FCC沉降器結(jié)焦問題的研究進(jìn)展

王 娟， 余海艷， 解 凱， 徐皓晗， 王 壯， 王江云, 毛 羽

(1.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；2.過程流體過濾與分離技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249)

流化催化裂化(Fluid catalytic cracking, FCC)是重油加工過程中的一種重要工藝，在國(guó)內(nèi)石油加工工業(yè)中占有舉足輕重的地位[1]。沉降器是催化裂化反應(yīng)再生系統(tǒng)的重要組成裝備之一，其主要作用是將反應(yīng)油氣與催化劑進(jìn)行分離，并將待生催化劑引入再生器燒焦再生，反應(yīng)油氣則通過油氣管線進(jìn)入分餾塔進(jìn)行餾分切割[2]。近年來(lái)，隨著石油資源的緊張，原料油的重質(zhì)化、劣質(zhì)化以及摻渣率不斷提高，原料性質(zhì)越來(lái)越差，使得產(chǎn)物分布及產(chǎn)品質(zhì)量變差，沉降器結(jié)焦問題日益嚴(yán)重，已成為影響催化裂化裝置平穩(wěn)操作和長(zhǎng)周期安全運(yùn)行的重大隱患[3]。結(jié)焦物占據(jù)了一定的流動(dòng)空間，使流動(dòng)阻力增加及設(shè)備性能有所下降，同時(shí)降低催化劑的活性，從而影響催化劑的效果[4-5]。當(dāng)操作發(fā)生波動(dòng)時(shí)，由于焦塊與鋼材的熱膨脹系數(shù)不同，很容易引起焦塊脫落，堵塞沉降器汽提段和分離器料腿，輕則導(dǎo)致催化劑循環(huán)不暢或催化劑大量跑損，重則導(dǎo)致催化劑循環(huán)終止，裝置被迫停工，增加了裝置檢修的工作量及難度，給企業(yè)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失[6-7]。

目前，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者都對(duì)催化裂化沉降器結(jié)焦問題進(jìn)行了相關(guān)的研究，然而對(duì)于結(jié)焦問題的系統(tǒng)性分析總結(jié)，研究報(bào)道尚很少見。筆者通過調(diào)研前人對(duì)沉降器結(jié)焦問題的研究分析，系統(tǒng)地總結(jié)了結(jié)焦的部位及原因、結(jié)焦物的基本特性、結(jié)焦機(jī)理、結(jié)焦的影響因素及結(jié)焦的應(yīng)對(duì)措施，以期為沉降器的優(yōu)化操作提供參考。

1 沉降器結(jié)焦部位及原因

催化裂化裝置在長(zhǎng)久運(yùn)行的過程中，容易出現(xiàn)結(jié)焦問題[8]。工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐[6,9-10]和學(xué)術(shù)研究[11]表明，沉降器中容易出現(xiàn)結(jié)焦的部位主要有提升管進(jìn)料噴嘴上方區(qū)域、穹頂內(nèi)壁、集氣室內(nèi)壁、粗旋及頂旋外壁、粗旋及頂旋料腿、頂旋升氣管外壁和汽提段，如圖1所示。結(jié)焦是烯烴、芳烴類、部分未氣化重組分等混合物發(fā)生縮合反應(yīng)的過程，以催化劑顆粒為中心并逐漸長(zhǎng)大[12]。目前的研究表明[13-15]，沉降器結(jié)焦必須具備2個(gè)條件：①存在易結(jié)焦物質(zhì)；②具備結(jié)焦的環(huán)境和條件。結(jié)焦物質(zhì)包括油氣組分、油液滴(未氣化的液滴和冷凝形成的液滴)和催化劑顆粒，是沉降器結(jié)焦的內(nèi)因。沉降器內(nèi)氣、固多相流動(dòng)，傳熱和傳質(zhì)的狀況(流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、催化劑含量和壓力分布) 為結(jié)焦提供了必要的環(huán)境條件，是沉降器結(jié)焦的外因。沉降器結(jié)焦問題是內(nèi)、外因綜合作用的結(jié)果。

A—The inner wall of the plenum； B—The area above the risernozzle； C—The outer wall of rough-cut cyclone； D—The dipleg ofrough-cut cyclone； E—Stripper； F—The dipleg of secondary cyclone；G—The outer wall of secondary cyclone； H—The outer wall ofvortex finder of secondary cyclone； I—The inner wall of dome圖1 沉降器結(jié)焦部位示意圖Fig.1 Schematic diagram for coking parts of the disengager

