張永民, 禹淞元

(中國石油大學(xué) 重質(zhì)油國家重點實驗室，北京 102249)

新型催化裂化槽式待生劑分配器的冷模實驗

張永民, 禹淞元

(中國石油大學(xué) 重質(zhì)油國家重點實驗室，北京 102249)

針對大型催化裂化再生強化的需要，提出了一種新型的槽式待生劑分配器，在大型冷模實驗裝置上對其性能進行了系統(tǒng)的評價，并考察了操作條件和結(jié)構(gòu)參數(shù)對主要性能指標(biāo)的影響規(guī)律，還與前期研究的兩種傳統(tǒng)分配器進行了性能對比。結(jié)果表明，該型分配器在操作氣速大于臨界表觀氣速的條件下即可達到很高的顆粒分配均勻性和顆粒輸送能力，而其他因素對其性能影響不大?？紤]到工業(yè)圓形再生器的實際情況，提出了1個修正的不均勻指數(shù)，可以更好地滿足工業(yè)待生劑分配器設(shè)計的需要。和傳統(tǒng)船型和管式分配器的性能對比，新型槽式待生劑分配器不僅具有更好的顆粒分配均勻性，而且在顆粒輸送能力和操作彈性兩方面也具有顯著的優(yōu)勢，因為它更好地解決了分配器內(nèi)顆粒的流動性問題。

待生劑分配器；槽式；不均勻指數(shù)；再生器；催化裂化；流化床

目前，流化催化裂化(Fluid catalytic cracking，簡稱FCC)工藝在國內(nèi)大多數(shù)煉油廠都居于核心地位，是最重要的重質(zhì)油輕質(zhì)化轉(zhuǎn)化工藝之一，也是很多煉油廠利潤的主要來源。在FCC過程中，高效的催化劑再生具有重要的意義。一方面，形成的更低碳含量的再生劑可以保障反應(yīng)系統(tǒng)中催化劑的高活性以及良好的產(chǎn)品分布；另一方面，由于再生過程決定了催化裂化裝置80%的能耗[1]，因此高效再生過程也有助于降低催化裂化過程的能耗。隨著常規(guī)石油資源的日趨短缺，發(fā)展提高石油資源利用率的新技術(shù)日趨重要，而高效催化裂化再生技術(shù)無疑屬于其中之一。

催化裂化催化劑再生過程涉及主風(fēng)中的氧氣與待生催化劑顆粒上沉積的焦炭在氣-固流化床中的非均相氧化反應(yīng)。實現(xiàn)催化劑的高效再生，除了要求氣、固相間的高效接觸(均勻分布主風(fēng)、控制較小的床層平均氣泡直徑等)外，顆粒沿再生器橫截面的均勻分布也十分重要，尤其在大型工業(yè)再生器中。再生器中待生劑分配不均，不僅有損氧氣和焦炭的整體接觸效果，降低燒焦強度，而且可能形成嚴(yán)重的稀相尾燃，損害再生器操作的穩(wěn)定性，嚴(yán)重時甚至可能出現(xiàn)設(shè)備燒蝕事故。長期以來，國內(nèi)對待生劑的分配問題一直沒有足夠重視，大多數(shù)早期的再生器都沒有設(shè)置待生劑分配器，近年來才開始設(shè)置一些結(jié)構(gòu)簡單的船型和管式待生劑分配器[2]。這兩種分配器一般都是依據(jù)經(jīng)驗設(shè)計，并沒有經(jīng)過系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究。國外除了一些專利[3-7]外，也很少有催化裂化待生劑分配器的系統(tǒng)研究。最近，張永民等[8]建造了一套能夠評價待生劑分配器性能的大型冷模實驗裝置，并在此裝置上檢驗了參考已有工業(yè)設(shè)計制造的船型和管式分配器的性能。他們發(fā)現(xiàn)，兩種分配器的分配效果都不理想，其中船型分配器分配均勻性最差，管式分配器性能稍好一些，但必須借助足夠的輸送風(fēng)量。在工業(yè)裝置中這不僅會增加能耗，而且會額外增大待生劑輸送管路的阻力，降低管路顆粒的輸送能力，并有可能產(chǎn)生設(shè)備磨損問題。

