FCCU立管內(nèi)催化劑流動(dòng)的脈動(dòng)壓力分析

劉小成，胡小康，馬媛媛，陳建義，魏耀東

（1.中國(guó)石油大學(xué) 重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249；2.中國(guó)石化集團(tuán) 寧波工程有限公司，浙江 寧波315103；3.中國(guó)石油大學(xué) 理學(xué)院，北京102249）

FCCU立管內(nèi)催化劑流動(dòng)的脈動(dòng)壓力分析

劉小成1，胡小康2，馬媛媛3，陳建義1，魏耀東1

（1.中國(guó)石油大學(xué) 重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249；2.中國(guó)石化集團(tuán) 寧波工程有限公司，浙江 寧波315103；3.中國(guó)石油大學(xué) 理學(xué)院，北京102249）

針對(duì)FCCU立管存在的振動(dòng)問(wèn)題，在大型實(shí)驗(yàn)裝置上對(duì)φ150mm×9000mm立管內(nèi)顆粒下行流動(dòng)的壓力脈動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了測(cè)量，并對(duì)脈動(dòng)壓力信號(hào)進(jìn)行相干特性分析，探討了脈動(dòng)壓力的形成和傳遞特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，立管內(nèi)催化劑顆粒下行過(guò)程具有很強(qiáng)的動(dòng)態(tài)特性，表現(xiàn)為脈動(dòng)壓力。立管內(nèi)呈稀、密兩相共存的流態(tài)時(shí)，稀相部分的脈動(dòng)壓力來(lái)源于入口，向下傳遞，密相部分的脈動(dòng)壓力來(lái)源于出口，向上傳遞；當(dāng)立管濃相輸送流態(tài)時(shí)，脈動(dòng)壓力主要是進(jìn)口處進(jìn)料、下行顆粒濃度變化和下行顆粒對(duì)氣體壓縮的結(jié)果，向下傳遞。脈動(dòng)壓力中頻率低于0.3Hz部分形成了立管振動(dòng)的振源。

FCCU；立管；振動(dòng)；氣固兩相流；脈動(dòng)壓力

催化裂化裝置（FCCU）中的立管是催化劑顆粒循環(huán)回路的下行部分。從立管入口進(jìn)入的催化劑顆粒逆壓力梯度向下運(yùn)動(dòng)，一方面維持著顆粒循環(huán)回路的壓力平衡和穩(wěn)定循環(huán)，另一方面在立管出口形成鎖氣和排料［1-2］。在實(shí)際的工業(yè)FCCU裝置中，立管普遍存在著低頻高幅振動(dòng)。這種高幅振動(dòng)對(duì)立管的催化劑顆粒下行過(guò)程產(chǎn)生影響，具有較大的危害性，表現(xiàn)為下料不暢、排料波動(dòng)、架拱“阻塞”、流化風(fēng)倒竄等，甚至對(duì)設(shè)備造成疲勞破壞，表現(xiàn)為測(cè)量?jī)x表失真、控制閥失效、振斷管道，嚴(yán)重影響了催化裂化裝置的安全運(yùn)行［3-4］。立管的振動(dòng)與立管內(nèi)的顆粒下行過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性密切相關(guān)，是立管內(nèi)顆粒流的脈動(dòng)過(guò)程誘發(fā)了管道的振動(dòng)，因此有必要對(duì)立管內(nèi)催化劑顆粒下行過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。以往對(duì)立管的研究主要集中在局部或靜態(tài)特性上，欠缺整體和動(dòng)態(tài)特性的研究。劉獻(xiàn)玲［3］認(rèn)為是催化劑攜帶大氣泡引起了立管振動(dòng)；陳恒志等［5］、魏耀東等［6］則認(rèn)為負(fù)壓差立管內(nèi)下行顆粒對(duì)氣體的壓縮導(dǎo)致了壓力脈動(dòng)和顆粒流量的震蕩；張毅等［7］實(shí)驗(yàn)測(cè)量了立管內(nèi)下料的壓力脈動(dòng)，表明這種脈動(dòng)強(qiáng)度隨著顆粒質(zhì)量流率的增加而增大；Wang等［8］、Sun等［9］采用 ECT（Electrical capacitance tomography）技術(shù)，Wu等［10］采用光纖探針測(cè)量了立管內(nèi)軸向和徑向的瞬時(shí)顆粒濃度，表明立管內(nèi)的下行顆粒濃度存在著很大的波動(dòng)變化。

