FCCU旋風分離器入口速度對催化劑跑損的影響

楊智勇 蔡香麗 王菁 尹兆明 魏耀東

摘 ?????要：在催化裂化工藝中，旋風分離器用于催化劑與油氣或與煙氣的分離操作，是決定催化劑跑損的關鍵設備。旋風分離器的入口速度是一個重要的操作參數，也是影響催化劑跑損的一個主要因素。入口速度過低或過高均可以導致催化劑跑損量的增加，但兩者導致催化劑跑損的機制不同。入口速度低于設計值則離心分離能力不足，分離效率下降，跑損催化劑的顆粒粒度分布表現為單峰分布;入口速度高于設計值則導致催化劑顆粒的擴散反彈和破碎，分離效率同樣下降，此時跑損催化劑的顆粒粒度分布表現為雙峰分布。

關 ?鍵 ?詞：催化裂化裝置;旋風分離器;入口速度;催化劑跑劑;粒度分布

中圖分類號：TQ?021.1???????文獻標識碼：?A ??????文章編號： 1671-0460（2019）11-2596-04

Effect of Cyclone Inlet Velocity?on the Catalyst Loss?in FCCU

YANG?Zhi-yong¹， CAI?Xiang-li¹， WANG?Jing¹， YIN?Zhao-ming¹， WEI?Yao-dong²

（1. College of Chemical and Environmental Engineering， Xinjiang Institute of Engineering， Xinjiang Urumqi 830092，?China;

2. College of Engineering， China University of Petroleum-Beijing at Karamay，?Xinjiang Karamay?834000， China）

Abstract： The cyclone is used for separating the catalyst particles from oil gas or?flue gas?in fluid catalytic cracking?unit?（FCCU）， which is a key equipment affecting?catalyst loss.?The inlet velocity of cyclone is an important process parameter related?to the?catalyst loss. When the inlet velocity exceeds the designed operating range， the catalyst loss will occur.?When the inlet velocity is lower， the centrifugal separation ability is insufficient， the separation efficiency decreases. The particle size distribution of catalyst loss shows a single peak. When the inlet velocity is higher， the catalyst particle will diffuse and wear， and the separation efficiency also decreases. At this time， the particle size distribution shows a double peak.

Key words：?FCCU; Cyclone; Inlet velocity; Catalyst loss;?PSD

在催化裂化裝置（Fluid Catalytic Cracking Unit，簡稱FCCU）中，旋風分離器系統用于分離催化劑與油氣或催化劑與煙氣，是決定催化劑跑損程度的關鍵設備^[1，2]。旋風分離器系統主要由旋風分離器、料腿和翼閥等組成。旋風分離器在長時間高溫和高濃度的操作過程中會發生各種各樣的故障，是FCCU中出現故障頻率相對比較高的設備^[3]。這些故障的外部表現的主要形式是催化劑大量跑損，其中因入口速度的原因導致催化劑跑損是一個比較常見的故障。旋風分離器的入口速度是其設計和運行的一個重要參數，主要取決于FCC工藝。沉降器旋風分離器的入口速度操作取決于油氣的加工量，再生器的入口速度取決于燒焦的主風量。旋風分離器是利用氣流旋轉攜帶顆粒旋轉產生的離心力進行氣固兩相分離的，離心力的大小與入口速度密切相關，直接關系到分離效率^[4-6]。一般旋風分離器入口速度存在一個最佳的操作范圍^[7，8]。設計和運行應控制入口速度在這個區域內，超出這個區域均會導致分離效率的降低，催化劑跑損量的增加。但是，過低入口速度或過高入口速度造成旋風分離器催化劑跑損的機理是有所不同的，跑損催化劑的顆粒粒度分布也有所不同。為此，這里基于旋風分離器的氣固分離過程，以及跑損催化劑的顆粒粒度分布兩個方面探討入口速度變化對催化劑跑損的影響機制，為FCCU催化劑跑損故障分析提供支持。

