催化裂化装置旋风分离器料腿翼阀系统排料流态的实验分析

魏志刚, 刘人锋, 李晓曼, 严超宇, 魏耀东

(1. 中国石油大学 重质油国家重点实验室, 北京, 102249; 2. 中国石油抚顺石化公司, 辽宁 抚顺, 113008)



催化裂化装置旋风分离器料腿翼阀系统排料流态的实验分析

魏志刚1,2, 刘人锋1, 李晓曼1, 严超宇1, 魏耀东1

(1. 中国石油大学 重质油国家重点实验室, 北京, 102249; 2. 中国石油抚顺石化公司, 辽宁 抚顺, 113008)

摘要：针对催化裂化装置旋风分离器料腿翼阀系统的排料过程,在φ150 mm×5000 mm料腿冷模实验装置中悬空安装翼阀,在颗粒质量流率0～50 kg/(m2·s)、负压差0～11 kPa范围内进行系统的排料实验,考察负压差和颗粒质量流率对排料过程的影响。结果表明,料腿翼阀系统的排料流态有连续式滴流状排料和间歇周期性节涌状排料2种形式。负压差小、颗粒质量流率大,排料流态趋于连续式滴流排料;负压差大、颗粒质量流率小,排料流态趋于间歇式周期性排料。2种排料流态随负压差和颗粒质量流率的变化可以互相转换。根据实验数据还提出了旋风分离器料腿翼阀系统的排料相图。

关键词：催化裂化装置; 旋风分离器; 料腿; 翼阀; 排料; 相图

催化裂化装置(FCCU)中再生器和沉降器内的旋风分离器是重要的气-固分离设备。对于旋风分离器料腿出口悬空安装在再生器或沉降器稀相空间的结构,其排料出口的压力高于旋风分离器的入口压力,由此造成了旋风分离器的料腿排料是一个负压差排料过程,即收集的颗粒需要从旋风分离器内部的低压区通过料腿流向外部的高压区。这就需要在料腿出口设置翼阀,在料腿内建立一个料柱以平衡此负压差,同时还具有料封作用,防止外部的气体反窜进入料腿,维持锁气排料[1-4]。料腿是通过在其内部建立一定的料位高度来实现抵抗负压差的作用,翼阀则起到控制排料速率的作用,并保持料腿内的料封高度,避免料腿被反窜气吹通。料腿翼阀系统是催化剂颗粒循环和回收的重要设备,料腿翼阀系统的稳定操作,对催化裂化装置的长周期运行、负荷调节、温度控制、产品收率等有重要的影响。若料腿翼阀系统不能建立有效的料柱,则反窜气体进入料腿,将直接影响到旋风分离器的排料,进而影响其分离效率[5],或造成翼阀阀板的冲蚀磨损[6]。

实验表明,影响旋风分离器料腿翼阀排料过程的主要参数是负压差和颗粒质量流率[7]。料腿排料过程中,料腿内部或是一种流态,或是多种流态共存,具有很强的动态特性。Dries等[8],Bristow等[9]根据负压差和颗粒质量流率定性地划分了排料流态,Wang等[10]则给出了黏滑流动区、稀密流动区、稀相流动区3种排料流态。Smolders等[11]、Geldart等[12]、魏耀东等[13]依据实验认为,催化裂化装置的一级旋风分离器料腿的颗粒质量流率较高,排料是浓相输送操作;二级旋风分离器料腿的颗粒质量流率比较低,负压差比较大,排料是稀密相共存的操作。但这些研究的实验模型中,料腿出口均是插入到密相床层内,对于料腿出口悬空安装在稀相区的料腿翼阀结构还缺乏详细的研究数据,而这是沉降器顶部旋风分离器或再生器二级旋风分离器的典型安装结构。为此,笔者在直径为160mm×5mm、高为5000 mm的料腿翼阀冷模实验装置中进行系统的排料实验,重点模拟二级旋风分离器料腿出口悬空安装在稀相区的操作工况,考察负压差和颗粒质量流率与翼阀排料过程的关系和对排料过程的影响,以提高对旋风分离器翼阀排料特性的认识,为料腿翼阀系统的稳定操作和设计提供帮助。

