催化裂化再生催化劑取熱技術(shù)研究進(jìn)展

姚秀穎， 盧春喜

(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)

催化裂化工藝是我國(guó)煉油工業(yè)最重要的重質(zhì)油輕質(zhì)化生產(chǎn)工藝，提供了我國(guó)80%左右的汽油、35%的柴油和約40%丙烯，是當(dāng)前煉油廠的主要利潤(rùn)來(lái)源之一[1-2]。催化裂化過(guò)程是一個(gè)熱量自平衡過(guò)程，即催化劑在燒焦過(guò)程中放出的熱量等于反應(yīng)系統(tǒng)所需的熱量。然而，隨著重油或渣油催化裂化過(guò)程的發(fā)展，再生-燒焦過(guò)程放出的熱量已遠(yuǎn)大于系統(tǒng)所需要的熱量。因此，為了維持系統(tǒng)的熱平衡，過(guò)剩的熱量必須被轉(zhuǎn)移出去[3]，否則將影響反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)品分布，而且，過(guò)高的溫度還會(huì)導(dǎo)致預(yù)提升段內(nèi)催化劑的水熱失活加劇，增加催化劑的損耗。因此，降低再生催化劑溫度對(duì)于催化裂化裝置的穩(wěn)定高效運(yùn)行至關(guān)重要。為了降低催化劑的溫度，通常所采用的方法是在再生器內(nèi)部或外部設(shè)置換熱管束，用以調(diào)節(jié)催化劑溫度，前者稱為內(nèi)取熱器，后者稱為外取熱器。

內(nèi)取熱技術(shù)是在再生器內(nèi)部安裝冷卻盤管，給水通過(guò)盤管吸收催化劑的熱量而轉(zhuǎn)化為水蒸氣，催化劑得到冷卻[4-5]。主要包括垂直盤管式和水平盤管式2種，內(nèi)取熱器投資少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但維修困難，若取熱管破裂只能切斷，不能在生產(chǎn)過(guò)程中搶修，操作調(diào)節(jié)彈性小[6]。

外取熱技術(shù)是在再生器外部設(shè)置一個(gè)單獨(dú)的設(shè)備，通過(guò)顆粒循環(huán)管線與再生器連通。外取熱器的內(nèi)部通常設(shè)置有多組垂直管束，由再生器引入的高溫再生催化劑與換熱管束接觸后，將熱量傳遞給換熱管內(nèi)的流體，被冷卻的催化劑再通過(guò)循環(huán)管線返回再生器。相比內(nèi)取熱器，外取熱器具有取熱負(fù)荷調(diào)節(jié)靈活、操作彈性大、可靠性高且維修方便等優(yōu)點(diǎn)，換熱元件普遍采用套管式換熱管。因?yàn)榇蟛糠执呋鸦b置的加工原料變化頻繁，取熱負(fù)荷需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，所以外取熱器更具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

針對(duì)不同的工藝要求，研究者們開發(fā)了可靈活調(diào)節(jié)的再生劑調(diào)溫技術(shù)。這一技術(shù)是在再生器到反應(yīng)器的輸送管路上安裝取熱器，冷卻后的再生劑直接送入反應(yīng)器而不是返回再生器。該技術(shù)不僅能夠平衡反-再系統(tǒng)的過(guò)剩熱量，而且可以在不降低反應(yīng)溫度甚至提高反應(yīng)溫度的條件下，實(shí)現(xiàn)高再生溫度、高劑/油比、高原料預(yù)熱溫度的“三高”操作，從而提高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和摻渣比，改善產(chǎn)品分布。

筆者將主要概述外取熱器和再生劑調(diào)溫取熱器的分類和工作原理，重點(diǎn)介紹催化劑取熱器的傳熱強(qiáng)化技術(shù)及其研究進(jìn)展，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)有工業(yè)問(wèn)題及相關(guān)研究對(duì)傳熱強(qiáng)化技術(shù)進(jìn)行展望，以期為再生劑取熱技術(shù)的發(fā)展提供理論參考。

1　再生劑外取熱技術(shù)

作為一種應(yīng)用較廣的取熱器形式，外取熱器根據(jù)催化劑的流動(dòng)方式不同，可以分為上流式、下流式、返混式和氣控式4種[7]，各類外取熱器的流動(dòng)特點(diǎn)如表1所示。

表1　外取熱器的特點(diǎn)Table 1　Characteristics of external catalyst coolers

1.1　上流式外取熱器

上流式外取熱器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可見，高溫催化劑從底部進(jìn)入外取熱器，輸送風(fēng)攜帶熱催化劑自下而上經(jīng)過(guò)取熱器主換熱區(qū)到達(dá)其頂部，再經(jīng)頂部出口管線返回再生器的密相床或快速床的中、上部。其內(nèi)部催化劑密度一般為100～200 kg/m3，屬于快速流化床。該類取熱器受熱均勻，但傳熱效率低、耗風(fēng)量大，且磨損嚴(yán)重。

