翼閥出口段直徑變化對(duì)旋風(fēng)分離器料腿-翼閥排料特性的影響

曹曉陽(yáng)，鄧佑鮮，嚴(yán)超宇，魏耀東

(中國(guó)石油大學(xué)(北京)重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249)

翼閥出口段直徑變化對(duì)旋風(fēng)分離器料腿-翼閥排料特性的影響

曹曉陽(yáng)，鄧佑鮮，嚴(yán)超宇，魏耀東

(中國(guó)石油大學(xué)(北京)重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249)

在內(nèi)徑為150 mm、高為5 000 mm的料腿-翼閥冷態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置上，以FCC平衡催化劑為實(shí)驗(yàn)物料，在顆粒質(zhì)量流率為0～50 kg/(m2·s)、負(fù)壓差為0～10 kPa的條件下，考察了翼閥出口段直徑變化對(duì)料腿-翼閥排料特性的影響。結(jié)果表明：翼閥的排料存在兩種形式，即連續(xù)式和間歇式排料；與無(wú)縮徑的料腿-翼閥系統(tǒng)相比，縮徑下料腿-翼閥系統(tǒng)在排料形式、軸向壓力以及閥板張角等方面都存在很大的不同，在相同操作條件下，縮徑下料腿-翼閥系統(tǒng)的閥板張角均小于無(wú)縮徑下的閥板張角。

旋風(fēng)分離器 料腿 翼閥 排料特性

催化裂化裝置中旋風(fēng)分離器的分離性能與其料腿-翼閥的排料過(guò)程密切相關(guān)。翼閥的主要作用是鎖氣排料，即旋風(fēng)分離器捕集的顆粒通過(guò)料腿傳遞到翼閥并向下排出，而氣體不能上竄進(jìn)入料腿[1]。上竄的氣體所形成的漏風(fēng)使旋風(fēng)分離器的分離效率下降[2]，并導(dǎo)致翼閥閥板出現(xiàn)沖蝕磨損[3]。近年來(lái)，人們對(duì)旋風(fēng)分離器料腿內(nèi)的流態(tài)特性和排料方式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量及研究，Wang等[4]運(yùn)用電容層析技術(shù)(ECT)考察了旋風(fēng)分離器料腿內(nèi)不同位置處的氣-固流型的動(dòng)態(tài)行為，得出旋風(fēng)分離器料腿內(nèi)的濃度分布具有一定的周期性變化；張峰等[5]測(cè)量了旋風(fēng)分離器料腿內(nèi)的動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)與流態(tài)的關(guān)系，并分析了壓力脈動(dòng)的傳遞性；Smolders等[6]根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果將翼閥排料流態(tài)劃分為傾卸式、滴流式以及堵塞狀態(tài)；劉人鋒等[3]對(duì)翼閥的排料形式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，觀察排料狀態(tài)并將其劃分為連續(xù)式滴流狀和周期性節(jié)涌狀兩種排料方式；Karri等[7]的分析結(jié)果表明，翼閥系統(tǒng)的閥板質(zhì)量、有無(wú)松動(dòng)風(fēng)、是否浸沒(méi)在流化床中等對(duì)翼閥內(nèi)的流態(tài)特性和下料方式有重要影響。但是前人并沒(méi)有對(duì)翼閥出口段直徑變化對(duì)料腿-翼閥排料特性的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究及討論。

本課題在內(nèi)徑為150 mm、高為5 000 mm的料腿-翼閥實(shí)驗(yàn)裝置上，在常規(guī)翼閥閥體內(nèi)安裝內(nèi)構(gòu)件，使閥體和閥口的流通截面的內(nèi)徑減小，以達(dá)到減少翼閥出口段直徑的目的，并在不同顆粒質(zhì)量流率和負(fù)壓差條件下，研究其對(duì)料腿-翼閥系統(tǒng)排料特性的影響，測(cè)量料腿軸向不同高度的動(dòng)態(tài)壓力以及閥板張角，分析翼閥出口段直徑變化對(duì)翼閥排料特性的影響，以便為料腿-翼閥系統(tǒng)的穩(wěn)定操作和設(shè)計(jì)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)量方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。氣體經(jīng)壓縮機(jī)加壓后進(jìn)入緩沖罐，穩(wěn)壓后的氣體經(jīng)流量計(jì)通入氣箱形成一定的負(fù)壓差，顆粒由上方料斗進(jìn)入旋風(fēng)分離器料腿，順著重力場(chǎng)逆壓力梯度向下流動(dòng)，顆粒流至料腿底部翼閥處，推開(kāi)閥板進(jìn)行排料。實(shí)驗(yàn)中所使用的顆粒為FCC平衡催化劑，平均粒徑為67μm，堆密度為940 kg/m3，顆粒密度為1 520 kg/m3。

