二次氣量調節將催化劑提升至再生器上部緩沖器，由r射線料位儀監測催化劑料位，當料位達一定高度時，啟動特殊球閥及特殊閘閥，將催化劑放入閉鎖料斗。特殊球閥僅隔斷催化劑不隔斷氣體，特殊閘閥隔斷氣體。閉鎖料斗中催化劑被升壓至與再生器壓力一致后，在定時器的控制下連續送入再生器進行燒焦再生，從而完成整個催化劑的循環，具體催化劑循環見圖1。

圖1催化劑循環示意圖

在催化劑循環流程中，有兩個獨立的氣體提升系統：

(1)氮氣提升系統

在反應器再生器之間的催化劑輸送均采用密閉的氮氣提升氣，這樣可以有效地起到安全隔離作用。氮氣的循環使用，可降低公用工程的消耗。

(2)氫氣提升系統

在反應器之間的催化劑輸送利用重整生產的氫氣從再接觸罐出口引出一部分氫氣進行提升，由二次氫氣量調節提升量。氫氣作為提升氣，使反應物一直處在氫氣環境下，不影響反應系統的正常操作。提升氫氣混入反應物流，還可起到調節反應入口氫分壓的作用。

2　氣力輸送基本原理

當固體顆粒從靜止狀態在空氣中自由下落時，由于受到重力的作用，下落速度將愈來愈快，同時，物體受空氣的阻力亦逐漸增大。當物體的自重G以及物體在空氣中受到的浮力F1和阻力F2，按下列關系達到平衡時，即；

G=F1+F2

則物體將因慣性作用而以勻速V1向下沉降，這一速度就叫做沉降速度。

如果固體顆粒沉降速度為V1的物體，放在垂直向上的速度為V2的均勻氣流中，則物體運動的絕對速度V將為：

V=V1-V2

此時，如果V1=V2，則物體的絕對速度V=0，即物體在氣流中停在原處，既不上升，也不下降。通常將這時的氣流速度稱為物體的懸浮速度。物體的懸浮速度在數值上與沉降速度相等，V1=V2。由此可見，當物體處在大于其懸浮速度的氣流中時，則物體將被氣流帶動。

3　催化劑輸送管道壓降

長慶連續重整催化劑提升管線布置見圖2，從圖2可以看出，催化劑提升管線壓降主要體現在：垂直管道壓降、傾斜管道壓降、彎管局部阻力損失。

圖2　長慶重整催化劑提升管道布置

3.1垂直管道壓降

垂直管道壓降可以分為加速段和勻速段。

顆粒勻速運動時，垂直稀相輸送過程直管段的壓降主要由顆粒重力引起的壓降ΔP1和氣固摩擦引起的壓降ΔP2[1]。

ΔP=ΔP1+ΔP2

(1)

式中：ρg、ρs——輸送氣和顆粒密度

ug、us——輸送氣和顆粒群的實際速度

fg、fs——氣體和顆粒的摩擦阻力系數

h，D——輸送管高度和直徑

ε——輸送過程的孔隙率

加速段壓降，包括顆粒重力引起的壓降ΔP1、氣固摩擦引起的壓降ΔP2、加速顆粒過程所產生的壓降ΔP3[1]，即：

Δp=Δp1+Δp3+Δp3

(2)

式中：usc——加速終止時顆粒群的運動速度

ug0——輸送氣入口處速度

3.2傾斜管道壓降

在傾斜安裝的輸送斜管內，單位長度上的壓降比垂直管道要大。由于傾斜安裝的輸送管內，因重力作用使固體顆粒存在明顯偏流，使得氣固兩相流變得十分復雜，很難建立斜管輸送過程的定量描述方程。然而通過大量的實驗發現：在傾斜安裝的輸送管內單位長度上的壓降與垂直管中的單位長度壓降成正比[1]，即：

(3)

大量實驗表明：45°斜管內壓降之比為2.8。

3.3彎管局部壓力損失

催化劑輸送過程中，通常需要用彎管將不同位置和平面的設備聯系起來，從而實現催化劑的輸送。經過彎管的氣固兩相間的壓降計算相當復雜，工程實踐中通常將它與垂直管道的壓降進行比較，然后根據當量壓降比值計算彎管處的壓降。例如：對于135°上彎頭的當量壓降比值為1.6[1]，即：

(4)

3.4減小輸送壓降措施

(1)減少彎管數量。彎管的局部阻力損失要比直管大，因此應該盡可能減少彎管的使用數量。從圖2可以看出長慶連續重整催化劑從第四下部料斗提升到再生上部料斗使用了四段彎管，反應器下部料斗與上部料斗之間使用了兩端彎管。

(2)輸送管道應該盡可能短。從式(1)、(2)、(3)、(4)分析可知：管道長度越大，管道壓降就越大。

(3)增加管道內壁光滑度。管道粗糙度越大，顆粒與管道內壁的摩擦系數就越大，造成的壓降也就越大。

(4)彎管前應留有一定長度的直管段。氣力輸送分為加速段和勻速段，如果直接連接彎管，加速段沒有達到預定速度，就容易造成管道堵塞。

(5)降低輸送風速度。從壓降三個關系式可以看出，輸送風速度越高，壓降就越大，因此降低風速可以減小壓降損失。長慶連續重整總提升風速為3 m/s。

(6)彎管曲率半徑盡可能大。彎管曲率半徑越大，越接近直管，因而壓降就越小。AXENS工藝包要求提升管線傾斜度不小于60°，長慶重整選用60°，曲率半徑為1800 mm的彎管。

