影響FCC再生立管輸送催化劑影響因素的分析

彭威，劉艷升，韓勝賢，黃炳慶

（1 中國石油大學(xué)（北京）重質(zhì)油國家重點實驗室，北京102249；2 中國石油克拉瑪依石化公司，新疆克拉瑪依834003）

流化催化裂化工藝（fluid catalytic cracking，F(xiàn)CC）是重質(zhì)油二次加工的主要方法之一。FCC裝置反應(yīng)器和再生器之間的催化劑輸送是通過立管進行的，因此立管操作對于維持催化裂化裝置的催化劑循環(huán)至關(guān)重要[1-2]。立管輸送催化劑操作有兩個特點：一個是立管內(nèi)的催化劑是依靠重力向下流動的，而氣體則可能向下流動或向上流動，主要取決立管內(nèi)部的流態(tài)；另一個是立管的入口壓力低、出口壓力高，催化劑流動屬于負(fù)壓差流動，因此必須在立管內(nèi)建立密相顆粒料封，防止反應(yīng)器與再生器間氣相介質(zhì)互竄[3-4]。此外，立管的底部通常安裝滑閥用于調(diào)控催化劑的輸送量，但閥前堆積的催化劑由于脫氣效應(yīng)易于導(dǎo)致失流化，工業(yè)上采取向立管通入松動風(fēng)來改變催化劑的孔隙率，防止催化劑輸送操作的失效[5-6]。

立管輸送催化劑操作受立管兩端負(fù)壓差、催化劑粒度分布、松動風(fēng)等多種因素的影響[7-10]。立管內(nèi)催化劑流態(tài)有流化態(tài)、過渡填充流和填充流，不同工況下各種流態(tài)之間可能相互轉(zhuǎn)變，甚至出現(xiàn)多種流態(tài)共存的情況[11-13]，使得立管操作更加復(fù)雜。目前關(guān)于立管輸送的研究主要在實驗室小型實驗裝置上進行，重點是分析斜管角度和閥門開度對立管內(nèi)催化劑流態(tài)以及質(zhì)量流率的影響，提高了對閥門調(diào)控機制的認(rèn)識[4,14-16]。羅保林等[4]對垂直立管內(nèi)催化劑的流動性進行了實驗研究，分析了附加吹氣對壓力分布的影響。Leung等[12,17]總結(jié)了立管內(nèi)不同的催化劑流態(tài)以及各種流態(tài)參數(shù)計算方法，實驗及分析結(jié)果對工業(yè)生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。但實驗室進行的冷態(tài)小型實驗在反應(yīng)壓力、反應(yīng)溫度和催化劑循環(huán)量等操作條件方面與工業(yè)生產(chǎn)裝置的操作參數(shù)相差甚遠，不能從根本上解決問題。目前還缺乏工業(yè)FCC 裝置再生立管輸送催化劑的因素分析。為此，本文結(jié)合某1.0Mt/a 的FCC 裝置再生立管的輸送問題和技術(shù)改造，分析了影響立管輸送催化劑的多種因素，為FCC立管設(shè)計和裝置改造提供幫助。

1 測量裝置

1.1 裝置操作條件

圖1為FCC裝置反應(yīng)再生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。兩器結(jié)構(gòu)為高低并列式，再生器為前置燒焦罐+二密相床層結(jié)構(gòu)，反應(yīng)器為內(nèi)置提升管+渦流快分結(jié)構(gòu)。其中，pi為再生立管入口壓力，kPa；ps為再生滑閥前壓力，也稱再生立管推動力，kPa；po為再生滑閥出口壓力，kPa；再生滑閥壓降Δp=ps－po，kPa。

圖1 反應(yīng)再生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

裝置選擇UOP 技術(shù)，采用升高反應(yīng)再生系統(tǒng)壓力的方法將裝置加工量由0.8Mt/a提高至1.0Mt/a。表1為裝置操作參數(shù)。由表1可知，改造前ps和Δp分別為178kPa 和6kPa，遠低于設(shè)計值268kPa 和98kPa；改造后，反應(yīng)壓力設(shè)計值提高40kPa，再生壓力設(shè)計值受主風(fēng)機負(fù)荷限制僅提高5kPa，再生催化劑循環(huán)阻力增大，因此，提高再生立管推動力是裝置擴量改造的關(guān)鍵。