1实验部分

1.1实验装置

实验装置如图1所示,主要由下料料斗,直径为φ160 mm×5 mm、高为5000 mm料腿(或立管)以及工业用DN150 mm翼阀构成,翼阀阀板的安装倾斜角度为5°。为便于观察料腿翼阀内部的颗粒流动状态,整个实验装置除翼阀阀板和吊环部分为碳钢制造外,其余部分均为有机玻璃制造。翼阀悬空放置在1个密闭的气箱内,实验时通过向气箱内注入压缩空气以提高气箱内的压力,形成料腿排料的负压差状态。

实验颗粒物料为炼油催化裂化工艺(FCC)平衡催化剂,其平均粒径67 μm,堆积密度940 kg/m3,颗粒密度1520 kg/m3。

1.2测量方法

实验时,催化剂颗粒物料储存在上方的料斗中,先向气箱内注入压缩空气,固定气箱内的压力,构成料腿排料的负压差Δp,然后开启料斗底部的蝶阀,使催化剂颗粒沿料腿流至底端翼阀处,再排入下部的气箱。通过调整蝶阀的开度控制催化剂的下料速率,根据下料时间和下料催化剂的质量计算颗粒质量流率GS,颗粒质量流率范围为0～50.0 kg/(m2·s)。采用U形管测压计测量料腿的负压差Δp,实验负压差范围为0～11.0 kPa。

通过测量料腿翼阀内的压力变化考察料腿的下料过程。采用动态压力传感器测量压力,采样频率为333 Hz,最大采样时间为180 s。设翼阀阀口底端的标高为零,h=0 m,沿料腿轴向向上(h)0.3、0.9、1.4、2.1、2.7、3.3m设置6个压力测量点。同时采集并记录6个测量点的压力信号,并用视频录像记录翼阀阀板的排料状态。

2结果与讨论

2.1旋风分离器料腿的2种排料方式

改变料腿负压差Δp和颗粒质量流率GS,观察料腿翼阀的排料流态,发现翼阀的排料过程主要有2种状态,如图2所示。一种是连续式滴流状排料(图2(a)),阀板常开,并轻微摆动,颗粒连续地流出阀口,料腿内颗粒呈现稀相雨状下落流态;另一种是间歇式周期性节涌状排料(图2(b)),阀板间歇式一开一关周期性变化,颗粒间断地流出阀口,流出时呈密相倾泻式下落流态,料腿内的密相料位呈上下起伏变化。

图3是间歇式周期性节涌状排料过程的一组照片。固定料腿的负压差Δp,阀板在负压差和阀板质量的作用下紧密贴合在阀口上(图3(a))。随着上部料斗内固体颗粒的不断下落,料腿中颗粒密相料位逐渐上升,当密相料位上升到一定高度时,料柱的静压力可以推动阀板开启,料腿内颗粒从翼阀阀口流出下落(图3(b))。伴随着颗粒下料量的逐渐增大,阀板的张角也逐渐增大,形成倾泻式的排料。此时,可以观察到阀口上部斜管内出现空腔,有漏风现象,即气箱内气体反窜进入料腿(见图3(c)、图3(d))。随着颗粒密相料位的下降,料柱的静压力降低,下料量逐渐减小,阀板开始出现一定的摆动,漏风问题仍然明显存在(见图3(e))。最后,阀板在负压差和阀板质量的共同作用下重新贴合在阀口上(见图3(f)),料腿内开始蓄料准备下一个排料过程。

本实验装置的料腿翼阀悬空在气箱中(见图1),排料直接流落在气箱内,类似于催化裂化装置沉降器顶部旋风分离器(顶旋)的料腿翼阀的操作工况。这类料腿翼阀的主要特点是,在这2种排料流态过程中,阀口处始终存在着比较大的漏风现象,反窜的气体进入翼阀和料腿,气体上行(见图2)。这与大颗粒质量流率的操作有所不同,后者存在着比较大的颗粒夹带气体,气体下行[12-13]。若将旋风分离器的料腿插入密相床层内,则料腿内的流态是稀密相共存流态,料腿底端排料口处的漏风量比较小。

2.2旋风分离器料腿排料的压力

2.2.1连续式滴流状排料

图4是旋风分离器料腿连续式滴流状排料时,在颗粒质量流率GS=17.407 kg/(m2·s),负压差Δp分别为2.0 kPa和3.1 kPa条件下,料腿内轴向测量点上测得的压力随时间的变化。这是一种低幅值的脉动压力,各个测量点之间的压力脉动变化具有相似性,并且压力脉动幅度沿轴向向下逐渐增大,翼阀出口处的压力脉动幅值最大。