4　催化劑磨損及彎管磨損

連續重整催化劑提升系統中，催化劑顆粒經過彎管時，其運動形式既有滾動又有滑動，同時催化劑顆粒之間及顆粒與管道之間還發生碰撞。通常彎管磨損量可表示為：

彎管磨損量=kvn

(5)

式中：n——隨彎管材料而定，一般為2～3[2]

連續重整催化劑為價格昂貴的貴金屬催化劑，因而減少催化劑磨損率是催化劑提升管道設計考慮的一個重要因素。根據力學和摩擦學原理，催化劑的磨損比主要與顆粒的運動速度有關，并與顆粒速度成冪指數關系，即[1]：

(6)

式中：K，m——磨損比例系數和磨損指數因子

εg——系統孔隙率

ug、ut——輸送氣表觀氣速和顆粒終端速度

4.1催化劑及彎管磨損主要影響因素

(1)輸送氣流速度對磨損的影響：磨損是粒子與管道內壁摩擦或撞擊造成的，顆粒速度越大，撞擊或摩擦的能量就越高，磨損就越嚴重。從(5)和(6)分析可知物料輸送速度越大，彎管與催化劑磨損就越嚴重，但是如果輸送氣流速度太低，就會造成輸送管堵塞。

(2)彎管結構對磨損的影響：彎管曲率半徑與管道直徑之比(R/D)對磨損的影響很大。傳統理論認為彎管曲率半徑越大，彎管越趨向于直管，因此彎管壓降和磨損就越小。但是Mason彎管驗和實踐經驗表明，物料經過彎管時，會在內壁外側和內側彈跳，每個磨損點意味著能量的損失和物料的破碎。一般情況下，長半徑彎管曲率半徑越大，撞擊點就越多，能量損失就越大，磨損越嚴重[3]。

4.2減小管道及催化劑磨損措施

(1)物料輸送速度越大，彎管與催化劑磨損就越嚴重，因此輸送速度應在盡可能低的氣速下進行，但是如果輸送氣流速度太低，就會造成輸送管堵塞。實踐證明，催化劑的顆粒提升速度應小于2 m/s。

(2)彎管對催化劑磨損影響比較大，因此應該盡可能減少彎管數量，從圖2可以看出長慶連續重整催化劑從第四下部料斗提升到再生上部料斗使用了四段彎管，反應器下部料斗與上部料斗之間使用了兩端彎管。

(3)長半徑彎管曲率半徑越大，撞擊點就越多，能量損失就越大，磨損越嚴重。因此如果僅從磨損方面考慮，應該減小彎管的曲率半徑。

(4)彎管及管道粗糙度越大，催化劑與管道的磨損就越嚴重，因此催化劑輸送管線內壁應該盡可能的光滑，以減少摩擦磨損。

5　結　論

催化劑氣力輸送是一個復雜的過程，優化配管布置，盡可能降低催化劑和管道的磨損，以及降低管道壓降是布置管道的兩個重要指標。通過壓降與磨損的分析，提出以下建議：

(1)催化劑輸送管道應該盡可能短，這樣可以有效減小壓降和減少催化劑與管道的磨損。

(2)盡量減少彎管的數量，并且要選用曲率半徑大和小于90°的彎管，R/D>6[4]，但曲率半徑過大會造成彎管磨損嚴重，因此彎管R/D(R為彎管曲率半徑；D為輸送管直徑)應該在一個合理范圍內。

(3)催化劑輸送管道內壁應盡可能光滑，這樣可以有效減小摩擦系數。

(4)催化劑輸送管道由于磨損比較嚴重，出于安全考慮，常選用厚壁管。長慶項目選用DN80，壁厚為SCH160的合金鋼鋼管。

(5)催化劑輸送管道在彎管前應該留一定長度的直管段，這樣可以避免管道堵塞。

(6)氣固輸送會產生管道震動，因此要根據支撐點合理設置支架。

[1]徐承恩.催化重整工藝與工程[M].北京:中國石化出版社,2006:470-474.

[2]李志華,金秋華.氣力輸送系統中彎管磨損分析及應對措施[J].硫磷設計與粉體工程,2007(1):20-23.

[3]李勇,朱秀蘋.氣力輸送中影響彎管磨損的因素及解決方法[J].水泥工程,2008(1):44-47.

[4]唐國俊,李建鑌.橡膠機械設計[M].北京:化學工業出版社,1997:250-256.

Study on the Design of CCR Catalyst Lifting Pipeline

CAOLai-zong

(Luoyang Petrochemical Engineering Corporation, Sinopec, Henan Luoyang 471003, China)

Catalyst containing platinum is used in reaction unit of CCR. The regeneration of the catalyst is the key part of the CCR. Catalyst lifting about CCR is a gas-solid conveying process. The pressure drop, the abrasion of the catalyst and the bend pipe are two important indexes in the pipeline design. Based on the Changqing CCR project, according to the pressure drop analysis of the riser tube, the inclined tube and the bend, researching of the main influence factors about the catalyst abrasion, the designing of catalyst riser pipe was proposed.

the lifting of catalyst; pneumatic conveying; the pressure drop; the abrasion

曹來宗(1983-)，男，工程師，主要管道設計。

TQ914.1

B

1001-9677(2016)010-0175-03