催化裂化裝置立管輸送催化劑異常原因分析

嚴超宇， 王 迪， 賈夢達， 孫立強， 魏志剛， 宋健斐， 魏耀東

(1.中國石油大學 重質油國家重點實驗室， 北京 102249； 2.過程流體過濾與分離技術北京市重點實驗室, 北京 102249)

在催化裂化裝置中沉降器和再生器之間的催化劑輸送是通過立管進行的，其中多段再生催化劑工藝中各段再生器之間的催化劑輸送也是依靠立管完成的[1]。因此，立管輸送催化劑的操作對于維持催化裂化裝置的催化劑循環是至關重要的。立管輸送催化劑有2個重要特征，一是催化劑從高處的低壓端流向低處的高壓端，屬于負壓差流動；另一個特征是只能讓催化劑流動通過，氣體不能逆向反竄[2-5]。例如催化裂化裝置上的再生立管和待生立管用于輸送再生器和沉降器之間的待生催化劑和再生催化劑，但不允許油氣和煙氣通過。此外，立管輸送催化劑時不僅存在垂直高度上的位置變化，而且有時還有水平方向的位置變化，所以立管通常是由垂直立管和斜管兩部分構成。立管設計不當或操作不慎往往會造成催化劑顆粒質量流率下降或其大幅度波動的故障，尤其是大比重催化劑在重質油催化裂化裝置上的應用致使立管操作穩定性的問題更為突出，嚴重時導致整個裝置停工的故障也并非絕無僅有[6]。這些故障的分析和處理因催化裂化裝置的結構型式和操作參數不同而不同，具有較大的復雜性和多樣性。但這些故障與立管內的流態和立管的進出口環境的流化狀態密切相關，為此，筆者從這兩個方面探討立管輸送催化劑故障產生的機理和原因，為消除這些故障提供支持和參考。

1 立管負壓差與壓力平衡

立管通常是循環流化床顆粒循環回路的下行部分，而上行部分一般是各種流態的流化床。催化裂化裝置上有多處催化劑循環采用立管下行輸送催化劑，如待生斜管、再生斜管、旋風分離器料腿等。圖1為某催化裂化裝置再生器和沉降器的壓力分布示意圖。根據壓力分布可以繪制出顆粒循環回路上的壓力平衡曲線，圖2為沉降器和再生器的壓力平衡曲線。由圖2可知，沉降器的顆粒循環回路的壓力平衡曲線呈8字型，再生器的壓力平衡曲線呈O字型。這是由于沉降器與再生器顆粒循環的進出口標高位置不同產生的。

圖1 某催化裂化裝置再生器和沉降器的壓力分布示意圖Fig.1 Schematic diagram of pressure distribution in a FCC regenerator and disengager Elevation:▽(mm); Pressure: p(MPa); Mass concentration: ρ(kg/m3)

圖2 沉降器和再生器循環系統的壓力平衡曲線Fig.2 Profiles of pressure balance in disengager and regenerator circulating system (a) Disengager circulating system; (b) Regenerator circulating system

對于催化裂化工藝的催化劑循環路線，上行路線是氣體攜帶催化劑的流動，氣體的流動速度比較高，由低處的高壓端流向高處的低壓端。下行路線是顆粒借助于自身重力作用下落流動，由高處的低壓端流向低處的高壓端，屬于負壓差操作。上行路線的壓力梯度和下行路線的壓力梯度對比表明，下行路線壓力梯度大于上行路線。這是因為上行路線的顆粒質量濃度遠低于下行路線的顆粒質量濃度。立管部分的壓力梯度比較大，說明立管內的顆粒質量濃度比較大，有很強的蓄壓能力。如再生立管用于從再生器向提升管輸送催化劑(見圖2(b))，其再生立管入口處壓力pi=0.15060 MPa，再生立管出口附近周圍環境的壓力(或提升管底部壓力)po=0.15891 MPa，為阻止出口的氣體反竄進入再生立管，這就需要在立管內形成1個一定顆粒質量濃度ρs和垂直高度為h的顆粒料柱。顆粒料柱具有鎖氣排料的功能(如圖3(a)所示)，一方面阻止外部氣體反竄進入再生立管，另一方面提供足夠的蓄壓推動力平衡負壓差(po-pi)進行排料，所以排料條件是再生立管出口處的壓力ps大于周圍環境壓力(或提升管底部壓力)po，即

ps>po

(1)

