FCCU立管内催化剂流动的脉动压力分析

刘小成，胡小康，马媛媛，陈建义，魏耀东

（1.中国石油大学 重质油国家重点实验室，北京102249；2.中国石化集团 宁波工程有限公司，浙江 宁波315103；3.中国石油大学 理学院，北京102249）

FCCU立管内催化剂流动的脉动压力分析

刘小成1，胡小康2，马媛媛3，陈建义1，魏耀东1

（1.中国石油大学 重质油国家重点实验室，北京102249；2.中国石化集团 宁波工程有限公司，浙江 宁波315103；3.中国石油大学 理学院，北京102249）

针对FCCU立管存在的振动问题，在大型实验装置上对φ150mm×9000mm立管内颗粒下行流动的压力脉动信号进行了测量，并对脉动压力信号进行相干特性分析，探讨了脉动压力的形成和传递特性。实验结果表明，立管内催化剂颗粒下行过程具有很强的动态特性，表现为脉动压力。立管内呈稀、密两相共存的流态时，稀相部分的脉动压力来源于入口，向下传递，密相部分的脉动压力来源于出口，向上传递；当立管浓相输送流态时，脉动压力主要是进口处进料、下行颗粒浓度变化和下行颗粒对气体压缩的结果，向下传递。脉动压力中频率低于0.3Hz部分形成了立管振动的振源。

FCCU；立管；振动；气固两相流；脉动压力

催化裂化装置（FCCU）中的立管是催化剂颗粒循环回路的下行部分。从立管入口进入的催化剂颗粒逆压力梯度向下运动，一方面维持着颗粒循环回路的压力平衡和稳定循环，另一方面在立管出口形成锁气和排料［1-2］。在实际的工业FCCU装置中，立管普遍存在着低频高幅振动。这种高幅振动对立管的催化剂颗粒下行过程产生影响，具有较大的危害性，表现为下料不畅、排料波动、架拱“阻塞”、流化风倒窜等，甚至对设备造成疲劳破坏，表现为测量仪表失真、控制阀失效、振断管道，严重影响了催化裂化装置的安全运行［3-4］。立管的振动与立管内的颗粒下行过程的动态特性密切相关，是立管内颗粒流的脉动过程诱发了管道的振动，因此有必要对立管内催化剂颗粒下行过程进行实验研究。以往对立管的研究主要集中在局部或静态特性上，欠缺整体和动态特性的研究。刘献玲［3］认为是催化剂携带大气泡引起了立管振动；陈恒志等［5］、魏耀东等［6］则认为负压差立管内下行颗粒对气体的压缩导致了压力脉动和颗粒流量的震荡；张毅等［7］实验测量了立管内下料的压力脉动，表明这种脉动强度随着颗粒质量流率的增加而增大；Wang等［8］、Sun等［9］采用 ECT（Electrical capacitance tomography）技术，Wu等［10］采用光纤探针测量了立管内轴向和径向的瞬时颗粒浓度，表明立管内的下行颗粒浓度存在着很大的波动变化。

立管产生振动是立管内的气、固流动过程的动态特征反映，可以通过颗粒下行过程的动态压力进行分析，目前还缺乏这方面的研究，且对于振源的形成、振动的传递也缺乏系统的认识。为此，笔者在大型循环流化床装置上，选择旋风分离器一级料腿作为实验立管，研究整个立管的动态压力特性，主要考察脉动压力的形成和发展，同时通过分析不同流态下的脉动压力信号之间的相干特性，确定脉动压力的产生和传递过程。研究结果可为减小或消除立管振动提供帮助，以期提高催化裂化装置颗粒循环的稳定性和可靠性。

1 实验部分

1.1 实验装置

FCCU立管内催化剂流动脉动压力分析的实验装置如图1所示。

实验装置的提升管、流化床、立管均采用有机玻璃，可以观察到颗粒流动。流化床尺寸φ0.6m×8m，提升管尺寸φ0.2m×12.5m，一级旋风分离器料腿尺寸φ0.15m×9m。料腿出口为直口结构插入流化床的密相床层内，形成一个较强的约束出口。颗粒从流化床经颗粒输送斜管进入预提升器，由提升风进入提升管，在旋风分离器进行气、固分离后，颗粒通过料腿下行返回流化床。实验所用物料为FCC平衡催化剂，平均粒径约67μm，堆积密度940kg/m3，颗粒密度约1520kg/m3。

图1 FCCU立管内催化剂流动脉动压力分析的实验装置Fig.1 Experimental set-up for analysis of pressure fluctuations of catalyst powder flowing in the standpipe of FCCU

1.2 测量方法

以一级旋风分离器料腿为实验立管。采用多点动态压力巡检仪同时测量立管8个轴向位置的动态压力，其量程0～50kPa，采样频率125Hz，采样时间60s。8个测压点的轴向位置以图1中的零标高为基准，高度分别为2.65、3.15、4.15、4.65、7.15、8.65、9.65和10.85m。如图1所示，通过立管上的插板阀5来测量颗粒质量流率（Gs），即在稳定操作条件下关闭插板阀，测量在一定时间内立管内颗粒堆积的体积，由式（1）计算。