圖1　上流式外取熱器Fig.1　Up-flow external catalyst cooler

1.2　下流式外取熱器

下流式外取熱器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖2可見，熱催化劑由上部入口進(jìn)入取熱器殼體內(nèi)，自上而下流動(dòng)，進(jìn)入密相床層，在底部流化氣體的作用下，流化狀態(tài)的催化劑顆粒在換熱管表面頻繁地進(jìn)行接觸更替，熱量以對(duì)流傳熱的方式從熱顆粒傳遞給換熱管，換熱管內(nèi)的水被加熱變成蒸汽將熱量帶走。經(jīng)過(guò)換熱的催化劑顆粒通過(guò)下部出口流出，完成整個(gè)換熱過(guò)程。流化風(fēng)自下而上穿過(guò)鼓泡床的密相區(qū)和稀相區(qū)，并夾帶少量催化劑到達(dá)取熱器頂部，經(jīng)排氣管返回再生器的稀相區(qū)[8-9]。催化劑循環(huán)量和密相料面高度可分別通過(guò)催化劑出口管線和進(jìn)口管線上的滑閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。在下流式外取熱器內(nèi)，催化劑流動(dòng)方向與氣體相反，流化狀態(tài)良好；取熱負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍寬，能適應(yīng)不同性質(zhì)的原料、處理量和渣油摻煉量的要求；單動(dòng)滑閥的設(shè)計(jì)使再生系統(tǒng)的操作溫度可以靈活、有效地調(diào)節(jié)；取熱管浸沒(méi)于密相流化床層內(nèi)，傳熱性能好；較低的催化劑流動(dòng)速度使取熱器床層受到的沖擊小，設(shè)備磨損小，運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，操作平穩(wěn)性較高。

圖2　下流式外取熱器Fig.2　Down-flow external catalyst cooler

1.3　返混式外取熱器

返混式外取熱器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。由圖3可見，再生器內(nèi)熱催化劑通過(guò)其底部或下部的連通管進(jìn)入下方的外取熱器內(nèi)，輸送風(fēng)的作用是確保床層處于流化狀態(tài)，并夾帶冷卻的催化劑經(jīng)同一連通管返回再生器的密相區(qū)，或者大部分流化風(fēng)經(jīng)過(guò)取熱器頂部隔板與大量冷催化劑分開后通過(guò)另一根排氣管去再生器稀相區(qū)[10-11]，在外取熱器內(nèi)顆粒通過(guò)返混運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)熱量的交換。返混式外取熱器與再生器連成一體，這樣就取消了帶襯里的高溫催化劑管道及昂貴的滑閥，造價(jià)低廉，結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)行可靠。其主要不足是冷、熱催化劑在其上部的同一個(gè)連通口進(jìn)出，這將導(dǎo)致相當(dāng)部分的熱催化劑尚未與取熱管進(jìn)行充分接觸就返回了再生器，而另一部分冷卻后的催化劑在外取熱器內(nèi)停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致平均傳熱強(qiáng)度降低，從而影響傳熱效果。在返混式外取熱器中，催化劑的循環(huán)速率和傳熱系數(shù)均受流化風(fēng)的影響，因此取熱負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍較小，適應(yīng)性較差。

圖3　返混式外取熱器Fig.3　Back-mixing catalyst external cooler

1.4　氣控式外取熱器

氣控式外取熱器包括氣控內(nèi)循環(huán)和氣控外循環(huán)2種型式。以氣控內(nèi)循環(huán)式外取熱器為例，熱催化劑通過(guò)再生器底部的連通管進(jìn)入取熱器內(nèi)部，密相床層內(nèi)設(shè)有開口向下的提升管，冷卻后的催化劑經(jīng)提升管返回到再生器密相床。通過(guò)調(diào)節(jié)提升風(fēng)量來(lái)控制外取熱器內(nèi)催化劑的循環(huán)量和熱負(fù)荷，取熱效果要優(yōu)于返混式，催化劑循環(huán)量和熱負(fù)荷主要靠改變提升管空氣量來(lái)調(diào)節(jié)。圖4為氣控內(nèi)循環(huán)式外取熱器。由圖4可知，與一般上流式或下流式外取熱器相比，它的優(yōu)點(diǎn)在于節(jié)省了帶隔熱耐磨襯里的熱催化劑管道、膨脹節(jié)以及昂貴的單動(dòng)滑閥；冷卻后的催化劑能及時(shí)返回再生器中，排除了取熱器底部的低溫區(qū)域；采用帶翅片管束，可大幅提高傳熱效果[12]。雖然該外取熱器的結(jié)構(gòu)型式簡(jiǎn)單，但是由于催化劑的抽出口和返回口同為一個(gè)開口，使得進(jìn)的熱催化劑與出的冷催化劑返混嚴(yán)重，溫差小，從而降低了外取熱器的取熱效率，而且催化劑的循環(huán)量一般不易穩(wěn)定調(diào)節(jié)[13]。