為了開發(fā)更為高效的待生劑分配器，以滿足催化裂化裝置高效再生及設(shè)備大型化的要求，筆者借鑒水泥、電力等行業(yè)中使用的一種空氣槽粉體輸送系統(tǒng)，又稱“氣墊輸送”的原理[9]，提出了一種新型的槽式待生劑分配器。采用前期建造的待生劑分配器冷模實驗裝置[8]，評價這一新型待生劑分配器的性能，考察了操作條件和結(jié)構(gòu)參數(shù)對待生劑分配器主要性能指標(biāo)的影響。在此基礎(chǔ)上，進一步討論了該型分配器在工業(yè)裝置中應(yīng)用的相關(guān)問題，并與船型和管式兩種分配器進行了性能對比。

1 新型槽式待生劑分配器的提出及采用的實驗方法

1.1 新型槽式待生劑分配器模型

空氣槽輸送是一種粉體輸送技術(shù)，常用于常溫常壓下粉體的短距離輸送(一般小于100 m)，其原理如圖1所示。主體設(shè)備空氣槽由上、下2個槽體組成，中間由1層多孔板或厚的編織濾布隔開，空氣由下部腔體均勻流過多孔板或濾布，使上部一淺層固體顆粒流化。通常，空氣槽沿物料前進方向與水平面有向下3°～6°的傾角，依靠重力實現(xiàn)粉料的平穩(wěn)輸送，具有能耗消耗低、沒有運動部件等優(yōu)點。目前，對該系統(tǒng)已有較為系統(tǒng)的研究[10-13]。借鑒空氣槽粉體輸送技術(shù)的原理，筆者提出了一種新型的催化裂化待生劑分配器，并申請了中國發(fā)明專利[14]，使用的分配器模型如圖2所示。和粉體輸送空氣槽的結(jié)構(gòu)類似，該分配器也由上、下2個平行的槽體組成，下槽體是流化風(fēng)緩沖腔，利用上、下兩個槽體之間的氣體分布板將上槽體內(nèi)的顆粒層流化；不同的是，槽式待生劑分配器設(shè)有多個顆粒出口，以實現(xiàn)顆粒均勻分配的首要目的。另外，和常用的粉體輸送空氣槽相比，待生劑分配器的操作條件更為苛刻，需要在更高的溫度和壓力下長周期穩(wěn)定運行，因此對設(shè)備可靠性的要求更高，但分配器輸送槽的長度要短得多，最多十幾米。該分配器輸送槽長1.8 m、寬120 mm，上部顆粒分配槽高140 mm，兩側(cè)開有5個80 mm×40 mm的矩形開口，開口總面積和上部顆粒輸送槽的橫截面積相當(dāng)，下部流化風(fēng)緩沖腔高50 mm。

圖1 空氣槽粉體輸送原理

圖2 新型槽式分配器模型

1.2 實驗方法

采用張永民等[8]建造的實驗裝置和實驗流程。略有不同的是，在測試管式和船型分配器時，流經(jīng)立管的催化劑顆粒需要經(jīng)過一水平短管后才進入分配器，而這里立管直接與接近豎直的分配器顆粒進口管相連(見圖2)；另外，槽式分配器只需要一股流化風(fēng)即可，不像管式和船型分配器同時需要流化風(fēng)和輸送風(fēng)。實驗所用的固體顆粒同為工業(yè)FCC平衡劑，平均粒徑60 μm，顆粒密度1500 kg/m3，堆積密度922 kg/m3。在評價催化劑分配性能時，同樣采用了不均勻指數(shù)ζ[8]?？疾炝肆骰L(fēng)表觀氣速、分布板類型、顆粒循環(huán)量、槽體水平傾角等參數(shù)對分配器性能的影響。其中，流化風(fēng)表觀氣速的范圍為0.01～1.0 m/s，采用了10 μm的密孔金屬燒結(jié)網(wǎng)板和開有160個2 mm小孔、開孔率0.5%的多孔分布板兩種氣體分布板考察分布板類型的影響，槽體水平傾角范圍為0°～6°。

