催化裂化装置输送斜管内催化剂流化状态分析

张 锋，何 涛，于立勇，刘维民，彭 威

(1.中石油云南石化有限公司，云南 安宁 650300；2.中国石油兰州石化分公司；3.中国石油大学(北京)重质油国家重点实验室)

斜管是催化裂化(FCC)装置常用的催化剂循环输送管线，催化剂在斜管内保持稳定的质量流率输送是装置平稳运行的操作关键[1-2]。尽管斜管输送操作已经在工业中使用很长时间，但操作人员往往依据操作经验，还缺乏对工业装置斜管内催化剂流态的判断依据[3]。在生产过程中仍存在大量的斜管输送流化问题，如发生在斜管输送过程中的架桥、窜气、压力逆转和颗粒质量流率波动等[4-6]，已成为制约工业装置高负荷、安全生产的瓶颈。某石化公司3.3 Mta重油催化裂化装置以脱硫渣油、加氢裂化尾油和加氢柴油为原料，主要生产汽油、柴油和液化气。反应器和再生器为高低并列式结构，反应部分采用UOP公司的涡流快分技术和Optimize原料喷嘴，再生部分采用中国石化洛阳石油化工工程公司的快速床和湍流床主风串联再生技术。2017年装置正常运行后，再生斜管一直流化异常，表现为再生滑阀开度大，测量的催化剂斜管密度低，严重时测量值出现负值，说明立管内摩擦损失压降增大，催化剂流态出现了填充流[2]，影响装置的平稳操作。本课题以工业FCC装置再生斜管为研究对象，讨论影响斜管内催化剂流化的因素，并提出相应的解决方法，以期指导装置的生产操作。

1 FCC装置和斜管数据测量

1.1 FCC装置

图1 反应-再生系统示意

表1 FCC装置操作参数

1.2 再生斜管

图2 再生斜管结构示意

图2为再生斜管结构。斜管入口溢流斗高度为4 m。再生斜管内径为1.3 m，与垂线夹角为18.5°，长度为24.3 m。再生斜管共设置七层松动风喷嘴，喷嘴编号分别为C1～C13。喷嘴与斜管壁面的夹角为71.5°，两个喷嘴中心角为45°。松动介质采用1.0 MPa、260 ℃的水蒸气，各喷嘴前安装有直径3 mm的限流孔板和控制阀控制蒸汽流量。再生滑阀前催化剂斜管密度(ρ)的压力测量点分别位于再生滑阀前1 m和6.7 m处，计算式为：ρ=Δpgh，其中：h为测量点之间的垂直高度，m；g为重力加速度，ms2；Δp为下取压点与上取压点之间的压力差，kPa。斜管内催化剂流态为流化态时，下取压点压力大于上取压点压力，ρ值为正；当催化剂流态为填充流时，ρ值为负。

催化剂为中国石油兰州催化剂厂生产的LDO-75YN型催化剂。表2为再生催化剂的性质，再生催化剂初始流化密度为750 kgm3，表观堆积密度为850 kgm3，0～40 μm细粉体积分数为11.6%。

表2 再生催化剂性质

1.3 测量方法与仪器

在稳定操作条件下，分别在C0～C13每个截面上选择一个松动风喷嘴，沿再生斜管轴向逐个进行压力测量；同时记录反应温度、滑阀开度、滑阀压降和催化剂斜管密度的变化。压力采用北京康斯特仪表科技公司生产的ConST211数字压力表测量，量程为0～400 kPa，测量频率为1 Hz，测量时间为120 min。现场测量压力数值均为表压。

2 结果与讨论

2.1 测量数据

图3 再生斜管轴向压力分布

图4为滑阀前催化剂斜管密度曲线。测量时间内，催化剂斜管密度时均值为-95 kgm3，波动范围为-110～-65 kgm3。

图4 滑阀前催化剂斜管密度曲线

2.2 催化剂流化状态分析

通常斜管输送催化剂为负压差操作[7]。催化剂在依靠重力向下流动的过程中压力逐渐升高，同时伴随着气体的快速脱除和压缩。若斜管无松动风且足够长，催化剂空隙率会不断减小，最终接近填充空隙率ε0而形成填充流，因此，斜管需要设置松动风来弥补流化气体量的减小。图5为常见工业FCC再生斜管的3种操作工况[8]。一般来讲，斜管上部入口处气固滑落速度较大，沿斜管向下至滑阀前，催化剂处于密相流化。若此时松动风合适，通入的松动风量约等于立管内脱除和压缩减小的气体体积。沿斜管向下轴向压力逐渐增大，空隙率减小，但均大于初始流化空隙率εmf，如图5(a)所示。

