茍榮恒，潘海濤，尉秀峰，王云池，彭 威

(1.國能新疆化工有限公司，烏魯木齊 831404；2.中國石油大學(xué)(北京)克拉瑪依校區(qū))

再生立管是甲醇制烯烴(MTO)裝置催化劑循環(huán)回路的下行管路。除MTO裝置外，立管輸送顆粒的操作在其他循環(huán)流化床裝置上也有應(yīng)用，例如循環(huán)流化床鍋爐、催化裂化裝置等[1]。立管輸送顆粒保持穩(wěn)定的流化狀態(tài)和顆粒質(zhì)量流率是循環(huán)流化床裝置平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵操作[2]。然而現(xiàn)場存在著大量的立管輸送顆粒不暢的問題[3-6]，如顆粒架橋、閥門竄氣、立管壓力逆轉(zhuǎn)和顆粒循環(huán)量波動等，造成反應(yīng)溫度、壓力平衡、藏量料位等參數(shù)大幅度波動，已成為裝置高效運(yùn)行的瓶頸。目前這類故障的診斷和處理往往依據(jù)積累的經(jīng)驗(yàn)，還缺乏基于立管顆粒輸送流化狀態(tài)的判斷和分析。某0.60Mt/aMTO裝置以甲醇為原料制取乙烯和丙烯等化工產(chǎn)品，甲醇處理量1.80Mt/a，烯烴產(chǎn)量約0.60Mt/a[4]。MTO裝置的反應(yīng)器和再生器采用同軸式結(jié)構(gòu)，通過再生立管將再生器的再生催化劑向下輸送至反應(yīng)器內(nèi)。但再生立管一直存在著催化劑輸送不暢的問題，表現(xiàn)為再生立管催化劑濃度和再生催化劑循環(huán)量大幅度波動，波動范圍分別為30～450kg/m3和20～50t/h。由于再生立管催化劑輸送存在不穩(wěn)定性，嚴(yán)重影響了裝置的平穩(wěn)運(yùn)行，裝置操作難度大，產(chǎn)品收率下降。為此，通過測量再生立管軸向多點(diǎn)的壓力和現(xiàn)場工藝數(shù)據(jù)，分析再生立管內(nèi)的催化劑流化狀態(tài)及其影響催化劑流動不穩(wěn)定性的機(jī)理，以期提出相應(yīng)的解決措施，進(jìn)行立管輸送催化劑操作的調(diào)整。

1 MTO裝置和再生立管參數(shù)

1.1 0.60 Mt/a MTO裝置

圖1為某0.60 Mt/a MTO裝置反應(yīng)-再生系統(tǒng)示意，主要包括反應(yīng)器、再生器、冷卻器、汽提器、待生立管和再生立管等。反應(yīng)器采用密相湍流流化床工藝，在催化劑的作用下將原料甲醇轉(zhuǎn)化為乙烯、丙烯等產(chǎn)品，反應(yīng)溫度為475～485 ℃，反應(yīng)主要發(fā)生在反應(yīng)器底部的湍動流化床密相區(qū)。再生器位于反應(yīng)器上方，采用密相湍流流化床，用空氣燒去待生催化劑上的部分積炭，恢復(fù)催化劑的活性，再生溫度為660～690 ℃，燒焦方式為不完全再生，燒焦反應(yīng)主要發(fā)生在再生器底部的密相區(qū)域。待生催化劑通過待生立管提升至再生器，催化劑流化狀態(tài)為稀相輸送；恢復(fù)活性的再生催化劑通過再生立管進(jìn)入反應(yīng)器，催化劑流化狀態(tài)為密相輸送，催化劑循環(huán)量通過待生滑閥和再生滑閥開度進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。

圖1 MTO裝置反應(yīng)-再生系統(tǒng)示意

1.2 再生立管結(jié)構(gòu)和參數(shù)

圖2為再生立管結(jié)構(gòu)示意。再生立管內(nèi)徑為Φ400 mm，立管入口位于再生器的外取熱器(冷卻器)底部。再生立管由上斜管、中部垂直管和下斜管3部分組成，其中，上斜管長度為2.9 m，水平夾角為45°；中部垂直管從頂端到滑閥前的長度為15 m，并在垂直管上部設(shè)置再生立管催化劑含量測量儀表。通過測量上、下兩個(gè)點(diǎn)的壓力p1和p2計(jì)算再生立管的催化劑表觀濃度ρ：

圖2 再生立管結(jié)構(gòu)示意EL—標(biāo)高

ρ=(p1-p2)/gh

(1)

式中：h為2個(gè)測量點(diǎn)之間的垂直距離，m；g為重力加速度，m2/s。A1～A3為3個(gè)松動風(fēng)噴嘴，標(biāo)高分別為32.2，29.5，26.2 m，松動介質(zhì)為0.87 MPa氮?dú)猓籶i，ps，po分別為再生立管入口、滑閥前和滑閥后壓力。

2 催化劑輸送不暢時(shí)的流動參數(shù)

2.1 操作工藝參數(shù)