2 結(jié)果與討論

2.1 新型槽式待生劑分配器性能的實驗研究結(jié)果

表1給出了不同操作氣速下槽式待生劑分配器5個顆粒出口的流出分率。流出分率定義為單孔顆粒流出量占總顆粒流量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。圖3給出了對應(yīng)的顆粒平均循環(huán)量。為了方便和工業(yè)裝置操作狀況進行對比，顆粒循環(huán)量根據(jù)立管內(nèi)徑計算，采用的氣體分配器為多孔板。

從表1和圖1可以看出，當(dāng)操作氣速很小時，例如在u0=0.03 m/s時，顆粒的分配均勻性最差，所有顆粒都從第1個孔流出，對應(yīng)的顆粒循環(huán)量也最低。6次實驗中，伴床料位高度均相同，且立管上的滑閥開度均為最大，這時管路的推動力相同，說明u0=0.03 m/s時，顆粒管路中的流動阻力最大。這主要是由于立管出口處顆粒并沒有完全流化，形成了很大的顆粒流動阻力，因此也降低了顆粒的循環(huán)量。當(dāng)進一步增大操作氣速至0.04 m/s時，5個顆粒流出孔都有顆粒流出，但第1個孔顆粒流出量仍然最大；進一步增大氣速至0.06 m/s時，第1個孔流出的顆粒分率逐漸降低至最小，而最后3個顆粒流出孔的流出分率逐漸增大，且三者相差不多；隨著操作氣速進一步增大，顆粒管路的流動阻力呈現(xiàn)不斷降低的趨勢，表現(xiàn)出顆粒循環(huán)量不斷增大，當(dāng)氣速增大到0.05 m/s時，顆粒循環(huán)量幾乎不再受操作氣速影響，說明此時分布板上方的所有顆粒已經(jīng)完全流化。

表1 表觀氣速對新型槽式待生劑分配器分配均勻性的影響

#1-#5—The five particle outlets along the slot of distributor

圖3 與表1相應(yīng)的表觀氣速下的催化劑循環(huán)量

圖4為不同表觀氣速下槽式待生劑分配器的分配不均勻指數(shù)，其中的藍色虛線是根據(jù)圖3中顆粒流出率分布計算得到的不均勻指數(shù)?？梢钥闯觯峙洳痪鶆蛑笖?shù)隨著表觀氣速的增大首先快速下降，然后又略有上升，但總體上升幅度很小。將不均勻指數(shù)最低點對應(yīng)的表觀氣速定義為槽式待生劑分配器的臨界表觀氣速，當(dāng)表觀氣速大于該臨界表觀氣速后，可以基本認(rèn)為分布器上方的顆粒已經(jīng)完全流化，這時對應(yīng)的顆粒流動阻力最小，管路已經(jīng)可以達到最大顆粒循環(huán)量或輸送能力。圖4還給出了采用密孔金屬燒結(jié)網(wǎng)板作為氣體分布器時的不均勻指數(shù)，其隨表觀氣速的變化與采用多孔板時的基本相似，也存在一個臨界表觀氣速，但是其臨界表觀氣速已經(jīng)降低至0.03 m/s了。相比之下，密孔金屬燒結(jié)網(wǎng)板比多孔板分配氣體更加均勻，也更容易使分布器上方顆粒完全流化，這也是為什么其臨界表觀氣速更低的原因。另外，從圖4還可以看出，當(dāng)操作氣速大于臨界表觀氣速后，分配不均勻指數(shù)都相差不多，基本不再受操作氣速和分布器類型的影響。

圖4 不同表觀氣速下槽式待生劑分配器的分配不均勻指數(shù)