表1 裝置操作參數(shù)

1.2 再生立管結(jié)構(gòu)

為了改善再生立管內(nèi)催化劑流化狀態(tài)，提高再生立管推動力，對再生立管結(jié)構(gòu)、松動風(fēng)噴嘴和滑閥位置進行了改造。圖2(a)為改造前的再生立管，由兩段斜管和一段直管組成，內(nèi)徑為560mm；上斜管與垂線夾角35°，長度6.1m；下斜管與垂線夾角32°，長度9.8m；直管段長度7.9m；共設(shè)置7 層松動風(fēng)噴嘴，標(biāo)注為C1～C7，每層各有3 個松動風(fēng)噴嘴，松動介質(zhì)為0.6MPa、260℃的蒸汽，各噴嘴前安裝直徑為1.5～3mm 的限流孔板控制蒸汽流量。圖2(b)為改造后的再生立管，由兩段斜管組成；上斜管與垂線夾角10°，包括內(nèi)徑760mm 和內(nèi)徑630mm 兩部分，總長度13.9m；下斜管與垂線夾角45°，長度2.3m，內(nèi)徑630mm；共設(shè)置11 層松動風(fēng)噴嘴，標(biāo)注為C1～C11，每層各有3 個噴嘴，松動介質(zhì)為1.4MPa 的常溫氮氣，各噴嘴前安裝直徑為2～4mm 的限流孔板控制氮氣流量。改造前立管拐彎點偏離反應(yīng)再生系統(tǒng)中心平面4700mm；再生滑閥處于下斜管下部，距離拐彎點6.6m。改造后立管拐彎點偏離反應(yīng)再生系統(tǒng)中心平面1468mm；再生滑閥處于下斜管上方，距離拐彎點2.1m。

1.3 催化劑特性

裝置在生產(chǎn)過程中使用過3種催化劑，分別為蘭州催化劑廠生產(chǎn)的LRC-99B 和LZR-30 催化劑，長嶺催化劑廠生產(chǎn)的MAC 催化劑。其中，LRC-99B 為增產(chǎn)柴油催化劑，LZR-30 和MAC 催化劑為增產(chǎn)汽油催化劑。表2 為平衡催化劑的特性分析，由表2可知，3種催化劑的表觀密度均大于800kg/m3，其中，LRC-99B 的表觀密度最大，為860kg/m3，MAC的表觀密度最小，為820kg/m3；三種催化劑中0～40μm 顆粒含量差異較大，MAC 催化劑為10%，而LRC-99B催化劑為4%。

表2 平衡催化劑特性分析

圖2 再生立管結(jié)構(gòu)示意

1.4 壓力測量方法

在進料量為90～120t/h、不同催化劑下，記錄不同反應(yīng)溫度（490～510℃）時的反應(yīng)溫度和再生滑閥壓降。同一時間，在C1～C7 截面和C1～C10 截面各選擇一個松動風(fēng)噴嘴，沿軸向逐個進行壓力測量；然后通過更換不同尺寸的限流孔板改變松動風(fēng)流量，再進行壓力測量。采用北京康斯特儀表科技公司生產(chǎn)的ConST211 型數(shù)字壓力表測量壓力，量程0～400kPa，測量頻率1Hz，現(xiàn)場測量壓力數(shù)值均為表壓。

2 測量結(jié)果與評價

工業(yè)FCC 裝置通常采用再生滑閥壓降和反應(yīng)溫度兩個參數(shù)評價立管輸送催化劑的效果。再生滑閥壓降表明立管的推動力、料封能力和滑閥調(diào)節(jié)催化劑循環(huán)量的能力[2]，反應(yīng)溫度波動幅度表明立管輸送催化劑循環(huán)量的穩(wěn)定性。

2.1 催化劑流態(tài)及特性分析

催化劑作為立管輸送的對象，其物理性質(zhì)影響立管輸送。圖3為再生立管改造前使用不同催化劑時立管的軸向壓力分布。由圖3可知，使用不同催化劑時，立管軸向壓力測量值與設(shè)計值差別較大。在上斜管段和直管段上部，沿立管從上至下壓力逐漸增大；直管段下部至再生滑閥前，壓力逐漸減小，再生滑閥壓降為3～10kPa，遠小于設(shè)計值98kPa；使用不同的催化劑時，滑閥壓降不同，滑閥壓降順序為LRC-99B＜LZR-30＜MAC。