1.1 沉降器結(jié)焦內(nèi)因分析

進(jìn)入沉降器的介質(zhì)包括提升管反應(yīng)器出口的油氣和催化劑顆粒。反應(yīng)油氣包括以氣相形式存在的裂化氣、汽油、柴油、回?zé)捰?、油漿以及以液相形式存在的重組分[13]。目前的研究表明[14]，沉降器內(nèi)反應(yīng)油氣中的氣相組分不結(jié)焦，沉降器結(jié)焦的內(nèi)在原因是液相重組分。反應(yīng)油氣的液相組分包括未汽化的液滴和重組分冷凝后形成的液滴。這些液滴以自由沉降、自由擴(kuò)散或黏附的方式低速運(yùn)動(dòng)并沉積在器壁或內(nèi)構(gòu)件表面。部分液相中的重芳烴含有3個(gè)以上的芳環(huán)，芳環(huán)在高溫下很難斷裂開；相反重芳烴的側(cè)鏈在高溫下斷裂后易縮合成稠環(huán)芳烴，它在高溫下會(huì)發(fā)生脫氫縮合反應(yīng)而生成焦炭。膠質(zhì)和瀝青質(zhì)含有5個(gè)以上芳環(huán)，屬于稠環(huán)芳烴，在高溫條件下也會(huì)發(fā)生脫氫縮合反應(yīng)后生成焦炭[13,16-17]。

油氣中的催化劑顆粒與高沸點(diǎn)未氣化的組分接觸形成“濕催化劑”。這些“濕催化劑”也會(huì)低速運(yùn)動(dòng)并沉積在器壁或內(nèi)構(gòu)件表面，油液滴和催化劑顆粒交錯(cuò)層疊，有時(shí)油液滴包裹著催化劑顆?；驃A在堆積的催化劑顆粒之間。隨著“濕催化劑”中重組分脫氫縮合反應(yīng)的進(jìn)行，最終生成焦炭，“濕催化劑”中催化劑顆粒構(gòu)成了焦炭的一部分[13,18]。此外，“濕催化劑”中未氣化重組分與沉降器油料中較多的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)在高溫下會(huì)發(fā)生激烈的化學(xué)反應(yīng)，形成焦炭、烯烴及二烯烴，烯烴和二烯烴非?；顫姡诟邷叵氯菀装l(fā)生聚合和環(huán)化反應(yīng)，生成稠環(huán)芳烴，最終脫氫縮合生成焦炭[17,19]。

1.2 沉降器結(jié)焦外因分析

1.2.1 流場(chǎng)分布對(duì)結(jié)焦的影響

沉降器內(nèi)的流場(chǎng)分析表明[20]，沉降器內(nèi)各個(gè)區(qū)域的油氣流速有很大的差異，如圖2所示。根據(jù)油氣流速大小可以將沉降器空間劃分為3個(gè)區(qū)域：①油氣靜止區(qū)域；②油氣低速流動(dòng)區(qū)域；③油氣高速區(qū)域。在油氣靜止和油氣低速流動(dòng)區(qū)域，油氣容易聚集，停留時(shí)間增長(zhǎng)，不僅油氣和催化劑顆粒黏附并一起運(yùn)動(dòng)沉積到壁面的機(jī)率增大，而且更易于發(fā)生生焦反應(yīng)。在油氣高速運(yùn)動(dòng)區(qū)域，油氣停留時(shí)間短，由于油氣的沖刷作用，不僅油氣和催化劑黏附沉積在壁面的機(jī)率小，而且即使黏附在壁面上也不牢固,難以發(fā)生生焦反應(yīng)。因此，沉降器的生焦速率與油氣流速及油氣停留時(shí)間密切相關(guān)，生焦速率與油氣流速成反比，而與油氣停留時(shí)間成正比[21-22]。

Ⅰ—Low velocity zone; Ⅱ—High velocity zone;Ⅲ—Dense phase zone圖2 FCC沉降器內(nèi)部流場(chǎng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of flow field in the FCC disengager

