新型FCC催化劑直管磨損指數(shù)測定儀的開發(fā)

李瑞彤，唐健，劉一博，劉新

(中國石化石油化工科學研究院，北京 100083)

流化催化裂化(FCC)催化劑是FCC技術核心之一，耐磨性能作為裂化催化劑的關鍵控制指標，對于工業(yè)裝置的正常運轉具有十分重要的意義[1-3]。生產中，催化劑顆粒與氣流、器壁，顆粒與顆粒間的強烈碰撞、摩擦，以及在高溫熱應力作用下發(fā)生破損，導致其粒度逐漸減小，產生大量細粉[4]。這些細粉顆粒難以用分離裝置進行回收，可能會帶來跑劑、反應器損傷、產品污染、煙氣粉塵含量超標以及催化劑使用成本上升等問題[5]。

目前，國內外測定催化劑耐磨性能的方法有：vision噴射杯法[6-7]、空氣噴射法[8]、熱測試法和轉鼓測試[9]等。其中，空氣噴射法是利用高速氣體連續(xù)噴吹催化劑顆粒，使其發(fā)生磨損，通過計算產生細粉的損失率表征催化劑耐磨損性能。其測試原理與工業(yè)FCC催化劑機械磨損機理類似，因而被廣泛應用于FCC催化劑耐磨損性能測定中。

空氣噴射法中磨損流量對評價催化劑耐磨損性能指標至關重要，如何保證每次實驗過程中催化劑均處于相同氣速下流化是亟待解決的問題。文獻[10]中提出一種基于空氣噴射原理的FCC催化劑直管磨損指數(shù)測定方法，該方法使用流量控制閥或改變質量流量計設定值，調節(jié)空氣尾氣體積流量(尾氣接濕式流量計測量)至(21.0±0.2) L/min，作為測定基準條件；實驗過程中定時手動調節(jié)控制閥開度使轉子流量計浮子高度保持不變；定時手動敲擊沉降器使吸附于內壁催化劑顆粒重新參與磨損。該類型直管測定方法，一方面造成人力資源浪費，存在人為操作誤差和累積誤差；另一方面，實驗過程中，隨著時間推移，產生的細粉量逐漸增多，濾紙筒堵塞程度逐漸增大，導致系統(tǒng)壓力變大，催化劑磨損氣速減小。定時調節(jié)流量只能在一定程度減弱平均磨損流量減小對實驗結果準確性的影響。

一些學者們還采用了熱式質量流量控制器控制催化劑磨損流量大小。質量流量恒定時，隨著系統(tǒng)濾紙筒堵塞、環(huán)境溫度和濕度等因素變化，催化劑實際磨損體積流量會隨之發(fā)生變化。對于不同的催化劑、不同的測試環(huán)境和測試條件，體積流量的變化情況不完全相同，同樣無法保證磨損實驗結果的準確性和重復性。

為了提高系統(tǒng)自動化程度，保證實驗數(shù)據(jù)準確性，本文優(yōu)化了原沉降器敲擊和氣體加濕方式，采用催化劑實際磨損體積流量控制方式，創(chuàng)新性提出了一種基于理想氣體方程的流量校正算法，完成了自動控制系統(tǒng)設計和軟件編寫，開發(fā)了一套全新FCC催化劑直管磨損指數(shù)測定儀。

1 新型FCC催化劑直管磨損指數(shù)測定儀

FCC催化劑直管磨損指數(shù)測定儀工作原理如圖1所示。由圖1可知，空氣經過減壓加濕后，在磨損管噴嘴出口形成高速氣流，使磨損管內催化劑摩擦、破損，產生大量細粉。較大顆粒細粉經沉降后回落至磨損管循環(huán)磨損，較小顆粒細粉被吹至濾紙筒內進行收集。

圖1 FCC催化劑直管磨損指數(shù)測定儀工作原理示意

1.1 加濕系統(tǒng)

