新型FCC催化劑直管磨損指數(shù)測定儀的開發(fā)

李瑞彤，唐健，劉一博，劉新

(中國石化石油化工科學(xué)研究院，北京 100083)

流化催化裂化(FCC)催化劑是FCC技術(shù)核心之一，耐磨性能作為裂化催化劑的關(guān)鍵控制指標(biāo)，對于工業(yè)裝置的正常運(yùn)轉(zhuǎn)具有十分重要的意義[1-3]。生產(chǎn)中，催化劑顆粒與氣流、器壁，顆粒與顆粒間的強(qiáng)烈碰撞、摩擦，以及在高溫?zé)釕?yīng)力作用下發(fā)生破損，導(dǎo)致其粒度逐漸減小，產(chǎn)生大量細(xì)粉[4]。這些細(xì)粉顆粒難以用分離裝置進(jìn)行回收，可能會帶來跑劑、反應(yīng)器損傷、產(chǎn)品污染、煙氣粉塵含量超標(biāo)以及催化劑使用成本上升等問題[5]。

目前，國內(nèi)外測定催化劑耐磨性能的方法有：vision噴射杯法[6-7]、空氣噴射法[8]、熱測試法和轉(zhuǎn)鼓測試[9]等。其中，空氣噴射法是利用高速氣體連續(xù)噴吹催化劑顆粒，使其發(fā)生磨損，通過計(jì)算產(chǎn)生細(xì)粉的損失率表征催化劑耐磨損性能。其測試原理與工業(yè)FCC催化劑機(jī)械磨損機(jī)理類似，因而被廣泛應(yīng)用于FCC催化劑耐磨損性能測定中。

空氣噴射法中磨損流量對評價催化劑耐磨損性能指標(biāo)至關(guān)重要，如何保證每次實(shí)驗(yàn)過程中催化劑均處于相同氣速下流化是亟待解決的問題。文獻(xiàn)[10]中提出一種基于空氣噴射原理的FCC催化劑直管磨損指數(shù)測定方法，該方法使用流量控制閥或改變質(zhì)量流量計(jì)設(shè)定值，調(diào)節(jié)空氣尾氣體積流量(尾氣接濕式流量計(jì)測量)至(21.0±0.2) L/min，作為測定基準(zhǔn)條件；實(shí)驗(yàn)過程中定時手動調(diào)節(jié)控制閥開度使轉(zhuǎn)子流量計(jì)浮子高度保持不變；定時手動敲擊沉降器使吸附于內(nèi)壁催化劑顆粒重新參與磨損。該類型直管測定方法，一方面造成人力資源浪費(fèi)，存在人為操作誤差和累積誤差；另一方面，實(shí)驗(yàn)過程中，隨著時間推移，產(chǎn)生的細(xì)粉量逐漸增多，濾紙筒堵塞程度逐漸增大，導(dǎo)致系統(tǒng)壓力變大，催化劑磨損氣速減小。定時調(diào)節(jié)流量只能在一定程度減弱平均磨損流量減小對實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的影響。

一些學(xué)者們還采用了熱式質(zhì)量流量控制器控制催化劑磨損流量大小。質(zhì)量流量恒定時，隨著系統(tǒng)濾紙筒堵塞、環(huán)境溫度和濕度等因素變化，催化劑實(shí)際磨損體積流量會隨之發(fā)生變化。對于不同的催化劑、不同的測試環(huán)境和測試條件，體積流量的變化情況不完全相同，同樣無法保證磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。

為了提高系統(tǒng)自動化程度，保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，本文優(yōu)化了原沉降器敲擊和氣體加濕方式，采用催化劑實(shí)際磨損體積流量控制方式，創(chuàng)新性提出了一種基于理想氣體方程的流量校正算法，完成了自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件編寫，開發(fā)了一套全新FCC催化劑直管磨損指數(shù)測定儀。

1 新型FCC催化劑直管磨損指數(shù)測定儀

FCC催化劑直管磨損指數(shù)測定儀工作原理如圖1所示。由圖1可知，空氣經(jīng)過減壓加濕后，在磨損管噴嘴出口形成高速氣流，使磨損管內(nèi)催化劑摩擦、破損，產(chǎn)生大量細(xì)粉。較大顆粒細(xì)粉經(jīng)沉降后回落至磨損管循環(huán)磨損，較小顆粒細(xì)粉被吹至濾紙筒內(nèi)進(jìn)行收集。

圖1 FCC催化劑直管磨損指數(shù)測定儀工作原理示意

1.1 加濕系統(tǒng)