式（1）中，ρ为催化剂的堆积密度，kg/m3；ΔV为时间Δt内的催化剂在立管内的堆积体积，m3；A为立管的截面积，m2。颗粒质量流率则由返料斜管11上的蝶阀调节。

2 结果与讨论

2.1 立管脉动压力的实验现象

实验中，根据颗粒质量流率的变化，可以观察到两种流态稀、密两相共存流态和浓相输送流态。图2为立管实验中两个典型颗粒质量流率50kg/（m2·s）和395kg/（m2·s）的测量结果。在颗粒质量流率较小（＜100kg/（m2·s））时，立管内呈稀、密两相共存的流态，如图2（a）所示，此时流态由3部分构成，上部的旋转段、中部的稀相下落段和下部的密相段。立管下部存在明显的稀、密相分界面，且分界面起伏不定，有上升气泡形成和破裂，为鼓泡床的流动状态；随着颗粒循环量的增加，稀-密相界面向下移动直至消失，当颗粒质量流率较大（200～250kg/（m2·s））时，立管内的流态由稀、密两相共存流态演变为浓相输送流态，如图2（b）所示，立管上部有很短的旋转段，中下部为浓相下落段，此时可以观察到气、固两相流呈波浪式下行，颗粒浓度疏密间隔分布。这种流态变化与魏耀东等［11］、Wang等［12］描述的情况一致。

颗粒质量流率Gs为50kg/（m2·s）时，立管测量脉动压力（p）如图2（a）所示。10.85m 至4.15m之间的测量点处于稀相区，沿着轴向向下，压力起伏程度逐渐增大；3.15m和2.65m两位置处于密相区，在此区域的压力曲线的峰值相对较多，幅度值也大于稀相区，其压力曲线与稀相区的压力曲线之间差别较大。

颗粒质量流率Gs为395kg/（m2·s）时，立管测量脉动压力（p）如图2（b）所示。沿着轴向向下，压力值逐渐增大，压力起伏程度逐渐增大，并且脉动压力曲线的峰值均相对较多。对比不同轴向位置的脉动压力曲线，可以看出各曲线之间具有一定的相似性。

图2 立管内的流态和脉动压力Fig.2 Fluidized pattern and pressure fluctuation in the standpipe

从图2可以看出，立管内气、固两相流的脉动压力是由两种不同成分的脉动叠加构成的，一种为低频髙幅值脉动，另一种为高频低幅值脉动。脉动压力是立管进口和出口流动的不稳定性、颗粒的团聚和颗粒簇运动、气-固相互作用、气体速度脉动等多种因素耦合作用的结果［13-14］。对图2中的脉动压力信号进行功率谱分析表明，不同轴向位置的脉动压力的主频有一定的变化，但均在0.3Hz以内，表明立管的气、固流动过程产生了一种低频的脉动压力。

2.2 脉动压力的相干性分析

通过对立管不同位置的脉动压力信号进行相关性分析可以确定脉动压力的来源和传递过程［15］。信号处理理论中的相干函数是在频域上描述2个信号的相关程度的实值函数，可以用来判断2个信号之间的因果关系，进行信号的定位和传递分析。两平稳信号序列X（t）与Y（t）的相干函数定义由式（2）表示。

其中PX（f）、PY（f）分别为序列X（t）与Y（t）的自功率谱密度，PXY（f）为互功率谱密度。CXY（f）相干系数取决于频率，在0～1之间取值，表征两信号之间的相干程度，0和1分别表示相对应两列信号完全不相关和完全相关。

依据式（2）对测量的脉动压力进行计算，对比的基准数据分别选择入口和出口的脉动压力测量值。图3、4分别为不同频率下颗粒质量流率50和395kg/（m2·s）时，入口（H＝10.85m）和出口（H＝2.65m）分别与立管其他测点信号的相干系数。计算结果表明，立管内呈稀、密两相共存的流态（50kg/（m2·s））时，脉动压力曲线之间的相干性系数在频率低于0.3Hz区间具有明显的稳定值。稀相部分的压力脉动曲线之间相干系数较高（见图3（a）），密相部分的压力脉动曲线之间相干系数也较高（见图3（b）），两者的相干系数CXY（f）＞0.6，表明脉动压力的传递特性，稀相向下传递，密相向上传递。但稀相与密相的压力脉动曲线之间的相干系数较低，CXY（f）＜0.3，说明产生脉动压力的振源不同。而在频率高于0.3Hz区间，脉动压力曲线之间的相干性系数的分布不具有规律性。

立管浓相输送流态（395kg/（m2·s））时，脉动压力曲线之间的相干性系数在频率低于0.3Hz区间变化较大。以入口脉动压力测量值为基准，轴向向下对比其他位置的脉动压力测量值的相干系数逐渐减小，从0.9到0.2；而以出口脉动压力测量值为基准，轴向向上对比其他位置的脉动压力测量值的相干系数逐渐减小。这说明振源主要产生在立管的入口，向下逐渐发展。而在频率高于0.3Hz区间，脉动压力曲线之间的相干性系数变化不具有规律性。