為了便于觀察料腿的排料流態(tài)和閥板張角，整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置除翼閥的閥板和吊環(huán)部分用碳鋼制造外，其余部分均由有機(jī)玻璃制造。翼閥閥板的安裝傾斜角度為5°，氣箱箱體上標(biāo)有角度線，以便更好地觀察翼閥閥板的張開(kāi)角度。圖2為改變翼閥出口段直徑的示意圖，其中a=205 mm，b=100 mm，c=320 mm，d=150 mm，縮徑材料均使用有機(jī)玻璃，安裝時(shí)要保證閥板與閥口緊密貼合，以達(dá)到密封的目的。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意1—壓縮機(jī)； 2—緩沖罐； 3—流量計(jì)； 4—翼閥； 5—?dú)庀洌?—蝶閥； 7—料腿； 8—蝶閥； 9—料斗； 10—放大器；11—A/D轉(zhuǎn)換器； 12—計(jì)算機(jī)

圖2 改變翼閥出口段直徑的示意圖

1.2 測(cè)量方法

實(shí)驗(yàn)中的主要控制參數(shù)是顆粒質(zhì)量流率(Gs)和氣箱內(nèi)外的負(fù)壓差(ΔP)。其中氣箱內(nèi)外的負(fù)壓差是通過(guò)U型管來(lái)測(cè)量，而顆粒質(zhì)量流率由料斗底部的蝶閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過(guò)關(guān)閉料腿中部的蝶閥計(jì)量料腿內(nèi)顆粒堆積一定高度所用的時(shí)間進(jìn)行測(cè)定。

將翼閥閥板最低點(diǎn)定義為基線，壓力測(cè)量點(diǎn)距基線的高度分別為0.3，0.9，1.4，2.1，2.7，3.3 m。采用動(dòng)態(tài)壓力傳感器記錄壓力的變化，其量程為0～0.03 MPa，靈敏度為25 Pa/mV，采樣頻率為100 Hz，采樣時(shí)間為300 s， 實(shí)驗(yàn)的負(fù)壓差范圍在0～10 kPa，顆粒質(zhì)量流率范圍在0～50 kg/(m2·s)。為消除噪聲的干擾，所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均經(jīng)過(guò)平滑濾波。

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

通過(guò)改變顆粒質(zhì)量流率和氣箱內(nèi)外的負(fù)壓差，觀察到料腿-翼閥系統(tǒng)存在兩種排料方式，即連續(xù)式股狀排料和間歇式排料，如圖3所示。

連續(xù)式股狀排料：料腿內(nèi)催化劑顆粒呈雨?duì)钕侣?，連續(xù)地從閥板排出，呈稀相排料形式，閥板一直處于開(kāi)啟狀態(tài)，但存在較大的擺動(dòng)，主要是顆粒呈股狀從閥板排出所致。

間歇式排料：由于負(fù)壓差較大和閥板傾斜，開(kāi)始時(shí)閥板呈閉合狀態(tài)，料腿內(nèi)的催化劑顆粒不能推開(kāi)閥板排料，堆積在料腿底部，在料封達(dá)到一定高度即蓄壓足夠大時(shí)，閥板張開(kāi)排料，此時(shí)料封高度還會(huì)繼續(xù)增高，當(dāng)增大到某一值時(shí)，催化劑顆粒呈涌狀從閥口排出，料封高度迅速降低直至消失，隨后在負(fù)壓差的作用下閥板閉合，完成一次排料。

圖3 翼閥的兩種排料狀態(tài)

2.2 軸向壓力和壓力梯度分布

圖4為GS分別為9.2 kg/(m2·s)和25.1 kg/(m2·s)時(shí)，在不同負(fù)壓差條件下，料腿軸向不同高度截面上的壓力分布曲線。從圖中曲線能辨別出料腿-翼閥系統(tǒng)的排料方式，當(dāng)軸向壓力分布曲線類(lèi)似一條斜線時(shí)，排料為連續(xù)式；當(dāng)軸向壓力分布曲線存在明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)時(shí)，排料為間歇式，上述變化均能用于辨別無(wú)縮徑和縮徑下料腿-翼閥系統(tǒng)的不同排料方式。

