流化催化裂化裝置旋風(fēng)分離器的研究及分離效率的優(yōu)化

郝天歌，于姣洋，夏志鵬，吳 瓊

（中國寰球工程公司 遼寧分公司，遼寧 沈陽 110169）

工藝與裝備

流化催化裂化裝置旋風(fēng)分離器的研究及分離效率的優(yōu)化

郝天歌，于姣洋，夏志鵬，吳 瓊

（中國寰球工程公司 遼寧分公司，遼寧 沈陽 110169）

首先從旋風(fēng)分離器的分離原理及影響分離效率的諸多因素入手，對提高旋風(fēng)分離器分離效率進(jìn)行了研究和探討，最后提出了在FCC裝置設(shè)計(jì)過程中，反再兩器中的兩級旋風(fēng)分離器分離效率優(yōu)化的一些建議和方法，三級旋風(fēng)分離器的一些實(shí)際問題的解決方法以及四級旋風(fēng)分離器安裝過程中的一些注意事項(xiàng)。

流化催化裂化; 旋風(fēng)分離器; 分離效率優(yōu)化; 三級旋風(fēng)分離器

流化催化裂化（FCC）裝置是現(xiàn)今發(fā)展相當(dāng)迅速的煉油再加工裝置之一。在FCC裝置中，催化劑耗量是主要技術(shù)指標(biāo)之一。在大量的催化劑消耗的同時(shí)，衍生出來的是催化劑跑損問題。過多的催化劑跑損，會造成催化劑粉塵大氣污染，無法達(dá)到國家控制指標(biāo)。而且，催化劑跑損后會夾雜在油氣或煙氣中，導(dǎo)致催化分餾塔下部油質(zhì)量下降，余熱鍋爐也會受到相應(yīng)影響。而旋風(fēng)分離器正是解決這一問題最簡單直接而又價(jià)格低廉的手段，從而被廣泛應(yīng)用于煉化等領(lǐng)域[1]。因此，它也成為FCC裝置中現(xiàn)有回收催化劑的主要手段。由于催化劑的顆粒十分細(xì)?。ㄆ骄?60 μm）,并且催化裂化的反應(yīng)溫度大多在 650 ℃（沉降器）750 ℃（再生器）。高溫微小顆粒的快速沖蝕導(dǎo)致旋風(fēng)分離器的操作條件十分苛刻。如一套120萬t/a處理量的FCC裝置，再生器中由床層帶入旋風(fēng)分離器的催化劑量達(dá)1000 t/h以上,如果旋分器的效率降低萬分之一，就會每天跑失催化劑 2.4 t[2]。因此，有必要對旋風(fēng)分離器的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)、流體動(dòng)力學(xué)及優(yōu)化方法進(jìn)行研究，以提高旋風(fēng)分離器的催化劑回收效率。從而減少FCC裝置催化劑損耗。

1 旋風(fēng)分離器的流動(dòng)形態(tài)

1.1 旋風(fēng)分離器內(nèi)流體的流速和壓力分布

旋風(fēng)分離器內(nèi)主要分為氣固兩項(xiàng)，而氣流作為流動(dòng)力的主要來源。由于流體兩相摻雜，也導(dǎo)致了比較復(fù)雜的劉東情況。兩相氣流由切線進(jìn)入，形成兩個(gè)漩渦狀流動(dòng)。外漩渦沿著器壁從上到下進(jìn)入灰斗；內(nèi)漩渦則上升至管口，顆粒在離心力的作用下與器壁碰撞，并由外漩渦氣流帶向灰斗。接近旋風(fēng)分離器器壁的區(qū)域基本為外漩渦，內(nèi)部則為內(nèi)漩渦。詳見圖 1，達(dá)到了氣固分離的目的。但實(shí)際上的氣流情況要復(fù)雜得多。

由于徑向和軸向的壓力以及速度分布，在旋風(fēng)分離器內(nèi)會形成一個(gè)或者兩個(gè)旋渦。如果出現(xiàn)兩個(gè)旋渦，一個(gè)在上一個(gè)在下，如圖2所示。兩個(gè)旋渦實(shí)際上形成了兩個(gè)灰塵環(huán)。早期的設(shè)計(jì)是在入口的下方加一個(gè)旁路，如果無旁路設(shè)計(jì)，上灰塵環(huán)中的顆粒積累到一定程度即會由出口氣流帶出。在增設(shè)旁路的情況下，上灰塵環(huán)中的固體顆粒經(jīng)旁路出口出來又進(jìn)入向下旋轉(zhuǎn)的氣流中。

