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        催化裂化裝置提升管內(nèi)劑油比實(shí)時(shí)檢測方法的研究

        2021-03-23 06:28:46孫立強(qiáng)王江云魏耀東
        石油煉制與化工 2021年3期
        關(guān)鍵詞:催化劑測量質(zhì)量

        賀 嬌,王 迪,孫立強(qiáng),王江云,魏耀東

        (1.中國石油大學(xué)(北京)克拉瑪依校區(qū)工學(xué)院,新疆 克拉瑪依 834000;2.中國石油大學(xué)(北京)重質(zhì)油國家重點(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],因此對劑油比進(jìn)行現(xiàn)場在線檢測是非常必要的。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、蝶閥測量法、切換法等進(jìn)行顆粒質(zhì)量流率測量。工業(yè)裝置上采用文丘里管法[5-6]測量管內(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],在不改變原有提升管出口結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,開發(fā)了一種可以對劑油比進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測的方法。

        1 測量模型

        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,在T型彎頭內(nèi)急轉(zhuǎn)90°成水平運(yùn)動。對于氣體而言,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。對于顆粒而言,提升管內(nèi)氣體攜帶顆粒流動到達(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)量流率由閘閥測量,測量方法是通過關(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)行測定。提升管氣速Ug用轉(zhuǎn)子流量計(jì)測量。T型彎頭的壓降通過U形管和壓力傳感器測量,測量點(diǎn)1和2的位置見圖2。

        2.2 模型驗(yàn)證與評估

        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)測量的要求。

        4 結(jié) 論

        針對FCCU提升管劑油比實(shí)時(shí)測量困難的問題,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)量流率測量模型。試驗(yàn)結(jié)果表明了該檢測方法的可行性和數(shù)據(jù)的可測性。該檢測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,測量過程安全簡單,測量結(jié)果具有實(shí)時(shí)性。

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