新型環(huán)流預汽提組合旋流快分系統(tǒng)氣相流動的試驗研究*

?

新型環(huán)流預汽提組合旋流快分系統(tǒng)氣相流動的試驗研究*

隨著催化裂化原料油摻渣比的日益增大和油質的變劣、變重，使焦炭產率和干氣產率增加，輕油收率降低，同時分餾系統(tǒng)和反應系統(tǒng)還會出現(xiàn)嚴重的結焦現(xiàn)象。催化裂化裝置的核心技術在于提升管反應技術。在很長一段時間內，國內外石油煉制工業(yè)的提升管出口氣固快分系統(tǒng)都只重視提高催化劑與油氣的一次分離效率，而對沉降器內油氣的返混問題沒有給予足夠的重視，使得反應后油氣平均停留時間長達 10～20 s[1]，這不僅會對油氣產品的分布造成較大的影響，而且還會使沉降器內出現(xiàn)嚴重結焦的現(xiàn)象，尤其是在摻渣比較大的情況下，不利于催化裂化裝置的長周期安全運行[2-3]；因此， 在提升管出口實行氣固快速分離、油氣快速引出和油氣快速汽提顯得尤為重要。

目前，應用的超短快分系統(tǒng)(SVQS)預汽提結構是由錯流盤環(huán)形擋板和帶有隔流筒的旋流快分頭所組成，這種組合結構存在空間利用率不高、檢修難度大、汽提效率不高以及部分區(qū)域存在流化死區(qū)等缺陷，因此，在SVQS基礎上耦合環(huán)流預汽提，提出了一種新型的環(huán)流預汽提組合旋流快分系統(tǒng)(CSVQS)。目前，國內外還鮮有將環(huán)流汽提器與基于離心、慣性協(xié)同分離機理的快分系統(tǒng)相互耦合的先例。

快分系統(tǒng)的分離性能直接受到氣固流動狀況的影響，但是氣固流動相當復雜，所以，對于含有氣體的兩相流動研究而言，通常都是基于氣體的單相流動著手進行分析。本文對新型CSVQS內部氣相流場進行了測試，以便能夠對氣體的流動規(guī)律和機理有一個比較全面的認識，從而拓寬其研究與應用范圍，以期為工業(yè)應用奠定理論基礎。

1 試驗裝置與試驗方法

1.1 試驗裝置

試驗裝置如圖1 所示。從羅茨鼓風機出來的空氣經過緩沖罐后，由轉子流量計分配后共6路進入試驗裝置：第1路作為提升管的提升風進入提升管底部；第2路作為預提升段的流化風進入預提升段底部；第3路為汽提段汽提氣體，催化劑顆粒在此經過汽提后進入再生器；第4路作為環(huán)流預汽提器內環(huán)的汽提氣體進入導流筒區(qū)底部；第5路作為環(huán)流預汽提器外環(huán)的汽提氣體進入環(huán)隙區(qū)底部；第6路作為再生器的流化風進入再生器底部。

圖1 試驗裝置圖

為便于觀察，封閉罩由有機玻璃制成，尺寸為φ600 mm(內徑) ×7 000 mm；旋流頭由碳鋼制成，噴出口結構參數(shù)S值(S為封閉罩內環(huán)形空間面積與旋流頭噴出口總面積之比)分別為36、24和15；提升管由碳鋼制成，外徑為108 mm；通過改變提升管的進氣量來得到試驗設定的6種不同的旋流頭噴出口噴出速度Vp，分別為8、10、12、14、16和18 m/s。CSVQS快分頭尺寸如圖2所示。

圖2 CSVQS快分頭尺寸

本試驗利用Fxc-Ⅱ/32型多點壓力巡檢儀測定旋流快分器壓降，該測量儀器具有精度高、檢測速度快、路數(shù)多和自動化程度高等特點。

1.2 試驗方法

采用五孔球探針對床層內的氣相流場進行測定，快分頭上方布置截面A，下料板下方布置截面F，在快分頭和下料板之間均勻布置4個截面B、C、D和E，其軸向距離為1 000 mm，共計6個截面。試驗選取封閉罩0°、60°截面方向上的測點進行流場測試。為了便于測量和調節(jié)，每一截面上第1個測點距封閉罩內壁25 mm，其后每25 mm前進1個點。