料腿中的压力脉动是由于翼阀排料的不均匀造成的。连续式滴流状排料时,翼阀的阀板处于不停的摆动状态,颗粒从阀口波动式流出,同时有气体不断地反窜进入料腿,形成气泡上传,由此形成了压力的脉动变化,并且一直向上传递。对比负压差2.0 kPa和3.1 kPa 2种工况,负压差的增加使压力脉动的幅值有所增大。

对脉动压力取平均值,可见平均压力值沿料腿轴向从上向下逐渐增大。这样可以根据测量的平均压力,按式(1)计算料腿内的平均颗粒浓度。由于ρg≪ρs,则式(1)可简化为式(2)。

(1)

(2)

结合图4(a)、图4(b)的实验数据,利用式(2)计算可以得到,图4(a)操作工况下料腿内的平均颗粒浓度为18.52 kg/m3,图4(b)操作工况下料腿内的平均颗粒浓度为19.13 kg/m3。

2.2.2间歇式周期性节涌状排料

图5是间歇式周期性节涌状排料时,在颗粒质量流率GS=22.118 kg/(m2·s),负压差Δp=9.15 kPa和10.0 kPa条件下,料腿内轴向测量点上测得的压力随时间的变化。从图5可见,不同于连续式滴流时的脉动压力曲线,靠近翼阀阀口的测量点的压力曲线是一种锯齿波。在这种间歇式周期性节涌状排料时,料腿内的流态可以划分为3个区域,即上部的稀相区,中部的密相区以及底部翼阀阀口处的密相堆积区。来自稀相区的颗粒下料下落到中部的密相区,形成一个上升的料柱(见图2(b))。

从图5还可见,离翼阀阀口上部最近的测量点(h=0.3 m处)的压力曲线是明显的锯齿波,远离翼阀阀口的测量点的锯齿波特征逐渐消失。对于阀口上部h=0.3 m处的锯齿波,波形的上升段由密相料位沿料腿堆积上升过程中形成的料柱静压力产生;波形的下降段是由于阀板开启排料,颗粒迅速倾泄下落,料柱静压力急降而产生。测量点h=0.9 m处的压力动态曲线的变化滞后于测量点h=0.3 m处的压力曲线的变化,这是两测点的位差导致。其它远离翼阀阀口的测量点由于处在稀相区,没有受到料柱堆积和翼阀排料泄压的影响,压力的变化较为平缓。另外,在排料过程中,可以观察到料腿外空间的气体从翼阀上部反窜进入料腿(见图3(b)～图3(e))。

当负压差由9.15 kPa升至10.0 kPa,料腿内累积的料柱高度也相应增大,导致锯齿波脉动的周期增大,脉动压力的峰值也增大。

2.3Δp和GS对旋风分离器料腿排料的影响

上述实验现象和数据表明,翼阀的排料状态主要取决于负压差Δp和颗粒质量流率GS。为进一步分析2种排料形式之间的演变,改变负压差Δp和颗粒质量流率GS,考察2种排料形式的变化过程。

固定颗粒质量流率GS=17.407 kg/(m2·s),将负压差Δp以1 kPa为间隔,逐渐从2.1 kPa增至5.1 kPa时,测量阀口测压点h=0.3 m处的压力脉动;另外,固定负压差Δp=7.05 kPa,将颗粒质量流率GS逐渐从10.5 kg/(m2·s)增至42 kg/(m2·s),测量阀口测压点h=0.3 m处的压力脉动,结果分别示于图6(a)、(b)。从图6(a)可见,在颗粒质量流率固定不变的条件下,负压差较小时,压力脉动幅度平缓,说明翼阀的排料状态是连续式滴流状排料;随着负压差增大,压力曲线逐渐出现锯齿状波形,且排料周期随负压差增大而增大,排料状态也向间歇式周期性节涌状排料演变。但当负压差增大到比较大的值后,颗粒在料腿内堆积脱气,失流化直至噎塞。

从图6(b)可见,在负压差不变的条件下,料腿内颗粒质量流率越小,压力脉动的锯齿波形越明显,说明翼阀的排料形态趋于间歇式周期性节涌状排料变化,且排料周期随颗粒质量流率的减小而增大。料腿内颗粒质量流率越大,压力脉动曲线锯齿波形越小,其表现为高频低幅的特性,翼阀的排料状态趋于连续式滴流状排料变化。