圖5顯示了分配槽體傾斜度對分配不均勻指數(shù)的影響。在顯示的4種情況下，分配不均勻指數(shù)隨表觀氣速的影響規(guī)律基本相似，當(dāng)表觀氣速大于臨界氣速后，所有不均勻指數(shù)也相差不大。相比之下，傾斜度為2°時，槽式分配器的分配均勻性最好，而進一步增大槽體傾斜度，分配均勻性反而有變差的趨勢。這說明在該型分配器中，如果很好解決了顆粒的流化問題，即使槽體不用傾斜或不借助顆粒重力的作用，也可以實現(xiàn)顆粒的均勻分配。

圖5 槽式待生劑分配器的槽體傾斜度對分配不均勻指數(shù)的影響

通過改變立管上蝶閥的開度可以人為改變顆粒的循環(huán)量，圖6顯示了不同表觀氣速下顆粒循環(huán)量對不均勻指數(shù)的影響，這時，分配器采用的分布器是多孔板，槽體傾斜度為0°。從圖6可以看出，只要分配器表觀氣速大于臨界氣速，即使裝置顆粒循環(huán)量波動較大，也不會對分配均勻性產(chǎn)生較大影響。在工業(yè)催化裂化裝置中，相比其他操作參數(shù)，顆粒循環(huán)量的波動往往更大一些，槽式待生劑分配器的這一特性表明其具有更好的操作彈性，有利于工業(yè)裝置的操作實際。

圖6 槽式待生劑分配器的顆粒循環(huán)量對分配不均勻指數(shù)(ξ)的影響

2.2 新型槽式待生劑分配器的工業(yè)應(yīng)用

目前，工業(yè)FCC裝置反再系統(tǒng)的布置主要分為同軸式和并列式兩類[1]。無論哪種布置型式，再生器一般都為圓形容器。其中，同軸式FCC裝置再生器的待生劑可由中心塞閥套筒多點引入床層，而并列式FCC裝置再生器的待生劑則只能由再生器一側(cè)單點引入。在同軸式FCC裝置再生器中，新型槽式待生劑分配器的布置應(yīng)如圖7(a)所示，從中心到邊壁設(shè)置多個分支槽；如果每個槽體上顆粒開孔采用等距排列的方式，那么待生劑顆粒在床層橫截面上的分配模式應(yīng)如圖7(b)所示。在并列式FCC裝置再生器中，新型槽式待生劑分配器的布置則應(yīng)如圖8(a)所示，從邊壁一點分多個分支槽；同樣如果采用等距排列的顆粒開孔的話，待生劑在床層橫截面上的分配模式應(yīng)如圖8(b)所示。為了實現(xiàn)待生劑的均勻分配，理想狀況下，再生器橫截面上任何單位面積所分配的催化劑顆粒量應(yīng)該相同。例如，在圖7所示的同軸式FCC裝置再生器中，如果設(shè)置4個分支槽的話，每個分支槽應(yīng)該承擔(dān)1/4顆?？傃h(huán)量的分配任務(wù)；從中心到邊壁，每個孔對應(yīng)的面積不同，靠近床層中心的顆粒分配孔所需的理想催化劑流量最小，而接近邊壁的分配孔所需的理想催化劑流量最大。如果采用等距排列的分配孔，從中心到邊壁每個孔所需的理想的顆粒流量應(yīng)該服從1∶3∶5∶……∶2n-1的關(guān)系，這里n指的是單個分支槽上的總開孔數(shù)。同樣，分析圖8所示的并列式FCC裝置再生器，每個分支槽從顆粒入口的每個分配孔的理想顆粒流量也應(yīng)服從同樣的關(guān)系。因此，在實際FCC工業(yè)裝置中，并不是每個分配孔的顆粒流量完全相等才是最佳的分配結(jié)果。

圖7 新型槽式待生劑分配器在同軸式催化裂化再生器中的應(yīng)用示意圖

圖8 新型槽式待生劑分配器在并列式催化裂化再生器中的應(yīng)用示意圖

為了反映在實際FCC工業(yè)裝置中對各個分配孔流量的不同要求，又定義了1個修正的不均勻指數(shù)ξ*，如式(1)所示。

(1)