圖1 旋風(fēng)分離器內(nèi)部流動(dòng)分布圖Fig.1 Flow distribution diagram in cyclone separator

圖2 旋風(fēng)分離器中出現(xiàn)兩個(gè)旋渦的情況Fig.2 Two vortices in cyclone separator

但這種旁路旋風(fēng)分離器，襯里制作困難，磨損后修補(bǔ)困難。現(xiàn)代已采用分離效率高于帶旁路設(shè)計(jì)的旋風(fēng)分離器，這種設(shè)計(jì)不出現(xiàn)徑向流動(dòng)，不產(chǎn)生上部灰塵環(huán)?，F(xiàn)已用于現(xiàn)代的工業(yè)化裝置。其原理是[3]：一個(gè)含塵氣流流經(jīng)一段矩形彎管的時(shí)候，靠近彎管內(nèi)壁的氣流比靠近彎管外壁的氣流經(jīng)歷的距離短，因而在垂直于氣流的方向產(chǎn)生垂直流。旋風(fēng)分離器的入口也可以看做是一個(gè)矩形彎管，產(chǎn)生的垂直流妨礙顆粒向外壁移動(dòng)。并將細(xì)粒帶往旋風(fēng)分離器頂，這就形成了上灰塵環(huán)。通過研究發(fā)現(xiàn)，將彎管進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)的時(shí)候可以避免垂直流。即彎管橫截面上任一點(diǎn)的半徑乘高度等于同一截面上任一點(diǎn)半徑與高度乘積時(shí)，就可以避免垂直流。此種方法已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。

1.2 旋風(fēng)分離器的操作條件對分離效率的影響

旋風(fēng)分離器的流體流動(dòng)被稱為三維流場，是非常復(fù)雜的兩相流運(yùn)動(dòng)，為了達(dá)到優(yōu)化的流動(dòng)條件以提高分離效率的目的。研究人員進(jìn)行了深入研究。一般方法有三種：理論分析法、、實(shí)驗(yàn)分析法、模型計(jì)算法。理論分析一般實(shí)踐性稍差，而實(shí)驗(yàn)分析方法和模型計(jì)算方法[4]成為現(xiàn)在研究旋風(fēng)分離器流場的主要方法。

譚天佑等[5]通過對旋分器中流動(dòng)場的測量得到了流行圖。Su[6]等則主要采用了實(shí)驗(yàn)的方式，主要研究了方形旋分器中兩相流的湍動(dòng)。陳建義[7]首先給旋分器增加了高溫條件，并測得了此時(shí)的平均速度情況。并進(jìn)行了常溫比對測量，從而得出了旋分器一個(gè)最大切向速度與溫度及入口氣速的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。崔茂林等[8]通過實(shí)驗(yàn)，不斷改變旋風(fēng)分離器高度和入口氣速。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著入口速度的增加，效率會逐漸增加，但是會有一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，使分離效率隨著氣速增加而急劇下降。即存在一個(gè)最大效率氣速。董棟棟等[9]在溫度673 K，催化劑濃度2～60 g/m3的條件下，得出了，入口氣速相同的條件下，分離效率和壓降與濃度成正比，而濃度高到一定程度的時(shí)候，則不再出現(xiàn)明顯提高。在濃度保持不變的條件下，入口氣速和分離效率成正比，但當(dāng)濃度過高時(shí)，分離效率則不明顯隨入口氣速變化。劉書賢等[10]，通過對FCC裝置的粗旋做冷態(tài)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，入口氣速的提高減少了料腿泄氣率、提高了粗旋分離效率、細(xì)顆粒分離尤為有效。粗旋風(fēng)分離器壓降與固體顆粒濃度成反比，而分離效率和料腿泄氣率則成正比。

黃興華等[11]，使用Fluent軟件對切向進(jìn)口的旋分器內(nèi)氣相流場和顆粒分離效率進(jìn)行了三維數(shù)值化的研究。發(fā)現(xiàn)，氣-固流體進(jìn)口位置對旋風(fēng)分離器的分離效率具有一定的影響。研究采用進(jìn)口位置分別在進(jìn)口界面中心線的中點(diǎn)，偏上部和偏下部分三個(gè)位置，最后發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)口截面中點(diǎn)處的分離效率最高。而根據(jù)方劍藻在350 Wt/a的漢達(dá)斯坦燃料潤滑油煉廠FCC裝置旋風(fēng)分離器的固-氣分離操作評價(jià)中指出，分離的催化劑粒子密度對旋風(fēng)分離器的分離效率的影響卻是很微小的。但是催化劑的粒度分布卻對旋風(fēng)分離器分離的臨界粒子粒徑有直接影響。但是在大負(fù)荷的工況中，小的催化劑粒子由于受到大粒子沖擊而導(dǎo)致旋風(fēng)分離器的分離效率并沒有下降反而有提高。