圖4　氣控內(nèi)循環(huán)式外取熱器Fig.4　Air-controlled external catalyst cooler

2　再生劑調(diào)溫技術(shù)

對(duì)于上述外取熱器而言，它們均安裝于再生器底部，承接從再生器輸出的部分熱催化劑，進(jìn)入取熱器的熱催化劑經(jīng)過(guò)冷卻后，均返回再生器中，使再生器的溫度降低。由于再生器往往具有很大的藏量，為了維持再生效果，需要保持一定的再生溫度。如果取熱器的取熱負(fù)荷過(guò)低，再生劑降溫幅度將十分有限，導(dǎo)致劑/油比難以大幅度提高；如果取熱器的取熱負(fù)荷過(guò)大，則會(huì)導(dǎo)致再生溫度降低，進(jìn)而造成燒焦速率和燒焦效率的降低。因此，研究者們通過(guò)將取熱器安裝在再生器到反應(yīng)器的輸送管路上開發(fā)出了可靈活調(diào)節(jié)的再生劑調(diào)溫技術(shù)，這一技術(shù)是將冷卻后的再生劑直接送入反應(yīng)器而不是返回再生器。在反應(yīng)器中，由于再生劑溫度相對(duì)較低，為了維持反應(yīng)溫度不變，就需要提高劑/油比和原料預(yù)熱溫度，從而提高油劑接觸效率，改善原料霧化和汽化效果，抑制熱裂化反應(yīng)。因此，該技術(shù)不僅平衡了反-再系統(tǒng)的過(guò)剩熱量，而且可以在不降低反應(yīng)溫度甚至提高反應(yīng)溫度的條件下，實(shí)現(xiàn)高再生溫度、高劑/油比、高原料預(yù)熱溫度的“三高”操作，從而提高轉(zhuǎn)化率，提高摻渣比，改善產(chǎn)品分布。

如圖5所示，趙學(xué)波等[14]公開了一種在再生劑輸送管路上進(jìn)行取熱的方法，即在再生斜管上安裝取熱設(shè)備，冷卻后的再生劑直接送入反應(yīng)器。但這種在線催化劑冷卻器取熱負(fù)荷調(diào)節(jié)彈性較小，在原料性質(zhì)和產(chǎn)品需求變化較大的情況下，該取熱器需要較長(zhǎng)時(shí)間的調(diào)整來(lái)調(diào)節(jié)自身的取熱量，應(yīng)變能力差，可靠性不高，劑/油比不能成為自主變量。如圖6 所示，趙學(xué)波等[15]公開了另一種再生劑冷卻方法，經(jīng)取熱器冷卻后的低溫催化劑分為兩部分：一部分經(jīng)頂部出口管線返回再生器密相段；另一部分用提升風(fēng)輸送至再生劑管線中，與來(lái)自再生器的高溫再生劑混合，降低進(jìn)入反應(yīng)系統(tǒng)的催化劑溫度。此方法過(guò)于復(fù)雜，在保證取熱器床層顆粒正常流化的同時(shí)，還需要大量的輸送風(fēng)將部分冷卻后的催化劑輸送到再生管路中，主風(fēng)利用率較低，能耗及運(yùn)行成本較高。

圖5　再生劑調(diào)溫方法[14]Fig.5　A method of adjusting temperature ofregenerated catalyst[14]

圖6　再生劑冷卻方法[15]Fig.6　A method of decreasing temperature ofregenerated catalyst[15]