1.2.2 溫度場(chǎng)分布對(duì)結(jié)焦的影響

沉降器內(nèi)的溫度分布情況直接影響著油氣的汽化冷凝和油氣熱裂化反應(yīng)進(jìn)行程度，從而影響著沉降器內(nèi)的結(jié)焦情況[13]。沉降器內(nèi)的溫度場(chǎng)研究表明[23-24]，沉降器內(nèi)油氣溫度分布并不是均勻的，在沉降器內(nèi)壁附近存在低于油氣露點(diǎn)的低溫區(qū)，而在沉降器內(nèi)其他區(qū)域油氣溫度較高。沿著沉降器軸向從下而上，油氣溫度在整個(gè)沉降器空間內(nèi)近似呈兩頭高中間低的凹狀分布。沿著沉降器空間徑向溫度分布相對(duì)較均勻，但在粗旋排氣管出口和料腿出口存在局部高溫，這是由于在高速高溫下油氣從粗旋排氣管離開并迅速進(jìn)入頂旋入口，對(duì)周圍空間溫度影響很小，形成局部高溫，而大量高溫催化劑夾帶少量油氣從粗旋料腿排出，此處也形成局部高溫[25-26]。當(dāng)油氣在流動(dòng)過程中遇到低溫區(qū)域時(shí)，其重組分因達(dá)到露點(diǎn)而冷凝為液滴，溫度越低，冷凝率越大，形成的液滴越多，黏附在壁面上的機(jī)率越大，其黏附壁面的液滴數(shù)量越多，生成的焦炭就越多。

1.2.3 催化劑含量分布對(duì)結(jié)焦的影響

焦物分析結(jié)果表明[16,18]，沉降器內(nèi)的焦塊中含有催化劑，催化劑是焦炭的主要組成。對(duì)于沉降器中重組分液滴而言，催化劑顆粒起到了結(jié)焦中心的作用，凡是沉降器中容易積存催化劑的地方，結(jié)焦都比較嚴(yán)重，在催化劑濃度高的區(qū)域，黏附在壁面上的催化劑增多，生成的焦炭量增加[27]。因此,沉降器內(nèi)催化劑濃度分布情況對(duì)結(jié)焦過程也存在著一定的影響。催化劑濃度分布研究表明[23-24,28]，催化劑濃度沿軸向從下向上逐漸減小，在沉降器內(nèi)形成了非常明顯的密相區(qū)和稀相區(qū)。此外，在粗旋肩部、頂旋肩部、粗旋入口管等區(qū)域也沉積有一定量的催化劑。

1.2.4 壓力分布對(duì)結(jié)焦的影響

壓力分布研究表明[11,29-30]，沉降器內(nèi)油氣壓力分布不均，根據(jù)壓力范圍可以將沉降器空間劃分為3個(gè)區(qū)域：①高壓區(qū)(粗旋及提升管內(nèi)部區(qū)域)；②低壓區(qū)(頂旋內(nèi)部區(qū)域)；③中壓區(qū)(沉降器空間)，如圖3所示。反應(yīng)器結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了油氣的流動(dòng)方向和流場(chǎng)分布，進(jìn)而影響壓力分布，從而影響了油氣停留時(shí)間，最終影響結(jié)焦?fàn)顩r。

Ⅰ—High pressure area; Ⅱ—Medium pressure area;Ⅲ—Low pressure area; Ⅳ—Dense phase zone圖3 FCC沉降器內(nèi)部壓力分布Fig.3 Pressure distribution in the FCC disengager

