王 釗，閆子涵，范怡平，盧春喜

催化裂化提升管進(jìn)料混合段研究進(jìn)展

王 釗，閆子涵，范怡平，盧春喜

（中國石油大學(xué)（北京）重質(zhì)油國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249）

催化裂化是煉油工業(yè)中重要的二次加工過程，提升管反應(yīng)器是催化裂化裝置的核心部分，其中的進(jìn)料混合段是原料油與催化劑的初始接觸階段，該區(qū)域油、劑間的接觸與混合效果將對(duì)裂化反應(yīng)的產(chǎn)品分布產(chǎn)生直接影響。在傳統(tǒng)的提升管進(jìn)料段結(jié)構(gòu)中，存在著催化劑分布不均勻、顆粒返混嚴(yán)重等問題，不利于實(shí)現(xiàn)油、劑間快速而均勻的混合與反應(yīng)。針對(duì)提升管進(jìn)料混合段內(nèi)存在的缺點(diǎn)與不足，國內(nèi)外研究者提出了諸多改進(jìn)方法，其中改變進(jìn)氣方式、增加內(nèi)構(gòu)件、提升管變徑等方案的效果較為顯著。

提升管；混合進(jìn)料段；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

催化裂化工藝是石油加工業(yè)中不可或缺的工藝工程，提供了市場中大部分的汽、柴油等產(chǎn)品。提升管反應(yīng)器是催化裂化的核心裝置之一，汽油、柴油和液化氣等諸多目的產(chǎn)品均是通過在其內(nèi)裂化反應(yīng)獲得。

根據(jù)在裂化反應(yīng)過程中的作用，可以將提升管反應(yīng)器沿軸向由下至上分為四個(gè)部分，分別是預(yù)提升段、進(jìn)料混合段、充分反應(yīng)段以及出口快分段［1,2］。其中的進(jìn)料混合段是油、劑的初始接觸階段。在該區(qū)域內(nèi)，原料油與催化劑間的接觸及混合效果將對(duì)整個(gè)裂化反應(yīng)產(chǎn)生直接影響。

然而，實(shí)際生產(chǎn)中，進(jìn)料混合段內(nèi)存在以下問題：（1）進(jìn)料混合段原料油與催化劑顆粒接觸及混合狀況不理想。在油劑初始接觸階段，催化劑顆粒沿徑向的分布極不均勻，且顆粒軸向速度較低，不利于油劑間快速而均勻地混合。（2）在提升管中油劑混合物的流動(dòng)狀態(tài)不是理想的“平推流”，較多的催化劑顆粒聚集在提升管近壁，呈環(huán)-核結(jié)構(gòu)，噴嘴射流的引入也加劇了顆粒的軸向返混，使油、劑之間進(jìn)行反復(fù)接觸，造成較為嚴(yán)重的結(jié)焦。

針對(duì)提升管進(jìn)料混合段內(nèi)存在的問題，國內(nèi)外研究者在對(duì)傳統(tǒng)進(jìn)料段內(nèi)氣、固兩相流動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行詳盡研究與分析的基礎(chǔ)之上，提出了諸多改進(jìn)方法，其中一些方案實(shí)現(xiàn)了工業(yè)應(yīng)用并取得了一定的效果。

1 提升管進(jìn)料混合段內(nèi)氣固流動(dòng)特性研究現(xiàn)狀

提升管進(jìn)料段內(nèi)的流動(dòng)狀況極其復(fù)雜，可以將該流場描述為“受限射流與三維三相流場的耦合”，相關(guān)研究主要采用實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法。

范怡平[3-6]等在內(nèi)徑為186 mm、高14 m的有機(jī)玻璃提升管裝置內(nèi)進(jìn)行了提升管進(jìn)料混合段內(nèi)氣固兩相流動(dòng)特性的研究。按照顆粒相與射流相的流動(dòng)特征，將整個(gè)混合進(jìn)料段由下至上分為四個(gè)區(qū)段，分別是：上游影響區(qū)、主射流影響區(qū)、二次流影響區(qū)和混合發(fā)展區(qū)。其中，二次流影響區(qū)段邊壁處的顆粒返混急劇增加，且油劑匹配效果較差，對(duì)油劑間的混合產(chǎn)生極為不利的影響。