立管軸向任意高度h處壓力p計算如式(1)。

式中，ε為空隙率；ρp為顆粒密度，kg/m3；ρp(1－ε)gh為靜壓頭，kPa；Δpf為摩擦損失壓降，kPa。

圖3 改造前再生立管壓力分布

立管內(nèi)催化劑流態(tài)為流化態(tài)時，摩擦損失壓降遠小于靜壓頭，根據(jù)公式(1)，p隨h增加而增加；立管內(nèi)催化劑流態(tài)為填充流態(tài)時，摩擦損失隨ε減小而快速增大，催化劑呈正壓差流動[2-4,13]。圖3中，上斜管段和直管段上部立管軸向壓力分布為負(fù)壓差，表明催化劑流態(tài)為流化態(tài)，表觀密度約460kg/m3；而直管段下部至滑閥前出現(xiàn)正壓差，表明催化劑流態(tài)為填充流，這是因為催化劑在立管內(nèi)下行過程中，伴隨著流化介質(zhì)的脫除和體積被壓縮，ε減小，顆粒間及顆粒與器壁之間的接觸應(yīng)力快速增大，Δpf增大，p減小。

平衡劑中小于40μm的顆粒稱為細(xì)粉，細(xì)粉充當(dāng)大顆粒流化的潤滑劑，一般認(rèn)為平衡劑中細(xì)粉質(zhì)量分率為10%～15%時有助于催化劑的平穩(wěn)輸送[7-8]。Geldart 等[10]提出床層最大穩(wěn)定膨脹率（maximum stable expansion ratio，MSER）的概念用于顆粒的流化性能分析，如式(2)。

式中，ρg為氣體密度，kg/m3；μ為氣體黏度，Pa·s；F40為細(xì)粉質(zhì)量分率，%；dp為催化劑平均粒徑，μm。

MSER值越大，意味著床層散式流態(tài)化窗口越寬，不易形成填充流。裝置使用的三種催化劑中細(xì)粉含量低，顆粒平均粒徑大，MSER值低，容易出現(xiàn)填充流；另外，隨著催化劑的表觀密度增大，空隙率減小，摩擦損失壓降升高，滑閥壓降逐漸降低。

圖4 為使用不同催化劑時反應(yīng)溫度的波動趨勢。在圖4中，不同催化劑對應(yīng)的反應(yīng)溫度波動幅值順序為LRC-99B＞LZR-30＞MAC。立管輸送催化劑過程中，催化劑下落速度和表觀密度受上升氣泡的影響，當(dāng)氣泡上升速度等于催化劑下落速度時，催化劑循環(huán)量開始波動。反應(yīng)溫度的變化反映催化劑循環(huán)量的穩(wěn)定性，其波動幅值隨氣泡直徑增大而增大。立管內(nèi)最大穩(wěn)定氣泡直徑(Dbemax，m)計算公式[2]如式(3)。

2.2 立管結(jié)構(gòu)對催化劑流態(tài)的影響

圖4 使用不同催化劑時反應(yīng)溫度波動趨勢

斜管角度影響蓄壓能力，斜管內(nèi)的氣固兩相容易出現(xiàn)分層流動，氣泡沿斜管上部上行，催化劑靠斜管下部呈密相下流，由于這個原因斜管建立的壓頭小于立管[2,7]。圖2(a)中，兩段斜管角度分別為35°和32°，滑閥處于下斜管中部，ps小。圖2(b)中，斜管角度為10°，滑閥處于上斜管底部，ps大；另外，氣泡在負(fù)壓差立管內(nèi)上行時，體積增大，立管入口采用擴徑處理，降低了催化劑下流阻力。