由此可以看出，為了保證FCC裝置中旋風(fēng)分離器的高效及低壓降的要求，需要較高但不超過一定值的入口線速以及適當(dāng)高的催化劑濃度。

2 催化裂化裝置旋風(fēng)分離器效率優(yōu)化

在FCC裝置中，現(xiàn)在經(jīng)常使用的旋風(fēng)分離器，可分為粗旋風(fēng)分離器、高效旋風(fēng)分離器和三級旋風(fēng)分離器。實(shí)際應(yīng)用中有多種形式，也可在三級旋風(fēng)分離器后加設(shè)四級旋風(fēng)分離器以達(dá)到粉塵排放指標(biāo)。反應(yīng)器和再生器設(shè)備中，一般采用二級串聯(lián)方式。-也有的裝置中，反應(yīng)器內(nèi)同時(shí)采取了快分與單級旋分兩種形式。如圖3所示，雙提升管FCC裝置旋分器設(shè)置的一種典型情況。

圖3 雙提升管FCC裝置旋風(fēng)分離器設(shè)置圖Fig.3 Cyclone separator installment for FCC with double risers

2.1 兩器中旋風(fēng)分離器的優(yōu)化

旋風(fēng)分離器的入口線速主要取決于兩器內(nèi)氣體流量以及采用旋風(fēng)分離器的組數(shù)和入口截面積。如式（1）所示。

從圖3可以看出，沉降器中，含有催化劑的油氣由提升管進(jìn)入粗旋。油氣從粗旋出口排出后由于頂旋入口處與粗旋出口處的壓差，而被吸入頂旋。再生器中煙氣分離原理相同。一般FCC裝置頂旋入口線速需保持在20 m/s左右而流體中催化劑的濃度一般在10 kg/m3左右方能保證很高的分離效率。在實(shí)際操作中，可適當(dāng)調(diào)節(jié)主風(fēng)量和預(yù)提升蒸汽量。

反再兩器中，旋分器的組數(shù)和擺放位置也會影響旋分器的分離效率。黃興華等[11]，使用Fluent軟件進(jìn)行的三維數(shù)值研究發(fā)現(xiàn)：氣-固流體進(jìn)口位置對旋風(fēng)分離器的分離效率具有一定的影響。研究采用進(jìn)口位置分別在進(jìn)口界面中心線的中點(diǎn)，偏上部和偏下部分三個(gè)位置，最后發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)口截面中點(diǎn)處的分離效率最高。因此，在FCC裝置中，粗旋或一級旋分的安裝位置應(yīng)盡量保證氣體出口正對著頂旋或二級旋分的入口處，必要的時(shí)候，可以制作從粗旋出口到頂旋入口的連接管。

2.2 三級旋風(fēng)分離器的一些實(shí)際問題

三級旋風(fēng)分離器是為了滿足煙氣排放中粉塵含量的環(huán)境保護(hù)指標(biāo)需要而增設(shè)的旋風(fēng)分離器。目前廣泛使用的有四種結(jié)構(gòu)形式的三旋[12]: 多管臥式三旋、多管立式三旋，旋流式三旋和布埃爾三旋。根據(jù)撫順石化二廠南催化停工檢修報(bào)告，采用的多管式立式三旋（單管PST-250 64根），在主風(fēng)量10 000 Nm3/h的條件下，多次堵塞。停工檢修。鑒于此類情況，考慮影響三旋的原因主要分為以下幾個(gè)方面[13]：（1）在制造、安裝和使用時(shí)，各種原因?qū)е氯龁喂艿膬?nèi)外管過高的同軸度，降低了單管的分離效率。（2）三旋長期在超負(fù)荷工況下運(yùn)作，加劇了單管的結(jié)垢和磨損。（3）臨界噴嘴的設(shè)計(jì)與現(xiàn)在工況下運(yùn)行的三旋不匹配，造成三旋泄氣量不足。（4）三旋系統(tǒng)后路不暢，引起分離下來的催化劑反混。根據(jù)分析，撫順石油二廠三旋單管堵塞的原因有可能與（1）、（2）有關(guān)?？紤]解決辦法是將PST-250 64根單管換為PST-300 40根。或?qū)⒍喙芰⑹饺臑榉嵌喙軜邮降娜牟及柸蛐魇饺?。這也是國內(nèi)FCC裝置常有的問題和解決辦法。

