催化裂化裝置提升管內劑油比實時檢測方法的研究

賀 嬌，王 迪，孫立強，王江云，魏耀東

(1.中國石油大學(北京)克拉瑪依校區工學院，新疆 克拉瑪依 834000；2.中國石油大學(北京)重質油國家重點實驗室；3.過程流體過濾與分離技術北京重點實驗室)

催化裂化裝置(FCCU)操作過程中的劑油比(催化劑質量流率與油氣質量流率的比值)參數是提升管反應器操作和控制的關鍵變量之一，直接影響到進料油品的反應深度和裂化產品分布[1-3]，因此對劑油比進行現場在線檢測是非常必要的。但傳統的基于熱平衡法計算劑油比只能離線進行，而且精度比較低，數據滯后，無法滿足工藝過程實時控制的要求[4]。目前實驗室循環流化床裝置上通常采用直接觀察法、蝶閥測量法、切換法等進行顆粒質量流率測量。工業裝置上采用文丘里管法[5-6]測量管內顆粒質量流率，但該方法不適用于提升管反應器的筒型結構，而且增加了壓力降。

由于FCCU提升管反應器生產過程的危險性和復雜性，在現有的技術條件下，劑油比在線檢測尚無實用的有效方法。為此，本研究利用提升管出口特有的T型彎頭結構及其壓降特性[7-10]，在不改變原有提升管出口結構的基礎上，開發了一種可以對劑油比進行實時檢測的方法。

1 測量模型

圖1是提升管出口T型彎頭結構和氣固兩相流流態示意。在T型彎頭內，來自提升管底部的氣固兩相流垂直上行流動，在T型彎頭內急轉90°成水平運動。對于氣體而言，由于盲管部分是一個滯留區，來自提升管的氣流大部分轉向水平管流出，小部分在慣性作用下進入盲管區域，然后再轉向流入水平管。對于顆粒而言，提升管內氣體攜帶顆粒流動到達提升管頂部時，部分顆粒在慣性作用下脫離流線流動到盲管區域，在頂部形成顆粒堆積，然后再折流而下流向水平管；部分顆粒直接轉向流進水平管。

圖1 T型彎頭內氣固兩相流流態示意

催化裂化裝置提升管反應器的出口設置T型彎頭是為了避免氣固兩相流對器壁的沖蝕磨損。T型彎頭盲管部氣體速度急速降低，以及形成的顆粒堆積抑制了催化劑對器壁的沖蝕。但也導致了T型彎頭具有較高的能量損失，存在較大的壓降。

T型彎頭進口1和出口2之間的氣固兩相流的伯努利方程見式(1)。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：Vg1和Vs1分別為進口1的氣相和固相的速度，ms；Vg2和Vs2分別為出口2的氣相和固相的速度，ms；Cs為顆粒濃度，kgm3；ρg為氣體密度，kgm3；P1為T型彎頭進口1處壓力，Pa；P2為T型彎頭出口2處壓力，Pa；ΔPf為摩擦部分的損失壓降，Pa；D為提升管內徑，m；d為水平管內徑，m；ζ為彎管阻力系數。

ζ需通過試驗確定。代入式(1)，得到式(5)。

(5)

將式(5)整理可得式(6)。

(6)

(7)

式中，ξ為截面直徑變化阻力系數。

式(6)表明T型彎頭出口結構的壓降與提升管內的顆粒濃度Cs呈一次方關系，與氣體速度Vg1和固相速度Vs1呈二次方關系。

由顆粒濃度Cs與顆粒速度Vs1得到顆粒質量流率Gs[kg(m2·s)]，如式(8)所示。

Gs=Cs×Vs1

(8)

設氣體速度Vg1與顆粒速度Vs1之比為滑移因子φ。

(9)

φ=1+5.6(gD)0.5Vg1+0.47[Ut(gD)0.5]0.41

(10)

(11)

式中：Ut為顆粒的終端速度，ms；dp為顆粒粒徑，μm。

將式(8)和式(9)代入式(6)整理可得式(12)。

(12)

將式(12)整理可得式(13)，表明顆粒質量流率與壓降成線性關系。

(13)

2 測量模型的試驗驗證

2.1 試驗裝置

圖2是提升管及循環流化床試驗裝置。提升管尺寸(直徑×長度)為186 mm×12 500 mm，T型彎頭的盲管高度為50 mm，水平管直徑為136 mm。試驗物料為FCC平衡催化劑，平均粒徑約為67 μm，堆密度為940 kgm3，顆粒密度約為1 520 kgm3。

圖2 提升管及循環流化床試驗裝置

催化劑質量流率由返料斜管上的蝶閥控制。催化劑質量流率由閘閥測量，測量方法是通過關閉閥在一定時間內計量料腿內的催化劑堆積量進行測定。提升管氣速Ug用轉子流量計測量。T型彎頭的壓降通過U形管和壓力傳感器測量，測量點1和2的位置見圖2。

2.2 模型驗證與評估

圖3是提升管氣速Ug分別取7.2，9.2，10.2 ms時，在不同催化劑顆粒質量流率Gs下測量得到的T型彎頭的壓降ΔP。由圖3可知，T型彎頭的壓降ΔP與催化劑顆粒質量流率Gs有較好的線性關系，通過試驗數據回歸后得出ζ=2.99。

圖3 T型彎頭顆粒質量流率Gs與壓降ΔP的關系

圖4是顆粒質量流率Gs試驗值與式(13)計算值的比較。由圖4可知，計算值與試驗值的相對誤差基本在15%以內，計算值與試驗值吻合較好。

圖4 顆粒質量流率Gs計算值與試驗值比較

3 實時檢測方法的實施

在FCCU提升管出口T型彎頭上實施顆粒質量流率Gs測量時，不需要改變提升管出口的結構，僅需要在T型彎頭的進口和出口的合適位置設置兩個壓力傳感器，通過測量壓力獲得壓降ΔP，再通過油氣量和提升蒸汽量確定提升管油氣混合氣速Vg1和油氣混合密度ρg，按照式(13)計算得到提升管的顆粒質量流率Gs，則劑油比M為：

(14)

由于提升管T型彎頭的壓降較大，測量結果具有較高的抗干擾性和時間跟隨性，可以達到實時測量的要求。

4 結 論

針對FCCU提升管劑油比實時測量困難的問題，利用提升管出口T型彎頭壓降特性，建立了提升管內顆粒質量流率實時檢測的方法，進而獲得劑油比參數。通過考察T型彎頭的壓降與提升管氣速、顆粒質量流率之間的關系，獲得提升管內顆粒質量流率測量模型。試驗結果表明了該檢測方法的可行性和數據的可測性。該檢測方法不改變提升管的出口結構，直接利用T型彎頭的阻力特性，測量過程安全簡單，測量結果具有實時性。