嚴(yán)超宇，魏志剛，宋健斐，魏耀東

(1.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，北京102249；2.中國(guó)石油撫順石化分公司)

半再生立管輸送催化劑不暢的原因分析和改進(jìn)措施

嚴(yán)超宇1，魏志剛2，宋健斐1，魏耀東1

(1.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，北京102249；2.中國(guó)石油撫順石化分公司)

催化裂化裝置中半再生立管是重疊式兩段再生器之間催化劑循環(huán)的輸送管。半再生立管在操作中常出現(xiàn)催化劑輸送不暢的問(wèn)題，直接影響到裝置的平穩(wěn)運(yùn)行和催化劑的再生效果。依據(jù)兩段再生器之間顆粒循環(huán)回路的壓力平衡分析，半再生立管輸送催化劑不暢的主要原因是立管入口進(jìn)料、出口排料不暢造成下行回路立管的推動(dòng)力不足。改進(jìn)立管的入口進(jìn)料、出口排料，松動(dòng)風(fēng)的設(shè)置等可以有效地提高立管輸送催化劑的能力，解決半再生立管輸送催化劑不暢的問(wèn)題。

催化裂化 半再生立管 輸送 故障 分析

半再生立管是催化裂化裝置上重疊式兩段再生工藝中各段再生器之間的催化劑輸送管道，通過(guò)立管上滑閥的開(kāi)度調(diào)節(jié)催化劑循環(huán)速率，進(jìn)而控制第一再生器和第二再生器內(nèi)催化劑的藏量和燒焦量[1]。一些裝置在操作中出現(xiàn)半再生立管催化劑輸送不暢的問(wèn)題[2-5]，主要表現(xiàn)為半再生立管壓差小、推動(dòng)力不足、滑閥壓降低、再生器內(nèi)料位大幅度波動(dòng)等，進(jìn)而影響到催化劑的再生效果和提升管的反應(yīng)溫度。對(duì)此各裝置采取了多種措施進(jìn)行改進(jìn)。本課題基于兩段再生器之間的壓力平衡和立管的推動(dòng)力計(jì)算，分析半再生立管催化劑輸送不暢的原因，并對(duì)采取的措施進(jìn)行討論，提出相應(yīng)的改進(jìn)建議。

1 兩段重疊式再生器內(nèi)顆粒循環(huán)回路上的壓力平衡

圖1為兩段重疊式再生器及其催化劑循環(huán)回路的壓力平衡示意。上部第一再生器通過(guò)半再生立管向下部第二再生器輸送催化劑。由于第二再生器處于氣體流動(dòng)的上游，第一再生器處于氣體流動(dòng)的下游，因此第二再生器內(nèi)的壓力p0高于第一再生器內(nèi)的壓力pi，即半再生立管出口環(huán)境的壓力p0大于入口壓力pi，屬于負(fù)壓差操作。半再生立管內(nèi)催化劑需要借助于自身的重力由上部的低壓端流向底部的高壓端，同時(shí)還需要在立管的下部建立一個(gè)一定濃度ρs和高度h的密相顆粒料柱，阻止底部出口的氣體反竄進(jìn)入立管。

圖1 兩段重疊式再生器及其催化劑循環(huán)回路的壓力平衡示意

實(shí)際上負(fù)壓差(p0-pi)也是第二再生器上行輸送催化劑的推動(dòng)力，起始?jí)毫0由分布器噴嘴的出口壓力決定。兩個(gè)再生器之間顆粒循環(huán)回路的壓力平衡曲線表明，催化劑上行部分的壓力曲線與下行部分的壓力曲線相交在軸向某一位置，形成了一個(gè)8字形的壓力平衡曲線，上行路線是氣體流，下行路線是顆粒流，由此保證了下行的半再生立管出口的壓力ps大于環(huán)境的壓力p0，這也是維持催化劑循環(huán)的必要條件。根據(jù)壓力平衡曲線，半再生立管排料條件是催化劑料柱產(chǎn)生的蓄壓推動(dòng)力大于負(fù)壓差(p0-pi)，即

(ps-pi)=ρsgh>(p0-pi)

(1)

式中：ρs為催化劑濃度，kg/m3；h為料柱高度，m。式(1)表明，增加ρs和h可以有效地提高立管蓄壓的推動(dòng)力。立管輸送操作的一個(gè)重要特點(diǎn)是顆粒料柱的流態(tài)形式、濃度、料柱高度等隨著負(fù)壓差和顆粒質(zhì)量流率的變化而自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整。

2 半再生立管催化劑輸送不暢的原因分析

某2.8 Mt/a重油催化裂化裝置再生器采用兩段重疊式再生工藝，當(dāng)裝置處于大負(fù)荷(115%)和大風(fēng)量(112%)操作時(shí)，半再生立管催化劑出現(xiàn)流化異常的問(wèn)題，表現(xiàn)為催化劑下料不暢，第二再生器催化劑藏量不夠，立管的推動(dòng)力由正常的35 kPa降到15 kPa以下甚至為零，半再生滑閥壓差由正常的60 kPa降到40 kPa以下，并大幅度波動(dòng)。半再生立管內(nèi)催化劑濃度正常操作時(shí)為450 kg/m3，異常操作時(shí)降至220 kg/m3以下[2]。