表1為MTO裝置操作參數(shù)。再生立管催化劑為負(fù)壓差輸送，將催化劑從壓力82 kPa的再生器向下輸送至壓力122 kPa的反應(yīng)器內(nèi)，再生立管催化劑表觀濃度設(shè)計(jì)值為500 kg/m3，而實(shí)際值為30～450 kg/m3，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值；待生立管操作為稀相輸送，待生立管催化劑表觀濃度為20～30 kg/m3，與設(shè)計(jì)值相近。反應(yīng)-再生系統(tǒng)催化劑循環(huán)量設(shè)計(jì)值為55 t/h，而再生立管內(nèi)的催化劑循環(huán)量波動較大，范圍為22～52 t/h，低于設(shè)計(jì)值。MTO裝置操作工藝參數(shù)表明再生立管催化劑濃度和再生催化劑循環(huán)量存在大幅波動，催化劑輸送不暢。

表1 MTO裝置操作參數(shù)

2.2 催化劑濃度和循環(huán)量的變化

圖3為某一操作時(shí)段現(xiàn)場DCS測量的再生立管內(nèi)催化劑濃度隨時(shí)間的變化。由圖3可見，催化劑濃度呈現(xiàn)波動式變化，波動范圍為30～400 kg/m3，波動幅度較大，并長時(shí)間維持在30～130 kg/m3的低濃度區(qū)間。表明再生立管內(nèi)催化劑輸送流化狀態(tài)存在不穩(wěn)定的交替轉(zhuǎn)變，周期約為10 min。

圖3 再生立管內(nèi)催化劑濃度隨時(shí)間的變化

圖4為某一操作時(shí)段再生立管催化劑循環(huán)量(Ws)隨時(shí)間的變化曲線。由圖4可見，再生立管的催化劑循環(huán)量范圍為22～50 t/h，且長時(shí)間處于20～25 t/h的低負(fù)荷區(qū)間，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值55 t/h。對比圖3可知，再生立管催化劑循環(huán)量隨時(shí)間的變化與催化劑濃度的波動變化是一致的。催化劑循環(huán)量是MTO裝置反應(yīng)-再生系統(tǒng)的關(guān)鍵工藝參數(shù)，決定了反應(yīng)器藏量、反應(yīng)溫度和劑油比。催化劑循環(huán)量大幅度波動嚴(yán)重影響了甲醇的轉(zhuǎn)化過程。

圖4 再生立管催化劑循環(huán)量隨時(shí)間的變化

2.3 再生立管的軸向壓力

圖5為再生立管軸向壓力設(shè)計(jì)值和實(shí)測值。由圖5可見，再生立管軸向壓力設(shè)計(jì)值呈單調(diào)線性增大趨勢，滑閥前壓力ps最大為189.5 kPa，再生立管催化劑表觀濃度為500 kg/m3。而實(shí)際再生立管軸向壓力測量值與設(shè)計(jì)值偏差較大，從再生立管入口至滑閥前，再生立管軸向壓力逐漸增大，但垂直管上部的壓力梯度明顯低于上斜管和垂直管下部的壓力梯度。再生立管入口(pi至p1)壓力由117 kPa增至125.9 kPa，壓力梯度為2.8 kPa/m；垂直管上部(p1至p2)壓力由125.9 kPa增至130.6 kPa，壓力梯度僅為0.9 kPa/m；垂直管下部(p2至滑閥前ps)壓力由130.6 kPa增至161.0 kPa，壓力梯度為4.6 kPa/m。由式(1)計(jì)算再生立管各部分催化劑表觀濃度，pi至p1為285.7 kg/m3，p1至p2為91.8 kg/m3，p2至ps為496.4 kg/m3。再生立管內(nèi)的催化劑表觀濃度存在很大的變化，說明立管內(nèi)的流態(tài)不是設(shè)計(jì)的密相流化輸送流態(tài)，并且上下各部分的催化劑流態(tài)不一致，存在著催化劑輸送流化狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。

圖5 再生立管軸向壓力

3 再生立管內(nèi)流化狀態(tài)和催化劑循環(huán)量的波動分析

立管軸向壓力分布反映立管內(nèi)催化劑流化狀態(tài)的變化。負(fù)壓差立管內(nèi)的氣固兩相流流動為順重力方向的逆壓力梯度流動，立管軸向任意兩截面間的壓差為[1]：

Δp=ρs(1-ε)gΔh-Δpf

(2)

式中：ρs為顆粒密度，kg/m3；ρs(1-ε)為催化劑床層密度，kg/m3；ε為空隙率；Δh為高度差，m；ρs(1-ε)gΔh表示靜壓降，kPa；Δpf表示摩擦損失壓降，kPa。式(2)與式(1)的不同之處在于摩擦損失壓降Δpf。當(dāng)立管內(nèi)催化劑顆粒為流化態(tài)時(shí)，Δpf較小，可忽略不計(jì)，式(2)可簡化為(1)，其中ρ=ρs(1-ε)，此時(shí)立管的蓄壓壓差與催化劑床層密度成線性關(guān)系，立管軸向壓力梯度越大表明催化劑床層密度越高。