郝希仁等[16]公開了一種催化裂化裝置的再生催化劑調(diào)溫設(shè)備，如圖7所示，其主要特征為在再生器密相床的下方設(shè)置催化劑降溫器，再生器密相床通過(guò)設(shè)置在其下部的催化劑抽出斗與催化劑降溫器相連通，降溫后的催化劑直接進(jìn)入反應(yīng)器的預(yù)提升段，無(wú)需返回再生器。本發(fā)明的提出是為了解決現(xiàn)有催化裂化裝置劑/油比無(wú)法根據(jù)實(shí)際要求靈活提高，或劑/油比可調(diào)節(jié)但存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問(wèn)題。吳雷等[17]提出了一種組合式再生劑冷卻技術(shù)，反應(yīng)器為提升管反應(yīng)器，再生器為燒焦罐+床層的燒焦模型。其中一路高溫再生劑自再生器第二密相床流出直接進(jìn)入提升管反應(yīng)器下部；另一路高溫再生催化劑自再生器流出進(jìn)入2個(gè)外取熱器，外取熱器1是承擔(dān)常規(guī)外取熱器和再生劑冷卻器雙重任務(wù)的組合式取熱器，外取熱器2為常規(guī)再生器外取熱器。組合式外取熱器1取熱后的冷卻催化劑一部分經(jīng)外取熱下滑閥返回再生器下部的燒焦罐，承擔(dān)常規(guī)的再生器取熱任務(wù)；另一部分催化劑則經(jīng)過(guò)再生劑冷卻斜管滑閥進(jìn)入提升管下部，在特殊設(shè)計(jì)的冷-熱催化劑混合器中與直接來(lái)自再生器的高溫再生劑混合，參與反應(yīng)。反應(yīng)所需的催化劑活性中心和所需熱量，由此兩部分催化劑共同提供。采用高溫再生劑經(jīng)取熱器冷卻后進(jìn)入反應(yīng)器，可降低混合后的再生劑溫度，從而提高反應(yīng)劑/油比。該技術(shù)主要適用于加工重質(zhì)原料、重油轉(zhuǎn)化深度不夠的裝置。如圖8所示，李群柱等[18]提出了一種冷再生催化劑的循環(huán)方法及裝置，其特征為烴類運(yùn)料在提升管反應(yīng)器與催化劑接觸反應(yīng)，反應(yīng)物流進(jìn)入沉降器進(jìn)行催化劑與油氣的分離，分離出的待生催化劑經(jīng)汽提段汽提后進(jìn)入再生器燒焦再生，再生后的催化劑經(jīng)冷卻后返回提升管反應(yīng)器循環(huán)使用。該方法應(yīng)用廣泛，可用于重油催化裂化、渣油催化裂化、汽油催化轉(zhuǎn)化改質(zhì)等過(guò)程。

圖7　再生催化劑冷卻器[16]Fig.7　Regenerated catalyst cooler[16]

圖8　冷再生催化劑循環(huán)方法[18]Fig.8　Method circulating the cool regenerated catalyst[18]

張永民等[19-20]公開了2種再生煙氣汽提器，將煙氣汽提和再生劑調(diào)溫兩項(xiàng)功能相結(jié)合，不僅使再生劑盡可能地脫除其所夾帶的煙氣，而且還可以降低外取熱器的取熱負(fù)荷。牛風(fēng)賓等[21]也公開了一種再生催化劑的冷卻和汽提設(shè)備，用于解決現(xiàn)有設(shè)備所存在的水蒸氣耗量較高、取熱量和再生催化劑溫度的調(diào)節(jié)范圍較小等問(wèn)題。由于這種組合裝置內(nèi)部均設(shè)有汽提擋板和換熱管束等多種內(nèi)構(gòu)件，所以結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，實(shí)施難度較大。張永民等[22]和石寶珍[23]分別提出了再生催化劑調(diào)溫和汽提的耦合設(shè)備，但與上述3項(xiàng)專利不同的是，他們均將催化劑冷卻器和汽提器串聯(lián)設(shè)置，在調(diào)溫段下部耦合了流通面積較小的汽提段。因此，可以不用或僅用少量汽提蒸汽就可實(shí)現(xiàn)煙氣脫除的功能，最大限度地抑制了再生劑在蒸汽氣氛下的失活效應(yīng)。同時(shí)，通過(guò)設(shè)置再生劑循環(huán)管路，可使再生劑經(jīng)調(diào)溫、脫除煙氣后直接進(jìn)入到提升管反應(yīng)器，這樣不僅可顯著提高催化裂化裝置的劑/油比、再生溫度和原料預(yù)熱溫度，有利于產(chǎn)品分布的改善，而且可兼具煙氣脫除的功能，降低富氣壓縮機(jī)的負(fù)荷和裝置的能耗。

圖9　煙氣汽提器[19]Fig.9　Flue gas stripper[19]

圖10　再生劑調(diào)溫和汽提耦合設(shè)備[22]Fig.10　Equipment coupling the catalyst cooler to stripper[22]

3　傳熱強(qiáng)化技術(shù)及其研究進(jìn)展

雖然外取熱器已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程，但是其長(zhǎng)周期安全運(yùn)行仍面臨諸多問(wèn)題，例如取熱負(fù)荷偏低、催化劑循環(huán)不穩(wěn)定和傳熱管破裂等[24-26]。因此，必須采用傳熱強(qiáng)化技術(shù)，針對(duì)這些不利因素對(duì)外取熱器的傳熱機(jī)理與設(shè)計(jì)優(yōu)化進(jìn)行深入剖析。圖11為由熱催化劑顆粒到換熱管內(nèi)部水的總傳熱過(guò)程示意圖。由圖11可見，在外取熱器內(nèi)部，氣體和催化劑顆粒在流化氣體的作用下呈流化狀態(tài)而與傳熱表面頻繁地接觸，熱量以對(duì)流傳熱的方式從熱顆粒傳遞給傳熱管，進(jìn)一步通過(guò)導(dǎo)熱的方式將熱量傳遞給管內(nèi)的飽和水，飽和水被加熱變成飽和蒸汽，帶走熱量。在整個(gè)傳熱過(guò)程中，總傳熱系數(shù)K(W/(m2·K))可表示為[24]：

