催化裂化裝置提升管內(nèi)劑油比實時檢測方法的研究

賀 嬌，王 迪，孫立強，王江云，魏耀東

(1.中國石油大學(xué)(北京)克拉瑪依校區(qū)工學(xué)院，新疆 克拉瑪依 834000；2.中國石油大學(xué)(北京)重質(zhì)油國家重點實驗室；3.過程流體過濾與分離技術(shù)北京重點實驗室)

催化裂化裝置(FCCU)操作過程中的劑油比(催化劑質(zhì)量流率與油氣質(zhì)量流率的比值)參數(shù)是提升管反應(yīng)器操作和控制的關(guān)鍵變量之一，直接影響到進料油品的反應(yīng)深度和裂化產(chǎn)品分布[1-3]，因此對劑油比進行現(xiàn)場在線檢測是非常必要的。但傳統(tǒng)的基于熱平衡法計算劑油比只能離線進行，而且精度比較低，數(shù)據(jù)滯后，無法滿足工藝過程實時控制的要求[4]。目前實驗室循環(huán)流化床裝置上通常采用直接觀察法、蝶閥測量法、切換法等進行顆粒質(zhì)量流率測量。工業(yè)裝置上采用文丘里管法[5-6]測量管內(nèi)顆粒質(zhì)量流率，但該方法不適用于提升管反應(yīng)器的筒型結(jié)構(gòu)，而且增加了壓力降。

由于FCCU提升管反應(yīng)器生產(chǎn)過程的危險性和復(fù)雜性，在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，劑油比在線檢測尚無實用的有效方法。為此，本研究利用提升管出口特有的T型彎頭結(jié)構(gòu)及其壓降特性[7-10]，在不改變原有提升管出口結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種可以對劑油比進行實時檢測的方法。

1 測量模型

圖1是提升管出口T型彎頭結(jié)構(gòu)和氣固兩相流流態(tài)示意。在T型彎頭內(nèi)，來自提升管底部的氣固兩相流垂直上行流動，在T型彎頭內(nèi)急轉(zhuǎn)90°成水平運動。對于氣體而言，由于盲管部分是一個滯留區(qū)，來自提升管的氣流大部分轉(zhuǎn)向水平管流出，小部分在慣性作用下進入盲管區(qū)域，然后再轉(zhuǎn)向流入水平管。對于顆粒而言，提升管內(nèi)氣體攜帶顆粒流動到達提升管頂部時，部分顆粒在慣性作用下脫離流線流動到盲管區(qū)域，在頂部形成顆粒堆積，然后再折流而下流向水平管；部分顆粒直接轉(zhuǎn)向流進水平管。

圖1 T型彎頭內(nèi)氣固兩相流流態(tài)示意

催化裂化裝置提升管反應(yīng)器的出口設(shè)置T型彎頭是為了避免氣固兩相流對器壁的沖蝕磨損。T型彎頭盲管部氣體速度急速降低，以及形成的顆粒堆積抑制了催化劑對器壁的沖蝕。但也導(dǎo)致了T型彎頭具有較高的能量損失，存在較大的壓降。

T型彎頭進口1和出口2之間的氣固兩相流的伯努利方程見式(1)。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：Vg1和Vs1分別為進口1的氣相和固相的速度，ms；Vg2和Vs2分別為出口2的氣相和固相的速度，ms；Cs為顆粒濃度，kgm3；ρg為氣體密度，kgm3；P1為T型彎頭進口1處壓力，Pa；P2為T型彎頭出口2處壓力，Pa；ΔPf為摩擦部分的損失壓降，Pa；D為提升管內(nèi)徑，m；d為水平管內(nèi)徑，m；ζ為彎管阻力系數(shù)。

ζ需通過試驗確定。代入式(1)，得到式(5)。

(5)

將式(5)整理可得式(6)。

(6)

(7)

式中，ξ為截面直徑變化阻力系數(shù)。

式(6)表明T型彎頭出口結(jié)構(gòu)的壓降與提升管內(nèi)的顆粒濃度Cs呈一次方關(guān)系，與氣體速度Vg1和固相速度Vs1呈二次方關(guān)系。