2 試驗結果及討論

2.1 切向速度

2.1.1 不同噴出速度和結構的切向速度

旋流快分器內切向速度在3個速度分量中數(shù)值最大，是使顆粒獲得離心力的動力。含有催化劑顆粒的氣體由旋流頭噴出口噴出后作旋轉運動，催化劑顆粒在離心力的作用下從氣流中分離出來向封閉罩邊壁運動，同時在軸向速度的作用下進入下旋區(qū)。因而切向速度在氣固分離過程中起主導作用，增加切向速度可以提高顆粒的離心力，有益于分離。

以A截面為例，同一尺寸的旋流頭結構在不同的旋流頭噴出口噴出速度下無量綱切向速度重合，并且受截面的圓周方位角的影響很小(見圖3)；同一旋流頭噴出口噴出速度下不同尺寸旋流頭結構的無量綱切向速度分布曲線在不同截面上的相似性都較好，并且受截面的圓周方位角的影響很小(見圖4)，這說明切向速度的軸對稱性較好。

由圖4可以看出，在整個分離空間內，內、外旋流的分界點即最大切向速度點受截面的圓周方位角及旋流頭的結構尺寸S的影響很小，只是沿軸向向下，向中心有所偏移。在旋流頭噴出口附近，當S=15時，無量綱切向速度的最大值約為2.836 5，折算為0.189 1S；當S=24時，無量綱切向速度的最大值約為2.712 5，折算為0.113 0S；當S=36時，無量綱切向速度的最大值約為2.418 2，折算為0.067 2S。這充分說明S值越大，無量綱切向速度的最大值與S值的相差越大，所獲得的離心力場的回報并不理想。由圖4還可以看出，3種S值的旋流快分結構的切向速度的最大值沿軸向的變化曲線基本平行，說明切向速度的最大值下降幅度受S值影響較小。

圖3 A截面在不同的旋流頭噴出口噴出速度下 無量綱切向速度(S=15)

圖4 A截面在不同尺寸旋流頭結構下 無量綱切向速度(Vp=18 m/s)

2.1.2 不同區(qū)段的切向速度

為便于對其速度分布進行比較說明，把CSVQS旋流快分器分離段再細分為2個區(qū)段：第一區(qū)段包括由旋流頭底邊至隔流筒底部的帶隔流筒區(qū)(A、B和C截面)；第二區(qū)段為隔流筒底部至擋板的無隔流筒區(qū)(D、E和F截面)。各截面的切向速度分為內旋流和外旋流，外旋流為準自由渦，內旋流為準強制渦。

1)第一區(qū)段。CSVQS旋流快分器內切向速度由隔流筒外壁向外由小變大，達到最大值后又逐漸減小，但減小程度很小。本試驗C截面在整個裝置中的相對位置與孫鳳俠SVQS快分試驗中截面3的相對位置類似，比較二者的切向速度(均取VP=18 m/s)可以看出，在上部帶隔流筒區(qū)內，二者切向速度分布形態(tài)相似，但本試驗的切向速度明顯更低一些，這說明CSVQS更有利于提高分離效率。

2)第二區(qū)段。CSVQS旋流快分器內切向速度由提升管外壁向外由小變大，達到最大值后又逐漸減小，減小程度要遠大于第一區(qū)段。外旋流區(qū)較寬，內旋流區(qū)較窄，尤其是在D截面體現(xiàn)得尤為突出，與旋風分離器內切向速度的變化規(guī)律和內外旋流區(qū)分布相似。本試驗D截面在整個裝置中的相對位置與孫鳳俠SVQS快分試驗中截面5的相對位置類似，比較二者的切向速度(均取VP=18 m/s)可以看出，在下部無隔流筒區(qū)內，二者切向速度分布形態(tài)相似，但是SVQS的外旋流區(qū)范圍略小于本試驗，這說明CSVQS更有利于氣體與顆粒的分離，可有效地避免顆粒的再夾帶。

2.1.3 試驗值與計算值的相對誤差

經過分段多元回歸分析大量的試驗數(shù)據，可以得出無量綱切向速度公式：

其試驗值與計算值之間的相對誤差分別控制在±6%和±7%以內。

其試驗值與計算值之間的相對誤差均控制在±10%以內。

其試驗值與計算值之間的相對誤差控制在±5%以內。

其試驗值與計算值之間的相對誤差分別控制在±7%和±10%以內。對于外旋流，系數(shù)co和旋流速度指數(shù)no分別為：

其試驗值與計算值之間的相對誤差均控制在±10%以內。

內、外旋流分界點半徑為:

其試驗值與計算值之間的相對誤差控制在±4%以內。

2.2 軸向速度

2.2.1 不同噴出速度和結構的軸向速度

以A截面為例，同一尺寸的旋流頭結構下，在不同的旋流頭噴出口噴出速度無量綱軸向速度重合;并且受截面的圓周方位角的影響很小(見圖5)；同一旋流頭噴出口噴出速度下，不同尺寸的旋流頭結構的無量綱軸向速度分布曲線在不同截面上的相似性都較好，并且受截面的圓周方位角的影響很小(見圖6)，這說明軸向速度的軸對稱性較好。

由圖6可以看出，在整個分離空間內，上行流與下行流的分界點在整個區(qū)間內有所不同，但變化不大，受截面的圓周方位角及旋流頭的結構尺寸S的影響很小，只是沿軸向向下，向中心有所偏移。軸向速度在整個分離空間內的分布可分為外側的下行流區(qū)和內側的上行流區(qū)。上行流區(qū)與下行流區(qū)的分界點在整個區(qū)間內有所不同，但變化不大，且受截面的圓周方位角影響很小，只是沿軸向向下略有內移。

圖5 A截面在不同的旋流頭噴出口噴出 速度下無量綱軸向速度(S=15)

圖6 A截面在不同尺寸旋流頭結構下 無量綱軸向速度(Vp=18 m/s)

1)第一區(qū)段。將本試驗C截面的軸向速度與孫鳳俠試驗所得的截面3軸向速度分布進行比較(均取VP=18 m/s)，結果表明，二者軸向速度分布形態(tài)相似，軸向速度全部變?yōu)橄滦辛?即軸向速度均為負數(shù))，從而可消除該段內顆粒由旋流頭噴出口噴出不久就直接進入上行流區(qū)域的弊病，更有利于提高分離效率。

2)第二區(qū)段。CSVQS旋流快分器內的軸向速度同時出現(xiàn)下行流區(qū)和上行流區(qū)，但是下行流區(qū)所占比例較大，靠近提升管處的向上軸向速度最大，且D截面的最大向上軸向速度要略大于E截面和F截面，對分離尚有一定的不利作用，所以還有改進的潛力。將本試驗D截面的軸向速度與孫鳳俠試驗[4]所得的截面5軸向速度分布進行比較(均取VP=18 m/s)，結果表明，在下部無隔流筒區(qū)內，二者軸向速度分布形態(tài)相似，但CSVQS上行流區(qū)軸向速度變化幅度要明顯更低。眾所周知，若上行流區(qū)的軸向速度值增大的幅度過大，特別是在隔流筒的底部附近區(qū)域出現(xiàn)顯著的變化，那么是明顯不利于分離，由此可見，CSVQS的分離效果要明顯優(yōu)于SVQS。

2.2.2 試驗值與計算值的相對誤差

軸向速度分布較為復雜,經過分段多項式分析大量的試驗數(shù)據，可以得出無量綱軸向速度公式為：

式中，a,b,c分別為系數(shù)。

其試驗值與計算值之間的相對誤差均控制在±10%以內。

上、下行流分界點半徑為:

其試驗值與計算值之間的相對誤差控制在±10%以內。

其試驗值與計算值之間的相對誤差分別控制在±9%、±8%和±10%以內。對于下行流區(qū)，系數(shù)分別為：

其試驗值與計算值之間的相對誤差分別控制在±10%、±9%和±10%以內。

上、下行流分界點半徑為:

其試驗值與計算值之間的相對誤差控制在±5%以內。

2.3 靜壓分布

2.3.1 不同噴出速度和結構的靜壓分布

試驗采用負壓操作，表壓均為負壓。靜壓沿徑向由于旋轉流的作用，由外向內逐漸降低，提升管外壁處最低。以A截面為例，同一結構尺寸的旋流快分器內的靜壓在不同的旋流頭噴出口噴出速度下在不同的截面上分布曲線相同，并且在整個分離空間內沿軸向變化不大(見圖7)；同一速度下不同尺寸的旋流頭結構靜壓分布曲線在整個分離空間內形狀相似，而且受旋流頭的結構尺寸S和截面的徑向位置的影響很小(見圖8)，這說明靜壓分布的軸對稱性也較好。

2.3.2 試驗值與計算值的相對誤差

由試驗數(shù)據回歸得靜壓分布規(guī)律方程為:

式中，ps為壓力；ap,bp分別為系數(shù)。

其試驗值與計算值之間的相對誤差分別控制在±7%和±3%以內。

圖7 A截面在不同的旋流頭噴出口噴出速度下 無量綱靜壓分布比較(S=15)

圖8 A截面在不同尺寸旋流頭結構下無量 綱靜壓分布比較(Vp=18 m/s)

其試驗值與計算值之間的相對誤差分別控制在±5%和±2%以內。

3 結語

綜上所述，可以得到如下結論。

1)新型CSVQS封閉罩內的流場為軸對稱三維流場。與SVQS相比，更有利于氣體與顆粒的分離，可有效避免顆粒的再夾帶。

2)CSVQS封閉罩內的靜壓分布均勻，變化平穩(wěn)。

3)汽提氣的引入對CSVQS旋流快分器內的流場影響較小，切向速度和軸向速度值基本不變。內、外旋流的分界點隨著汽提氣量的增大保持不變。汽提氣的吹入使上行軸向速度略有增大，上、下行流的分界點的徑向位置保持不變。靜壓的分布形態(tài)不受汽提氣的影響，只是數(shù)值大小隨汽提氣量的增大而稍有增大。

4)對CSVQS封閉罩內流場的分析及回歸公式，可供CSVQS結構優(yōu)化和工程設計參考。

[1] Zhao F W. Catapult-style gsa-solid separator application on FCCU [J]. Petroleum Processing and Petrochemicals, 1986,29 (2): 1-5.

[2] Lu C X,Cai Z,Shi M X. Experimental study and industry application of a new vortex quick separation system at FCCU riser outlet[J].Acta Petrolei Sinica(Petroleum Processing Section),2004,20(3):24-29.

[3] Chinese FCCU Co-opretion. 30 Years of Chinese FCCU [M]. Bejing: China Petrochemical Press, 1995.

[4] Quinn G P, Silverman M A. FCC reactor product-catalyst separation ten years of commercial experience with closed cyclones [R]. NPRA Meeting, 1995, AM-95-37.

責任編輯 馬彤

張智亮1,2，鄂承林1,盧春喜1

(1.中國石油大學(北京)重質油國家重點實驗室，北京 102249；2.西南石油大學 機電工程學院，四川 成都 610500)

提出了一種新型的環(huán)流預汽提組合旋流快分系統(tǒng)(CSVQS)，采用五孔球探針對CSVQS內的氣相流場進行測定，并利用Fxc-Ⅱ/32型多點壓力巡檢儀測定壓降。測試結果表明，CSVQS封閉罩內的流場為軸對稱三維流場。與原來的超短快分系統(tǒng)(SVQS)相比， CSVQS更有利于氣體與顆粒的分離，有效避免了顆粒的再夾帶。CSVQS封閉罩內的靜壓分布均勻，變化平穩(wěn)。基于試驗結果，建立了CSVQS封閉罩內的氣流速度分布的回歸公式，可供CSVQS結構優(yōu)化和工程設計參考，以期為工業(yè)應用奠定理論基礎。

環(huán)流預汽提；快分系統(tǒng)；CSVQS；氣相流場；試驗

Experimental Study of Gas Flow Field in Fast Subsystem with a Circulation of Pre-stripping

ZHANG Zhiliang1,2, E Chenglin1, LU Chunxi1

(1.State Key Laboratory of Heavy Oil Processing, China University of Petroleum (Beijing), Beijing 102249, China;

2.College of Mechanical and Electrical Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China)

Present a new combined system of circulation pre-stripper and vortex quick separator, using the five-hole scout to measure the gas phase flow field in CSVQS system， and using Fxc-Ⅱ/32-type multi-point inspection to measure the pressure drop. The test results show that: the flow field in a closed enclosure of CVQS is a three-dimensional flow field with axial symmetry. Compared to the SVQS system， it is more conducive to the separation of gas and particles, and effectively avoid the re-entrainment of particle. The static pressure distribution in CSVQS enclosure is uniform and the change smoothly. Based on the experimental results, it establishes a regression formula CSVQS air velocity distribution within the enclosure for CSVQS structural optimization and engineering design, and lay the theoretical foundation for industrial application.

circulation pre-stripping, fast subsystems, CSVQS, gas flow field, experiment

張智亮(1984-)，男，博士研究生，主要從事動力工程及工程熱物理等方面的研究。

2016-04-06

* 國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃(973)基金資助項目(2012CB215004)

TE 966

A