(1)

圖11　由熱催化劑顆粒到換熱管內(nèi)部水的總傳熱過(guò)程示意圖Fig.11　Schematic diagram of total heat transfer process fromhot catalysts to water in the heat tubeTb—Temperature of bed, K; Tw—Temperature of tube wall, K;Tf—Temperature of fluid in the tube, K; q—Cooling capacity, W;Φ—Heat transfer capacity from outside of tube to its inside, W；δ—Wall thickness of heat exchanger tube, m

式中，ho為管外催化劑對(duì)管壁的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；hi為管內(nèi)飽和蒸汽對(duì)管壁的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；λ/δ為管壁傳熱系數(shù)，W/(m2·K)，其中δ為管壁厚，m，λ為換熱管導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。管內(nèi)包括飽和水的對(duì)流傳熱和水的沸騰傳熱兩部分，hi根據(jù)循環(huán)倍率的不同有所差異，一般在10000 W/(m2·K)左右。根據(jù)工業(yè)裝置的標(biāo)定，ho的值一般在400～500 W/(m2·K)之間，而δ/λ的值大致為3000 W/(m2·K)。因此，管外顆粒與傳熱管之間的傳熱熱阻為控制性熱阻，傳熱性能的增強(qiáng)直接與顆粒在換熱管表面的流動(dòng)狀態(tài)相關(guān)。根據(jù)外取熱器取熱負(fù)荷(q，W)的計(jì)算公式(式(2))，可以看出，傳熱強(qiáng)化主要通過(guò)增大傳熱系數(shù)ho、傳熱面積Aw(m2)以及床層與傳熱管壁面之間的溫差(Tb—Tw)(其中，Tb為床層溫度，Tw為管壁溫度，單位均為K)3類方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

q=hoAw(Tb-Tw)

(2)

3.1　強(qiáng)化傳熱溫差

工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，增加顆粒循環(huán)量可以提高外取熱器的出口溫度，從而增大傳熱平均溫差。對(duì)于設(shè)置滑閥的外取熱器，可通過(guò)調(diào)節(jié)下滑閥開度來(lái)控制催化劑循環(huán)量，滑閥開度增大，取熱量增大[24]。若整個(gè)外取熱器沒(méi)有設(shè)置滑閥，則僅可依靠外取熱器筒體的流化風(fēng)和返回管的提升風(fēng)進(jìn)行催化劑循環(huán)量的調(diào)節(jié)，通過(guò)高溫催化劑、煙氣流化產(chǎn)出中壓飽和汽，用以調(diào)節(jié)再生器內(nèi)的多余熱量[27]。

3.2　強(qiáng)化傳熱面積

傳熱面積的增加主要是通過(guò)在換熱管表面增加翅片、釘頭棒等內(nèi)構(gòu)件。增加這些內(nèi)構(gòu)件不僅能夠增大換熱面積而且還能夠有效減小氣泡直徑，增大流化介質(zhì)與換熱面的接觸效率，從而提高傳熱效率[28-29]。中國(guó)石化工程建設(shè)公司在對(duì)外取熱器傳熱過(guò)程分析和密相催化劑小型傳熱實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了新型釘頭管外取熱器[30]。圖12為換熱管結(jié)構(gòu)對(duì)傳熱系數(shù)的影響。由圖12可知，在密相流化狀態(tài)下，釘頭管的傳熱系數(shù)要比光管大60%～80%，比縱向翅片管的傳熱系數(shù)大40%以上，且釘頭管的最佳操作氣速為0.3～0.4 m/s，催化劑的最佳操作密度為250～350 kg/m3[31]。

然而，如果翅片或釘頭設(shè)計(jì)不當(dāng)，不僅會(huì)限制顆粒的徑向混合還會(huì)降低顆粒與壁面間的接觸效率，擴(kuò)大壁面效應(yīng)[32]。為了解決現(xiàn)有套管式翅片管的翅片兩端和膨脹縫U形槽的底部易產(chǎn)生裂紋的問(wèn)題，顧月章等[33]公開了一種翅片管，該種管由基管和設(shè)于基管外表面上、與基管的外表面相垂直并縱向設(shè)置的翅片組成。翅片為通長(zhǎng)翅片，兩端為低翅片，高度為18～24 mm，中間部分為高翅片，高度為28～30 mm。相鄰2個(gè)翅片的兩端在基管的軸向上錯(cuò)開布置。

圖12　換熱管結(jié)構(gòu)對(duì)傳熱系數(shù)的影響[31]Fig.12　Effect of heat tube structure on heattransfer coefficient[31]