2 沉降器中結(jié)焦物的基本特性

2.1 結(jié)焦物分類

由于催化裂化反應(yīng)的操作條件及設(shè)備構(gòu)造不同，生成的結(jié)焦物也不盡相同，結(jié)焦物的歸類分析對(duì)提出防止結(jié)焦措施具有重要的指導(dǎo)意義。結(jié)焦物的分類標(biāo)準(zhǔn)多樣。宋健斐等[18,31]、胡敏等[32]根據(jù)焦的宏觀特征將其分為3類：軟焦、中性焦和硬焦。軟焦是催化劑顆?；蛴蜌庠谟蜌忪o止空間以自由沉降和擴(kuò)散方式堆積在器壁表面而發(fā)生的結(jié)焦物。其表面為黑灰色，含有大量催化劑顆粒和空隙，質(zhì)地松散易粉碎，主體是催化劑顆粒，焦分布在催化劑顆粒之間或表面，形成的焦量大，危害最大，多發(fā)生于油氣流速較低或相對(duì)靜止的區(qū)域。中性焦是催化劑顆?；蛴蜌庠谟蜌饬魉龠\(yùn)動(dòng)到器壁表面而發(fā)生的結(jié)焦物,其為灰黑色外觀，斷面有許多微孔，質(zhì)地較致密堅(jiān)硬，大多發(fā)生在油氣流速較低的區(qū)域。硬焦是油氣液滴和細(xì)小催化劑顆粒在油氣流動(dòng)狀態(tài)下在器壁表面的附面層內(nèi)以沉積方式黏附在器壁表面形成的結(jié)焦物,其為烏黑發(fā)亮外觀，表面光滑并有明顯的沖刷痕跡，結(jié)構(gòu)致密，質(zhì)地堅(jiān)硬,敲擊有金屬聲音，主體是焦，焦連成一體，催化劑擠在焦體之間，分布在油氣流速較高、速度梯度變化較大、催化劑濃度較低的區(qū)域。邢穎春等[21]、Wang等[33]根據(jù)焦的產(chǎn)生方式將其分為4類：催化焦、附加焦、可汽提焦、污染焦。催化焦是烴類在催化劑活性中心上反應(yīng)時(shí)生成的焦?？善峤故窃谄崞鲀?nèi)因汽提不完全而殘留在催化劑上的重組分烴類生成的焦。污染焦是重金屬沉積在催化劑表面上促進(jìn)油氣脫氫縮合反應(yīng)而產(chǎn)生的焦。附加焦是原料中生焦前身物(主要是膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等高沸點(diǎn)、稠環(huán)芳烴化合物)在催化劑表面或其他表面上脫氫縮合反應(yīng)生成的焦，前期以液態(tài)或液滴方式存在。宋健斐[31]、魏耀東等[16]根據(jù)焦的微觀特征將其劃分為4類：絲狀焦、滴狀焦、塊狀焦、顆粒焦。絲狀焦是鐵、鎳金屬元素催化烴類氣體以及易生焦物發(fā)生脫氫縮合反應(yīng)，以催化劑顆粒形成結(jié)焦中心并逐漸長(zhǎng)大；絲的根部固定在催化劑顆粒表面，絲的直徑變化不大，但長(zhǎng)短不一，無(wú)明顯的方向性，彎曲盤繞。滴狀焦是稠環(huán)芳烴發(fā)生脫氫縮合反應(yīng)并且高沸點(diǎn)未汽化油滴黏附在催化劑顆?；蚱鞅诒砻嫘纬傻摹敖购恕薄Ｆ涓街诖呋瘎┍砻婊蚪Y(jié)焦的表面，大小不同的多個(gè)滴狀焦相互重疊，形成堆積狀。塊狀焦是高沸點(diǎn)未汽化油滴相互溶解后再發(fā)生脫氫縮合反應(yīng)或聚合環(huán)化反應(yīng)形成的。其主體是焦，焦融合在一起形成焦塊，催化劑顆粒被包裹在焦體之中。顆粒焦是油氣在氣相中發(fā)生脫氫縮合反應(yīng)或聚合環(huán)化反應(yīng)形成微小結(jié)焦顆粒并相互團(tuán)聚形成的。其為白色細(xì)小顆粒，散落在其他結(jié)焦表面或催化劑顆粒表面。各類焦的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及產(chǎn)生原因迥異， FCC沉降器內(nèi)的結(jié)焦物一般是多種結(jié)焦物分類方式的綜合。

2.2 結(jié)焦物組成

沉降器內(nèi)不同部位的結(jié)焦其主要成分有很大的差異，這種差別與油氣組分、溫度、停留時(shí)間、流動(dòng)狀態(tài)等因素有關(guān)[7]。鈕根林等[34]、宋健斐[31]對(duì)不同部位結(jié)焦物組分組成進(jìn)行研究，結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明：結(jié)焦物灰分含量較高，不同部位的結(jié)焦物其灰分含量不同，范圍為質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%～70%，其他主要為C、H、S和N等元素，這些元素均為原料本身所含有的元素。結(jié)焦物的H/C質(zhì)量比很低，約為0.015～0.041，說明它是一種高度碳化的焦。焦塊中灰分的組成為：硅(以SiO2計(jì))45.0%，鋁(以Al2O3計(jì))47.3%，鐵(以Fe2O3計(jì))2.47%，鈣(以CaO計(jì)) 0.55%。由表2還可以看出，灰分主要由鋁和硅2種元素組成，而這2種元素基本是催化劑的主要成分，因此，灰分就是催化劑顆粒。綜上所述，焦塊基本由C、H 2種元素和催化劑組成，是一種高度碳化的焦。

表1 沉降器內(nèi)不同部位焦塊的組分Table 1 Components of coke blocks in different parts of the disengager

3 沉降器結(jié)焦機(jī)理分析

結(jié)焦機(jī)理很復(fù)雜，是一系列化學(xué)反應(yīng)和物理變化相互結(jié)合共同產(chǎn)生的綜合結(jié)果[4,35]。目前對(duì)于沉降器結(jié)焦機(jī)理的研究主要有2類[4]：