從圖4可以看出：當(dāng)GS為9.2 kg/(m2·s)、ΔP為4 kPa時(shí)，縮徑下料腿-翼閥系統(tǒng)的軸向壓力較大，主要是由于此時(shí)排料為連續(xù)式，閥板處于常開(kāi)狀態(tài)，箱體內(nèi)高壓氣體會(huì)竄入料腿內(nèi)，導(dǎo)致軸向壓力較大；而當(dāng)GS為9.2 kg/(m2·s)、ΔP為7 kPa時(shí)，其多個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓力很小，主要是此時(shí)排料為間歇式，底部形成一定的料封高度，箱體內(nèi)的高壓氣體并不能竄入，導(dǎo)致底部測(cè)點(diǎn)壓力較大，其余測(cè)點(diǎn)壓力較小。造成軸向壓力曲線不同是由于料腿-翼閥系統(tǒng)內(nèi)排料狀態(tài)發(fā)生變化所致。

■—4 kPa，縮徑； ●—7 kPa，縮徑；□—4 kPa，無(wú)變徑； ○—7 kPa，無(wú)變徑

圖4 不同負(fù)壓差下靜壓力沿料腿軸向的分布■—3 kPa，縮徑； ●—4 kPa，縮徑； ▲—5 kPa，縮徑；□—3 kPa，無(wú)變徑； ○—4 kPa，無(wú)變徑； △—5 kPa，無(wú)變徑

圖5為質(zhì)量流率相同時(shí)，不同負(fù)壓差下料腿-翼閥系統(tǒng)的軸向壓力梯度分布曲線。壓力梯度(ΔPL)由相鄰測(cè)點(diǎn)的壓差與其距離相除獲得。從圖5可明顯地看出，其中存在兩種不同的曲線形式，一種為拋物線形，另一種為類(lèi)似直線形。通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察和視頻錄像發(fā)現(xiàn)：當(dāng)軸向壓力梯度曲線呈拋物線形時(shí)，料腿-翼閥的排料為連續(xù)式；而軸向壓力梯度曲線呈類(lèi)似直線形時(shí)，料腿-翼閥的排料為間歇式。從軸向壓力梯度分布曲線來(lái)看，縮徑與無(wú)縮徑下料腿-翼閥排料均符合上述情況。

■—4 kPa，縮徑； ●—7 kPa，縮徑；▲—4 kPa，無(wú)縮徑； ，無(wú)縮徑

圖5 不同負(fù)壓差下壓力梯度沿料腿軸向的分布■—3 kPa，縮徑； ●—4 kPa，縮徑； ▲—5 kPa，縮徑；，無(wú)縮徑； ◆—4 kPa，無(wú)縮徑； ，無(wú)縮徑

2.3 動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量

2.3.1 連續(xù)式排料 ΔP為2.1 kPa、GS分別為25.0 kg/(m2·s)和17.4 kg/(m2·s)時(shí)有無(wú)縮徑下料腿-翼閥系統(tǒng)的軸向動(dòng)態(tài)壓力曲線見(jiàn)圖6。從圖6可以看出：無(wú)縮徑下，壓力脈動(dòng)曲線是一種低幅值的波動(dòng)曲線，沿軸向向下具有一致性，而且壓力脈動(dòng)也逐漸增大，動(dòng)態(tài)壓力曲線波動(dòng)的幅值約為0.5 kPa；而縮徑下，壓力脈動(dòng)曲線波動(dòng)的幅值增大，約為1.0 kPa，壓力脈動(dòng)沿軸向向下逐漸變強(qiáng)。造成此種現(xiàn)象的原因是，縮徑后導(dǎo)致底部排料約束增強(qiáng)，氣固兩相作用加劇，料腿-翼閥系統(tǒng)的排料方式發(fā)生變化，催化劑顆粒呈股狀連續(xù)地從閥口排出，閥板的擺動(dòng)幅度較大，因此壓力波動(dòng)的幅度較大。

圖6 連續(xù)式排料下料腿-翼閥系統(tǒng)的軸向動(dòng)態(tài)壓力曲線高度/m： —0.3; —0.9; —1.4; —2.1; —2.7; —3.3

2.3.2 壓力脈動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差分析 為描述壓力脈動(dòng)的強(qiáng)度，對(duì)不同測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行壓力脈動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差分析[8-9]。標(biāo)準(zhǔn)偏差可以用于表征壓力脈動(dòng)的強(qiáng)度。

(1)

則任意一個(gè)測(cè)量點(diǎn)的壓力標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd為：

(2)

