魏志剛, 劉人鋒, 李曉曼, 嚴(yán)超宇, 魏耀東

(1. 中國石油大學(xué) 重質(zhì)油國家重點(diǎn)實(shí)驗室, 北京, 102249; 2. 中國石油撫順石化公司, 遼寧 撫順, 113008)

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催化裂化裝置旋風(fēng)分離器料腿翼閥系統(tǒng)排料流態(tài)的實(shí)驗分析

魏志剛1,2, 劉人鋒1, 李曉曼1, 嚴(yán)超宇1, 魏耀東1

(1. 中國石油大學(xué) 重質(zhì)油國家重點(diǎn)實(shí)驗室, 北京, 102249; 2. 中國石油撫順石化公司, 遼寧 撫順, 113008)

摘要：針對催化裂化裝置旋風(fēng)分離器料腿翼閥系統(tǒng)的排料過程,在φ150 mm×5000 mm料腿冷模實(shí)驗裝置中懸空安裝翼閥,在顆粒質(zhì)量流率0～50 kg/(m2·s)、負(fù)壓差0～11 kPa范圍內(nèi)進(jìn)行系統(tǒng)的排料實(shí)驗,考察負(fù)壓差和顆粒質(zhì)量流率對排料過程的影響。結(jié)果表明,料腿翼閥系統(tǒng)的排料流態(tài)有連續(xù)式滴流狀排料和間歇周期性節(jié)涌狀排料2種形式。負(fù)壓差小、顆粒質(zhì)量流率大,排料流態(tài)趨于連續(xù)式滴流排料;負(fù)壓差大、顆粒質(zhì)量流率小,排料流態(tài)趨于間歇式周期性排料。2種排料流態(tài)隨負(fù)壓差和顆粒質(zhì)量流率的變化可以互相轉(zhuǎn)換。根據(jù)實(shí)驗數(shù)據(jù)還提出了旋風(fēng)分離器料腿翼閥系統(tǒng)的排料相圖。

關(guān)鍵詞：催化裂化裝置; 旋風(fēng)分離器; 料腿; 翼閥; 排料; 相圖

催化裂化裝置(FCCU)中再生器和沉降器內(nèi)的旋風(fēng)分離器是重要的氣-固分離設(shè)備。對于旋風(fēng)分離器料腿出口懸空安裝在再生器或沉降器稀相空間的結(jié)構(gòu),其排料出口的壓力高于旋風(fēng)分離器的入口壓力,由此造成了旋風(fēng)分離器的料腿排料是一個負(fù)壓差排料過程,即收集的顆粒需要從旋風(fēng)分離器內(nèi)部的低壓區(qū)通過料腿流向外部的高壓區(qū)。這就需要在料腿出口設(shè)置翼閥,在料腿內(nèi)建立一個料柱以平衡此負(fù)壓差,同時還具有料封作用,防止外部的氣體反竄進(jìn)入料腿,維持鎖氣排料[1-4]。料腿是通過在其內(nèi)部建立一定的料位高度來實(shí)現(xiàn)抵抗負(fù)壓差的作用,翼閥則起到控制排料速率的作用,并保持料腿內(nèi)的料封高度,避免料腿被反竄氣吹通。料腿翼閥系統(tǒng)是催化劑顆粒循環(huán)和回收的重要設(shè)備,料腿翼閥系統(tǒng)的穩(wěn)定操作,對催化裂化裝置的長周期運(yùn)行、負(fù)荷調(diào)節(jié)、溫度控制、產(chǎn)品收率等有重要的影響。若料腿翼閥系統(tǒng)不能建立有效的料柱,則反竄氣體進(jìn)入料腿,將直接影響到旋風(fēng)分離器的排料,進(jìn)而影響其分離效率[5],或造成翼閥閥板的沖蝕磨損[6]。