立管產(chǎn)生振動(dòng)是立管內(nèi)的氣、固流動(dòng)過(guò)程的動(dòng)態(tài)特征反映，可以通過(guò)顆粒下行過(guò)程的動(dòng)態(tài)壓力進(jìn)行分析，目前還缺乏這方面的研究，且對(duì)于振源的形成、振動(dòng)的傳遞也缺乏系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。為此，筆者在大型循環(huán)流化床裝置上，選擇旋風(fēng)分離器一級(jí)料腿作為實(shí)驗(yàn)立管，研究整個(gè)立管的動(dòng)態(tài)壓力特性，主要考察脈動(dòng)壓力的形成和發(fā)展，同時(shí)通過(guò)分析不同流態(tài)下的脈動(dòng)壓力信號(hào)之間的相干特性，確定脈動(dòng)壓力的產(chǎn)生和傳遞過(guò)程。研究結(jié)果可為減小或消除立管振動(dòng)提供幫助，以期提高催化裂化裝置顆粒循環(huán)的穩(wěn)定性和可靠性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

FCCU立管內(nèi)催化劑流動(dòng)脈動(dòng)壓力分析的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)裝置的提升管、流化床、立管均采用有機(jī)玻璃，可以觀察到顆粒流動(dòng)。流化床尺寸φ0.6m×8m，提升管尺寸φ0.2m×12.5m，一級(jí)旋風(fēng)分離器料腿尺寸φ0.15m×9m。料腿出口為直口結(jié)構(gòu)插入流化床的密相床層內(nèi)，形成一個(gè)較強(qiáng)的約束出口。顆粒從流化床經(jīng)顆粒輸送斜管進(jìn)入預(yù)提升器，由提升風(fēng)進(jìn)入提升管，在旋風(fēng)分離器進(jìn)行氣、固分離后，顆粒通過(guò)料腿下行返回流化床。實(shí)驗(yàn)所用物料為FCC平衡催化劑，平均粒徑約67μm，堆積密度940kg/m3，顆粒密度約1520kg/m3。

圖1 FCCU立管內(nèi)催化劑流動(dòng)脈動(dòng)壓力分析的實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental set-up for analysis of pressure fluctuations of catalyst powder flowing in the standpipe of FCCU

1.2 測(cè)量方法

以一級(jí)旋風(fēng)分離器料腿為實(shí)驗(yàn)立管。采用多點(diǎn)動(dòng)態(tài)壓力巡檢儀同時(shí)測(cè)量立管8個(gè)軸向位置的動(dòng)態(tài)壓力，其量程0～50kPa，采樣頻率125Hz，采樣時(shí)間60s。8個(gè)測(cè)壓點(diǎn)的軸向位置以圖1中的零標(biāo)高為基準(zhǔn)，高度分別為2.65、3.15、4.15、4.65、7.15、8.65、9.65和10.85m。如圖1所示，通過(guò)立管上的插板閥5來(lái)測(cè)量顆粒質(zhì)量流率（Gs），即在穩(wěn)定操作條件下關(guān)閉插板閥，測(cè)量在一定時(shí)間內(nèi)立管內(nèi)顆粒堆積的體積，由式（1）計(jì)算。

式（1）中，ρ為催化劑的堆積密度，kg/m3；ΔV為時(shí)間Δt內(nèi)的催化劑在立管內(nèi)的堆積體積，m3；A為立管的截面積，m2。顆粒質(zhì)量流率則由返料斜管11上的蝶閥調(diào)節(jié)。

2 結(jié)果與討論

2.1 立管脈動(dòng)壓力的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)顆粒質(zhì)量流率的變化，可以觀察到兩種流態(tài)稀、密兩相共存流態(tài)和濃相輸送流態(tài)。圖2為立管實(shí)驗(yàn)中兩個(gè)典型顆粒質(zhì)量流率50kg/（m2·s）和395kg/（m2·s）的測(cè)量結(jié)果。在顆粒質(zhì)量流率較?。ǎ?00kg/（m2·s））時(shí)，立管內(nèi)呈稀、密兩相共存的流態(tài)，如圖2（a）所示，此時(shí)流態(tài)由3部分構(gòu)成，上部的旋轉(zhuǎn)段、中部的稀相下落段和下部的密相段。立管下部存在明顯的稀、密相分界面，且分界面起伏不定，有上升氣泡形成和破裂，為鼓泡床的流動(dòng)狀態(tài)；隨著顆粒循環(huán)量的增加，稀-密相界面向下移動(dòng)直至消失，當(dāng)顆粒質(zhì)量流率較大（200～250kg/（m2·s））時(shí)，立管內(nèi)的流態(tài)由稀、密兩相共存流態(tài)演變?yōu)闈庀噍斔土鲬B(tài)，如圖2（b）所示，立管上部有很短的旋轉(zhuǎn)段，中下部為濃相下落段，此時(shí)可以觀察到氣、固兩相流呈波浪式下行，顆粒濃度疏密間隔分布。這種流態(tài)變化與魏耀東等［11］、Wang等［12］描述的情況一致。