MTO裝置再生立管內(nèi)催化劑輸送理想流化狀態(tài)為密相流化流，再生立管軸向催化劑濃度分布均勻，沿催化劑流動方向，軸向壓力線性增大，如圖6中流態(tài)(a)所示。然而，由于再生立管較長，存在著斜管與垂直管的連接過渡，而且在底部安裝了滑閥。催化劑在再生立管內(nèi)的下行流動過程中，在負(fù)壓差作用下催化劑聚集減速，夾帶氣體脫出，從而使催化劑濃度逐漸增大，空隙率逐漸減小，尤其是上斜管內(nèi)催化劑的沉積作用使其易于脫氣，同時(shí)斜管與垂直管的拐彎對催化劑流動的約束，使斜管和垂直管的流化狀態(tài)和催化劑流通量不一致。在斜管和垂直管的連接處，氣泡流動方向受氣固線速和立管結(jié)構(gòu)影響，可以上行、下行或靜止。當(dāng)垂直管內(nèi)上升的氣泡在拐彎點(diǎn)聚集形成“氣阻”時(shí)，大氣泡阻礙催化劑的正常流動，將密相流化流轉(zhuǎn)變?yōu)閺纳现料碌倪^渡填充流、段塞流和密相流化流3部分。如圖6中流態(tài)(b)所示：上斜管內(nèi)催化劑由于過度脫氣形成過渡填充流，摩擦損失增大，壓力梯度較密相流化流降低；垂直管上部由于大氣泡的存在催化劑流態(tài)為段塞流，催化劑含量低，導(dǎo)致立管壓力梯度最小，類似稀相流化流。垂直管下部催化劑在松動風(fēng)的作用下保持密相流化流，催化劑濃度大，壓力梯度最高，與設(shè)計(jì)值相近。

圖6 再生立管催化劑流態(tài)及壓力分布

通過滑閥的催化劑循環(huán)量計(jì)算式[2]為：

Ws=Cv(A/Ao)(2ρbΔpv)0.5

(3)

式中：A為流通面積，Ao為滑閥全開時(shí)的流通面積，A/Ao為滑閥開度；ρb為滑閥前催化劑濃度，kg/m3；Cv為孔口系數(shù)；Δpv為滑閥壓降，kPa。在圖6流態(tài)(b)中，由于過渡填充流和段塞流部分蓄壓能力差，滑閥前的壓力ps減小，Δpv=ps-po降低，催化劑的輸送能力下降，導(dǎo)致催化劑的循環(huán)量Ws下降。但過渡填充流和段塞流的流化狀態(tài)是不穩(wěn)定的，隨著松動風(fēng)的注入和下部的密相料柱下落，在拐彎處聚集的氣泡壓力不斷增大，氣泡最終破碎或逃逸進(jìn)入冷卻器密相床層，再生立管內(nèi)的催化劑流化狀態(tài)恢復(fù)至密相流化流，循環(huán)量Ws升高。最后立管輸送催化劑流化狀態(tài)形成了過渡填充流、段塞流與密相流化流的交替轉(zhuǎn)變，軸向壓力的變化表現(xiàn)為圖6中曲線(a)、(b)的交替轉(zhuǎn)變。由于過渡填充流和段塞流狀態(tài)的操作時(shí)間長于密相流化流狀態(tài)的操作時(shí)間，導(dǎo)致催化劑濃度(圖3)和催化劑循環(huán)量(圖4)大幅度波動。

4 再生立管改造建議

根據(jù)再生立管內(nèi)催化劑流化狀態(tài)的分析，催化劑流化狀態(tài)的多變性和多樣性是導(dǎo)致再生立管輸送催化劑操作異常的主要原因。為此對再生立管提出以下改造建議，如圖7所示：①在上斜管中部設(shè)置松動風(fēng)A4，防止上斜管內(nèi)出現(xiàn)過渡填充流，阻礙氣體上行，形成架橋；②在上拐彎點(diǎn)處設(shè)置松動風(fēng)A5，松動風(fēng)噴嘴方向與催化劑流動方向一致，利用松動風(fēng)的射流作用疏通架橋催化劑，消除氣阻；③在垂直立管上部設(shè)置松動風(fēng)A6，避免形成段塞流；④將測壓點(diǎn)P1下移，避開段塞流區(qū)，可實(shí)現(xiàn)再生立管催化劑濃度測量值穩(wěn)定。

圖7 再生立管改造示意

5 結(jié) 論

在某0.60 Mt/a MTO裝置上，通過測量Φ400 mm再生立管軸向多點(diǎn)壓力，記錄再生立管催化劑濃度和催化劑循環(huán)量的變化，分析了催化劑輸送不暢的原因。再生立管內(nèi)的催化劑流化狀態(tài)具有過渡填充流、段塞流和密相流化流的交替轉(zhuǎn)變特性。這種流態(tài)轉(zhuǎn)變是垂直管上部出現(xiàn)的“氣阻”造成催化劑頻繁架橋，導(dǎo)致催化劑濃度和催化劑循環(huán)量大幅度波動的主要原因。根據(jù)分析結(jié)果，提出了針對再生立管松動風(fēng)布局的改造建議。