實(shí)驗表明,影響旋風(fēng)分離器料腿翼閥排料過程的主要參數(shù)是負(fù)壓差和顆粒質(zhì)量流率[7]。料腿排料過程中,料腿內(nèi)部或是一種流態(tài),或是多種流態(tài)共存,具有很強(qiáng)的動態(tài)特性。Dries等[8],Bristow等[9]根據(jù)負(fù)壓差和顆粒質(zhì)量流率定性地劃分了排料流態(tài),Wang等[10]則給出了黏滑流動區(qū)、稀密流動區(qū)、稀相流動區(qū)3種排料流態(tài)。Smolders等[11]、Geldart等[12]、魏耀東等[13]依據(jù)實(shí)驗認(rèn)為,催化裂化裝置的一級旋風(fēng)分離器料腿的顆粒質(zhì)量流率較高,排料是濃相輸送操作;二級旋風(fēng)分離器料腿的顆粒質(zhì)量流率比較低,負(fù)壓差比較大,排料是稀密相共存的操作。但這些研究的實(shí)驗?zāi)Ｐ椭?料腿出口均是插入到密相床層內(nèi),對于料腿出口懸空安裝在稀相區(qū)的料腿翼閥結(jié)構(gòu)還缺乏詳細(xì)的研究數(shù)據(jù),而這是沉降器頂部旋風(fēng)分離器或再生器二級旋風(fēng)分離器的典型安裝結(jié)構(gòu)。為此,筆者在直徑為160mm×5mm、高為5000 mm的料腿翼閥冷模實(shí)驗裝置中進(jìn)行系統(tǒng)的排料實(shí)驗,重點(diǎn)模擬二級旋風(fēng)分離器料腿出口懸空安裝在稀相區(qū)的操作工況,考察負(fù)壓差和顆粒質(zhì)量流率與翼閥排料過程的關(guān)系和對排料過程的影響,以提高對旋風(fēng)分離器翼閥排料特性的認(rèn)識,為料腿翼閥系統(tǒng)的穩(wěn)定操作和設(shè)計提供幫助。

1實(shí)驗部分

1.1實(shí)驗裝置

實(shí)驗裝置如圖1所示,主要由下料料斗,直徑為φ160 mm×5 mm、高為5000 mm料腿(或立管)以及工業(yè)用DN150 mm翼閥構(gòu)成,翼閥閥板的安裝傾斜角度為5°。為便于觀察料腿翼閥內(nèi)部的顆粒流動狀態(tài),整個實(shí)驗裝置除翼閥閥板和吊環(huán)部分為碳鋼制造外,其余部分均為有機(jī)玻璃制造。翼閥懸空放置在1個密閉的氣箱內(nèi),實(shí)驗時通過向氣箱內(nèi)注入壓縮空氣以提高氣箱內(nèi)的壓力,形成料腿排料的負(fù)壓差狀態(tài)。

實(shí)驗顆粒物料為煉油催化裂化工藝(FCC)平衡催化劑,其平均粒徑67 μm,堆積密度940 kg/m3,顆粒密度1520 kg/m3。

1.2測量方法

實(shí)驗時,催化劑顆粒物料儲存在上方的料斗中,先向氣箱內(nèi)注入壓縮空氣,固定氣箱內(nèi)的壓力,構(gòu)成料腿排料的負(fù)壓差Δp,然后開啟料斗底部的蝶閥,使催化劑顆粒沿料腿流至底端翼閥處,再排入下部的氣箱。通過調(diào)整蝶閥的開度控制催化劑的下料速率,根據(jù)下料時間和下料催化劑的質(zhì)量計算顆粒質(zhì)量流率GS,顆粒質(zhì)量流率范圍為0～50.0 kg/(m2·s)。采用U形管測壓計測量料腿的負(fù)壓差Δp,實(shí)驗負(fù)壓差范圍為0～11.0 kPa。