顆粒質(zhì)量流率Gs為50kg/（m2·s）時(shí)，立管測(cè)量脈動(dòng)壓力（p）如圖2（a）所示。10.85m 至4.15m之間的測(cè)量點(diǎn)處于稀相區(qū)，沿著軸向向下，壓力起伏程度逐漸增大；3.15m和2.65m兩位置處于密相區(qū)，在此區(qū)域的壓力曲線的峰值相對(duì)較多，幅度值也大于稀相區(qū)，其壓力曲線與稀相區(qū)的壓力曲線之間差別較大。

顆粒質(zhì)量流率Gs為395kg/（m2·s）時(shí)，立管測(cè)量脈動(dòng)壓力（p）如圖2（b）所示。沿著軸向向下，壓力值逐漸增大，壓力起伏程度逐漸增大，并且脈動(dòng)壓力曲線的峰值均相對(duì)較多。對(duì)比不同軸向位置的脈動(dòng)壓力曲線，可以看出各曲線之間具有一定的相似性。

圖2 立管內(nèi)的流態(tài)和脈動(dòng)壓力Fig.2 Fluidized pattern and pressure fluctuation in the standpipe

從圖2可以看出，立管內(nèi)氣、固兩相流的脈動(dòng)壓力是由兩種不同成分的脈動(dòng)疊加構(gòu)成的，一種為低頻髙幅值脈動(dòng)，另一種為高頻低幅值脈動(dòng)。脈動(dòng)壓力是立管進(jìn)口和出口流動(dòng)的不穩(wěn)定性、顆粒的團(tuán)聚和顆粒簇運(yùn)動(dòng)、氣-固相互作用、氣體速度脈動(dòng)等多種因素耦合作用的結(jié)果［13-14］。對(duì)圖2中的脈動(dòng)壓力信號(hào)進(jìn)行功率譜分析表明，不同軸向位置的脈動(dòng)壓力的主頻有一定的變化，但均在0.3Hz以?xún)?nèi)，表明立管的氣、固流動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生了一種低頻的脈動(dòng)壓力。

2.2 脈動(dòng)壓力的相干性分析

通過(guò)對(duì)立管不同位置的脈動(dòng)壓力信號(hào)進(jìn)行相關(guān)性分析可以確定脈動(dòng)壓力的來(lái)源和傳遞過(guò)程［15］。信號(hào)處理理論中的相干函數(shù)是在頻域上描述2個(gè)信號(hào)的相關(guān)程度的實(shí)值函數(shù)，可以用來(lái)判斷2個(gè)信號(hào)之間的因果關(guān)系，進(jìn)行信號(hào)的定位和傳遞分析。兩平穩(wěn)信號(hào)序列X（t）與Y（t）的相干函數(shù)定義由式（2）表示。

其中PX（f）、PY（f）分別為序列X（t）與Y（t）的自功率譜密度，PXY（f）為互功率譜密度。CXY（f）相干系數(shù)取決于頻率，在0～1之間取值，表征兩信號(hào)之間的相干程度，0和1分別表示相對(duì)應(yīng)兩列信號(hào)完全不相關(guān)和完全相關(guān)。