同時(shí)，王春峰等[34]通過(guò)對(duì)換熱管進(jìn)行實(shí)用性分析發(fā)現(xiàn)，光管加肋片后，傳熱面積增大，傳熱性能有所改善，傳熱系數(shù)提高了一倍，可以節(jié)約大量的換熱面積(如圖13所示)。但是，由于肋片和釘頭與外管的聯(lián)結(jié)處焊接的焊縫聯(lián)結(jié)處理較困難，熱應(yīng)力的存在經(jīng)常導(dǎo)致?lián)Q熱管失常開裂[25,35]，為裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行埋下了安全的隱患。因此，用光管安全性高些，但傳熱系數(shù)相對(duì)較低，相同的傳熱量需要更大的換熱面積。他們提出減小管徑，增加換熱管道的數(shù)量，可以在取熱器外徑不變的情況下增大換熱面積。因此，認(rèn)為小管徑光管的綜合性能要優(yōu)于肋片管。

圖13　換熱管結(jié)構(gòu)對(duì)傳熱系數(shù)的影響[34]Fig.13　Effect of heat tube structure on heattransfer coefficient[34]

3.3　強(qiáng)化傳熱系數(shù)

傳熱系數(shù)與床層動(dòng)力學(xué)和顆?；旌咸匦灾苯酉嚓P(guān)，這些因素包括表觀氣速的選擇、傳熱管的結(jié)構(gòu)和布置方式、氣體分布器的設(shè)計(jì)等。Stefanova等[36-37]在FCC顆粒流化床內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著表觀氣速的增大，床層與垂直傳熱管之間的傳熱系數(shù)先增大后減小，傳熱系數(shù)最大值出現(xiàn)在由鼓泡到湍動(dòng)流態(tài)化域的湍流過(guò)渡點(diǎn)。然而，傳熱系數(shù)的峰值并不會(huì)出現(xiàn)在所有的流態(tài)化系統(tǒng)中。Hilal和Gunn[38]在一個(gè)直徑為290 mm的Geldart B類顆粒流化床的測(cè)量結(jié)果表明，傳熱系數(shù)隨著表觀氣速的增大先逐漸增大，然后保持一個(gè)恒定值不變。

Di Natale等[39]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，空氣動(dòng)力學(xué)形狀越好的內(nèi)浸面，傳熱效果越好。李忠遠(yuǎn)等[40]認(rèn)為，流化床的內(nèi)部構(gòu)件對(duì)改善床層的流化狀態(tài)具有非常重要的作用。在外取熱器內(nèi)，垂直換熱管作為縱向構(gòu)件，雖然能夠在一定程度上改善流化床的氣-固相傳質(zhì)、傳熱效果。但是，在促進(jìn)氣-固相接觸方面，橫向構(gòu)件(如多孔板、篩網(wǎng)、斜片導(dǎo)向擋板、傾斜波紋擋板等)比垂直管束更有效。根據(jù)現(xiàn)有固定內(nèi)構(gòu)件存在的不足，李忠遠(yuǎn)等[40]建議對(duì)現(xiàn)有內(nèi)構(gòu)件進(jìn)行改進(jìn)，使之成為附著在垂直管束上的，能隨床內(nèi)氣流擺動(dòng)的橫向構(gòu)件，以改善傳質(zhì)、傳熱效果。

雖然傳熱系數(shù)受到多種因素的影響，但是當(dāng)外取熱器的幾何結(jié)構(gòu)固定后，傳熱系數(shù)僅可通過(guò)改變操作條件進(jìn)行調(diào)節(jié)。在不同的操作條件下，顆粒在流化床近壁區(qū)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)直接影響著顆粒與壁面間的傳熱[41]。顆粒團(tuán)更新理論[42]認(rèn)為，換熱管表面的傳熱系數(shù)受到顆粒團(tuán)在換熱管表面的平均停留時(shí)間和顆粒團(tuán)分率的共同影響。Lu等[43]通過(guò)假設(shè)氣泡與表面接觸的時(shí)間分率等于氣泡在床內(nèi)體積分?jǐn)?shù)的方法，估算了表面與乳化相的接觸時(shí)間。該接觸時(shí)間為乳化相的平均停留時(shí)間而非實(shí)際停留時(shí)間，且與接觸點(diǎn)的乳化相分率和氣泡頻率相關(guān)。Molerus等[44]則通過(guò)顆粒運(yùn)動(dòng)的概率分析預(yù)測(cè)了顆粒與壁面的接觸時(shí)間。Zarghami等[45]通過(guò)考慮氣泡和顆粒團(tuán)對(duì)壁面的作用，建立了顆粒平均停留時(shí)間的計(jì)算模型。該模型的計(jì)算結(jié)果表明，在湍流床內(nèi)，顆粒平均停留時(shí)間隨著氣速的增大，先增大再減小，在湍流點(diǎn)氣速處，顆粒的平均停留時(shí)間最小，這與傳熱系數(shù)隨表觀氣速的變化趨勢(shì)相一致[36-37]。