通過測量料腿翼閥內(nèi)的壓力變化考察料腿的下料過程。采用動態(tài)壓力傳感器測量壓力,采樣頻率為333 Hz,最大采樣時間為180 s。設(shè)翼閥閥口底端的標(biāo)高為零,h=0 m,沿料腿軸向向上(h)0.3、0.9、1.4、2.1、2.7、3.3m設(shè)置6個壓力測量點(diǎn)。同時采集并記錄6個測量點(diǎn)的壓力信號,并用視頻錄像記錄翼閥閥板的排料狀態(tài)。

2結(jié)果與討論

2.1旋風(fēng)分離器料腿的2種排料方式

改變料腿負(fù)壓差Δp和顆粒質(zhì)量流率GS,觀察料腿翼閥的排料流態(tài),發(fā)現(xiàn)翼閥的排料過程主要有2種狀態(tài),如圖2所示。一種是連續(xù)式滴流狀排料(圖2(a)),閥板常開,并輕微擺動,顆粒連續(xù)地流出閥口,料腿內(nèi)顆粒呈現(xiàn)稀相雨狀下落流態(tài);另一種是間歇式周期性節(jié)涌狀排料(圖2(b)),閥板間歇式一開一關(guān)周期性變化,顆粒間斷地流出閥口,流出時呈密相傾瀉式下落流態(tài),料腿內(nèi)的密相料位呈上下起伏變化。

圖3是間歇式周期性節(jié)涌狀排料過程的一組照片。固定料腿的負(fù)壓差Δp,閥板在負(fù)壓差和閥板質(zhì)量的作用下緊密貼合在閥口上(圖3(a))。隨著上部料斗內(nèi)固體顆粒的不斷下落,料腿中顆粒密相料位逐漸上升,當(dāng)密相料位上升到一定高度時,料柱的靜壓力可以推動閥板開啟,料腿內(nèi)顆粒從翼閥閥口流出下落(圖3(b))。伴隨著顆粒下料量的逐漸增大,閥板的張角也逐漸增大,形成傾瀉式的排料。此時,可以觀察到閥口上部斜管內(nèi)出現(xiàn)空腔,有漏風(fēng)現(xiàn)象,即氣箱內(nèi)氣體反竄進(jìn)入料腿(見圖3(c)、圖3(d))。隨著顆粒密相料位的下降,料柱的靜壓力降低,下料量逐漸減小,閥板開始出現(xiàn)一定的擺動,漏風(fēng)問題仍然明顯存在(見圖3(e))。最后,閥板在負(fù)壓差和閥板質(zhì)量的共同作用下重新貼合在閥口上(見圖3(f)),料腿內(nèi)開始蓄料準(zhǔn)備下一個排料過程。

本實(shí)驗裝置的料腿翼閥懸空在氣箱中(見圖1),排料直接流落在氣箱內(nèi),類似于催化裂化裝置沉降器頂部旋風(fēng)分離器(頂旋)的料腿翼閥的操作工況。這類料腿翼閥的主要特點(diǎn)是,在這2種排料流態(tài)過程中,閥口處始終存在著比較大的漏風(fēng)現(xiàn)象,反竄的氣體進(jìn)入翼閥和料腿,氣體上行(見圖2)。這與大顆粒質(zhì)量流率的操作有所不同,后者存在著比較大的顆粒夾帶氣體,氣體下行[12-13]。若將旋風(fēng)分離器的料腿插入密相床層內(nèi),則料腿內(nèi)的流態(tài)是稀密相共存流態(tài),料腿底端排料口處的漏風(fēng)量比較小。

2.2旋風(fēng)分離器料腿排料的壓力

2.2.1連續(xù)式滴流狀排料

圖4是旋風(fēng)分離器料腿連續(xù)式滴流狀排料時,在顆粒質(zhì)量流率GS=17.407 kg/(m2·s),負(fù)壓差Δp分別為2.0 kPa和3.1 kPa條件下,料腿內(nèi)軸向測量點(diǎn)上測得的壓力隨時間的變化。這是一種低幅值的脈動壓力,各個測量點(diǎn)之間的壓力脈動變化具有相似性,并且壓力脈動幅度沿軸向向下逐漸增大,翼閥出口處的壓力脈動幅值最大。