鄂承林[7]等在Φ200 mm的提升管冷模實(shí)驗(yàn)裝置上，研究了噴嘴射流在進(jìn)料段的分布特征并考察了噴嘴氣速的影響。結(jié)果表明，噴嘴射流在進(jìn)料混合段內(nèi)存在六種徑向分布特征，沿軸向由下到上分別是：未混合區(qū)（強(qiáng)M型分布）、混合區(qū)（弱M型分布、強(qiáng)三峰分布、弱三峰分布、單峰分布）、完成混合區(qū)（環(huán)-核分布）。當(dāng)噴嘴氣速增加時(shí)，未混合區(qū)、混合區(qū)及完成混合區(qū)的軸向高度均逐漸增加。該研究還指出：提升管直徑較大時(shí)，適當(dāng)提高噴嘴氣速有利于噴嘴油氣與預(yù)提升氣體和催化劑顆粒之間的混合；提升管直徑較小時(shí)，適當(dāng)降低噴嘴氣速有利于噴嘴油氣與預(yù)提升氣體和催化劑顆粒之間的混合。

王洪斌[8]等采用三維數(shù)值模擬的研究方法考察了噴嘴射流的角度與速度對(duì)提升管內(nèi)流動(dòng)的影響。根據(jù)數(shù)值模擬得到的結(jié)果，同一角度下，噴嘴的射流速度對(duì)催化劑和油氣的濃度分布以及氣相組成的濃度分布有一定影響，而在工業(yè)提升管噴嘴射流速度范圍內(nèi)（60～80 m/s），射流速度的改變對(duì)提升管內(nèi)流動(dòng)形態(tài)的影響不明顯。射流角度的變化對(duì)提升管內(nèi)流動(dòng)和反應(yīng)都有較大影響，從數(shù)值模擬的結(jié)果來看，射流角度不應(yīng)當(dāng)超過45°。

2 提升管進(jìn)料混合段結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究現(xiàn)狀

為實(shí)現(xiàn)進(jìn)料段油氣流動(dòng)混合理想狀態(tài)，近年來國內(nèi)外研究者提出了許多改進(jìn)性方案，并取得了一定的成果。

Haun等[9]提出了一種新型噴嘴進(jìn)料方案，如圖1所示。該結(jié)構(gòu)的主要的特點(diǎn)是噴嘴進(jìn)料方向與提升管軸線垂直，或在±25°范圍內(nèi)變動(dòng)。這使得進(jìn)料油氣在提升管整個(gè)截面上的擴(kuò)散速度大大增加，原料油與催化劑接觸后在沿軸向上很短的距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)充分接觸，從而使反應(yīng)時(shí)間縮短，產(chǎn)品質(zhì)量提高。該結(jié)構(gòu)在還提升管的中部設(shè)置了擋板，以防止較高氣速的水平進(jìn)料對(duì)提升管內(nèi)壁的沖擊。

Mauleon J L等[10]提出了一種新結(jié)構(gòu)，如圖2所示。該結(jié)構(gòu)的進(jìn)料噴嘴向下傾斜，與催化劑流逆向接觸。催化劑顆粒由再生斜管進(jìn)入提升管，由預(yù)提升氣體攜帶向上運(yùn)動(dòng)，在預(yù)提升段上部設(shè)有二次提升氣體，催化劑顆粒在兩股氣體的共同作用下向上運(yùn)動(dòng)，與斜向下的噴嘴噴入的油霧接觸并發(fā)生反應(yīng)。

據(jù)介紹，該結(jié)構(gòu)主要有以下優(yōu)點(diǎn)：第一，原料油液滴的氣化速度與傳統(tǒng)的進(jìn)料方式相比有很大提高，減少了催化劑的結(jié)焦；第二，生焦量的減少保護(hù)了催化劑催化裂化的活性，從而提高了產(chǎn)品的選擇性；第三，該結(jié)構(gòu)使得催化劑顆粒與原料油進(jìn)行良好的接觸，這就保證了裂化反應(yīng)的迅速進(jìn)行，從而縮短了催化劑在提升管內(nèi)所需的停留時(shí)間，使提升管反應(yīng)器的長度縮短；第四，該進(jìn)料方式允許原料油中含有較多的重油成分，尤其是瀝青成分，且反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率有所提高。