式(1)中ps表達式為：

ps=pi+ρsgh

(2)

圖3 再生立管的壓力分布示意圖Fig.3 Schematic diagram of pressure distribution in a regenerated catalyst standpipe (a) Conjunction structure between regenerated catalyst standpipe and riser； (b) Schematic diagram of pressure distribution along the axial height of regenerated catalyst standpipe

2 立管的流態與輸送催化劑的故障

圖4為立管操作時的2種流態照片和示意圖[2-5]。當顆粒質量流率較小(如Gs<100 kg/(m2·s))時，立管內為稀密兩相共存流態(見圖4(a))，即立管的上部空間內為稀相流態，下部空間為類似鼓泡床的密相流態。由于稀相下落流的顆粒質量濃度比較小，負壓差主要依靠密相部分形成的料柱靜壓來平衡，氣、固兩相呈逆流流動。

當顆粒質量流率較大(如Gs>250 kg/(m2·s))時，立管內的流態為濃相輸送流態(見圖4(b))。此時的負壓差主要是由整個立管內濃相料柱的靜壓和動壓來平衡，氣、固兩相呈順流流動。立管內顆粒料柱的流態形式、濃度、料柱高度等根據負壓差和顆粒質量流率的變化可以在一定范圍內自動進行調整和轉變，這是立管輸送操作的一個重要特點。

實際上立管操作的負壓差和顆粒質量流率是有一定限制的，極端情況將產生非流化流動或吹通現象，如負壓差過大，立管出口的大量氣體反竄進入立管上行，吹通立管阻礙顆粒的進入和下行，流態是稀相下落流，顆粒輸送能力很低或波動變化；若顆粒質量流率過大，立管內顆粒脫氣過多濃度增大，流態演變成移動床，或填充床流動[5,7-8]，顆粒質量濃度上升至接近堆積密度，易于形成失流化或架橋。

設立管處于圖4(a)流態操作，若立管出口不能建立起有效的約束，顆粒不能形成一個料柱，則ps

圖4 立管操作時2種流態的照片和示意圖Fig.4 Photos and schematic diagrams of flow patterns for standpipe operation (a) Dilute and dense phase coexisting flow; (b) Dense phase conveying flow

設立管處于圖4(b)流態操作，此時立管內的顆粒質量流率較大，顆粒質量濃度較高，易于發生脫氣產生失流化架橋，需要合理設置松動點和松動風量。某2.0 Mt/a重油催化裂化裝置半再生立管松動點設計不合理，立管內催化劑顆粒質量濃度在 120～660 kg/m3之間波動，說明流態在稀相下落流和移動床之間轉換，存在流態不穩定轉換問題。通過改造松動點和調整松動風量，使半再生立管內流態處于濃相輸送狀態，催化劑顆粒質量濃度維持在正常值340 kg/m3，實現了平穩操作[10]。

3 斜管輸送催化劑的故障

立管一般由垂直部分立管和傾斜部分斜管組成，而且斜管上通常安裝有閥門進行顆粒循環流率的調節。斜管內流態比垂直立管復雜，具有多樣性和多變性的特點，一方面顆粒受到重力的作用向管壁下表面沉積，另一方面閥門開度變化對閥前后的流態有很大的影響。圖5為斜管內顆粒輸送過程的流態。流態隨著顆粒質量流率增加而發生變化[11-12]。由圖5 可知，顆粒質量流率很低時，閥前的流態是移動床流動，顆粒質量濃度接近堆積濃度，顆粒呈陣發性緩慢地向下滑動。隨著顆粒質量流率的增加，閥后氣體上竄進入閥前，在斜管上表面形成氣泡，出口呈波動式下料(見圖5(a))。隨著顆粒質量流率的上升，在閥前氣泡貼近斜管上壁面形成氣體流通通道，顆粒貼近下壁面呈濃相快速流動，形成了上、下分層流動，氣、固兩相逆流，此時靜壓推動力很小(見圖5(b))。隨著顆粒質量流率繼續增大，閥前轉變為滿管的濃相流化流動，顆粒夾帶著氣體下行(見圖5(c))。盡管閥前流態發生不同變化，但閥后的顆粒流態一般均是分層流，不產生靜壓推動力。但閥后斜管出口是密相床層，是一種濃相輸送流態。