料腿中的壓力脈動是由于翼閥排料的不均勻造成的。連續(xù)式滴流狀排料時,翼閥的閥板處于不停的擺動狀態(tài),顆粒從閥口波動式流出,同時有氣體不斷地反竄進(jìn)入料腿,形成氣泡上傳,由此形成了壓力的脈動變化,并且一直向上傳遞。對比負(fù)壓差2.0 kPa和3.1 kPa 2種工況,負(fù)壓差的增加使壓力脈動的幅值有所增大。

對脈動壓力取平均值,可見平均壓力值沿料腿軸向從上向下逐漸增大。這樣可以根據(jù)測量的平均壓力,按式(1)計算料腿內(nèi)的平均顆粒濃度。由于ρg?ρs,則式(1)可簡化為式(2)。

(1)

(2)

結(jié)合圖4(a)、圖4(b)的實(shí)驗數(shù)據(jù),利用式(2)計算可以得到,圖4(a)操作工況下料腿內(nèi)的平均顆粒濃度為18.52 kg/m3,圖4(b)操作工況下料腿內(nèi)的平均顆粒濃度為19.13 kg/m3。

2.2.2間歇式周期性節(jié)涌狀排料

圖5是間歇式周期性節(jié)涌狀排料時,在顆粒質(zhì)量流率GS=22.118 kg/(m2·s),負(fù)壓差Δp=9.15 kPa和10.0 kPa條件下,料腿內(nèi)軸向測量點(diǎn)上測得的壓力隨時間的變化。從圖5可見,不同于連續(xù)式滴流時的脈動壓力曲線,靠近翼閥閥口的測量點(diǎn)的壓力曲線是一種鋸齒波。在這種間歇式周期性節(jié)涌狀排料時,料腿內(nèi)的流態(tài)可以劃分為3個區(qū)域,即上部的稀相區(qū),中部的密相區(qū)以及底部翼閥閥口處的密相堆積區(qū)。來自稀相區(qū)的顆粒下料下落到中部的密相區(qū),形成一個上升的料柱(見圖2(b))。

從圖5還可見,離翼閥閥口上部最近的測量點(diǎn)(h=0.3 m處)的壓力曲線是明顯的鋸齒波,遠(yuǎn)離翼閥閥口的測量點(diǎn)的鋸齒波特征逐漸消失。對于閥口上部h=0.3 m處的鋸齒波,波形的上升段由密相料位沿料腿堆積上升過程中形成的料柱靜壓力產(chǎn)生;波形的下降段是由于閥板開啟排料,顆粒迅速傾泄下落,料柱靜壓力急降而產(chǎn)生。測量點(diǎn)h=0.9 m處的壓力動態(tài)曲線的變化滯后于測量點(diǎn)h=0.3 m處的壓力曲線的變化,這是兩測點(diǎn)的位差導(dǎo)致。其它遠(yuǎn)離翼閥閥口的測量點(diǎn)由于處在稀相區(qū),沒有受到料柱堆積和翼閥排料泄壓的影響,壓力的變化較為平緩。另外,在排料過程中,可以觀察到料腿外空間的氣體從翼閥上部反竄進(jìn)入料腿(見圖3(b)～圖3(e))。

當(dāng)負(fù)壓差由9.15 kPa升至10.0 kPa,料腿內(nèi)累積的料柱高度也相應(yīng)增大,導(dǎo)致鋸齒波脈動的周期增大,脈動壓力的峰值也增大。