由顆粒濃度Cs與顆粒速度Vs1得到顆粒質(zhì)量流率Gs[kg(m2·s)]，如式(8)所示。

Gs=Cs×Vs1

(8)

設(shè)氣體速度Vg1與顆粒速度Vs1之比為滑移因子φ。

(9)

φ=1+5.6(gD)0.5Vg1+0.47[Ut(gD)0.5]0.41

(10)

(11)

式中：Ut為顆粒的終端速度，ms；dp為顆粒粒徑，μm。

將式(8)和式(9)代入式(6)整理可得式(12)。

(12)

將式(12)整理可得式(13)，表明顆粒質(zhì)量流率與壓降成線性關(guān)系。

(13)

2 測量模型的試驗驗證

2.1 試驗裝置

圖2是提升管及循環(huán)流化床試驗裝置。提升管尺寸(直徑×長度)為186 mm×12 500 mm，T型彎頭的盲管高度為50 mm，水平管直徑為136 mm。試驗物料為FCC平衡催化劑，平均粒徑約為67 μm，堆密度為940 kgm3，顆粒密度約為1 520 kgm3。

圖2 提升管及循環(huán)流化床試驗裝置

催化劑質(zhì)量流率由返料斜管上的蝶閥控制。催化劑質(zhì)量流率由閘閥測量，測量方法是通過關(guān)閉閥在一定時間內(nèi)計量料腿內(nèi)的催化劑堆積量進行測定。提升管氣速Ug用轉(zhuǎn)子流量計測量。T型彎頭的壓降通過U形管和壓力傳感器測量，測量點1和2的位置見圖2。

2.2 模型驗證與評估

圖3是提升管氣速Ug分別取7.2，9.2，10.2 ms時，在不同催化劑顆粒質(zhì)量流率Gs下測量得到的T型彎頭的壓降ΔP。由圖3可知，T型彎頭的壓降ΔP與催化劑顆粒質(zhì)量流率Gs有較好的線性關(guān)系，通過試驗數(shù)據(jù)回歸后得出ζ=2.99。

圖3 T型彎頭顆粒質(zhì)量流率Gs與壓降ΔP的關(guān)系

圖4是顆粒質(zhì)量流率Gs試驗值與式(13)計算值的比較。由圖4可知，計算值與試驗值的相對誤差基本在15%以內(nèi)，計算值與試驗值吻合較好。

圖4 顆粒質(zhì)量流率Gs計算值與試驗值比較

3 實時檢測方法的實施

在FCCU提升管出口T型彎頭上實施顆粒質(zhì)量流率Gs測量時，不需要改變提升管出口的結(jié)構(gòu)，僅需要在T型彎頭的進口和出口的合適位置設(shè)置兩個壓力傳感器，通過測量壓力獲得壓降ΔP，再通過油氣量和提升蒸汽量確定提升管油氣混合氣速Vg1和油氣混合密度ρg，按照式(13)計算得到提升管的顆粒質(zhì)量流率Gs，則劑油比M為：

(14)

由于提升管T型彎頭的壓降較大，測量結(jié)果具有較高的抗干擾性和時間跟隨性，可以達到實時測量的要求。

4 結(jié) 論

針對FCCU提升管劑油比實時測量困難的問題，利用提升管出口T型彎頭壓降特性，建立了提升管內(nèi)顆粒質(zhì)量流率實時檢測的方法，進而獲得劑油比參數(shù)。通過考察T型彎頭的壓降與提升管氣速、顆粒質(zhì)量流率之間的關(guān)系，獲得提升管內(nèi)顆粒質(zhì)量流率測量模型。試驗結(jié)果表明了該檢測方法的可行性和數(shù)據(jù)的可測性。該檢測方法不改變提升管的出口結(jié)構(gòu)，直接利用T型彎頭的阻力特性，測量過程安全簡單，測量結(jié)果具有實時性。