若松动风量不足、催化剂脱气速度过快或通入的松动风量小于斜管内减小的气体体积，斜管压力梯度分布呈上大、下小的变化。斜管上部催化剂为流化态，空隙率逐渐减小，轴向压力不断增大；当空隙率小于εmf时，流化态转变为过渡填充流或填充流[9]，轴向压力成凸形分布。当为过渡填充流时，沿斜管向下空隙率继续减小直至等于填充流孔隙率ε0，轴向压力继续增大，但压力梯度小于流化态，见图5(b)中曲线①；当为填充流时，无气泡出现，空隙率不再变化，此时压力梯度成正压差，轴向压力逐渐减小，见图5(b)中曲线②。

有时斜管上部加入的松动风量小，下部松动风量大。斜管上部为密相流化；斜管中部催化剂密度增大至初始流化态密度而形成过渡填充流，压力梯度降低；下部通入的松动风量大于立管内气体减小的体积，空隙率增大，过渡填充流转变为密相流化或稀相流化，压力梯度升高，如图5(c)所示。

图5 斜管轴向压力与催化剂流化状态的关系曲线

斜管轴向任意两截面间的压降计算式[2]为：

Δp=ρp(1-ε)gh±Δpf

(1)

式中：ρp(1-ε)gh为静压头，kPa；ρp为催化剂颗粒密度，kgm3；Δpf为摩擦损失压降，kPa。流化态时ε>εmf，静压头远大于摩擦损失压降，Δpf可忽略不计，Δp=ρp(1-ε)gh；非流化态时ε<εmf，Δpf急剧增大[10-11]，Δp降低甚至为负值。图3中C9至C11截面之间为正压差，说明出现了填充流。

图6为再生斜管轴向压力梯度曲线。由图6可知：C0至C1截面之间压力梯度为6.02 kPam，C1截面催化剂斜管密度约为614 kgm3，说明斜管顶部入口处催化剂状态为流化态；C1至C11截面之间压力梯度逐渐减小，说明斜管内催化剂密度逐渐增大，摩擦损失压降升高，并在斜管下部形成填充流。

图6 再生斜管轴向压力梯度曲线

图7 再生斜管轴向催化剂密度分布●—真实密度； ▲—表观密度

图7为再生斜管轴向催化剂密度曲线。绿色曲线为假设斜管内催化剂为流化态时，利用式(1)计算得到的轴向催化剂斜管密度，沿斜管从上至下是逐渐降低的，由于滑阀前出现了正压差，导致催化剂斜管密度计算值为负值，说明非流态化时催化剂与器壁之间的摩擦损失远大于催化剂静压头。红色曲线为斜管内催化剂实际密度曲线，C0至C3截面之间ρ<ρmf(ρmf为催化剂初始流化密度)，催化剂流态为流化态；C3至C9截面之间ρmf<ρ<ρ0(ρ0为催化剂堆积密度)，催化剂流态为过渡填充流；C9至C11截面之间ρ≈ρ0，催化剂流态为填充流。根据斜管内催化剂流化状态将立管划分为3个区，规定气体速度(ug)和催化剂速度(us)方向向下时为负，向上时为正；Ⅰ区为负压差脱气段，ug>0，us<0；Ⅱ区为负压差持气段，ug<0，us<0，ug-us>0，催化剂携带气体下行；Ⅲ区为正压差持气段，ug<0，us<0，ug-us<0，催化剂密度大、速度低，气体穿过催化剂料柱加速下行，直至通过滑阀。

基于以上分析可知，C9至C11截面间催化剂密度过大是轴向压力发生逆转的主要原因，根据斜管内气体流动方向，增大C9和C10点松动风量可以降低松动喷嘴下游催化剂密度。图8为调整C9和C10喷嘴松动风流量后轴向压力分布曲线。由图8可知：增大松动风流量后，C9至C11截面间催化剂流化状态由填充流变为过渡填充流，催化剂斜管密度升高至100 kgm3。

图8 调整松动风后再生斜管轴向压力分布

3 结 论

(1)FCC装置再生斜管的轴向压力分布可以作为立管内催化剂流化状态的判据。再生斜管轴向压力呈凸形分布，沿斜管从上至下，压力梯度逐渐减小，催化剂流化状态依次为流化态、过渡填充流和填充流。

(2)根据斜管内气固两相的流动方向将斜管划分为3个区，Ⅰ区为负压差脱气段，气体向上运行；Ⅱ区为负压差持气段，催化剂携带气体下行；Ⅲ区为正压差持气段，气体加速下行。

(3)通过调整填充流上、下部位的松动风流量，可以降低催化剂与器壁间的摩擦损失，改变催化剂的流化状态。