2.3Δp和GS對旋風(fēng)分離器料腿排料的影響

上述實(shí)驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)表明,翼閥的排料狀態(tài)主要取決于負(fù)壓差Δp和顆粒質(zhì)量流率GS。為進(jìn)一步分析2種排料形式之間的演變,改變負(fù)壓差Δp和顆粒質(zhì)量流率GS,考察2種排料形式的變化過程。

固定顆粒質(zhì)量流率GS=17.407 kg/(m2·s),將負(fù)壓差Δp以1 kPa為間隔,逐漸從2.1 kPa增至5.1 kPa時,測量閥口測壓點(diǎn)h=0.3 m處的壓力脈動;另外,固定負(fù)壓差Δp=7.05 kPa,將顆粒質(zhì)量流率GS逐漸從10.5 kg/(m2·s)增至42 kg/(m2·s),測量閥口測壓點(diǎn)h=0.3 m處的壓力脈動,結(jié)果分別示于圖6(a)、(b)。從圖6(a)可見,在顆粒質(zhì)量流率固定不變的條件下,負(fù)壓差較小時,壓力脈動幅度平緩,說明翼閥的排料狀態(tài)是連續(xù)式滴流狀排料;隨著負(fù)壓差增大,壓力曲線逐漸出現(xiàn)鋸齒狀波形,且排料周期隨負(fù)壓差增大而增大,排料狀態(tài)也向間歇式周期性節(jié)涌狀排料演變。但當(dāng)負(fù)壓差增大到比較大的值后,顆粒在料腿內(nèi)堆積脫氣,失流化直至噎塞。

從圖6(b)可見,在負(fù)壓差不變的條件下,料腿內(nèi)顆粒質(zhì)量流率越小,壓力脈動的鋸齒波形越明顯,說明翼閥的排料形態(tài)趨于間歇式周期性節(jié)涌狀排料變化,且排料周期隨顆粒質(zhì)量流率的減小而增大。料腿內(nèi)顆粒質(zhì)量流率越大,壓力脈動曲線鋸齒波形越小,其表現(xiàn)為高頻低幅的特性,翼閥的排料狀態(tài)趨于連續(xù)式滴流狀排料變化。

2.4旋風(fēng)分離器料腿翼閥排料相圖

以負(fù)壓差Δp和顆粒質(zhì)量流率GS2個變量進(jìn)行實(shí)驗所形成的數(shù)據(jù)點(diǎn)分布如圖7所示。通過觀察每次實(shí)驗中翼閥的排料狀態(tài),可以將上述數(shù)據(jù)點(diǎn)劃分為連續(xù)式滴流排料區(qū)和間歇式周期性排料區(qū)2個相區(qū)。圖7中,分界線上方的實(shí)心數(shù)據(jù)點(diǎn)處于間歇式周期性節(jié)涌狀排料相區(qū),分界線下方的空心數(shù)據(jù)點(diǎn)處于連續(xù)式滴流狀排料區(qū)。確定了操作過程中的負(fù)壓差和顆粒質(zhì)量流率,就可以從圖7初步預(yù)測翼閥的排料狀態(tài),對生產(chǎn)實(shí)際具有一定的指導(dǎo)作用。

催化裂化裝置現(xiàn)場的實(shí)際應(yīng)用表明,對于料腿出口翼閥懸空安裝在稀相區(qū)的結(jié)構(gòu),由于顆粒質(zhì)量流率比較小,存在漏風(fēng)或氣體反竄和排料波動現(xiàn)象,將有可能造成設(shè)備的破壞。一種破壞形式是翼閥閥板的磨損。當(dāng)反竄氣攜帶顆粒進(jìn)入翼閥時,氣體轉(zhuǎn)彎上行至料腿內(nèi),而顆粒由于慣性直接沖擊閥板,對閥板形成較嚴(yán)重的沖蝕磨損。由于2種排料的方式不同,閥口處漏風(fēng)的位置不同(見圖2),閥板上沖蝕磨損的位置也不同[6,14]。但漏風(fēng)可以使料腿內(nèi)的顆粒處于流化狀態(tài),有助于消除失流化的產(chǎn)生。另一種破壞形式是旋風(fēng)分離器設(shè)備本體和拉桿的疲勞斷裂。翼閥排料的不穩(wěn)定性將誘發(fā)料腿翼閥內(nèi)氣、固兩相流的壓力脈動,形成旋風(fēng)分離器系統(tǒng)的激振源,當(dāng)激振源的頻率與料腿翼閥系統(tǒng)的固有振動頻率接近時,就會產(chǎn)生比較大的振動,導(dǎo)致金屬材料的疲勞斷裂[15-16]。