式中，N為采樣數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。

圖7是ΔP為2.1 kPa、GS為17.4 kg/(m2·s)時(shí)料腿-翼閥系統(tǒng)軸向動(dòng)態(tài)壓力的標(biāo)準(zhǔn)偏差與軸向高度的關(guān)系。從圖7可以看出：在縮徑的情況下，各測(cè)量點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差沿軸向逐漸減少，但基本維持在0.25 kPa左右；而在無(wú)縮徑的情況下，各測(cè)量點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差基本恒定，維持在0.09 kPa左右。從兩者的標(biāo)準(zhǔn)偏差可知，縮徑情況下，壓力脈動(dòng)曲線的波動(dòng)更加劇烈，偏離平均值更大；而無(wú)縮徑時(shí)，壓力脈動(dòng)曲線的波動(dòng)更加平緩，偏離平均值更小。

圖7 壓力脈動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差與軸向高度的關(guān)系

2.3.3 歇式排料 圖8(a)是GS為7.8 kg/(m2·s)、ΔP為7.0 kPa時(shí)料腿-翼閥系統(tǒng)的不同軸向位置處的壓力脈動(dòng)曲線，排料表現(xiàn)為間歇式排料。動(dòng)態(tài)壓力曲線主要存在兩種變化：在前半部分內(nèi)，料腿最底端的兩個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)曲線不同于其余4個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)，主要是初始階段閥板關(guān)閉，催化劑顆粒在料腿底部堆積形成密相床所致。當(dāng)顆粒累積到一定量、對(duì)閥板施加的力足以推開(kāi)閥板時(shí)，開(kāi)始排料且閥板張開(kāi)一定角度，因此底部?jī)蓚€(gè)測(cè)點(diǎn)的壓力曲線先是逐漸增大，隨著料封高度的增加，排料會(huì)快速轉(zhuǎn)變?yōu)楣?jié)涌狀下料，壓力曲線迅速下降，料封高度隨之消失，翼閥排料轉(zhuǎn)變?yōu)榈瘟魇脚帕?，壓力脈動(dòng)曲線波動(dòng)不大，呈現(xiàn)高頻低幅值脈動(dòng)，最終在負(fù)壓差的作用下，閥板慢慢閉合，完成一次排料。圖8(b)是劉人鋒等[3]在無(wú)縮徑料腿-翼閥系統(tǒng)中觀察到的間歇式周期排料狀況，其動(dòng)態(tài)壓力曲線呈鋸齒狀，說(shuō)明其呈周期性變化。壓力上升段對(duì)應(yīng)密相床料位累積段，而壓力陡降段對(duì)應(yīng)節(jié)涌狀排料段，無(wú)縮徑下料腿-翼閥的累積排料速度更快，所用時(shí)間明顯縮短。

圖8 間歇式排料下料腿-翼閥系統(tǒng)的軸向動(dòng)態(tài)壓力曲線高度/m： —0.3; —0.9; —1.4; —2.1; —2.7

2.4 閥板的張角

GS分別為9.2 kg/(m2·s)和38.5 kg/(m2·s)時(shí)翼閥閥板的張角隨負(fù)壓差的變化見(jiàn)圖9，圖中的張角是指閥板擺動(dòng)過(guò)程中的最大張角。從圖9可以看出，閥板張角隨著負(fù)壓差的增加而增大。其原因是：質(zhì)量流率較小且負(fù)壓差較小時(shí)，催化劑顆粒容易沖開(kāi)閥板；而當(dāng)負(fù)壓差較大時(shí)，氣體作用在閥板上的力增大，而顆粒的沖力基本不變，最終在料腿底部堆積，形成一定的料封高度后，閥板隨即打開(kāi)，由于排料量較大，導(dǎo)致閥板張角變大。從圖9還可以看出，縮徑下閥板張角均小于無(wú)縮徑下閥板張角，主要是加入內(nèi)構(gòu)件所致。

