賀 嬌，王 迪，孫立強(qiáng)，王江云，魏耀東

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)克拉瑪依校區(qū)工學(xué)院，新疆 克拉瑪依 834000；2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.過程流體過濾與分離技術(shù)北京重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

催化裂化裝置(FCCU)操作過程中的劑油比(催化劑質(zhì)量流率與油氣質(zhì)量流率的比值)參數(shù)是提升管反應(yīng)器操作和控制的關(guān)鍵變量之一，直接影響到進(jìn)料油品的反應(yīng)深度和裂化產(chǎn)品分布[1-3]，因此對(duì)劑油比進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)在線檢測(cè)是非常必要的。但傳統(tǒng)的基于熱平衡法計(jì)算劑油比只能離線進(jìn)行，而且精度比較低，數(shù)據(jù)滯后，無法滿足工藝過程實(shí)時(shí)控制的要求[4]。目前實(shí)驗(yàn)室循環(huán)流化床裝置上通常采用直接觀察法、蝶閥測(cè)量法、切換法等進(jìn)行顆粒質(zhì)量流率測(cè)量。工業(yè)裝置上采用文丘里管法[5-6]測(cè)量管內(nèi)顆粒質(zhì)量流率，但該方法不適用于提升管反應(yīng)器的筒型結(jié)構(gòu)，而且增加了壓力降。

由于FCCU提升管反應(yīng)器生產(chǎn)過程的危險(xiǎn)性和復(fù)雜性，在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，劑油比在線檢測(cè)尚無實(shí)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(jié)構(gòu)及其壓降特性[7-10]，在不改變?cè)刑嵘艹隹诮Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種可以對(duì)劑油比進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)的方法。

1 測(cè)量模型

圖1是提升管出口T型彎頭結(jié)構(gòu)和氣固兩相流流態(tài)示意。在T型彎頭內(nèi)，來自提升管底部的氣固兩相流垂直上行流動(dòng)，在T型彎頭內(nèi)急轉(zhuǎn)90°成水平運(yùn)動(dòng)。對(duì)于氣體而言，由于盲管部分是一個(gè)滯留區(qū)，來自提升管的氣流大部分轉(zhuǎn)向水平管流出，小部分在慣性作用下進(jìn)入盲管區(qū)域，然后再轉(zhuǎn)向流入水平管。對(duì)于顆粒而言，提升管內(nèi)氣體攜帶顆粒流動(dòng)到達(dá)提升管頂部時(shí)，部分顆粒在慣性作用下脫離流線流動(dòng)到盲管區(qū)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(zhuǎn)向流進(jìn)水平管。

圖1 T型彎頭內(nèi)氣固兩相流流態(tài)示意

催化裂化裝置提升管反應(yīng)器的出口設(shè)置T型彎頭是為了避免氣固兩相流對(duì)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(duì)器壁的沖蝕。但也導(dǎo)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(nèi)徑，m；d為水平管內(nèi)徑，m；ζ為彎管阻力系數(shù)。

ζ需通過試驗(yàn)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(shù)。

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

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

Gs=Cs×Vs1

(8)

設(shè)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(zhì)量流率與壓降成線性關(guān)系。

(13)

2 測(cè)量模型的試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)裝置

圖2是提升管及循環(huán)流化床試驗(yàn)裝置。提升管尺寸(直徑×長(zhǎng)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(yàn)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(huán)流化床試驗(yàn)裝置

催化劑質(zhì)量流率由返料斜管上的蝶閥控制。催化劑質(zhì)量流率由閘閥測(cè)量，測(cè)量方法是通過關(guān)閉閥在一定時(shí)間內(nèi)計(jì)量料腿內(nèi)的催化劑堆積量進(jìn)行測(cè)定。提升管氣速Ug用轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量。T型彎頭的壓降通過U形管和壓力傳感器測(cè)量，測(cè)量點(diǎn)1和2的位置見圖2。

2.2 模型驗(yàn)證與評(píng)估

圖3是提升管氣速Ug分別取7.2，9.2，10.2 ms時(shí)，在不同催化劑顆粒質(zhì)量流率Gs下測(cè)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(zhì)量流率Gs有較好的線性關(guān)系，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸后得出ζ=2.99。

圖3 T型彎頭顆粒質(zhì)量流率Gs與壓降ΔP的關(guān)系

圖4是顆粒質(zhì)量流率Gs試驗(yàn)值與式(13)計(jì)算值的比較。由圖4可知，計(jì)算值與試驗(yàn)值的相對(duì)誤差基本在15%以內(nèi)，計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好。

圖4 顆粒質(zhì)量流率Gs計(jì)算值與試驗(yàn)值比較

3 實(shí)時(shí)檢測(cè)方法的實(shí)施

在FCCU提升管出口T型彎頭上實(shí)施顆粒質(zhì)量流率Gs測(cè)量時(shí)，不需要改變提升管出口的結(jié)構(gòu)，僅需要在T型彎頭的進(jìn)口和出口的合適位置設(shè)置兩個(gè)壓力傳感器，通過測(cè)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(jì)算得到提升管的顆粒質(zhì)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(cè)量結(jié)果具有較高的抗干擾性和時(shí)間跟隨性，可以達(dá)到實(shí)時(shí)測(cè)量的要求。

4 結(jié) 論

針對(duì)FCCU提升管劑油比實(shí)時(shí)測(cè)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(nèi)顆粒質(zhì)量流率實(shí)時(shí)檢測(cè)的方法，進(jìn)而獲得劑油比參數(shù)。通過考察T型彎頭的壓降與提升管氣速、顆粒質(zhì)量流率之間的關(guān)系，獲得提升管內(nèi)顆粒質(zhì)量流率測(cè)量模型。試驗(yàn)結(jié)果表明了該檢測(cè)方法的可行性和數(shù)據(jù)的可測(cè)性。該檢測(cè)方法不改變提升管的出口結(jié)構(gòu)，直接利用T型彎頭的阻力特性，測(cè)量過程安全簡(jiǎn)單，測(cè)量結(jié)果具有實(shí)時(shí)性。