3結(jié)論

針對催化裂化裝置(FCCU)中旋風(fēng)分離器的料腿翼閥懸空安裝在稀相床層內(nèi)的結(jié)構(gòu),在顆粒質(zhì)量流率0～50.0 kg/(m2·s),負(fù)壓差0～11.0 kPa范圍內(nèi)進(jìn)行了系統(tǒng)的排料實(shí)驗。結(jié)果表明,旋風(fēng)分離器料腿翼閥系統(tǒng)排料過程有2種排料狀態(tài),當(dāng)顆粒質(zhì)量流率比較大,負(fù)壓差比較小時是連續(xù)式滴流狀排料;當(dāng)顆粒質(zhì)量流率比較小,負(fù)壓差比較大時,是間歇式周期性節(jié)涌狀排料。隨著顆粒質(zhì)量流率與負(fù)壓差的變化,2種排料狀態(tài)可以互相變換。根據(jù)實(shí)驗數(shù)據(jù)繪制的有關(guān)顆粒質(zhì)量流率和負(fù)壓差的翼閥排料相圖,可用于初步預(yù)測翼閥的排料狀態(tài),對生產(chǎn)實(shí)際具有一定的指導(dǎo)作用。

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Experimental Analysis of Discharge Patterns of Cyclone Dipleg-Trickle Valve System in Fluid Catalytic Cracking Unit

WEI Zhigang1,2, LIU Renfeng1, LI Xiaoman1, YAN Chaoyu1, WEI Yaodong1

(1.StateKeyLaboratoryofHeavyOilProcessing,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China; 2.FushunPetrochemicalCompanyofPetroChina,Fushun113008,China)

Key words：FCCU; cyclone separator; dipleg; trickle valve; discharge pattern; discharge regime map

Abstract：An experiment was conducted on aφ150 mm×5000 mm dipleg experimental apparatus to study the discharge process of dipleg-trickle valve system of cyclone in the fluid catalytic cracking unit (FCCU). The dipleg exit was arranged so that the trickle valve could suspend in the hopper. The experiment focuses on the effects of negative pressure drop (0-11 kPa) and solid flux rate (0-50 kg/(m2·s)) on the discharge pattern. The experimental results showed that there were two discharge patterns in the dipleg-trickle valve. The one is continuous trickling discharge at low negative pressure drop and high solid flux rate. The other one is intermittent periodic dumping discharge at high negative pressure drop and low solid flux rate. The two discharge patterns can transform each other as the negative pressure drop or solid flux rate varying. The discharge regime map was proposed according to the experimental data, which related to the negative pressure drop and solid flux rate.

收稿日期：2015-01-16

基金項目：國家自然科學(xué)基金(21176250)和中國石油大學(xué)(北京)科研基金 (2462015YQ0301) 資助

文章編號：1001-8719(2016)02-0237-07

中圖分類號：TQ051.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi:10.3969/j.issn.1001-8719.2016.02.003

第一作者： 魏志剛，男，博士研究生，從事化工過程機(jī)械研究

通訊聯(lián)系人： 嚴(yán)超宇，男，副教授，博士，從事氣-固流態(tài)化工程和氣-固分離方面的研究；E-mail:yanchaoyu@sina.com