陳燕蓉+黃南概+陳程+徐大鵬

摘要：文章簡(jiǎn)述了催化裂化油漿過(guò)濾分離設(shè)備的研究背景，分析了運(yùn)用TRIZ理論改進(jìn)催化裂化油漿過(guò)濾分離設(shè)備從而提高過(guò)濾效率的可行性，并運(yùn)用TRIZ理論對(duì)催化裂化油漿過(guò)濾分離設(shè)備進(jìn)行了具體研究和創(chuàng)新設(shè)計(jì)，提出多個(gè)改進(jìn)方案，并進(jìn)行方案評(píng)價(jià)，綜合各方案的優(yōu)點(diǎn)獲得總體設(shè)計(jì)方案。新方案采用造價(jià)低廉的濾網(wǎng)代替昂貴的濾芯，并通過(guò)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，借助濾網(wǎng)的移動(dòng)給油漿加壓，加速油漿過(guò)濾。新方案不僅能夠顯著地提高催化裂化油漿過(guò)濾分離效率，解決傳統(tǒng)設(shè)備過(guò)濾分離效率低的難題，還能夠有效降低生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)用前景廣闊。

關(guān)鍵詞：TRIZ；催化裂化油漿；過(guò)濾分離；創(chuàng)新設(shè)計(jì)

1研究背景

催化裂化油漿是石油煉化等化工生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的一種相對(duì)密度大、黏度高的產(chǎn)品。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年催化裂化油漿產(chǎn)量大約為3750萬(wàn)噸，主要作為重質(zhì)燃料油調(diào)和組分出售，若分離后油漿用于生產(chǎn)高品質(zhì)焦炭，每噸增加的凈利潤(rùn)為7～15美元。對(duì)于大規(guī)模連續(xù)化生產(chǎn)，油漿的分離問(wèn)題是石油煉化裝置能否穩(wěn)定運(yùn)行以及提高經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵，也是工業(yè)研究領(lǐng)域的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。

目前催化裂化油漿分離主要是采用具有反沖洗功能的過(guò)濾器系統(tǒng)。也就是在正常過(guò)濾工作過(guò)程中，含有固體顆粒的油漿在壓力差作用下，從過(guò)濾材料的一面流向另一面，固體顆粒就被截留在過(guò)濾材料的表面上，形成濾餅。隨著過(guò)濾時(shí)間的延長(zhǎng)，積累在過(guò)濾材料表面上的濾餅厚度會(huì)增加，產(chǎn)生進(jìn)出料壓差。當(dāng)壓差達(dá)到設(shè)定值或過(guò)濾時(shí)間達(dá)到設(shè)定值，過(guò)濾器就會(huì)停止進(jìn)料，反向加壓，快速打開(kāi)進(jìn)料側(cè)的排渣閥門，過(guò)濾器內(nèi)的液體會(huì)產(chǎn)生爆破性的反向流動(dòng)，將濾餅推離過(guò)濾材料，從排渣口流出過(guò)濾器，完成反沖洗。過(guò)濾器重新進(jìn)料，進(jìn)行下一周期的過(guò)濾過(guò)程。

現(xiàn)有的催化裂化油漿的過(guò)濾技術(shù)無(wú)法滿足長(zhǎng)周期過(guò)濾連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的需要，所用的催化裂化油漿過(guò)濾設(shè)備系統(tǒng)一般在使用3個(gè)月以內(nèi)就發(fā)生堵塞。原因是國(guó)內(nèi)都是用殘?jiān)群芨叩闹赜痛呋鸦b置來(lái)催化裂化油漿，這樣的催化裂化裝置中的油漿瀝青質(zhì)含量很高。這些瀝青質(zhì)成分既不是固體，也不是液體，屬于膠體，如果瀝青質(zhì)附著在過(guò)濾材料上，無(wú)法通過(guò)反沖洗的辦法使其與過(guò)濾材料分離，甚至粘附到過(guò)濾材料內(nèi)部，不能反沖洗再生，導(dǎo)致整個(gè)過(guò)濾工序無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，過(guò)濾分離效率低。

2基于TRIZ理論的催化裂化油漿過(guò)濾分離設(shè)備創(chuàng)新設(shè)計(jì)可行性分析

催化裂化油漿過(guò)濾分離設(shè)備過(guò)濾效率低的問(wèn)題本質(zhì)上就是傳統(tǒng)的油漿過(guò)濾分離工藝與設(shè)備之間存在技術(shù)矛盾。TRIZ理論針對(duì)不同的問(wèn)題可采用不同的分析工具。分析工具是TRIZ用來(lái)解決矛盾的具體方法或模式，其中包括矛盾矩陣、物質(zhì)一場(chǎng)分析、39個(gè)通用技術(shù)參數(shù)、40條創(chuàng)新原理和76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解法等。因此，對(duì)于催化裂化油漿過(guò)濾分離設(shè)備過(guò)濾效率低的問(wèn)題，同樣可以運(yùn)用TRIZ理論構(gòu)建問(wèn)題模型，進(jìn)行系統(tǒng)分析，列舉解決方法，獲得最優(yōu)的解決方案。