Swan等[11]分析了噴嘴的出口流型及安裝位置對(duì)進(jìn)料區(qū)域內(nèi)流動(dòng)及混合狀況的影響，并提出了優(yōu)化方案。常見的提升管進(jìn)料噴嘴出口流型有扇形、三角形等，該專利將出口流型為扇形的噴嘴與出口流型為三角形的噴嘴配合安裝，如圖3所示。該方法可以使原料油進(jìn)入提升管后在提升管中心和邊壁處的分布趨于均勻，以改善該區(qū)域內(nèi)油劑的接觸狀況。同時(shí)，在該專利中還提出將進(jìn)料噴嘴分為兩組布置在提升管周向位置，其中一組的安裝位置靠近提升管中心，約為r/R=0.5位置處，另一組安裝在靠近提升管邊壁位置，約為r/R=0.9位置處。通過這種方式也可以使噴嘴油氣在提升管徑向上的分布更加均勻。

Maroy等[12]提出了一種新的提升管進(jìn)料段結(jié)構(gòu)。在傳統(tǒng)提升管反應(yīng)器內(nèi)，顆粒相在徑向上的分布為中間稀、邊壁濃的環(huán)-核結(jié)構(gòu)，并且在邊壁存在顆粒的返混，這種分布是引起催化劑與原料油接觸不均勻的主要原因。為改變這一情況，該專利設(shè)計(jì)了兩種結(jié)構(gòu)，使提升管底部而來的催化劑流向由傳統(tǒng)提升管中的豎直向上運(yùn)動(dòng)改為螺旋式向上運(yùn)動(dòng)，這將使提升管截面徑向上各點(diǎn)的顆粒濃度及速度分布區(qū)域均勻，同時(shí)消除了顆粒在提升管邊壁處的返混。第一種結(jié)構(gòu)是在提升管內(nèi)安裝螺旋型構(gòu)件，誘導(dǎo)氣固混合流在提升管內(nèi)做螺旋型運(yùn)動(dòng)，如圖 4所示。第二種結(jié)構(gòu)是在提升管外部增加切向進(jìn)氣管，通過切向進(jìn)氣使提升管內(nèi)的氣固流動(dòng)形式變?yōu)槁菪?，如圖5所示。該設(shè)計(jì)主要有以下優(yōu)點(diǎn)：第一，在噴嘴進(jìn)料區(qū)，顆粒相的分布較為均勻，原料油與催化劑的接觸及傳熱效果較好；第二，原料油與催化劑顆粒實(shí)現(xiàn)迅速混合，提高了對(duì)重質(zhì)油操作的能力；第三，極大程度減少了固體顆粒在邊壁處的滑落；第四，減少了顆粒對(duì)提升管內(nèi)壁的磨損，提高了反應(yīng)器的使用壽命。

鄭茂軍等[13]開發(fā)研究了一種抗滑落提升管反應(yīng)器。該結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)提升管相比主要有三方面的改進(jìn)：二次提升技術(shù)、軸切向注入技術(shù)以及進(jìn)料噴嘴區(qū)的縮徑結(jié)構(gòu)。

其中的二次提升技術(shù)采用軸切向進(jìn)氣，所產(chǎn)生的沿軸向向上的動(dòng)能使得邊壁區(qū)顆粒劇烈湍動(dòng)，加劇了顆粒間的碰撞，促使返混的顆粒團(tuán)解體。軸切向進(jìn)氣同時(shí)為邊壁顆粒提供了水平方向的動(dòng)能，使得解體的顆粒向提升管中心流動(dòng)，提高了核心區(qū)的顆粒濃度。進(jìn)料噴嘴以上的縮徑結(jié)構(gòu)可以改變氣固兩相的流動(dòng)方向，在底部具有一定初速度的物流由于縮徑段的加速作用，會(huì)向核心區(qū)聚集，從而打破傳統(tǒng)提升管中的環(huán)-核結(jié)構(gòu)；從壓力場的角度分析，縮頸段下部橫截面積大于上部，在該區(qū)域產(chǎn)生足夠的速度場，克服顆粒的重力作用，使物流獲得向上的推力，以抵消邊壁摩擦力和徑向擴(kuò)散的影響，以近似于“平推流”的形式在提升管內(nèi)流動(dòng)。