依據(jù)式（2）對(duì)測(cè)量的脈動(dòng)壓力進(jìn)行計(jì)算，對(duì)比的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)分別選擇入口和出口的脈動(dòng)壓力測(cè)量值。圖3、4分別為不同頻率下顆粒質(zhì)量流率50和395kg/（m2·s）時(shí)，入口（H＝10.85m）和出口（H＝2.65m）分別與立管其他測(cè)點(diǎn)信號(hào)的相干系數(shù)。計(jì)算結(jié)果表明，立管內(nèi)呈稀、密兩相共存的流態(tài)（50kg/（m2·s））時(shí)，脈動(dòng)壓力曲線之間的相干性系數(shù)在頻率低于0.3Hz區(qū)間具有明顯的穩(wěn)定值。稀相部分的壓力脈動(dòng)曲線之間相干系數(shù)較高（見(jiàn)圖3（a）），密相部分的壓力脈動(dòng)曲線之間相干系數(shù)也較高（見(jiàn)圖3（b）），兩者的相干系數(shù)CXY（f）＞0.6，表明脈動(dòng)壓力的傳遞特性，稀相向下傳遞，密相向上傳遞。但稀相與密相的壓力脈動(dòng)曲線之間的相干系數(shù)較低，CXY（f）＜0.3，說(shuō)明產(chǎn)生脈動(dòng)壓力的振源不同。而在頻率高于0.3Hz區(qū)間，脈動(dòng)壓力曲線之間的相干性系數(shù)的分布不具有規(guī)律性。

立管濃相輸送流態(tài)（395kg/（m2·s））時(shí)，脈動(dòng)壓力曲線之間的相干性系數(shù)在頻率低于0.3Hz區(qū)間變化較大。以入口脈動(dòng)壓力測(cè)量值為基準(zhǔn)，軸向向下對(duì)比其他位置的脈動(dòng)壓力測(cè)量值的相干系數(shù)逐漸減小，從0.9到0.2；而以出口脈動(dòng)壓力測(cè)量值為基準(zhǔn)，軸向向上對(duì)比其他位置的脈動(dòng)壓力測(cè)量值的相干系數(shù)逐漸減小。這說(shuō)明振源主要產(chǎn)生在立管的入口，向下逐漸發(fā)展。而在頻率高于0.3Hz區(qū)間，脈動(dòng)壓力曲線之間的相干性系數(shù)變化不具有規(guī)律性。

2.3 立管振動(dòng)的振源和傳遞

立管的脈動(dòng)壓力存在表明立管內(nèi)催化劑顆粒下行過(guò)程具有很強(qiáng)的動(dòng)態(tài)特性，對(duì)立管振動(dòng)產(chǎn)生影響的主要是頻率低于0.3Hz區(qū)間部分的脈動(dòng)壓力。這部分脈動(dòng)壓力是顆粒下行過(guò)程的濃度和速度變化的反映。從上述的脈動(dòng)壓力及其相干性分析表明，立管內(nèi)脈動(dòng)壓力來(lái)源主要由3部分構(gòu)成，入口不穩(wěn)定進(jìn)料引入，出口處不穩(wěn)定排料造成，管內(nèi)顆粒下行運(yùn)動(dòng)中顆粒密度的改變和氣相的壓縮產(chǎn)生，其中入口進(jìn)料對(duì)脈動(dòng)壓力的形成有很大的作用。立管內(nèi)呈稀、密兩相共存的流態(tài)時(shí)，稀相部分的壓力脈動(dòng)來(lái)源于入口，主要是進(jìn)料下行顆粒濃度變化的作用，向下傳遞一直延續(xù)到密相部分；而密相部分的壓力脈動(dòng)來(lái)源于出口，主要受上行氣泡的影響，向上傳遞并加強(qiáng)，作用范圍在密相部分。當(dāng)立管內(nèi)濃相輸送流態(tài)時(shí)，主要是進(jìn)口處進(jìn)料下行顆粒濃度變化的影響，同時(shí)顆粒在下行過(guò)程中對(duì)氣體進(jìn)行的壓縮也可以導(dǎo)致壓力的脈動(dòng)。由于顆粒向下流動(dòng)過(guò)程中顆粒濃度比較大，變化范圍較大，壓力脈動(dòng)的值也較大。這種脈動(dòng)壓力沿軸向向下，隨著顆粒濃度的增加、氣體壓力的增大和顆粒速度的減小，脈動(dòng)壓力會(huì)逐漸發(fā)生變化，入口的影響也逐漸減小，表現(xiàn)為相干系數(shù)的減小，但壓力波動(dòng)的基本特性仍然存在，而且脈動(dòng)壓力不斷增強(qiáng)。