FCC催化劑顆粒在高速氣體沖擊作用下，產生大量靜電，吸附于沉降器和磨損管內壁或連接處。原FCC催化劑直管磨損指數(shù)測定方法中，氣體通過流量計計量后，進入加濕罐加濕，減弱靜電吸附程度。由于氣體加濕后FCC催化劑顆粒含水率不確定，使得實際磨損流量小幅度變化，影響實驗結果重復性。優(yōu)化后測定方案為一體式流量控制器安裝于加濕罐后端，出口直接與磨損管入口連接，使得催化劑磨損流量計量更加準確。由于加濕器位置的改變，罐內帶壓，加濕罐優(yōu)先選用金屬材料。

1.2 敲擊系統(tǒng)

采用氣體加濕方式能夠減弱催化劑在器壁的吸附程度，敲擊系統(tǒng)利用機械外力使吸附在設備連接處的細粉顆粒全部脫落，重新參與磨損。原FCC催化劑直管磨損指數(shù)測定方法中使用木錘定時手動敲擊，高度依賴于操作人員的實際經驗和個人預測能力，可能造成實驗數(shù)據(jù)波動大、重復性差。

新型FCC催化劑直管磨損指數(shù)測定儀選用一種高頻振動器定時自動敲擊，振動器垂直安裝于沉降器外壁上，工作時沉降器和振動器同頻振動，使催化劑顆粒迅速脫落。可根據(jù)催化劑吸附程度，采用振動器控制閥改變沉降器振動幅度。

1.3 流量校正計算方法

為了簡化實驗操作流程，提升系統(tǒng)自動化水平，精確控制FCC催化劑磨損氣速，該測定儀創(chuàng)新性地采用了基于理想氣體方程的流量計算算法代替原FCC催化劑直管磨損流量標定方法。

1.3.1初始流量設定計算方法

設p0，T0為一體式流量控制器(儀表端)測量的絕對壓力和絕對溫度值，qV0為一體式流量控制器(儀表端)體積流量設定值，p1，T1，qV1為磨損端絕對壓力、絕對溫度和體積流量，p2,T2,qV2為沉降器出口端絕對壓力、絕對溫度和體積流量。

以儀表端和沉降器出口端為分析對象，將V=M/ρ代入氣體狀態(tài)方程，如式(1)所示：

pM=ρRT

(1)

式中：p——壓力；T——溫度；M——相對分子質量；R——比例常數(shù)；ρ——氣體密度。

根據(jù)質量守恒定律，同一工況下，氣體質量與其對應標準狀況下質量相同，體積流量與體積成正比，推導標準狀態(tài)下體積流量，如式(2)所示：

(2)

式中：qVm——標準狀態(tài)下體積流量；qV——工況下體積流量；ρm——標準狀態(tài)下氣體密度；ρ——工況下氣體密度。

根據(jù)式(1)和式(2)可以推導出a時刻(即開始標定流量計初始流量設定值)，儀表端和沉降器出口端標準狀況下體積流量，如式(3)～式(4)所示：

(3)

(4)

一體式流量控制設定值不變時，標準工況下體積流量相同，即qVma0=qVma2，根據(jù)式(3)和式(4)，可以推導出工況下儀表端體積流量，如式(5)所示：

(5)

式中：pa2——該次實驗環(huán)境大氣壓值，開機后利用一體式流量控制器自動測量；Ta2——a時刻環(huán)境溫度值，由熱電阻傳感器自動測量；qVa2——目標流量值，取值為(21±0.01)L/min；pa0，Ta0——a時刻流量計設定值為qVa0時由流量計測量的絕對壓力和絕對溫度值。

為使沉降器出口流量達到目標值，可以直接采用軟件自動控制實現(xiàn)。將式(5)中流量設定值作為測量基準條件，從而克服了原濕式流量計標定方法存在的計時累積誤差、操作復雜、流量控制精度低等問題。

1.3.2定時流量校正算法

a時刻，以儀表端和磨損端為分析對象，采用與1.3.1條相同的推導方法，可以得到磨損端流量(即催化劑磨損時的實際體積流量)，如式(6)所示：

(6)

式中：Ta1——a時刻磨損端的絕對溫度值，由于儀表端出口與磨損管進口直接連接，近似認為pa1≈pa0。在實驗過程中可以發(fā)現(xiàn)，隨著環(huán)境溫度、儀表溫度和濾紙筒壓降等因素變化，催化劑實際磨損氣速會隨之發(fā)生變化。為保證實驗中催化劑處于相同氣速下磨損，須實時校正流量計設定值。