圖9 翼閥閥板的張角隨負(fù)壓差的變化

加入直筒型內(nèi)構(gòu)件后導(dǎo)致出口段直徑減小，閥口處的流通面積減小，底部排料的約束力增強(qiáng)，從而導(dǎo)致在恒定的負(fù)壓差下，要想推開(kāi)閥板進(jìn)行排料，料腿內(nèi)的料封高度必須大于無(wú)縮徑下料腿-翼閥系統(tǒng)的料封高度。從力學(xué)角度分析可知，將翼閥吊環(huán)處設(shè)為支點(diǎn)，在翼閥出口段直徑減小的情況下，閥板內(nèi)側(cè)表面與閥口內(nèi)顆粒接觸的面積減小，在相同的料腿顆粒料封高度下，顆粒推動(dòng)閥板所產(chǎn)生的力矩小于無(wú)縮徑下料腿-翼閥系統(tǒng)中顆粒沖擊閥板的力矩，所以若要推開(kāi)翼閥進(jìn)行排料，就需要更高的顆粒料封高度?？s徑下閥板的張角小于無(wú)縮徑下閥板的張角，這也可以從力學(xué)角度進(jìn)行分析，即顆粒沖擊閥板所產(chǎn)生的力矩小于無(wú)縮徑下料腿-翼閥系統(tǒng)所產(chǎn)生的力矩，造成張角小于后者；還有一個(gè)原因是翼閥出口段直徑減小后導(dǎo)致顆粒流通面積減小，但是翼閥卻仍然使用未縮徑時(shí)的翼閥閥板，此時(shí)翼閥閥板對(duì)閥口施加的作用力較大，與縮徑的閥口并不匹配，也會(huì)造成張角變小。為了減少閥板對(duì)閥口的作用力，可以從以下兩個(gè)方面進(jìn)行調(diào)節(jié)：一是選用質(zhì)量較輕的閥板來(lái)進(jìn)行匹配；二是將翼閥閥板的安裝角度調(diào)小。

3 結(jié) 論

(1) 在縮徑下料腿-翼閥系統(tǒng)中存在兩種排料方式：一種是連續(xù)式股狀排料，料腿內(nèi)催化劑顆粒流動(dòng)呈雨?duì)钕侣?，催化劑顆粒連續(xù)從閥板排出，呈稀相排料形式，閥板一直處在開(kāi)啟狀態(tài)，但存在較大的擺動(dòng)；另一種是間歇式排料，初始閥板閉合，累積料封，形成初始蓄壓，隨后閥板張開(kāi)排料，呈密相排料形式，料封高度消失，閥板張角逐漸減少并最終閉合。

(2) 從動(dòng)態(tài)壓力曲線能分辨兩種排料方式，連續(xù)式排料的動(dòng)態(tài)壓力曲線呈低頻高幅值脈動(dòng)，沿軸向向下具有相似性；而間歇式排料的動(dòng)態(tài)壓力曲線卻不同于前者，由于一開(kāi)始形成密相床排料，底部測(cè)點(diǎn)的壓力逐漸增大，當(dāng)轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)排料時(shí)，動(dòng)態(tài)壓力曲線呈高頻低幅值波動(dòng)，沿軸向向下具有相似性。

(3) 在相同操作條件下，縮徑下料腿-翼閥系統(tǒng)的閥板張角均小于無(wú)縮徑下的閥板張角。

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EFFECT OF OUTLET DIAMETER OF TRICKLE VALVE ON DISCHARGE CHARACTERISTICS OF CYCLONE DIPLEG-TRICKLE VALVE

Cao Xiaoyang， Deng Youxian， Yan Chaoyu， Wei Yaodong

(StateKeyLaboratoryofHeavyOilProcessing，ChinaUniversityofPetroleum，Beijing102249)

A cold model experiment was conducted in a cyclone dipleg with 150 mm inner diameter and 5 000 mm high fitted with trickle valve. FCC equilibrium catalyst was used as experimental materials. The effect of outlet inner diameter on the discharge characteristics of cyclone dipleg with trickle valve under the conditions of solid mass flux (Gs) of 0—50 kg/(m2·s) and negative pressure difference (ΔP) of 0—10 kPa was investigated. The experimental results show that there are two types of discharges， i.e. continuous discharge and intermittent discharge. The discharge forms， axial pressures and flapper plate opening angle were affected by changes of ID of trickle valve outlet， compared with conventional cyclone dipleg-trickle valve. Under the same operating conditions， the flapper plate opening angles of the cyclone dipleg-trickle valve with smaller ID of outlet pipe are all less than the case with larger ID of trickle valve outlet.

cyclone separator； dipleg； trickle valve； discharge characteristics

2015-05-06； 修改稿收到日期： 2015-06-20。

曹曉陽(yáng)，碩士研究生，化工過(guò)程機(jī)械專(zhuān)業(yè)。

嚴(yán)超宇，E-mail：yanchaoyu@sina.com。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21176250)；中國(guó)石油大學(xué)(北京)基本科研基金項(xiàng)目(KYJJ2012-03-13)；中國(guó)石油大學(xué)(北京)科研基金資助項(xiàng)目(2462015YQ0301)。參加本工作的還有周發(fā)戚、陳勇。