(1)化學(xué)反應(yīng)過程機(jī)理，又可以分為3種[2,36]：(a)重組分高溫縮合機(jī)理，未汽化的原料重組分黏附在器壁或催化劑顆粒表面上，在沉降器操作條件下發(fā)生縮合反應(yīng)后生成焦炭；(b)相分離生焦機(jī)理，油漿等重餾分具有膠體體系的行為特征，重油液相熱轉(zhuǎn)化過程中的結(jié)焦,實(shí)際上就是膠體體系的相分離過程；(c)自由基反應(yīng)機(jī)理，在反應(yīng)混合油氣中，由于發(fā)生自由基反應(yīng)而產(chǎn)生大量的聚合物，這些聚合物進(jìn)一步縮合生成焦炭。

(2)油劑流動(dòng)、焦體沉積與增長(zhǎng)過程機(jī)理[4]。結(jié)焦主要分2步：第一步形成結(jié)焦前體；第二步結(jié)焦前體在壁面黏附、固化積累和增長(zhǎng)形成焦塊。

4 沉降器結(jié)焦的主要影響因素

4.1 沉降器操作條件對(duì)結(jié)焦的影響

4.1.1 原料性質(zhì)的影響

原料性質(zhì)是導(dǎo)致沉降器結(jié)焦的本質(zhì)因素[37-38]。原料性質(zhì)越差,殘?zhí)苛吭礁撸辉现械某憝h(huán)芳烴、膠質(zhì)及瀝青質(zhì)等重組分含量越高，高沸點(diǎn)組分含量越多，這不但導(dǎo)致原料在提升管內(nèi)的氣化率降低，形成的濕催化劑含量增多，生焦能力增強(qiáng)，而且反應(yīng)產(chǎn)物中重組分含量也同時(shí)增多，為結(jié)焦提供了內(nèi)因[33,39-40]。

4.1.2 催化劑的影響

催化劑是焦塊形成的重要條件之一。催化劑含量對(duì)沉降器結(jié)焦影響重大[41]。催化劑含量越高，裂化反應(yīng)越劇烈，就會(huì)生成更多的焦炭。孟憲苓等[42]考察了在反應(yīng)溫度380 ℃、反應(yīng)時(shí)間40 min條件下催化劑含量對(duì)油漿系統(tǒng)生焦性能的影響，發(fā)現(xiàn)油漿中催化劑含量越大，反應(yīng)系統(tǒng)生焦量越大。王剛等[43]發(fā)現(xiàn)：對(duì)于平均沸點(diǎn)較低的油漿重餾分，隨著催化劑含量增大，其生焦率增加趨勢(shì)較明顯；隨著重餾分平均沸點(diǎn)提高，催化劑對(duì)其生焦率的影響越來(lái)越小。Lan等[44]通過對(duì)不同再生催化劑含量下生焦率的研究，發(fā)現(xiàn)隨著再生催化劑含量的增加，生焦率呈上升趨勢(shì)。

4.1.3 反應(yīng)溫度的影響

反應(yīng)溫度是指提升管出口參加反應(yīng)的油氣溫度，是導(dǎo)致沉降器結(jié)焦的重要外因[27,45]。反應(yīng)溫度對(duì)結(jié)焦的影響有2方面，一是影響油氣的汽化率，二是影響油氣的反應(yīng)速率。當(dāng)溫度降低至油氣中某組分的露點(diǎn)溫度時(shí)，該組分就會(huì)冷凝為液滴，溫度越低，形成的液滴數(shù)量越多，黏附于沉降器器壁的機(jī)率越大，生成的焦炭就越多[21,46]。Yan等[47]研究結(jié)果表明，油氣溫度對(duì)油漿的汽化率有著重要影響。當(dāng)油氣溫度低于油漿露點(diǎn)溫度時(shí)，隨著溫度的降低，油漿汽化率迅速下降，油滴數(shù)量迅速增加，使得冷凝結(jié)焦發(fā)生的概率增大。王剛等[43]、繆超等[23]實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，隨著反應(yīng)溫度的升高，各油漿重餾分的生焦率均逐漸降低。Lan等[44]通過對(duì)不同反應(yīng)溫度料漿裂化效果和焦炭收率的比較，發(fā)現(xiàn)隨著反應(yīng)溫度的升高，料漿轉(zhuǎn)化率和焦炭收率均呈上升趨勢(shì)。

4.1.4 再生劑溫度和劑/油質(zhì)量比的影響

再生劑溫度和劑/油質(zhì)量比決定了進(jìn)料油和催化劑混合后的溫度。劑/油質(zhì)量比決定了再生劑帶給進(jìn)料油汽化和反應(yīng)所需的熱量。再生劑溫度和劑/油比越高，進(jìn)料油獲得的熱量就越多，汽化率也越高，反應(yīng)越完全。再生劑溫度低，可以通過增大劑/油比來(lái)提高進(jìn)料油與催化劑接觸的表面積，從而提高汽化率。若再生劑溫度過低及劑/油比過小，進(jìn)料油的汽化率會(huì)降低，導(dǎo)致濕催化劑增多，結(jié)焦概率增大[3,33,37]。