同理，可以得到b時刻磨損端流量，如式(7)所示：

(7)

令qVa1=qVb1，即任意時刻催化劑磨損流量均相同，如公式(8)所示：

(8)

將式(5)帶入式(8)，得到任意時刻流量計設定值計算，如式(9)所示：

(9)

1.4 控制系統(tǒng)

FCC催化劑直管磨損指數(shù)測定儀的控制系統(tǒng)構成如圖2所示。其中，溫度和流量傳感器的測量值，作為PLC輸入信號。當前溫度值達到報警高限設定值時，聲光報警燈亮，加濕開關電磁閥和敲擊器開關電磁閥同時關閉。流量值達到報警高限設定值時，聲光報警燈亮，減小流量控制閥開度。

圖2 控制系統(tǒng)組成

FCC催化劑直管磨損指數(shù)測定儀人機交互主操作界面如圖3所示。通過人機交互窗口可以實時顯示當前工況下溫度、流量和壓力值，系統(tǒng)運行狀態(tài)和運行時間等。在主界面上點擊相應功能鍵，可以設置運行時間、磨損流量和啟停狀態(tài)。

2 實驗分析與驗證

2.1 實驗流程

該測定儀操作流程是基于NB/SH/T 0964—2017《催化裂化催化劑磨損指數(shù)的測定直管法》要求，具體步驟如圖4所示，虛線框表示人工操作部分，實線框表示程序自動運行部分。

圖3 人機交互界面示意

圖4 FCC催化劑直管磨損指數(shù)測定操作流程示意

系統(tǒng)開機后，自動讀取當前工況下溫度和壓力值，10 gFCC催化劑在尾氣體積流量為(21±0.01)L/min 條件下連續(xù)流化5 h，記錄第1小時產生的細粉量，不參與磨損指數(shù)計算。收集并記錄后4 h產生的細粉量，計算后4 h平均每小時的磨損百分數(shù)，作為催化劑磨損指數(shù)AI，計算如式(10)所示：

(10)

式中：AI——催化劑磨損指數(shù)值；m1——初始催化劑稱量細粉質量；m2——后4 h收集的催化劑細粉質量；m3——直管內剩余催化劑質量。AI值越大，說明產生細粉量越大，催化劑耐磨損性能越差。

2.2 實驗驗證

分別取3種催化劑試樣重復試驗5次，考察催化劑磨損指數(shù)的重復性，結果見表1所列，由表1可知3種催化劑磨損指數(shù)的相對標準偏差值均低于5%，重復性較好，滿足試驗要求。

表1 FCC催化劑磨損指數(shù)重復性試驗結果

3 結束語

為了提高系統(tǒng)自動化程度，保證實驗結果在允許誤差范圍內，研發(fā)了一套全新FCC催化劑直管磨損指數(shù)測定儀，與原測定儀器相比具有如下特點：

1)采用了全自動敲擊系統(tǒng)，振動幅度根據(jù)實驗需求調整，消除了人為操作誤差，提升系統(tǒng)自動化水平。

2)優(yōu)化了氣體加濕方法和流量計安裝位置，催化劑磨損流量計量更加準確。

3)創(chuàng)新性地提出了一種基于理想氣體方程的流量校正算法，代替了原使用濕式流量計標定尾氣流量的方法。該算法大幅降低了操作人員工作強度，提高了工作效率，且實時補償了環(huán)境溫度、濾紙筒壓降和大氣壓等因素，保證催化劑始終處于相同氣速下流化磨損。

4)基于PLC控制系統(tǒng)設計和軟件編寫，人機交互方式更加友好，實現(xiàn)了儀器、電氣和控制系統(tǒng)的一體化設計。

使用該測定儀器測試了3種FCC催化劑磨損指數(shù)。實驗結果表明，催化劑磨損指數(shù)相對標準偏差均低于5%，遠低于行業(yè)標準中15%誤差控制指標，重復性很好。