3催化裂化油漿過(guò)濾分離設(shè)備的改進(jìn)

3.1現(xiàn)有設(shè)備中存在的問(wèn)題

油漿過(guò)濾分離設(shè)備是指能夠分離油漿中固體顆粒的設(shè)備（如圖1所示）。其基本原理是在壓力作用下，迫使油漿通過(guò)濾芯，固體顆粒截流于濾芯上，從而達(dá)到油漿和固體顆粒分離的目的。

由于國(guó)內(nèi)催化裂化油漿中的瀝青質(zhì)含量很高，常常粘附在濾芯內(nèi)部，造成濾芯堵塞，導(dǎo)致濾芯無(wú)法反沖洗再生而需要更換，且無(wú)論是國(guó)外引進(jìn)的還是國(guó)內(nèi)的裝置和技術(shù)，在我國(guó)的工業(yè)運(yùn)行時(shí)間都不太長(zhǎng)，導(dǎo)致油漿過(guò)濾效率低，所以目前大多數(shù)煉油廠為了保證工藝的連續(xù)運(yùn)行，安裝2臺(tái)過(guò)濾器，其中1臺(tái)作為備用。但是這并不能夠解決根本的問(wèn)題，我們必須進(jìn)一步研究和改進(jìn)油漿過(guò)濾分離的裝置，以便提高它們的工業(yè)運(yùn)行時(shí)間，從而提高過(guò)濾效率。

3.2系統(tǒng)分析

對(duì)現(xiàn)有的催化裂化油漿過(guò)濾分離設(shè)備建立系統(tǒng)分析模型（如圖2所示）。

通過(guò)系統(tǒng)模型圖可知，造成催化裂化油漿過(guò)濾分離效率低的主要原因是：1.油漿中瀝青含量高造成油漿黏度高；2.泵的過(guò)濾推動(dòng)力不足；3.顆粒物堵塞濾芯造成過(guò)濾阻力大。這3個(gè)問(wèn)題是導(dǎo)致催化裂化油漿過(guò)濾分離效率低的關(guān)鍵，但是考慮到問(wèn)題1油漿中的瀝青是系統(tǒng)本身存在的，對(duì)系統(tǒng)而言是不可控的，且因?yàn)檫^(guò)濾速度與過(guò)濾推動(dòng)力成正比與過(guò)濾阻力成反比，因此著重從增大過(guò)濾推動(dòng)力和減小過(guò)濾阻力兩方面進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)。

3.3 TRIZ應(yīng)用過(guò)程與方案生成

3.3.1增大過(guò)濾推動(dòng)力的解決方案

TRIZ認(rèn)為創(chuàng)新設(shè)計(jì)的核心在于解決技術(shù)問(wèn)題中的矛盾沖突。要提高催化裂化油漿過(guò)濾分離器的過(guò)濾速度，需要增大泵對(duì)油漿的推動(dòng)力，促使油漿快速通過(guò)濾芯，因此，問(wèn)題中存在一對(duì)技術(shù)矛盾：改善的工程參數(shù)為9速度，而惡化的工程參數(shù)為10力。通過(guò)查找矛盾矩陣得到三個(gè)可供參考的創(chuàng)新原理：13反向作用原理，28機(jī)械系統(tǒng)替代原理，15動(dòng)態(tài)特性原理和19周期性作用原理。

根據(jù)13反向作用原理“用相反的動(dòng)作代替問(wèn)題定義中所規(guī)定的動(dòng)作”及“將物體上下顛倒或內(nèi)外翻轉(zhuǎn)”得到方案1，通過(guò)將油漿入口和出口的位置上下顛倒，使油漿能夠在重力的作用下通過(guò)濾芯，然后在過(guò)濾器下方加裝一個(gè)真空泵對(duì)過(guò)濾器抽真空，借助真空泵的負(fù)壓減小過(guò)濾器下方的壓強(qiáng)使上方的油漿能夠快速通過(guò)濾芯。

根據(jù)15動(dòng)態(tài)特性原理“c如果一個(gè)物體整體是靜止的，使其移動(dòng)或可動(dòng)”得到啟示，將固定不動(dòng)的濾芯替換為可移動(dòng)的濾網(wǎng)，通過(guò)濾網(wǎng)移動(dòng)對(duì)設(shè)備內(nèi)部油漿施加一定的壓力，加快油漿的過(guò)濾速度。得到方案2（如圖3所示），通過(guò)伸縮軸和滑板使濾網(wǎng)能夠左右移動(dòng)，給濾網(wǎng)中間的油漿施加壓力，從而加快過(guò)濾效率；或者方案3（如圖4所示），在使用過(guò)程中，通過(guò)活塞桿和滑板帶動(dòng)濾網(wǎng)上下運(yùn)動(dòng)，對(duì)設(shè)備內(nèi)部油漿形成一定的壓力，從而加快了過(guò)濾效率。