4.2 沉降器結(jié)構(gòu)條件對(duì)結(jié)焦的影響

4.2.1 粗旋與頂旋連接結(jié)構(gòu)的影響

粗旋與頂旋連接方式對(duì)反應(yīng)油氣在沉降器內(nèi)的油氣流動(dòng)狀況和停留時(shí)間起著決定性作用。油氣的運(yùn)動(dòng)死區(qū)越多，停留時(shí)間越長(zhǎng)，沉降器越容易結(jié)焦[12]。王娟等[48]研究發(fā)現(xiàn)，粗頂旋的敞口式連接使得從粗旋排氣管出口排出的氣流不能對(duì)準(zhǔn)頂旋入口，反應(yīng)油氣未全部進(jìn)入頂旋入口，有相當(dāng)一部分油氣從頂旋入口的側(cè)面進(jìn)入了沉降器空間，導(dǎo)致停留時(shí)間變長(zhǎng)，為濕催化劑的黏附和高沸點(diǎn)組分的冷凝提供有利的條件。中國(guó)石油長(zhǎng)慶石化公司對(duì)沉降器內(nèi)粗頂旋連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了直連改造，運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)沉降器上部基本無(wú)油氣停留，油氣二次反應(yīng)減少，產(chǎn)品分布得到了改善[49]。

4.2.2 快分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響

提升管出口設(shè)置快分系統(tǒng)的目的在于使催化劑與油氣快速分離以抑制反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行，因此，快分系統(tǒng)需滿足的條件為停留時(shí)間短及提高催化劑的分離效率[50]。此外，快分系統(tǒng)中分離器的入口結(jié)構(gòu)直接關(guān)乎到氣流在分離器內(nèi)的流動(dòng)形式，也是影響分離效率的重要因素。快分系統(tǒng)中頂旋分離器升氣管外壁結(jié)焦最為常見且危害性最大，這是由于頂旋分離器升氣管外壁附近存在著低速的“滯流區(qū)”,極易導(dǎo)致催化劑顆粒和重油液滴向升氣管壁表面黏附和沉積的緣故[4,51]。

5 抑制或減緩沉降器結(jié)焦的措施

結(jié)合上述對(duì)沉降器結(jié)焦原因、機(jī)理及影響因素的分析總結(jié)，減少和延緩沉降器結(jié)焦的措施可以分為2類，即抑制油氣重組分的冷凝和減少油氣在沉降器內(nèi)的停留時(shí)間。油氣重組分的冷凝和停留時(shí)間不僅受反應(yīng)溫度、油氣分壓及操作手法等操作條件的影響，而且取決于沉降器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。因此，沉降器的防焦措施也可以分為優(yōu)化操作條件和沉降器內(nèi)部結(jié)構(gòu)2個(gè)方面。

5.1 優(yōu)選反應(yīng)物和操作條件

5.1.1 優(yōu)化原料

原料性質(zhì)影響沉降器結(jié)焦。提供合適的催化裂解原料，控制原料的性質(zhì)尤為重要。改善原料性質(zhì)有以下3種方式：(1)適當(dāng)渣油脫瀝青、油漿抽提除去重芳烴，將劣質(zhì)原料優(yōu)質(zhì)化[38]；(2)采用原油和回?zé)捰突旌线M(jìn)料的方式，降低進(jìn)料油的黏性，提升進(jìn)料油的汽化率[45]；(3)多回?zé)捇責(zé)捰?，少回?zé)捰蜐{[32]。

5.1.2 優(yōu)選催化劑

選取的催化劑要具備重油裂解能力強(qiáng)、抗重金屬污染能力強(qiáng)、焦炭選擇性好、汽提性及水熱穩(wěn)定好等特點(diǎn)[41,52]。此外，催化劑的粒度分布合適，細(xì)粉含量過高，會(huì)增加結(jié)焦的機(jī)率[39]。

5.1.3 提高沉降器溫度

提高沉降器溫度不僅可以避免油氣重組分冷凝，降低油氣的冷凝率，而且還可以降低油氣的生焦率。因此，提高沉降器溫度，可以減緩沉降器結(jié)焦。提高沉降器溫度有以下3種途徑：(1)加強(qiáng)沉降器保溫，避免散熱損失；(2)向汽提段通入適量過熱蒸汽，提高汽提段溫度，避免油氣冷凝，油氣中的重組分可裂化為小分子的輕烴，避免生焦[24,53]；(3)沉降器內(nèi)的防焦蒸汽采用過熱蒸汽，防止沉降器存在低溫死區(qū)[54]。