斜管上閥前、后的壓降大小表明了閥門對顆粒質量流率的調控能力，這與斜管內的流態密切相關[13]。當處于分層流時(見圖5(b))，由于存在著氣體的流通通道，斜管內平均顆粒質量濃度也較低，閥前、后的壓降最小，說明閥門對顆粒流的約束最小，此時閥門調節進行顆粒循環流率的作用也最小。其他流態時，閥前的壓力明顯大于閥后的壓力，閥前、后的壓降比較大。處于濃相流化流動時(見圖5(c))，是閥門合適的調控流動狀態。有些催化裂化裝置的斜管顆粒輸送的質量流率比較小，滑閥的壓降也比較小，其原因是斜管的流態處于分層流流態。然而若認為是斜管直徑小而增加直徑，或認為催化劑的細粉含量少更換催化劑，或認為松動風的設置問題而進行調整，這些方法實施后對提高顆粒質量流率均是沒有效果的。若將斜管內分層流轉變到濃相輸送流，其方法或是采取措施加大入口的進料量，維持進料的通暢；或是采取措施增加出口的約束，抑制出口的反竄風進入。

圖5 斜管內顆粒輸送過程的流態Fig.5 Flow patterns during particles conveying in an inclined pipe (a) Wave flow; (b) Stratified flow; (c) Fluidization flow

斜管內顆粒流經閥門的過程相當于孔口流。斜管上的閥門是一種強約束的孔口流動，不同于有自動調節功能的旋風分離器料腿翼閥，在一定的顆粒質量流率范圍內會出現不穩定的波動下料[11-15]。其原因是閥前密相下料后形成的空腔產生負壓有抽吸氣體效應，這些氣體進入閥后形成比較大的氣泡，導致陣發式的波動下料(見圖5(a))，其形成的壓力脈動也是誘發斜管振動的激振源，會造成斜管低頻高幅機械振動。

某2.0 Mt/a重油催化裂化裝置再生立管正常操作時催化劑顆粒質量濃度為420 kg/m3，異常操作時催化劑顆粒質量濃度在80～250 kg/m3波動，有時最大值可達700 kg/m3，由此造成提升管反應器的反應溫度波動幅度達14～50℃，再生滑閥的壓力降經常超過設定值[10]。這些現象說明，再生斜管內的流態是不穩定的，不斷發生流態之間的轉變，再進一步分析其原因是因斜管上松動點布置不合理造成的。通過調整再生立管的垂直部分和斜管部分的松動風和松動點后，使流態穩定處于圖5(c)所示流態，催化劑顆粒質量濃度穩定，反應溫度波動范圍±1.5℃，達到了平穩操作。

4 立管入口和出口對催化劑輸送的影響

立管的入口結構和周圍顆粒流化狀況對進料能力有重要影響，尤其是當幾個管路入口和出口同時存在時[16]。這里主要考慮入口高度和入口結構對顆粒進料的影響。雖然顆粒的粒度分布，尤其是細粉的含量，對立管內下料流動過程有一定的影響，主要反映在進料脫氣上，但相對負壓差和顆粒流率的影響要小得多。立管入口同時存在顆粒匯集流入和管內顆粒夾帶氣體脫出的過程，因此需要顆粒及時脫氣和及時匯集才能維持穩定的進料。催化劑進入立管形成的滿管流下料能力遠大于非滿管流，但有反竄氣進入立管從入口流出時，直接阻礙催化劑的進料，形成非滿管流下料。立管的入口高度相對床層密相料面有溢流式和淹沒式，溢流式入口與密相料面平齊，淹沒式入口則埋入密相床層內。對于溢流式入口，若入口過高，密相料面低，則匯集催化劑量不足；若立管入口過低，密相料面高，則大量催化劑攜帶氣體進入立管，脫氣效果差。這些都會造成立管輸送催化劑能力的下降。若立管入口采用等徑管，則進料能力小，脫氣空間和時間不夠；若立管入口采用錐形料斗結構，同時在錐體上開槽口，則增加催化劑進入立管的面積和氣泡脫出的空間，可以有效地提高進料量，見圖6[1]。