3.3.2過(guò)濾阻力大的問(wèn)題

系統(tǒng)中的過(guò)濾阻力與附著在過(guò)濾材料上的固體顆粒厚度有關(guān)。所以減小過(guò)濾阻力的解決辦法主要從減少過(guò)濾材料上的附著物出發(fā)，這就意味著需要增大清洗力度將過(guò)濾介質(zhì)上的附著物清洗干凈，那么就需要增大反沖洗系統(tǒng)的壓強(qiáng)。根據(jù)以上分析可知，改善了10力，就會(huì)惡化11壓強(qiáng)，通過(guò)查找矛盾矩陣表得到3個(gè)可供參考的創(chuàng)新原理：18機(jī)械振動(dòng)原理、21減少有害作用的時(shí)間原理、11事先防范原理。

根據(jù)18振動(dòng)原理“C利用共振頻率：超聲波碎石機(jī)擊碎膽結(jié)石”得到方案4，通過(guò)在濾網(wǎng)上加裝超聲模塊來(lái)提高清潔力度。

3.4方案評(píng)價(jià)

對(duì)上述形成的備選方案從過(guò)濾效率、使用成本和清潔力度等方面進(jìn)行綜合性地客觀評(píng)價(jià)，具體情況如下表1所述。

綜合考慮上述4個(gè)備選方案，結(jié)合方案1至方案4的優(yōu)點(diǎn)，克服其存在的缺陷，獲得總體設(shè)計(jì)方案：一是如圖5所示將油漿入口設(shè)置在過(guò)濾器上方，然后通過(guò)伸縮軸和滑板使濾網(wǎng)能夠從左右兩邊向中間移動(dòng)，對(duì)濾網(wǎng)中間的油漿進(jìn)行加壓，再借助真空泵的負(fù)壓作用進(jìn)一步提高油漿的過(guò)濾速率。當(dāng)過(guò)濾設(shè)備中的過(guò)濾效果變低，濾網(wǎng)上污垢嚴(yán)重時(shí)，使用真空泵將過(guò)濾設(shè)備中的油漿抽離干凈后，從兩側(cè)底部的？由漿出口灌入沖洗液，待沖洗液液面淹沒(méi)伸縮桿時(shí)，啟動(dòng)超聲模塊，對(duì)濾網(wǎng)及分離設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行超聲清潔，并通過(guò)油漿入口對(duì)設(shè)備內(nèi)反吹加壓，使設(shè)備內(nèi)壓力上升，壓力上升到一定程度后，打開(kāi)沖洗液出口，在真空泵反吹的壓力下，將沖洗液沖出。二是如圖6所示，油漿入口設(shè)置在過(guò)濾器下方，通過(guò)活塞桿和滑板帶動(dòng)濾網(wǎng)上下移動(dòng)，對(duì)設(shè)備內(nèi)部的油漿形成一定的壓力，從而加快油漿通過(guò)濾網(wǎng)的速度，提高過(guò)濾效率。當(dāng)設(shè)備內(nèi)部的油渣量達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，將過(guò)濾好的油漿抽離，打開(kāi)油渣出口排放油渣。當(dāng)設(shè)備內(nèi)過(guò)濾效率低，需要對(duì)濾網(wǎng)進(jìn)行清洗時(shí)，將油漿入口封閉，利用真空泵將油漿從油漿出口進(jìn)行抽離，封閉油漿出口，將沖洗液入口打開(kāi)，灌入沖洗液，使沖洗液全部沒(méi)過(guò)過(guò)濾網(wǎng)，打開(kāi)超聲模塊進(jìn)行超聲清洗，然后從沖洗液入口進(jìn)行加壓，當(dāng)壓力升高到一定程度時(shí)，封閉沖洗液入口，以最快的速度打開(kāi)油渣出口，將沖洗液排出。

4結(jié)論

TRIZ理論具有鮮明的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。通過(guò)使用矛盾矩陣、39個(gè)通用技術(shù)參數(shù)和40條創(chuàng)新原理等TRIZ解題工具獲得的催化裂化油漿過(guò)濾分離設(shè)備，不僅過(guò)濾效率高、清潔效果好，還能夠有效降低生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟(jì)效益。該設(shè)備為煉油廠的催化裂化油漿過(guò)濾分離工序的連續(xù)運(yùn)行提供了有力支撐，還能夠推廣應(yīng)用于其他工業(yè)產(chǎn)品的過(guò)濾分離工序中，應(yīng)用前景十分廣闊。同時(shí)，也為提高催化裂化油漿系統(tǒng)相關(guān)工序的工作效率提供了一定的理論基礎(chǔ)。

（科技部創(chuàng)新方法工作專項(xiàng)資助項(xiàng)目）

責(zé)編/馬銘陽(yáng)