和圖4～6中的ξ類似，ξ*越小，說明此時分配器在工業(yè)裝置中所能達到的顆粒分配均勻性越好。采用這一修正的不均勻指數(shù)繪制的不同槽體傾斜度下新型槽式待生劑分配器的分配不均勻指數(shù)如圖9所示。由圖9可以看出，當(dāng)操作氣速大于臨界表觀氣速后，ξ*基本趨近恒定，和圖5顯示的規(guī)律性基本一致；操作氣速大于臨界表觀氣速，ξ*的值要顯著小于ξ。結(jié)合圖3可以看出，此時距離顆粒入口端越遠的分配孔的顆粒流出分率越大，更加符合工業(yè)裝置的需要。

圖9 槽式待生劑分配器的槽體傾斜度對修正的分配不均勻指數(shù)(ξ*)的影響

2.3 槽式待生劑分配器和傳統(tǒng)船型及管式分配器性能的對比

圖10對比了新型槽式待生劑分配器和船型及管式待生劑分配器[8]的性能，為了保持近似的基準(zhǔn)，橫坐標(biāo)采用的是氣體流量。對于槽式待生劑分配器，該流量即是槽體流化風(fēng)的流量，而對于船型和管式分配器，則是輸送風(fēng)和松動風(fēng)的總流量。另外，圖10中船型和管式分配器的不均勻指數(shù)均是在最大松動風(fēng)量下的數(shù)據(jù)，即最佳的操作條件下的實驗結(jié)果。如果對比ξ，從圖10(a)可以看出，船型分配器的顆粒分配均勻性最差，在氣體流量較低時，槽式待生劑分配器具有明顯的優(yōu)勢，但當(dāng)氣速增大到一定程度后，管式分配器的分配均勻性顯著改善，基本和槽式分配器相當(dāng)，而且還略好一些。但是，如果對比修正的不均勻指數(shù)ξ*，從圖10(b)可見，新型槽式待生劑分配器的優(yōu)勢則更加顯著，只要大于其臨界表觀氣速，其分配均勻性就能勝于任何工況下的船型和管式分配器。圖11對比了不同氣量下3種分配器的平均顆粒循環(huán)量，即分配器的顆粒輸送能力。從圖11可以看出，當(dāng)新型槽式待生劑分配器大于其臨界表觀氣速后，流動阻力大幅度下降，顆粒輸送能力遠超過其他兩種分配器，可達二者顆粒輸送能力的3倍左右。另外，船型和管式分配器的不均勻指數(shù)均隨著顆粒循環(huán)量的增大而增大[8]，而顆粒循環(huán)量的增大對新型槽式待生劑分配器的分配均勻性卻影響很小(見圖6)，這也說明其操作彈性要優(yōu)于其他兩種分配器。

圖10 3種待生劑分配器分配均勻性的對比

圖11 3種待生劑分配器顆粒輸送能力的對比

通過上述研究，筆者進一步認(rèn)識到實現(xiàn)待生劑分配器中顆粒的均勻分布的關(guān)鍵是解決好顆粒的流動性問題，即應(yīng)該設(shè)法使分配器中所有顆粒都能保持良好的流化狀態(tài)。船型分配器的分配原理其實和新式槽式分配器相似，但傳統(tǒng)的船型分布器由于分布管設(shè)計自身的缺陷，并不能使分布器內(nèi)所有的顆粒都具有很好的流動性，局部流化不好的顆粒反而成為了阻礙其他顆粒流動的障礙。管式分配器依靠氣體的攜帶實現(xiàn)顆粒的流動性，但由于管式分配器內(nèi)氣體為變質(zhì)量流，距離顆粒入口端越遠，管內(nèi)的氣體流速就越小，必須采用非常高的氣體流量才能實現(xiàn)分配管內(nèi)顆粒的均勻分配，尤其對于工業(yè)裝置中跨度較大的分布管。這必然會造成很大分布管的壓降，顯著降低待生劑管路的顆粒輸送能力。另外，高氣速下伴隨的高顆粒速度也會磨損設(shè)備，對設(shè)備的長期可靠性也提出嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。管式分配器的另一個特點是隨著不斷遠離顆粒進口端，各管孔流出的顆粒流量將逐漸減小，與工業(yè)裝置希望顆粒流量越來越大的要求背道而馳。本槽式待生劑分配器具有更好綜合性能的關(guān)鍵是解決了分布器上部所有顆粒的流動性問題，即能使所有顆粒都流化起來，因此，在工業(yè)裝置中槽式待生劑分配器分布板的設(shè)計將非常關(guān)鍵，必須在保證良好氣體分配均勻性的同時，使其能夠在高溫、高壓的再生器環(huán)境中長期可靠運行。