2.3 立管振动的振源和传递

立管的脉动压力存在表明立管内催化剂颗粒下行过程具有很强的动态特性，对立管振动产生影响的主要是频率低于0.3Hz区间部分的脉动压力。这部分脉动压力是颗粒下行过程的浓度和速度变化的反映。从上述的脉动压力及其相干性分析表明，立管内脉动压力来源主要由3部分构成，入口不稳定进料引入，出口处不稳定排料造成，管内颗粒下行运动中颗粒密度的改变和气相的压缩产生，其中入口进料对脉动压力的形成有很大的作用。立管内呈稀、密两相共存的流态时，稀相部分的压力脉动来源于入口，主要是进料下行颗粒浓度变化的作用，向下传递一直延续到密相部分；而密相部分的压力脉动来源于出口，主要受上行气泡的影响，向上传递并加强，作用范围在密相部分。当立管内浓相输送流态时，主要是进口处进料下行颗粒浓度变化的影响，同时颗粒在下行过程中对气体进行的压缩也可以导致压力的脉动。由于颗粒向下流动过程中颗粒浓度比较大，变化范围较大，压力脉动的值也较大。这种脉动压力沿轴向向下，随着颗粒浓度的增加、气体压力的增大和颗粒速度的减小，脉动压力会逐渐发生变化，入口的影响也逐渐减小，表现为相干系数的减小，但压力波动的基本特性仍然存在，而且脉动压力不断增强。

立管内的脉动压力主要是一种低频高幅值的动态压力。在实际立管应用中，这种脉动压力中频率低于0.3Hz部分形成了管路系统振动的振源，对管路系统形成振动的强迫扰力。当立管管路系统的固有频率与这种脉动压力的频率接近时，就会导致立管管路大幅度的低频振动。因此，在FCC工业装置中，由于立管内气、固流动的脉动压力频率主要取决于其内部的流动状态，难以改变，因此可以通过改变立管系统本身的固有频率来避免共振现象的产生，例如改进立管的支撑结构、管线的走向等，从而改变立管管路系统的固有频率，避免固有频率接近气、固流动的脉动压力频率。

3 结 论

（1）立管内催化剂颗粒下行过程具有很强的动态特性，对立管振动产生影响的主要是频率低于0.3Hz区间部分的脉动压力。立管内脉动压力来源主要由3部分构成，入口不稳定进料、出口处不稳定排料和管内颗粒下行运动，其中入口进料对脉动压力的形成有很大的作用。

（2）立管内呈稀、密两相共存的流态时，稀相部分的脉动压力来源于入口，向下传递；密相部分的压力脉动来源于出口，向上传递。当立管浓相输送流态时，脉动压力主要是进口处进料、下行颗粒浓度变化和下行颗粒对气体压缩的结果，向下传递。

（3）立管内的脉动压力是一种低频高幅值的动态压力，其中频率低于0.3Hz部分形成了立管管路系统振动的振源，对立管管路系统的振动构成了强迫扰力，导致了立管的大幅度低频振动。

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Analysis of Pressure Fluctuations of Catalyst Powder Flowing in the Standpipe of FCCU

LIU Xiaocheng1，HU Xiaokang2，MA Yuanyuan3，CHEN Jianyi1，WEI Yaodong1
（1.State Key Laboratory of Heavy Oil Processing，China University of Petroleum，Beijing102249，China；2.SINOPEC NingBo Engineering Company Limited，Ningbo 315103，China；3.College of Science，China University of Petroleum，Beijing102249，China）

For studying the vibration in FCCU standpipe because of particle flow，an experiment was carried out on the pressure dynamic behavior of down-flow of FCC catalysts in a standpipe with diameter of 150mm and height of 9000mm.Time series of pressure fluctuations were recorded at different axial measurement points in a standpipe at solids mass fluxes of 50kg/（m2·s）and 395kg/（m2·s）.With the coherence between measurement points，the pressure fluctuation forming and transferring were demonstrated.The results indicated that the catalyst particle down-flow in the standpipe is of pressure fluctuation characteristics.When two flow regimes were coexisting in the standpipe，the pressure fluctuations in the upper dilute-phase part originated from the inlet and transferred downward，and in the bottom dense-phase part from the outlet and transferred upward.When there was the dense-phase conveying regime in the standpipe，the pressure fluctuations originated from the inlet and developed during FCC catalysts flowing downward.The pressure fluctuation with the frequency of lower than 0.3Hz was the cause of the standpipe vibration.

FCCU；standpipe；vibration；gas-solid two-phase flow；pressure fluctuation

TQ021

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2012.03.015

1001-8719（2012）03-0445-06

2011-05-17

国家自然科学基金项目（20876170，21176250）资助

刘小成，男，博士研究生，从事流态化和工业CT成像算法的研究。

陈建义，男，教授，从事多相流分离技术与装备的研究开发；Tel：010-89731519；E-mail：jychen＠cup.edu.cn