范怡平[14,15]等在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了兩種新型提升管進(jìn)料混合段結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)二次流的利用和控制，如圖6。其中，A型結(jié)構(gòu)是在噴嘴出口正上方的提升管內(nèi)壁焊接一定形狀的內(nèi)構(gòu)件，并在此內(nèi)插件與提升管內(nèi)壁間隙的開口處引入一股輔助氣體，該輔助氣體緊貼提升管內(nèi)壁引入，使其進(jìn)入二次流影響區(qū)段。B型結(jié)構(gòu)是在噴嘴出口正上方的提升管內(nèi)壁設(shè)置若干塊凸型導(dǎo)流板。與傳統(tǒng)的提升管進(jìn)料結(jié)構(gòu)相比，兩種新型結(jié)構(gòu)的顆粒相相對(duì)返混比、密度分布均勻性指數(shù)、特征劑油濃度比等參數(shù)都有很大改善，B型結(jié)構(gòu)的改善效果更為顯著。

文獻(xiàn)[6]中提出了一個(gè)“三分定理”，用來確定噴嘴射流所產(chǎn)生的二次流的位置，為控制和利用二次流提供了理論依據(jù)。以此為基礎(chǔ)，范怡平等[16,17]開發(fā)了一種CS 噴嘴，用于解決二次流的不利影響。其基本原理是，在確保霧化效果且不增加汽耗的前提下，在噴嘴出口處引出一股與二次流方向一致的“屏幕汽”，用于削弱二次流影響區(qū)段提升管近壁處顆粒相的返混；同時(shí)，由于氣體間的弛豫時(shí)間遠(yuǎn)小于氣固間的弛豫時(shí)間，即輔助蒸汽與噴嘴油氣之間比其與催化劑顆粒更容易融合，因此，“屏幕汽”的引入對(duì)噴嘴射流在提升管進(jìn)料段內(nèi)的擴(kuò)散速度影響較小，實(shí)現(xiàn)了對(duì)二次流的“揚(yáng)長避短”。目前該進(jìn)料混合段結(jié)構(gòu)已在國內(nèi)多家煉廠實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用[18]。

3 結(jié)束語

本文對(duì)改進(jìn)提升管結(jié)構(gòu)，優(yōu)化進(jìn)料段油氣混合狀態(tài)的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述和討論，總結(jié)了影響油氣混合狀態(tài)的影響影響因素，并對(duì)比了不同結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。目前對(duì)提升管進(jìn)料混合段結(jié)構(gòu)改進(jìn)的主要方法包括：噴嘴角度及進(jìn)氣方式的改變、增加內(nèi)構(gòu)件、提升管變徑等。其中，改變提升管進(jìn)料段區(qū)域的流通面積或設(shè)置內(nèi)構(gòu)件取得的效果較為顯著，在顆粒濃度的徑向分布、油劑接觸狀況等方面都有不同程度的改善。對(duì)于提升管進(jìn)料混合段來說，其結(jié)構(gòu)及氣固接觸形式仍有進(jìn)一步的改進(jìn)空間，在今后的研究中應(yīng)從改善顆粒分布，減少顆粒及油氣返混，提高氣固間接觸效率等方面進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

［1］汪申,時(shí)銘顯.我國催化裂化提升管反應(yīng)系統(tǒng)設(shè)備技術(shù)的進(jìn)展[J]. 石油化工動(dòng)態(tài), 2000, 8(5): 46-50.

［2］董艷紅. 優(yōu)化提升管油劑接觸狀態(tài), 達(dá)到最佳效果[J]. 應(yīng)用能源技術(shù), 2008, (5): 8-9.

［3］Fan Y P, Ye S, Chao Z X et al. Gas–Solid Two-Phase Flow in FCC Riser[J]. AIChE J., 2002, 9(48): 1869-1887.

［4］范怡平, 葉盛, 盧春喜,等. 提升管反應(yīng)器進(jìn)料混合段內(nèi)氣固兩相流動(dòng)特性(I)[J]. 化工學(xué)報(bào), 2002, 53(10): 003-1008.

［5］范怡平, 葉盛, 盧春喜,等. 提升管反應(yīng)器進(jìn)料混合段內(nèi)氣固兩相流動(dòng)特性(II)[J]. 化工學(xué)報(bào), 2002, 53(10): 1010-1014.