盧春喜等[45]根據(jù)顆粒團(tuán)更新理論，通過(guò)綜合分析工業(yè)過(guò)程中常用的上流式和下流式外取熱器內(nèi)氣-固兩相與換熱管之間的作用機(jī)制，借鑒氣-固環(huán)流流化床的設(shè)計(jì)理念，開發(fā)了一種能夠有效提高傳熱系數(shù)和操作彈性的新型環(huán)流床外取熱器[46-47]。如圖14[47]所示，該取熱器底部設(shè)置有2個(gè)獨(dú)立的氣體分布器，處于中心位置的內(nèi)環(huán)分布器用于流化中心區(qū)域的顆粒，處于近壁區(qū)的外環(huán)分布器用于流化近壁區(qū)的顆粒。傳熱管束作為擬導(dǎo)流筒用于分隔向上和向下運(yùn)動(dòng)的流化顆粒。當(dāng)內(nèi)環(huán)表觀氣速大于外環(huán)時(shí)，在中心區(qū)域的顆粒向上運(yùn)動(dòng)，呈上流式外取熱器的流動(dòng)狀態(tài)，在近壁區(qū)的顆粒向下運(yùn)動(dòng)，呈下流式外取熱器的流動(dòng)狀態(tài)，2個(gè)區(qū)域的密度差促進(jìn)顆粒圍繞著傳熱管進(jìn)行內(nèi)循環(huán)運(yùn)動(dòng)，這樣就增加了顆粒在傳熱表面的更新頻率，有利于熱量傳遞。該外取熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳熱效率高、調(diào)節(jié)靈活，還可用于催化裂化再生劑調(diào)溫技術(shù)[22]。

圖14　新型環(huán)流外取熱器[47]Fig.14　New annual external catalyst cooler[47]

圖15　大型冷模實(shí)驗(yàn)中兩種流化床傳熱系數(shù)的比較[49]Fig.15　Comparison of heat transfer coefficients intwo catalyst coolers for big cold model[49]

大型冷模實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明[48-50]，隨著內(nèi)環(huán)氣速的增加，新型環(huán)流床取熱器內(nèi)傳熱系數(shù)先增大再減小；隨著外環(huán)氣速的增加，傳熱系數(shù)逐漸增大。在最優(yōu)操作條件下，相比自由床取熱器，新型環(huán)流床取熱器的傳熱系數(shù)最大可提高約20%，而且環(huán)流床取熱器內(nèi)較少主風(fēng)用量即可達(dá)到與自由床取熱器相同的取熱負(fù)荷，操作彈性也較高。該實(shí)驗(yàn)裝置與工業(yè)FCC外取熱器具有相同結(jié)構(gòu)和水力學(xué)直徑，傳熱管采用翅片管的形式，其內(nèi)部通入熱水以使整根傳熱管成為熱源，通過(guò)測(cè)量傳熱管進(jìn)出口的溫差、管壁和床內(nèi)的溫差確定床內(nèi)總傳熱系數(shù)。在自由床取熱器內(nèi)，傳熱管的表面溫度隨著軸向高度的增加而減?。欢诃h(huán)流床取熱器內(nèi)，傳熱管的中間位置存在一個(gè)溫度的最低點(diǎn)，而且溫度最低點(diǎn)的位置會(huì)隨著表觀氣速的增加而增高。因此，推測(cè)在環(huán)流床內(nèi)存在傳熱強(qiáng)化高度，這個(gè)高度為傳熱管表面溫度最低點(diǎn)與氣體分布器之間的距離。

為了進(jìn)一步證實(shí)傳熱強(qiáng)化高度的存在，明確這一高度范圍內(nèi)傳熱系數(shù)的分布特征以及傳熱強(qiáng)化機(jī)理，Yao等[47,51]建立了一套小型機(jī)理性實(shí)驗(yàn)裝置，以深入探究傳熱強(qiáng)化的主導(dǎo)因素，以及傳熱強(qiáng)化機(jī)理和傳熱管表面的顆粒團(tuán)流動(dòng)規(guī)律。如圖16[47]所示，自由床內(nèi)，傳熱系數(shù)沿軸向分布非常均勻，不存在軸向梯度；而環(huán)流床的傳熱系數(shù)則存在很明顯的軸向梯度分布。在床層下部區(qū)域，環(huán)流床的傳熱系數(shù)明顯大于自由床的傳熱系數(shù)，最大增幅出現(xiàn)在床層底部區(qū)域，隨著軸向高度的增加，增幅逐漸減小。在床層上部區(qū)域，環(huán)流床的傳熱強(qiáng)化作用較小，即使在最大傳熱系數(shù)出現(xiàn)的操作條件下，傳熱系數(shù)的增加也不是很明顯。這充分證實(shí)了環(huán)流床內(nèi)傳熱強(qiáng)化高度的存在。