5.1.4 降低油氣分壓

降低油氣分壓可以降低油氣露點(diǎn)溫度，從而避免重組分冷凝，減少結(jié)焦[24]。降低油氣分壓可以從4個(gè)途徑展開：(1)提高霧化的蒸汽量，降低油氣分壓，提高蒸汽對(duì)進(jìn)料的破碎程度，使進(jìn)料霧化成粒徑更小的微細(xì)顆粒，提高霧化效果，使油氣與催化劑充分接觸快速汽化進(jìn)行反應(yīng)[55]；(2)增加防焦蒸汽量，降低穹頂處的油氣分壓，避免油氣在頂部死區(qū)聚集[15,24]；(3)提高油氣中水蒸氣所占比例，降低油氣分壓；(4)注入惰性終止劑介質(zhì)(如酸性水)，有效地降低油氣分壓，降低干氣產(chǎn)率，減少結(jié)焦[56]。

5.2 優(yōu)化沉降器結(jié)構(gòu)

5.2.1 優(yōu)化粗旋與頂旋連接

合理的粗頂旋連接方式有助于縮短油氣在沉降器內(nèi)的停留時(shí)間和防止反應(yīng)物的過度裂化，從而減少沉降器內(nèi)的結(jié)焦[57]。王江云等[57-58]在粗旋出口處增設(shè)矩形導(dǎo)流段的模擬結(jié)果表明，矩形導(dǎo)流段的加入使得進(jìn)入沉降器稀相空間的油氣量顯著降低，且導(dǎo)流段長(zhǎng)度越長(zhǎng)，進(jìn)入沉降器稀相空間的油氣量降低得越顯著。劉美麗等[59]的研究結(jié)果表明，改進(jìn)粗旋出口與頂旋入口的相對(duì)位置，絕大部分油氣直接進(jìn)入頂旋，進(jìn)入沉降器空間的油氣量減少。袁曉云等[49]將沉降器內(nèi)分離器連接形式由軟連接改為直連，發(fā)現(xiàn)沉降器空間內(nèi)基本無(wú)油氣滯留。Song等[60-61]提出了兩級(jí)旋風(fēng)的3種連接結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)C型結(jié)構(gòu)可直接將氣流從一級(jí)旋風(fēng)出口導(dǎo)向二級(jí)旋風(fēng)進(jìn)口，停留時(shí)間短，壓力降低。

5.2.2 優(yōu)化快分系統(tǒng)

催化裂化提升管出口的反應(yīng)油氣經(jīng)過快分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“三快”，即油氣與催化劑的快速分離、油氣的快速引出以及催化劑的快速預(yù)汽提，避免了油氣在高溫區(qū)停留時(shí)間過長(zhǎng)而產(chǎn)生的過裂化反應(yīng)，造成沉降器內(nèi)油氣的結(jié)焦傾向[62]。為此，國(guó)內(nèi)外相繼開發(fā)出了一系列快速分離系統(tǒng)[63]。中國(guó)石油大學(xué)先后開發(fā)了環(huán)形擋板汽提式粗旋快分系統(tǒng)(FSC)[64]、密相環(huán)流預(yù)汽提器快分系統(tǒng)(CSC)[65]、旋流式快分系統(tǒng)(VQS)[66]、帶有隔流筒旋流快分系統(tǒng)(SVQS)[67]、緊湊式旋流快分系統(tǒng)(CVQS)[68-69]和超短快分系統(tǒng)(SRTS、SSQS)[70-71]。國(guó)外較有代表性的技術(shù)有Mobil公司的閉式直聯(lián)旋分系統(tǒng)[72]、Stone & Webster公司的軸向旋分系統(tǒng)[73]、UOP公司的Vortex disengager system (VDS)[74]、Vortex separation system (VSS)[75]和Suspended catalyst separation (SCS)[76]系統(tǒng)等。

5.2.3 優(yōu)化分離器入口結(jié)構(gòu)