FCC催化劑顆粒在高速氣體沖擊作用下，產(chǎn)生大量靜電，吸附于沉降器和磨損管內(nèi)壁或連接處。原FCC催化劑直管磨損指數(shù)測定方法中，氣體通過流量計(jì)計(jì)量后，進(jìn)入加濕罐加濕，減弱靜電吸附程度。由于氣體加濕后FCC催化劑顆粒含水率不確定，使得實(shí)際磨損流量小幅度變化，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性。優(yōu)化后測定方案為一體式流量控制器安裝于加濕罐后端，出口直接與磨損管入口連接，使得催化劑磨損流量計(jì)量更加準(zhǔn)確。由于加濕器位置的改變，罐內(nèi)帶壓，加濕罐優(yōu)先選用金屬材料。

1.2 敲擊系統(tǒng)

采用氣體加濕方式能夠減弱催化劑在器壁的吸附程度，敲擊系統(tǒng)利用機(jī)械外力使吸附在設(shè)備連接處的細(xì)粉顆粒全部脫落，重新參與磨損。原FCC催化劑直管磨損指數(shù)測定方法中使用木錘定時手動敲擊，高度依賴于操作人員的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和個人預(yù)測能力，可能造成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)波動大、重復(fù)性差。

新型FCC催化劑直管磨損指數(shù)測定儀選用一種高頻振動器定時自動敲擊，振動器垂直安裝于沉降器外壁上，工作時沉降器和振動器同頻振動，使催化劑顆粒迅速脫落。可根據(jù)催化劑吸附程度，采用振動器控制閥改變沉降器振動幅度。

1.3 流量校正計(jì)算方法

為了簡化實(shí)驗(yàn)操作流程，提升系統(tǒng)自動化水平，精確控制FCC催化劑磨損氣速，該測定儀創(chuàng)新性地采用了基于理想氣體方程的流量計(jì)算算法代替原FCC催化劑直管磨損流量標(biāo)定方法。

1.3.1初始流量設(shè)定計(jì)算方法

設(shè)p0，T0為一體式流量控制器(儀表端)測量的絕對壓力和絕對溫度值，qV0為一體式流量控制器(儀表端)體積流量設(shè)定值，p1，T1，qV1為磨損端絕對壓力、絕對溫度和體積流量，p2,T2,qV2為沉降器出口端絕對壓力、絕對溫度和體積流量。

以儀表端和沉降器出口端為分析對象，將V=M/ρ代入氣體狀態(tài)方程，如式(1)所示：

pM=ρRT

(1)

式中：p——壓力；T——溫度；M——相對分子質(zhì)量；R——比例常數(shù)；ρ——?dú)怏w密度。

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，同一工況下，氣體質(zhì)量與其對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)狀況下質(zhì)量相同，體積流量與體積成正比，推導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下體積流量，如式(2)所示：

(2)

式中：qVm——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下體積流量；qV——工況下體積流量；ρm——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體密度；ρ——工況下氣體密度。

根據(jù)式(1)和式(2)可以推導(dǎo)出a時刻(即開始標(biāo)定流量計(jì)初始流量設(shè)定值)，儀表端和沉降器出口端標(biāo)準(zhǔn)狀況下體積流量，如式(3)～式(4)所示：

(3)

(4)

一體式流量控制設(shè)定值不變時，標(biāo)準(zhǔn)工況下體積流量相同，即qVma0=qVma2，根據(jù)式(3)和式(4)，可以推導(dǎo)出工況下儀表端體積流量，如式(5)所示：

(5)

式中：pa2——該次實(shí)驗(yàn)環(huán)境大氣壓值，開機(jī)后利用一體式流量控制器自動測量；Ta2——a時刻環(huán)境溫度值，由熱電阻傳感器自動測量；qVa2——目標(biāo)流量值，取值為(21±0.01)L/min；pa0，Ta0——a時刻流量計(jì)設(shè)定值為qVa0時由流量計(jì)測量的絕對壓力和絕對溫度值。

為使沉降器出口流量達(dá)到目標(biāo)值，可以直接采用軟件自動控制實(shí)現(xiàn)。將式(5)中流量設(shè)定值作為測量基準(zhǔn)條件，從而克服了原濕式流量計(jì)標(biāo)定方法存在的計(jì)時累積誤差、操作復(fù)雜、流量控制精度低等問題。

1.3.2定時流量校正算法

a時刻，以儀表端和磨損端為分析對象，采用與1.3.1條相同的推導(dǎo)方法，可以得到磨損端流量(即催化劑磨損時的實(shí)際體積流量)，如式(6)所示：

(6)