［6］范怡平, 蔡飛鵬, 時(shí)銘顯,等. 催化裂化提升管進(jìn)料段內(nèi)氣固兩相混合流動(dòng)特性及其改進(jìn)[J]. 石油學(xué)報(bào)(石油加工), 2004, 20(5): 13-19.

［7］鄂承林, 蔡丹楓, 范怡平,等. 噴嘴油氣在提升管進(jìn)料段的濃度徑向分布及混合行為[J]. 化工學(xué)報(bào), 2010, 61(9): 2209-2216.

［8］王洪斌, 徐春明. 渣油催化裂化提升管反應(yīng)器性能的數(shù)值模擬——噴嘴射流速度與角度對(duì)流動(dòng)反應(yīng)的影響[J]. 化工學(xué)報(bào), 1999, 50(2): 200-207.

［9］Haun E C, Lomas D A. FCC Riser With Transverse Feed Injection: U.S. Pat, 5139748[P]. 1992-8-18.

［10］Mauleon J L, Siguad J B. Process For the Catalytic Cracking of Hydrocarbons In a Fluidized Bed and Their Applications: U.S.Pat., 4883583[P]. 1989-11-28.

［11］Swan G A, BillimoriaR B, Davuluri R P et al. FCC Feed Injection System: U.S.Pat., 7670478B2[P]. 2010-3-2.

［12］Maroy P, Loutaty R, Patureaux T. Process and Apparatus For Contacting a Hydrocarbon Feedstock With Hot Solid Particles In a Tubular Reactor With a Rising Fluidized Bed: U.S.Pat., 5348644[P]. 1994-9-20.

［13］鄭茂軍. 抗滑落提升管反應(yīng)器的開發(fā)及其流體力學(xué)特性的研究[D].北京: 石油大學(xué), 1999.

［14］范怡平, 楊志義, 許棟五,等. 催化裂化提升管進(jìn)料段內(nèi)油劑兩相流動(dòng)混合的優(yōu)化及工業(yè)應(yīng)用[J]. 過程工程學(xué)報(bào), 2006, 6(2): 391-393.

［15］Fan Y P, E C L, Shi M X et al. Diffusion of Feed Spray in Fluid Catalytic Cracker Riser[J].AIChE J., 2010, 4(56): 858-868.

［16］范怡平, 鄂承林, 盧春喜,等. 矢量優(yōu)化技術(shù)在FCC進(jìn)料霧化噴嘴開發(fā)中的應(yīng)用(I)——噴嘴“外部”矢量的優(yōu)化[J]. 煉油技術(shù)與工程, 2011, 41(4): 28-33.

［17］范怡平, 鄂承林, 盧春喜,等. 矢量優(yōu)化技術(shù)在FCC進(jìn)料霧化噴嘴開發(fā)中的應(yīng)用(II)——噴嘴“內(nèi)部”矢量的優(yōu)化[J]. 煉油技術(shù)與工程,2011, 41(5): 29-34.

［18］王巍慈. CS噴嘴在催化裂化裝置的工業(yè)應(yīng)用[J]. 化學(xué)工業(yè)與工程,2009, 26(6): 535-538.

Research Progress of Feed Injection-mixing Zone in FCC Riser

WANG Zhao，YAN Zi-han，F(xiàn)AN Yi-ping，LU Chun-xi
（State Key Laboratory of Heavy Oil, China University of Petroleum, Beijing 102249, China.）

Riser reactor is one of the most important units in the FCC process. In the feed injection-mixing zone of the riser reactor, the contact and flow conditions of oil and catalysts will directly affect the FCC reaction. The present research about gas-solid flow behaviors in the conventional feed injection zone indicates that the catalysts distribute quite unevenly in the feed injection zone, which is harmful for the contact and reaction of oil and catalysts. To solve the disadvantages of riser feeding mixed segment, domestic and overseas researchers put forward some improvement methods, including changing the way of air inlet, appending the internals and transforming the diameter of the riser.

Riser; Feed injection-mixing zone; Structure optimization

TE 624

： A

： 1671-0460（2015）05-0997-04

2015-03-22

王釗（1989-），男，黑龍江大慶人，碩士研究生，研究方向：過程裝備，氣固兩相流。E-mail：531006494wz@sina.com。

范怡平（1972-），男，副教授，博士學(xué)位，研究方向：過程裝備，氣固兩相流。