圖16　徑向平均傳熱系數(shù)的軸向分布[47]Fig.16　Axial profiles of radial average heattransfer coefficients[47] Base catalyst cooler Annular catalyst cooler (u2=0.015 m/s) Annular catalyst cooler (u2=0.045 m/s)

圖17[47]和圖18[47]分別給出了局部區(qū)域傳熱系數(shù)和顆粒團(tuán)參數(shù)隨表觀氣速的變化。由圖17可見，兩種流化床取熱器的傳熱系數(shù)均隨表觀氣速的增大而增大。與自由床相比，環(huán)流床內(nèi)傳熱系數(shù)的增量隨著表觀氣速的增大而逐漸增大，而且，增大外環(huán)氣速會(huì)使傳熱系數(shù)進(jìn)一步增大。如圖18所示，顆粒團(tuán)分率和平均停留時(shí)間均隨表觀氣速的增大而減小，環(huán)流床取熱器的顆粒團(tuán)分率較自由床取熱器的要大，而顆粒團(tuán)平均停留時(shí)間則小于自由床取熱器的(除了u=0.1 m/s的情況)。顆粒團(tuán)更新模型[43]表明，顆粒團(tuán)分率越大，平均停留時(shí)間越小，床層與壁面之間的傳熱系數(shù)就越高。因此，在環(huán)流床內(nèi)傳熱系數(shù)得到提高受顆粒團(tuán)分率增大和平均停留時(shí)間減小的共同作用。

圖17　表觀氣速對(duì)傳熱系數(shù)的影響[47]Fig.17　Effect of superficial gas velocity onheat transfer coefficient[47]

在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，中國(guó)石化洛陽(yáng)分公司Ⅱ套催化裂化裝置出現(xiàn)了外取熱系統(tǒng)難流化、難建立循環(huán)、且無(wú)法靈活調(diào)整外取熱器產(chǎn)汽量等問(wèn)題。王明東等[27,52]通過(guò)分析認(rèn)為，引起上述問(wèn)題的外取熱器關(guān)鍵部件是流化風(fēng)環(huán)，其直接決定了外取熱器的取熱工況。因此，對(duì)外取熱器內(nèi)的流化風(fēng)環(huán)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改造，如圖19所示，改造后流化風(fēng)環(huán)增加了一排斜向下的噴嘴。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，改造后的外取熱器循環(huán)流化和產(chǎn)汽均較之前有大幅度改善，為生產(chǎn)優(yōu)化提供了保障。

4　結(jié)論與展望

作為催化裂化過(guò)程熱平衡的有效調(diào)節(jié)手段，再生催化劑取熱技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中顯得尤為重要。隨著重油或渣油加工深度和難度的不斷提高，再生劑取熱技術(shù)分別發(fā)展了內(nèi)取熱技術(shù)、外取熱技術(shù)和再生劑調(diào)溫技術(shù)。雖然該技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于催化裂化過(guò)程中，但在實(shí)際生產(chǎn)中還會(huì)出現(xiàn)各種問(wèn)題。筆者分別從傳熱溫差、傳熱面積和傳熱系數(shù)三方面綜述了傳熱強(qiáng)化技術(shù)的發(fā)展，并介紹了相應(yīng)的研究和工業(yè)應(yīng)用進(jìn)展。根據(jù)顆粒團(tuán)更新傳熱機(jī)理，闡述了傳熱強(qiáng)化過(guò)程的作用機(jī)制。

圖18　表觀氣速對(duì)顆粒團(tuán)參數(shù)的影響[47]Fig.18　Effect of superficial gas velocity on packet parameters[47](a) Packet fraction; (b) Mean packet residence time

圖19　外取熱器流化風(fēng)環(huán)改造前后對(duì)比[27]Fig.19　Comparison between the original distributorstructure and the engineered one[27]

為了提高再生劑取熱技術(shù)的可靠性和安全運(yùn)行周期，再生劑取熱技術(shù)還需針對(duì)以下幾方面問(wèn)題展開研究：

(1)催化劑流化不均勻：在高溫催化劑入口處，取熱管熱負(fù)荷易出現(xiàn)偏差，產(chǎn)生管子局部過(guò)熱、鼓脹開裂等問(wèn)題；外取熱器突然死床、難以流化，易導(dǎo)致外取熱器出現(xiàn)“半涼半熱”的狀態(tài)，而且死床還會(huì)導(dǎo)致筒體內(nèi)堆積了大量的催化劑，難以實(shí)現(xiàn)完全的流化。

(2)催化劑循環(huán)不佳：催化劑返回管線堵塞，取熱效率降低，導(dǎo)致再生器溫度超高，威脅裝置安全、穩(wěn)定和長(zhǎng)周期運(yùn)行。

(3)取熱管束破壞：取熱管易出現(xiàn)焊接接頭開裂、磨損、沖蝕、蠕變、斷水、干燒等問(wèn)題，導(dǎo)致外取熱器無(wú)法正常運(yùn)行。

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