1 ?旋風分離器的分離性能曲線

旋風分離器內部顆粒在旋轉分離過程中受到各種力的作用，主要有離心力、曵力，以及重力等。依據Barth的平衡軌道理論（The equilibrium orbit theory），假設旋風分離器內任意半徑r處有一個直徑為d的球形顆粒，見圖1。顆粒在水平截面上其徑向運動同時受到離心力和曳力的作用，若忽略其他作用力，則顆粒的簡化徑向運動方程為^[7]

?????（1）

式中：?V_r?—顆粒的徑向速度;

d?—顆粒直徑;

ρ_s?—顆粒密度;

ρ_g?—氣體密度;

V_t?—切向速度;

μ?—氣體黏度。

上式右側的第一項是離心力，第二項是顆粒的曳力。離心力使顆粒分離，而徑向曳力使顆粒逃逸。上式中顆粒的徑向速度比較小，曳力采用Stokes公式計算。若顆粒處于離心力和曳力的平衡狀態，則由公式（1）得到分離效率為50%的臨界粒徑d₅₀為

??????????????????????????????（2）

一般旋風分離器入口速度低于設計值時，離心分離能力不足，分離效率下降。入口速度V_i增大后，切向速度V_t也隨之增大，式（2）表明顆粒粒徑d₅₀減小，因此提高入口速度可以提高分離效率。但實際上，旋風分離器入口速度很大時，易造成顆粒的擴散、碰撞、返混、彈跳等，這些均會使顆粒發生逃逸，使分離效率下降，所以旋風分離器的分離效率與入口速度的關系是一個駝峰曲線，存在一個最佳入口速度操作范圍。例如，在實驗室對PV型旋風分離器用滑石粉進行性能測量的結果表明，PV型旋風分離器的操作入口速度一般在20～24?m/s之間^[8]，見圖2。另一方面，旋風分離器內氣流的湍流強度隨著入口速度增加而增強，氣流脈動激烈，尤其是中心區域^[9]。對于<5μm細小顆粒，由于其慣性比較小，易受到氣流擴散的作用，逃逸幾率增大，依靠離心作用力難以捕集。圖3是在實驗室測量的PV型旋風分離器粒級效率曲線^[10]，表明粒級效率與顆粒粒徑之間是一個指數關系曲線。對于>10μm顆粒的分離效率是比較高的，<5μm的顆粒分離效率急劇降低。所以一般旋風分離器對于<5μm細小顆粒的分離能力是比較低的。

2 ?FCCU跑損催化劑的特點

FCCU催化劑跑損一般分為自然跑損和非自然跑損。自然跑損是運行平穩工況下細小催化劑未能被分離回收而造成的跑損。催化劑自然跑損量主要取決于催化劑摩擦磨損和沖擊破碎造成的細小催化劑含量。另一方面，加入的新鮮催化劑在開始階段細粉含量多，催化劑跑損量比較多，也屬于自然跑損，但運行一段時間后，細粉含量降低到一定程度，催化劑跑損量減小達到平衡。非自然跑損屬于故障跑損。其中旋風分離器故障跑損催化劑故障是比較多的，這類故障一般在跑損催化劑的濃度和顆粒粒度分布上有所反映^[11]。

圖4是某FCCU正常操作時平衡劑、煙氣跑損催化劑、油漿中催化劑的采樣樣品中催化劑的顆粒頻率分布。跑損催化劑的顆粒粒度范圍主要集中在0～40 μm?之間，顆粒粒度分布呈單峰分布，峰值約20 μm。圖4表明逃逸催化劑的顆粒粒徑是比較大的，遠大于公式（2）計算的顆粒粒徑d₅₀，其原因是多方面的。相對實驗室的操作條件，FCCU上旋風分離器的應用條件，如操作的介質，溫度和壓力，顆粒物性，入口濃度，以及旋風分離器的尺寸、器壁光滑程度等與實驗室模型實驗的條件有很大的不同，這些參數都會對分離性能有很大的影響。但在入口速度對旋風分離器分離性能的影響機制上模型和原型是一致的。此外公式（2）沒有考慮顆粒擴散的作用。