根據(jù)圖1的壓力平衡曲線和式(1)，當(dāng)催化裂化裝置處于大風(fēng)量操作時(shí)，第二再生器的壓力p0增大，半再生立管的負(fù)壓差增大，甚至(ps-pi)<(p0-pi)，導(dǎo)致流化風(fēng)從半再生立管出口反竄進(jìn)入立管，底部不能建立起密相料柱，同時(shí)也造成立管入口進(jìn)料不暢，使得半再生立管內(nèi)催化劑濃度減小，僅是一個(gè)稀相下落流流態(tài)，靜壓推動(dòng)力不足，甚至吹通半再生立管，結(jié)果第二再生器的藏量減小。此時(shí)降低主風(fēng)量后，半再生立管的出口壓力減小，限制了流化風(fēng)的竄入，底部建立起有效的密相料柱，入口進(jìn)料也通暢，半再生立管的推動(dòng)力增加，半再生立管的輸送操作恢復(fù)正常。然而，這種情況下大多通過(guò)以下措施解決半再生立管催化劑輸送不暢的問(wèn)題，例如更換其它類型的催化劑，或減少松動(dòng)風(fēng)點(diǎn)和風(fēng)量。但這些措施既不能減小負(fù)壓差，也無(wú)助于底部催化劑密相料柱的建立，所以均沒(méi)效果，或效果不大[2]。

又如某1.0 Mt/a催化裂化裝置再生器采用兩段重疊式再生工藝，第一再生器稀相段壓力為185 kPa，第二再生器稀相段壓力為212 kPa，開(kāi)工后多次出現(xiàn)半再生立管流化失常的現(xiàn)象，表現(xiàn)為催化劑下料不暢。對(duì)該裝置半再生立管的壓力平衡曲線的測(cè)量和計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn)，下行正常壓力曲線的斜率明顯高于下行異常壓力曲線的斜率。式(1)下行曲線斜率表示催化劑的濃度。上行的氣體通過(guò)了第二再生器的密相床層和稀相床層，以及第一再生器的部分密相床層。正常操作時(shí)，立管內(nèi)催化劑濃度在400 kg/m3以上，推動(dòng)力為60～70 kPa，滑閥壓降為40～50 kPa(A～C范圍)。異常操作時(shí)，立管推動(dòng)力為20～30 kPa，催化劑濃度在200 kg/m3以下，滑閥壓降為10 kPa以下(A～B范圍)，滑閥失去對(duì)催化劑的調(diào)控能力。由于第一再生器的催化劑不能及時(shí)輸送至第二再生器，結(jié)果第一再生器料位高，第二再生器料位低，兩器內(nèi)的密相料位波動(dòng)劇烈。

圖2 再生立管的軸向壓力分布

依據(jù)壓力平衡分析，主要原因是第二再生器的主風(fēng)竄入半再生立管，現(xiàn)場(chǎng)催化劑采樣分析結(jié)果也表明第二再生器主風(fēng)通過(guò)半再生斜管上行進(jìn)入了第一再生器，導(dǎo)致立管吹通，立管的入口進(jìn)料也受到影響，立管內(nèi)不能建立起有效的催化劑料柱。

某裝置曾采取了以下措施解決催化劑輸送問(wèn)題：降低第二再生器主風(fēng)量或增大第二再生器主風(fēng)量，采用不同型號(hào)的催化劑，半再生立管直徑由700 mm增大到900 mm。但這些措施無(wú)助于提高半再生立管的蓄壓推動(dòng)力，實(shí)施后均沒(méi)有收到明顯的效果[3]。

3 半再生立管催化劑輸送不暢的改進(jìn)措施

為使半再生立管能通暢輸送催化劑，根據(jù)式(1)，需要減小半再生立管的負(fù)壓差或增加催化劑的質(zhì)量流率，在半再生立管內(nèi)建立起一個(gè)一定高度的密相料柱才能產(chǎn)生排料的推動(dòng)力，才能使半再生立管出口的壓力ps大于環(huán)境的壓力p0。為此，提高半再生立管入口的進(jìn)料量，抑制半再生立管出口反竄風(fēng)的進(jìn)入，提高半再生立管內(nèi)的催化劑濃度等，可以有效提高立管排料的蓄壓推動(dòng)力。