裝置再生立管結(jié)構(gòu)為淹流式，操作方式為滿管流，立管排料條件為：ps＞po。由式(1)與表1 可知，滑閥前壓力ps=pi+ρp(1－ε)gL－Δpf，L為立管入口和滑閥間的垂直距離，m；po增大40kPa，pi僅增大5kPa，立管排料阻力增大。工業(yè)FCC 裝置為了控制反應(yīng)溫度穩(wěn)定，立管下部松動風(fēng)的流量一般較小，使用蒸汽松動時噴嘴容易堵塞，斜管內(nèi)出現(xiàn)填充流；改造后立管采用氮氣松動，增設(shè)松動風(fēng)噴嘴，滑閥前催化劑流態(tài)由填充流變?yōu)榱骰瘧B(tài)，ps增大。

圖5為改造后不同加工量時再生立管的壓力分布曲線。由圖5 可知，和改造前相比，Δp增大至40～60kPa，ps增大至255～270kPa，立管軸向壓力為線性增長，催化劑表觀密度約410kg/m3。

圖5 改造后再生立管壓力分布

2.3 松動風(fēng)對立管輸送的影響

松動風(fēng)是長立管輸送的必要條件，其性質(zhì)和流量影響催化劑流態(tài)。圖6為松動風(fēng)對立管壓力分布的影響。由圖6 可知，氮氣流量為400m3/h 時，Δp和ps分別為48kPa 和258kPa；蒸汽流量為400m3/h時，Δp和ps分別為40kPa和250kPa；另外，Δp和ps隨松動風(fēng)流量增加呈先增大后減小的趨勢，氮氣流量為600m3/h 時，Δp和ps最大值分別為70kPa 和280kPa；蒸汽流量為600m3/h 時，Δp和ps最大值分別為60kPa和270kPa。

圖6 松動風(fēng)對立管壓力分布的影響

圖7為松動氮氣流量對反應(yīng)溫度的影響。由圖7可知，反應(yīng)溫度波動幅度隨松動氮氣流量增大而增大，氮氣流量為400m3/h 時，反應(yīng)溫度波動幅度為±1℃，流量為800m3/h 時，反應(yīng)溫度波動幅度為±5℃。

圖7 松動氮氣流量對反應(yīng)溫度的影響

松動風(fēng)流量對反應(yīng)溫度的影響實質(zhì)也是催化劑循環(huán)量穩(wěn)定性的反映。松動風(fēng)流量增大時，滑閥前負(fù)壓差梯度增大，形成了催化劑的脫氣堆積，這些密集堆積的催化劑通過滑閥后形成了一個低壓區(qū)，滑閥后的氣體反竄進入，阻礙催化劑下行，隨之催化劑在滑閥前重新建立密集的堆積，如此反復(fù)，催化劑通過閥口的下料呈現(xiàn)出波動下料特性。滑閥壓降越大，這種作用越明顯，這使得催化劑輸送表現(xiàn)為節(jié)涌式下料，催化劑循環(huán)量穩(wěn)定性差，導(dǎo)致反應(yīng)溫度大幅度波動。另外，松動風(fēng)流量過大時，立管內(nèi)氣泡相變成連續(xù)相，乳化相變成分散相，催化劑進入提升管變成脈沖流，導(dǎo)致反應(yīng)溫度波動幅度更大。生產(chǎn)操作過程中，應(yīng)根據(jù)反應(yīng)溫度和滑閥壓降的變化及時調(diào)整松動風(fēng)流量，保障立管內(nèi)催化劑的穩(wěn)定輸送。

3 結(jié)論

本文通過測量FCC 裝置改造前后不同條件時再生立管的軸向壓力分布和記錄反應(yīng)溫度的變化，分析了立管輸送催化劑的影響因素，得出以下結(jié)論。

（1）通過再生立管結(jié)構(gòu)改造和優(yōu)化工藝操作參數(shù)，再生滑閥壓降和再生立管推動力分別由6kPa和178kPa 提高至55kPa 和268kPa，實現(xiàn)了FCC 裝置提壓擴量的目的。

（3）通過分析不同操作工況時再生立管的軸向壓力變化，可以判斷立管內(nèi)催化劑的流態(tài)以及影響因素。在立管設(shè)計和改造時要注意：盡量選擇小角度立管；滑閥的安裝位置應(yīng)處于立管拐彎點上方；滑閥前松動介質(zhì)適宜采用中壓氮氣，可避免松動風(fēng)噴嘴堵塞。