3 ?入口速度對FCCU催化劑跑損影響

FCCU旋風分離器的入口速度變化超出設計范圍后，就會使分離效率下降，外部表現為出口催化劑濃度上升，發生催化劑大量跑損的故障，壓降也隨之變化。

某FCCU催化劑跑劑在3.96?t/d以上，跑損催化劑中40?μm的組分始終大于20%^[12]。原設計再生器一級旋風分離器入口速度為20?m/s，二級旋風分離器入口速度為22 m/s。但核算現場旋風分離器的入口速度均低于設計值，一級旋風分離器入口速度17.93?m/s，二級旋風分離器入口速度19.85?m/s。因此催化劑跑損的原因是旋風分離器的離心分離能力不足造成的。

若旋風分離器入口速度過高，同樣使旋風分離器的分離效率下降。例如某FCCU再生器一級旋風分離器入口速度上限為21?m/s，實際達到25～26?m/s;二級旋風分離器入口速度上限為24?m/s，實際達到28～30?m/s。此時催化劑受到較大的氣流擴散和沖擊破碎影響，跑損催化劑中0～40?μm含量超過30%，催化劑耗損達1.2?kg/t^[13]。

此外，旋風分離器壓降與入口速度的2次方成比例，入口速度直接影響到其壓降變化。壓降低則入口速度小，壓降高則入口速度高，因此通過壓降值可以直接判斷旋風分離器的入口速度變化，對旋風分離器的操作氣量負荷進行校核。另一方面，旋風分離器入口速度提高后，氣體攜帶催化劑對器壁沖蝕磨損會急劇增加，嚴重影響旋風分離器的使用壽命。

4 ?入口速度與跑損催化劑物性的關系

一般FCCU中的催化劑在輸送和分離操作過程中存在著催化劑的摩擦磨損和沖擊破碎，導致催化劑的物性發生變化。但兩種機制造成催化劑的粒度分布有很大的不同，見圖5^[14]，這些與氣流的速度大小密切相關。旋風分離器的入口速度過高會造成催化劑與器壁的激烈撞擊導致催化劑的沖擊破碎，同時催化劑之間的磨損、催化劑與器壁的磨損也急劇增大，結果是細小催化劑含量增大，直接影響到跑損催化劑的顆粒粒度分布和顆粒的形態^[15，16]。

圖6是某FCCU再生器煙氣出口管道的催化劑采樣分析結果。

催化劑之間的摩擦磨損會形成一些細小催化劑的碎屑，在催化劑粒度分布的1μm附近處出現一個峰值。當入口速度較高或催化劑強度比較差時，一方面高速氣流沖擊引起催化劑破碎，細小催化劑含量增大，旋風分離器難以捕集，顆粒的逃逸量增大，另一方面微觀上顆粒碎礫形態各異，球形度較差。這種跑損催化劑的粒度分布特點是催化劑細粉含量增大，在催化劑粒度分布的 >5μm處出現一個峰值。此時跑損催化劑的顆粒粒度分布呈雙峰分布，見圖6，同時保留了低粒徑的小峰。當入口速度比較低時，離心分離能力不足，催化劑以摩擦磨損為主，跑損催化劑的粒度分布特點是粒度分布的峰值粒徑增大，呈現單峰分布，同時附加一個低粒徑的小峰，在累積率曲線上均表現為跑損催化劑的體積中位粒徑增大。降低入口氣流速度，消除沖擊磨損源，可以有效減少催化劑的破碎。另一方面，也可以在催化劑配方研制和制備過程中提高催化劑的強度和抗磨性能。

5 ?結?論

催化裂化裝置旋風分離器的入口速度超出設計值范圍可以造成催化劑的跑損。入口速度低于設計值則分離能力不足，分離效率下降。

入口速度高于設計值則導致催化劑顆粒的擴散反彈，分離效率同樣下降，同時過高的入口速度還導致了致催化劑的摩擦磨損和沖擊破碎。前者跑損催化劑的顆粒粒度分布表現為單峰分布，后者跑損催化劑的顆粒粒度分布表現為雙峰分布，是兩種粒徑分布不同的催化劑顆粒之間的混合。

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