良好的入口結(jié)構(gòu)可以改善流場(chǎng)的對(duì)稱性，提高分離效率，減少顆粒的堆積現(xiàn)象。Safikhani等[77]提出了直切雙入口和三入口結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)分離效率均有所提高，且三入口結(jié)構(gòu)最優(yōu)。Bernardo等[78]和錢付平等[79]改變?nèi)肟诮孛娼?，發(fā)現(xiàn)分離效率隨入口截面角的增加先增加后減小，其中45°入口截面角最佳。王振興等[80]設(shè)計(jì)了入口截面形狀為梯形、矩形、三角形及圓形的4種入口，研究結(jié)果表明，入口形狀對(duì)于粒徑2.5 μm以上顆粒的分離效率基本無(wú)影響，而對(duì)于粒徑2.5 μm以下的顆粒而言，其中圓形入口的分離效率最差，梯形入口的分離效率最好。毛羽等[81]提出了單入口多進(jìn)氣道方式，實(shí)現(xiàn)了入口氣流的對(duì)稱配置，使得分離器內(nèi)產(chǎn)生對(duì)稱的流場(chǎng)，提高了分離效率。Lim等[82]設(shè)計(jì)了一種切向等寬同側(cè)雙進(jìn)口，使得分離效率增長(zhǎng)了5%～15%。肖北辰等[83]在雙入口內(nèi)均設(shè)置擋板，直徑大于5 μm以上的顆粒能夠全部分離。蔡香麗等[84]在入口處設(shè)置螺旋導(dǎo)流板，不僅減輕了環(huán)形空間內(nèi)二次流所攜帶顆粒的逃逸，消除了頂灰環(huán)造成的器壁磨損，而且還抑制了顆粒在升氣管外壁表面的沉積。蘭江等[85]在入口裝配多層管排結(jié)構(gòu)，雖然壓力降升高5%，但切割粒徑從2.6 μm減小到2.1 μm，極大改善了分離器對(duì)細(xì)小顆粒的捕捉能力。趙洋等[86]設(shè)計(jì)了一種入口面積可變式的旋風(fēng)分離器，確定了入口面積調(diào)節(jié)方法，使得進(jìn)氣流量減小時(shí)旋風(fēng)分離器可穩(wěn)定高效運(yùn)行。

5.2.4 優(yōu)化頂旋升氣管

由于頂旋升氣管壁面存在著低速的“滯流區(qū)”，因此防止其結(jié)焦的關(guān)鍵在于改變升氣管外壁的繞流附面層流動(dòng)[4,51]。為此，中國(guó)石油大學(xué)[4,51,87-88]開發(fā)了氣流屏蔽、焦塊分割固定、升氣管壁加厚、升氣管偏置、升氣管表面附加數(shù)條導(dǎo)流葉片和翅片等一系列改進(jìn)方案，有效地抑制頂旋結(jié)焦現(xiàn)象，延長(zhǎng)了裝置平穩(wěn)運(yùn)行的周期。

6 結(jié)語(yǔ)及展望

針對(duì)沉降器結(jié)焦問題，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者都對(duì)之進(jìn)行了一系列研究，分析了結(jié)焦物的基本特性、結(jié)焦原因、結(jié)焦機(jī)理及影響因素等，從而優(yōu)化開發(fā)減緩或抑制沉降器結(jié)焦的新型結(jié)構(gòu)，降低結(jié)焦對(duì)裝置安穩(wěn)長(zhǎng)運(yùn)行的危害。然而結(jié)焦是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)及內(nèi)因、外因綜合作用的結(jié)果，當(dāng)前的研究并不完善徹底，目前所提出的防焦措施也并未從根本上解決沉降器結(jié)焦的問題。結(jié)焦的原因、影響因素有很多，許多防焦措施仍有待完善。經(jīng)過上述分析和總結(jié)，提出以下建議：

(1)沉降器內(nèi)的流場(chǎng)分布對(duì)結(jié)焦的影響至關(guān)重要。不同的催化裂化工藝流程，決定了沉降器及其內(nèi)部設(shè)備具有不同的排布方式，因此其內(nèi)部的流場(chǎng)、壓力分布、油氣分布特點(diǎn)也不相同。因此需要進(jìn)一步研究不同沉降器結(jié)構(gòu)條件下的流場(chǎng)和壓力分布特點(diǎn)，掌握油氣分布的軌跡和停留時(shí)間分布特點(diǎn)。

(2)合理設(shè)計(jì)不同工藝需求條件下的沉降器結(jié)構(gòu)，對(duì)粗旋和頂旋的結(jié)構(gòu)、粗旋和頂旋的連接方式及快分系統(tǒng)等進(jìn)行優(yōu)化，以利于形成不易產(chǎn)生結(jié)焦的流場(chǎng)和壓力分布，縮短油氣在沉降器粗旋和頂旋以外空間內(nèi)的停留時(shí)間，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，降低產(chǎn)生結(jié)焦的可能性。