立管內(nèi)的脈動(dòng)壓力主要是一種低頻高幅值的動(dòng)態(tài)壓力。在實(shí)際立管應(yīng)用中，這種脈動(dòng)壓力中頻率低于0.3Hz部分形成了管路系統(tǒng)振動(dòng)的振源，對(duì)管路系統(tǒng)形成振動(dòng)的強(qiáng)迫擾力。當(dāng)立管管路系統(tǒng)的固有頻率與這種脈動(dòng)壓力的頻率接近時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致立管管路大幅度的低頻振動(dòng)。因此，在FCC工業(yè)裝置中，由于立管內(nèi)氣、固流動(dòng)的脈動(dòng)壓力頻率主要取決于其內(nèi)部的流動(dòng)狀態(tài)，難以改變，因此可以通過(guò)改變立管系統(tǒng)本身的固有頻率來(lái)避免共振現(xiàn)象的產(chǎn)生，例如改進(jìn)立管的支撐結(jié)構(gòu)、管線的走向等，從而改變立管管路系統(tǒng)的固有頻率，避免固有頻率接近氣、固流動(dòng)的脈動(dòng)壓力頻率。

3 結(jié) 論

（1）立管內(nèi)催化劑顆粒下行過(guò)程具有很強(qiáng)的動(dòng)態(tài)特性，對(duì)立管振動(dòng)產(chǎn)生影響的主要是頻率低于0.3Hz區(qū)間部分的脈動(dòng)壓力。立管內(nèi)脈動(dòng)壓力來(lái)源主要由3部分構(gòu)成，入口不穩(wěn)定進(jìn)料、出口處不穩(wěn)定排料和管內(nèi)顆粒下行運(yùn)動(dòng)，其中入口進(jìn)料對(duì)脈動(dòng)壓力的形成有很大的作用。

（2）立管內(nèi)呈稀、密兩相共存的流態(tài)時(shí)，稀相部分的脈動(dòng)壓力來(lái)源于入口，向下傳遞；密相部分的壓力脈動(dòng)來(lái)源于出口，向上傳遞。當(dāng)立管濃相輸送流態(tài)時(shí)，脈動(dòng)壓力主要是進(jìn)口處進(jìn)料、下行顆粒濃度變化和下行顆粒對(duì)氣體壓縮的結(jié)果，向下傳遞。

（3）立管內(nèi)的脈動(dòng)壓力是一種低頻高幅值的動(dòng)態(tài)壓力，其中頻率低于0.3Hz部分形成了立管管路系統(tǒng)振動(dòng)的振源，對(duì)立管管路系統(tǒng)的振動(dòng)構(gòu)成了強(qiáng)迫擾力，導(dǎo)致了立管的大幅度低頻振動(dòng)。

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Analysis of Pressure Fluctuations of Catalyst Powder Flowing in the Standpipe of FCCU

LIU Xiaocheng1，HU Xiaokang2，MA Yuanyuan3，CHEN Jianyi1，WEI Yaodong1
（1.State Key Laboratory of Heavy Oil Processing，China University of Petroleum，Beijing102249，China；2.SINOPEC NingBo Engineering Company Limited，Ningbo 315103，China；3.College of Science，China University of Petroleum，Beijing102249，China）

For studying the vibration in FCCU standpipe because of particle flow，an experiment was carried out on the pressure dynamic behavior of down-flow of FCC catalysts in a standpipe with diameter of 150mm and height of 9000mm.Time series of pressure fluctuations were recorded at different axial measurement points in a standpipe at solids mass fluxes of 50kg/（m2·s）and 395kg/（m2·s）.With the coherence between measurement points，the pressure fluctuation forming and transferring were demonstrated.The results indicated that the catalyst particle down-flow in the standpipe is of pressure fluctuation characteristics.When two flow regimes were coexisting in the standpipe，the pressure fluctuations in the upper dilute-phase part originated from the inlet and transferred downward，and in the bottom dense-phase part from the outlet and transferred upward.When there was the dense-phase conveying regime in the standpipe，the pressure fluctuations originated from the inlet and developed during FCC catalysts flowing downward.The pressure fluctuation with the frequency of lower than 0.3Hz was the cause of the standpipe vibration.

FCCU；standpipe；vibration；gas-solid two-phase flow；pressure fluctuation

TQ021

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2012.03.015

1001-8719（2012）03-0445-06

2011-05-17

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（20876170，21176250）資助

劉小成，男，博士研究生，從事流態(tài)化和工業(yè)CT成像算法的研究。

陳建義，男，教授，從事多相流分離技術(shù)與裝備的研究開(kāi)發(fā)；Tel：010-89731519；E-mail：jychen＠cup.edu.cn