半再生立管的入口處于第一密相床內(nèi)，立管催化劑入口、取熱器催化劑入口及待生立管催化劑出口均在此區(qū)域，相互影響和干擾。此外，若半再生立管入口處流化風(fēng)速過(guò)大，阻礙了催化劑的進(jìn)料，或夾帶量過(guò)大，也可以導(dǎo)致進(jìn)料不足的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)入口加裝料斗(見(jiàn)圖1)，同時(shí)對(duì)第一再生器分布器進(jìn)行改造避免流化風(fēng)對(duì)入口進(jìn)料的影響，有效地提高了立管入口的進(jìn)料能力。例如上述1.0 Mt/a和2.8 Mt/a重油催化裂化裝置通過(guò)這些改造后半再生立管操作穩(wěn)定，立管推動(dòng)力穩(wěn)定在70 kPa，滑閥壓降50 kPa，再生器料位未出現(xiàn)大幅度的波動(dòng)[2-3]。文獻(xiàn)[4-5]中的催化裂化裝置不僅在半再生立管入口處加裝料斗，而且還對(duì)第二再生器的分布器進(jìn)行改造，減小半再生立管出口區(qū)域的分布器噴嘴數(shù)量，同時(shí)降低流化風(fēng)對(duì)立管出口排料的干擾，抑制反竄風(fēng)的進(jìn)入，適當(dāng)減小松動(dòng)風(fēng)量，增加半再生立管內(nèi)催化劑的濃度，解決了半再生立管流化不穩(wěn)定的問(wèn)題。

美國(guó)Shell公司開(kāi)發(fā)的提高催化劑循環(huán)速率技術(shù)(Catalyst Circulation Enhancement Techno-logy，CCET)，采用一種新型的立管入口結(jié)構(gòu)，選擇錐形料斗結(jié)構(gòu)，同時(shí)在錐體上開(kāi)槽口，目的是增加催化劑進(jìn)入的面積和氣泡脫出的空間，應(yīng)用結(jié)果表明催化劑循環(huán)速率可提高50%[6]。

但半再生立管內(nèi)催化劑濃度的增加是有一定限制的。當(dāng)立管內(nèi)催化劑脫氣嚴(yán)重，催化劑濃度較高時(shí)，易于發(fā)生失流化架橋問(wèn)題，此時(shí)催化劑濃度達(dá)到起始流化濃度，需要合理設(shè)置松動(dòng)點(diǎn)和松動(dòng)風(fēng)量。某2.0 Mt/a重油催化裂化裝置半再生立管松動(dòng)點(diǎn)設(shè)計(jì)不合理，催化劑濃度在120～1 100 kg/m3之間波動(dòng)。通過(guò)改造松動(dòng)點(diǎn)和調(diào)整松動(dòng)風(fēng)量，使半再生立管內(nèi)催化劑濃度維持在正常值340 kg/m3，實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)操作[7]。

4 結(jié) 論

催化裂化裝置在操作中出現(xiàn)半再生立管壓差小，推動(dòng)力不足，斜管滑閥壓降降低，再生器料位大幅度波動(dòng)等問(wèn)題，導(dǎo)致催化劑輸送不暢，其原因是立管負(fù)壓差過(guò)大，進(jìn)口進(jìn)料不暢，出口反竄漏氣。通過(guò)半再生立管入口結(jié)構(gòu)改造提高進(jìn)料量，出口環(huán)境改造抑制反竄氣的進(jìn)入等，可以有效地在半再生立管內(nèi)建立起密相料柱，提高排料的蓄壓推動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)半再生立管催化劑的穩(wěn)定輸送。

[1] 陳俊武，許友好.催化裂化工藝與工程(下冊(cè))[M].3版.北京：中國(guó)石化出版社，2015：1423-1434

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ANALYSISOFCATALYSTCONVEYINGFAULTINSEMI-REGENERATIVESTANDPIPEOFFCCUANDRELATEDMEASURES

Yan Chaoyu1， Wei Zhigang2， Song Jianfei1， Wei Yaodong1

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

The semi-regenerative standpipe is used for conveying catalyst between stacked two-stage regenerator in the FCC unit.Abnormal catalyst transportation occurred in standpipe during operation，which directly affected the unit operation and catalyst regeneration efficiency.Based on the analysis of the pressure balance of particle circulation loop，the cause is being the obstacle in inlet feed and outlet discharge，resulting in not enough driven force in the pipe for catalyst downward.By optimizing the fluxes of particle feed and discharge and controlling the loosen wind rate，the capacity of the catalyst transportation in standpipe can be effectively improved.

FCC； semi-regenerative standpipe； transportation； fault； analysis

2017-02-14；修改稿收到日期：2017-05-20。

嚴(yán)超宇，副教授，從事流態(tài)化方面的研究工作。

嚴(yán)超宇，E-mail：yanchaoyu@sina.com。

中國(guó)石油大學(xué)(北京)克拉瑪依校區(qū)科研啟動(dòng)基金(RCYJ2016B-02-002)；國(guó)家自然科學(xué)基金(21176250)；中國(guó)石油大學(xué)(北京)科研基金(2462015YQ0301)。