式中：Ta1——a時刻磨損端的絕對溫度值，由于儀表端出口與磨損管進(jìn)口直接連接，近似認(rèn)為pa1≈pa0。在實(shí)驗(yàn)過程中可以發(fā)現(xiàn)，隨著環(huán)境溫度、儀表溫度和濾紙筒壓降等因素變化，催化劑實(shí)際磨損氣速會隨之發(fā)生變化。為保證實(shí)驗(yàn)中催化劑處于相同氣速下磨損，須實(shí)時校正流量計(jì)設(shè)定值。

同理，可以得到b時刻磨損端流量，如式(7)所示：

(7)

令qVa1=qVb1，即任意時刻催化劑磨損流量均相同，如公式(8)所示：

(8)

將式(5)帶入式(8)，得到任意時刻流量計(jì)設(shè)定值計(jì)算，如式(9)所示：

(9)

1.4 控制系統(tǒng)

FCC催化劑直管磨損指數(shù)測定儀的控制系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。其中，溫度和流量傳感器的測量值，作為PLC輸入信號。當(dāng)前溫度值達(dá)到報警高限設(shè)定值時，聲光報警燈亮，加濕開關(guān)電磁閥和敲擊器開關(guān)電磁閥同時關(guān)閉。流量值達(dá)到報警高限設(shè)定值時，聲光報警燈亮，減小流量控制閥開度。

圖2 控制系統(tǒng)組成

FCC催化劑直管磨損指數(shù)測定儀人機(jī)交互主操作界面如圖3所示。通過人機(jī)交互窗口可以實(shí)時顯示當(dāng)前工況下溫度、流量和壓力值，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行時間等。在主界面上點(diǎn)擊相應(yīng)功能鍵，可以設(shè)置運(yùn)行時間、磨損流量和啟停狀態(tài)。

2 實(shí)驗(yàn)分析與驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)流程

該測定儀操作流程是基于NB/SH/T 0964—2017《催化裂化催化劑磨損指數(shù)的測定直管法》要求，具體步驟如圖4所示，虛線框表示人工操作部分，實(shí)線框表示程序自動運(yùn)行部分。

圖3 人機(jī)交互界面示意

圖4 FCC催化劑直管磨損指數(shù)測定操作流程示意

系統(tǒng)開機(jī)后，自動讀取當(dāng)前工況下溫度和壓力值，10 gFCC催化劑在尾氣體積流量為(21±0.01)L/min 條件下連續(xù)流化5 h，記錄第1小時產(chǎn)生的細(xì)粉量，不參與磨損指數(shù)計(jì)算。收集并記錄后4 h產(chǎn)生的細(xì)粉量，計(jì)算后4 h平均每小時的磨損百分?jǐn)?shù)，作為催化劑磨損指數(shù)AI，計(jì)算如式(10)所示：

(10)

式中：AI——催化劑磨損指數(shù)值；m1——初始催化劑稱量細(xì)粉質(zhì)量；m2——后4 h收集的催化劑細(xì)粉質(zhì)量；m3——直管內(nèi)剩余催化劑質(zhì)量。AI值越大，說明產(chǎn)生細(xì)粉量越大，催化劑耐磨損性能越差。

2.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

分別取3種催化劑試樣重復(fù)試驗(yàn)5次，考察催化劑磨損指數(shù)的重復(fù)性，結(jié)果見表1所列，由表1可知3種催化劑磨損指數(shù)的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差值均低于5%，重復(fù)性較好，滿足試驗(yàn)要求。

表1 FCC催化劑磨損指數(shù)重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)束語

為了提高系統(tǒng)自動化程度，保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果在允許誤差范圍內(nèi)，研發(fā)了一套全新FCC催化劑直管磨損指數(shù)測定儀，與原測定儀器相比具有如下特點(diǎn)：

1)采用了全自動敲擊系統(tǒng)，振動幅度根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求調(diào)整，消除了人為操作誤差，提升系統(tǒng)自動化水平。

2)優(yōu)化了氣體加濕方法和流量計(jì)安裝位置，催化劑磨損流量計(jì)量更加準(zhǔn)確。

3)創(chuàng)新性地提出了一種基于理想氣體方程的流量校正算法，代替了原使用濕式流量計(jì)標(biāo)定尾氣流量的方法。該算法大幅降低了操作人員工作強(qiáng)度，提高了工作效率，且實(shí)時補(bǔ)償了環(huán)境溫度、濾紙筒壓降和大氣壓等因素，保證催化劑始終處于相同氣速下流化磨損。

4)基于PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件編寫，人機(jī)交互方式更加友好，實(shí)現(xiàn)了儀器、電氣和控制系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)。

使用該測定儀器測試了3種FCC催化劑磨損指數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，催化劑磨損指數(shù)相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均低于5%，遠(yuǎn)低于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中15%誤差控制指標(biāo)，重復(fù)性很好。