2.4旋风分离器料腿翼阀排料相图

以负压差Δp和颗粒质量流率GS2个变量进行实验所形成的数据点分布如图7所示。通过观察每次实验中翼阀的排料状态,可以将上述数据点划分为连续式滴流排料区和间歇式周期性排料区2个相区。图7中,分界线上方的实心数据点处于间歇式周期性节涌状排料相区,分界线下方的空心数据点处于连续式滴流状排料区。确定了操作过程中的负压差和颗粒质量流率,就可以从图7初步预测翼阀的排料状态,对生产实际具有一定的指导作用。

催化裂化装置现场的实际应用表明,对于料腿出口翼阀悬空安装在稀相区的结构,由于颗粒质量流率比较小,存在漏风或气体反窜和排料波动现象,将有可能造成设备的破坏。一种破坏形式是翼阀阀板的磨损。当反窜气携带颗粒进入翼阀时,气体转弯上行至料腿内,而颗粒由于惯性直接冲击阀板,对阀板形成较严重的冲蚀磨损。由于2种排料的方式不同,阀口处漏风的位置不同(见图2),阀板上冲蚀磨损的位置也不同[6,14]。但漏风可以使料腿内的颗粒处于流化状态,有助于消除失流化的产生。另一种破坏形式是旋风分离器设备本体和拉杆的疲劳断裂。翼阀排料的不稳定性将诱发料腿翼阀内气、固两相流的压力脉动,形成旋风分离器系统的激振源,当激振源的频率与料腿翼阀系统的固有振动频率接近时,就会产生比较大的振动,导致金属材料的疲劳断裂[15-16]。

3结论

针对催化裂化装置(FCCU)中旋风分离器的料腿翼阀悬空安装在稀相床层内的结构,在颗粒质量流率0～50.0 kg/(m2·s),负压差0～11.0 kPa范围内进行了系统的排料实验。结果表明,旋风分离器料腿翼阀系统排料过程有2种排料状态,当颗粒质量流率比较大,负压差比较小时是连续式滴流状排料;当颗粒质量流率比较小,负压差比较大时,是间歇式周期性节涌状排料。随着颗粒质量流率与负压差的变化,2种排料状态可以互相变换。根据实验数据绘制的有关颗粒质量流率和负压差的翼阀排料相图,可用于初步预测翼阀的排料状态,对生产实际具有一定的指导作用。

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Experimental Analysis of Discharge Patterns of Cyclone Dipleg-Trickle Valve System in Fluid Catalytic Cracking Unit

WEI Zhigang1,2, LIU Renfeng1, LI Xiaoman1, YAN Chaoyu1, WEI Yaodong1

(1.StateKeyLaboratoryofHeavyOilProcessing,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China; 2.FushunPetrochemicalCompanyofPetroChina,Fushun113008,China)

Key words：FCCU; cyclone separator; dipleg; trickle valve; discharge pattern; discharge regime map

Abstract：An experiment was conducted on aφ150 mm×5000 mm dipleg experimental apparatus to study the discharge process of dipleg-trickle valve system of cyclone in the fluid catalytic cracking unit (FCCU). The dipleg exit was arranged so that the trickle valve could suspend in the hopper. The experiment focuses on the effects of negative pressure drop (0-11 kPa) and solid flux rate (0-50 kg/(m2·s)) on the discharge pattern. The experimental results showed that there were two discharge patterns in the dipleg-trickle valve. The one is continuous trickling discharge at low negative pressure drop and high solid flux rate. The other one is intermittent periodic dumping discharge at high negative pressure drop and low solid flux rate. The two discharge patterns can transform each other as the negative pressure drop or solid flux rate varying. The discharge regime map was proposed according to the experimental data, which related to the negative pressure drop and solid flux rate.

收稿日期：2015-01-16

基金项目：国家自然科学基金(21176250)和中国石油大学(北京)科研基金 (2462015YQ0301) 资助

文章编号：1001-8719(2016)02-0237-07

中图分类号：TQ051.8

文献标识码：A

doi:10.3969/j.issn.1001-8719.2016.02.003

第一作者： 魏志刚，男，博士研究生，从事化工过程机械研究

通讯联系人： 严超宇，男，副教授，博士，从事气-固流态化工程和气-固分离方面的研究；E-mail:yanchaoyu@sina.com