3 結(jié) 論

(1) 新型槽式待生劑分配器存在一臨界表觀氣速，操作氣速大于臨界表觀氣速，分配器就能夠保持較小的分配不均勻指數(shù)和較高的顆粒輸送能力；分布器類型、槽體傾斜度和顆粒循環(huán)量對槽式分配器的分配均勻性影響較小，最佳的分配器傾斜角度為2°。

(2) 根據(jù)工業(yè)圓形再生器對待生劑分配器各分配孔顆粒流量分布的要求，提出了一個能夠更好滿足工業(yè)設(shè)計需要的修正不均勻指數(shù)；根據(jù)該指數(shù)判斷，大于臨界表觀氣速時新型槽式待生劑分配器各孔的分配規(guī)律更能滿足工業(yè)裝置的需要。

(3) 無論從分配均勻性、顆粒輸送能力還是操作彈性看，新型槽式待生劑分配器都比傳統(tǒng)的船型和管式分配器更優(yōu)，因為其更好地解決了所有顆粒的流動性問題。在工業(yè)裝置中，氣體分布器的設(shè)計是關(guān)鍵。

符號說明：

ci——某個出料口顆粒流出量比率；

i——出料口編號；

n——出料口個數(shù)；

ua——松動氣速，m/s；

u0——槽式分配器流化風(fēng)表觀氣速，m/s；

ζ——顆粒分配不均勻指數(shù)；

ζ*——修正的顆粒分配不均勻指數(shù)。

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Experimental Study on New Slot FCC Spent Catalyst Distributor

ZHANG Yongmin, YU Songyuan

(StateKeyLaboratoryofHeavyOilProcessing,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China)

To achieve high-efficiency catalyst regeneration in large-scale industrial FCC unit, a new slot spent catalyst distributor was proposed. Its performance was systematically evaluated in a large cold model unit. The effects of operating and structural factors on the main performance parameters were also investigated. Finally, a systematic performance comparison was carried out among the new slot distributor and the other two traditional distributors studied previously. The experimental results indicated that there was a critical superficial gas velocity in the new slot distributor, beyond which good uniformity of solid distribution and high capacity of solid transportation could be both maintained. Other operating and structural factors had little effect on its performance. In view of the cylindrical vessels in industrial FCC regenerators, a modified heterogeneity index was proposed, which can better match the requirement in designing an industrial spent catalyst distributor. Compared with the traditional boat and pipe spent catalyst distributors, the new slot distributor is much more advantageous comprehensively, e.g. in the uniformity of solid distribution, the capacity of solid transportation and operating flexibility, because of its better flowability.

spent catalyst distributor; slot; heterogeneity index; regenerator; FCC; fluidized bed

2014-05-12

國家自然科學(xué)基金項目(21276273)、國家“973”項目子課題(2012CB215004)、新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計劃 (NCET-11-0733)、北京高等學(xué)校青年英才計劃人才專項基金(YETP0675)和中國石油大學(xué)(北京)基金(2462015YQ0312)資助

張永民，男，研究員，博士，主要從事石油煉制及流態(tài)化等領(lǐng)域的研究；Tel: 010-89731269; E-mail:zym0876@gmail.com

1001-8719(2015)05-1164-07

TE966

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2015.05.020