立管出口或是插入密相床內或是連接提升管與容器。插入密相床的立管出口周圍環境保持穩定的流化狀態有助于排料，也可以阻止氣體反竄進入立管。若流化不穩定，或立管負壓差較大，出口不能建立起料封，則流化風就會反竄入立管導致下料不暢，同時也直接影響進料。所以通過改善出口環境的流化狀態，或在結構上進行改進以增加反竄風進入的阻力，均可以抑制反竄氣。立管出口連接提升管的結構通常是側向連接的(見圖3(a))，提升管上行提升風與立管下料交叉撞擊產生比較大的偏流，造成立管出口形成了不穩定的陣發式下料，形成立管機械振動的激振源，如將Y型進口改造成J型進口，或V型閥等，可以提高立管出口的鎖氣排料能力，如圖7所示，劉獻玲[17]提出采用新型的提升管預提升器，將提升風與立管排料分隔開，既避免了偏流，又操作平穩，催化劑的循環量可提高20%。

圖6 立管的入口結構[1]Fig.6 Inlet structure of standpipe[1]

某1.0 Mt/a催化裂化裝置再生器采用兩段重疊式再生，半再生立管催化劑下料不暢，現場測量立管壓差范圍為0.02～0.03 MPa(設計壓差0.06～0.07 MPa)，滑閥壓降0.01 MPa以下(設計壓降0.04～0.05 MPa，半再生滑閥開度20%～30%)[18]。半再生立管壓差小，說明蓄壓能力差，沒有建立起有效的料柱，其原因是第二再生器的分布風反竄進入半再生立管，影響催化劑的下料和進料，結果第一再生器料位高，第二再生器料位低。隨即對半再生立管的入口和出口進行了技術改造，入口加裝料斗提高進料能力，出口區域改造分布器噴嘴，避免流化風對出口排料的干擾。半再生立管改造后操作穩定，立管蓄壓推動力穩定在0.07 MPa，說明立管內建立起有效的料柱，蓄壓能力提高了，滑閥壓降也達到了0.05 MPa的設定值(半再滑閥開度10%～45%)。

圖7 立管出口的連接結構Fig.7 Connecting structure for standpipe outlet (a) Y-type structure; (b) J-type structure; (c) V-type structure

美國Sell公司開發的提高催化劑循環速率技術(Catalyst circulation enhancement technology，CCET)[19]，采用新型的立管入口結構，如圖8所示。這是一種淹沒式錐形入口結構，利用立管外的圓環阻擋上行的流化風，在立管入口周圍形成一個密相床區，如圖8中的圓圈部分。同時在圓環之上引入少量流化風，控制立管入口區域的流化狀態。工業催化裂化裝置采用CCET的結果表明,立管的推動力增大，操作穩定性得到改進，催化劑循環速率可提高50%，對細粉含量低的催化劑亦如此。

5 結 論

催化裂化裝置立管輸送催化劑屬于負壓差流動，內部的流態取決于顆粒質量流率和負壓差的變化，可以互相轉換，斜管內的流態更加復雜。現場催化裂化裝置的立管輸送催化劑不暢的原因主要是：

圖8 Shell公司CCET技術的立管入口結構[19]Fig.8 Standpipe inlet structure of CCET technology for Shell company[19]

(1)負壓差過大，導致竄氣、進料不暢，不能建立起有效的蓄壓料柱，造成顆粒循環速率下降和波動；(2)由環境造成的入口進料不暢，不能形成滿管下料；(3)松動風位置和松動風量設計不合理，立管內形成了移動床流動流態。通過改造立管進出口的結構和周圍的流化環境、減小立管的負壓差、改進松動風的設計等措施，可以有效地改善立管輸送狀態，達到流暢下料的效果。

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