2.3 四級旋風(fēng)分離器的安裝優(yōu)化

四級旋風(fēng)分離器是近年來提高環(huán)保指標(biāo)而在三級旋風(fēng)分離器下部增設(shè)的設(shè)備。四級旋風(fēng)分離器一般體積較小，下部直接連接催化劑細(xì)分收集罐及儲罐。因此是裝置回收廢催化劑的尾聲部分。再生器產(chǎn)生的煙氣可超過700 ℃，其進(jìn)入三旋后再進(jìn)入四旋。高溫及含有固體粉塵使此段管道的材質(zhì)及應(yīng)力成為配管人員關(guān)注的問題。

再生器煙氣出口的管道一般防止高溫固體顆粒的沖刷，內(nèi)部皆有耐熱耐磨襯里。但是從三旋到四旋的部分管道，一般管徑在200～300 mm之間，無法加設(shè)襯里。因此，需提高管道材質(zhì)。采用15CrMo鋼或304鋼等不銹鋼材質(zhì)。在配管時(shí)，為了便于含催化劑顆粒的煙氣流動(dòng)順暢及高溫下的應(yīng)力要求，所有高溫管道處的拐彎處需采用延緩的角度。如彎頭采用6倍管道直徑或3倍管道直徑的大半徑彎頭。兩管相接處采用45°斜接的方法。

一般三旋和四旋采用同一構(gòu)架方式設(shè)置。由于跨度較遠(yuǎn)且大直徑并帶有襯里的煙氣管道的一端荷載落在三旋上。因此三旋構(gòu)架的荷載較重，需非常注意。加上由于高溫導(dǎo)致的管道位移較大，需在多處支撐處加設(shè)彈簧支撐。此外，由于構(gòu)架最下端是直接裝車回收廢催化劑細(xì)分的地方，應(yīng)注意安裝高度需滿足車輛高度。

3 結(jié) 論

旋風(fēng)分離器的分離效率受到入口線速、催化劑濃度等諸多因素影響，并且為了實(shí)現(xiàn)高效及低壓降的要求，需要在一個(gè)限值范圍內(nèi)的高入口線速和適當(dāng)?shù)拇呋瘎舛取?/p>

兩器中，頂旋入口線速需在20 m/s，催化劑濃度在10 kg/m3時(shí)，能保證較高的分離效率。粗旋和一級旋分安裝位置應(yīng)保證氣體出口正對著頂旋或二級旋分的入口，必要時(shí)可做連接管。

三旋出現(xiàn)的一些問題歸納為:（1）三旋單管分離效率受內(nèi)外管同軸度影響;（2）三旋長期超負(fù)荷會使單管結(jié)垢磨損;（3）臨界噴嘴泄氣量需與三旋匹配;（4）三旋后路需通暢。

四級旋分在安裝和架構(gòu)時(shí)，應(yīng)注意熱應(yīng)力和大荷載問題，并便于收集廢催化劑使用。

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Study and Efficiency Optimization of Cyclone Separator in Fluid Catalytic Cracking Unit

HAO Tian-ge,YU Jiao-yang,XIA Zhi-peng, WU Qiong

（HQC Liaoning Company, Liaoning Shenyang 110169, China）

The mechanism of cyclone separation of cyclone separator was analyzed as well as factors affecting the separation efficiency, how to improve the separation efficiency of cyclone separator was discussed. Finally, some suggestions on efficiency optimization of the two-stage cyclone separator in reactor-regenerator device in FCC were presented as well as some practical solution to the problems of third-stage cyclone, the precautions during the forth-level cyclone installment process.

Fluid catalytic cracking(FCC); Cyclone separator; Efficiency optimization; Third-level cyclone separator

TE 624

A

1671-0460（2017）04-0700-04

2017-03-02

郝天歌（1984-），男，黑龍江省肇東市人，工程師，碩士研究生，2010年畢業(yè)于南京工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)，在中國寰球工程公司遼寧分公司工藝室從事工藝設(shè)計(jì)。E-mail：haotiange@hqcec.com。