FCC沉降器内部空间压力分布的数值模拟

孙文英，刘晓欣，王仲霞，严超宇

（1.中国石油大学（北京）化学工程学院，北京102249；2.中国石化石家庄炼化分公司）

沉降器是催化裂化装置（FCCU）的重要组成部分，是油气和催化剂进行分离和汽提的场所。沉降器操作中要求油气和催化剂快速分离，并将分离出的油气快速引出，实现催化剂的高效汽提，从而缩短高温油气在沉降器空间内的停留时间，防止轻质油气组分过度裂化，进而减少轻质油损失，以及避免重质油结焦［1－2］。进入沉降器的物流主要有提升管反应油气及其携带的待生催化剂、汽提蒸汽、防焦蒸汽，这些物流在沉降器内的流动状态决定着沉降器内的压力分布，而压力分布又直接影响到沉降器内的油气流动状态和停留时间［3－5］。例如顶部旋风分离器（顶旋）是进行油气和催化剂分离操作的场所，内部空间是一个压力相对较低的区域，但收集的催化剂需要从顶旋料腿排入压力相对较高的沉降器空间。若沉降器内的压力平衡出问题，或顶旋料腿内的颗粒质量流率比较小，就会造成料腿内的料封高度不够，使沉降器内的油气反窜进入料腿，一方面影响顶旋的分离性能，另一方面造成顶旋翼阀的冲蚀磨损［6－7］。本课题采用Fluent计算软件，建立沉降器区域全尺寸结构化计算模型并进行数值模拟，重点分析沉降器内油气流动状况及压力分布的特点，以及顶旋和料腿区域内的压力分布特点，为沉降器系统的设计和操作提供依据。

1 沉降器结构和网格划分

图1为国内某炼油厂1.40Mt/a催化裂化装置的沉降器结构和网格划分示意。沉降器高20m，直径6m。提升管反应器内置在沉降器内部，提升管出口直联一级旋风分离器（粗旋）。该沉降器采用包含3个粗旋和3个二级旋风分离器（顶旋）的分离系统，两级旋风分离器之间采用口对口式连接。粗旋内径1 328mm，顶旋内径1 280mm。粗旋入口中心线离顶旋入口中心线的距离为4 569mm。提升管内的油气进入粗旋，经初级分离后，油气从粗旋出口排出进入沉降器空间，再进入顶旋进行二级分离，最后油气从顶旋出口排出沉降器进入后续流程。分离后收集的待生催化剂进入沉降器下部的汽提器，经过汽提蒸汽汽提后从下部排出。而汽提蒸汽将催化剂颗粒之间的油气和颗粒内部的油气汽提置换出来后进入沉降器空间，与油气混合后进入顶旋。

由于沉降器内部空间区域的油气流动互相密切关联，只有同时计算才能反映油气在整个沉降器内部真实的流动情况。在空间区域离散化过程中，对所有区域均采用结构化网格，网格单元数为1.2×106个。

图1 沉降器结构及网格划分

2 计算模型和计算参数

计算采用Fluent 6.2流体计算软件，湍流模型采用Reynolds应力输运模型（RSM）。速度边界条件的入口速度分别取提升管提升气速和汽提段蒸汽表观气速，顶旋升气管内流动状态已趋于稳定，故设定压力出口边界条件。粗旋料腿的出口设为敞口。顶旋料腿的出口安装翼阀，出口为封闭状态，其余部分则设定固壁边界条件。

在沉降器汽提段的表观气速为0.2m/s、顶旋出口的表压为150kPa、沉降器系统内温度为470℃、高温油气为流动介质［密度2.40kg/m3，黏度1.27×10－5kg/（m·s）］的条件下设置提升管出口气速分别为12，15，18，20m/s，计算结果表明，在出口气速为18m/s时模拟操作数据与实际生产工况的操作数据吻合，因此采用提升管出口气速18m/s作为入口边界条件。

3 结果与讨论

3.1 沉降器内部压力分区

根据计算结果，沉降器内部压力分布大致可以分为3个压力区域：高压区，中压区，低压区。顶旋的内部压力低于沉降器空间压力，属于低压区，其平均压力为152kPa；沉降器的空间压力低于粗旋内部压力，属于中压区，其平均压力为155kPa；粗旋及提升管反应器的内部压力最高，属于高压区，其平均压力为156kPa。由于沉降器内部大空间的上升气速比较低，可以认为整个沉降器空间的压力一致，这样沉降器各个压力区之间的压差主要是旋风分离器的压降。高压区与中压区之间的压差是粗旋的压降，而中压区与低压区之间的压差是顶旋的压降。

图2为沉降器粗旋－顶旋中心纵截面的流场分布。沉降器内的压力分布［见图2（a）］决定着油气的流动方式。粗旋在高压下操作，顶旋在低压下操作，因此在压力的推动作用下，油气从粗旋排气管排出进入沉降器空间，然后再进入顶旋。从图2（b）中可以看出，旋风分离器内的气体速度较高，沉降器空间区域的流速很低，约为1.00m/s。由于壁面效应，在粗旋外壁和沉降器器壁附近某些区域的流速低于沉降器空间内的流速，形成了器壁附近的滞留层，使重质油颗粒易于沉积和滞留，最后形成结焦。

图2 沉降器粗旋－顶旋中心纵截面的流场分布

3.2 粗旋出口－顶旋入口附近的流场

图3为粗旋出口－顶旋入口处的流场分布。沉降器内的粗旋和顶旋是口对口式连接，流场如图3（a）所示，粗旋出口的油气高速进入顶旋入口。口与口之间的流体主要是粗旋的油气，而口与口之间的间隙是汽提油气、防焦蒸汽和粗旋料腿排出油气的入口，这几部分的气体汇集粗旋出口的油气一同低速进入顶旋。提升管反应器进气量为112t/h，汽提油气约占进气量的4%，防焦蒸汽约占进气量的3%，粗旋料腿排出量约占进气量的0.8%。最终进入顶旋进行二次分离的气体流量Q3为沉降器空间内油气量Q2与粗旋出口喷射出的大部分油气流量Q1之和，见图3（b）。

图3 粗旋出口－顶旋入口处的流场分布

图3（c）是粗旋出口－顶旋入口处的压力分布纵向截面图。粗旋出口的平均压力p1＝154.8 kPa，沉降器空间内的压力p2＝155.1kPa，顶旋入口处压力p3＝154.5kPa，p1与p2均大于p3。在这个压力场的作用下，油气由粗旋出口喷出后进入压力较低的顶旋入口，同时沉降器空间的油气也一同进入顶旋内。

3.3 顶旋的流场

顶旋出口是沉降器的出口，顶旋料腿出口置于沉降器的空间内，下面安装有翼阀。从图2可以看出，顶旋内流场具有典型的旋风分离器流场特征，是一个双层漩涡结构，外层是旋转向下的外旋流，内部是旋转向上的内旋流，有一定的径向速度。这个流场结构决定了旋风分离器内的压力最低点在中心区域。由于料腿的入口位于旋风分离器中心，导致料腿内的压力低于沉降器空间的压力，两者的压力差是料腿排料的负压差。这个负压差需要在料腿内建立起一定高度的密相床来平衡，即在底部翼阀处形成一个料位静压。当这个静压值高于外部沉降器空间的压力时，自动打开翼阀阀板排料；当静压值低于外部沉降器空间的压力时，颗粒继续蓄压，增加底部的静压，直到高于翼阀阀板外的压力值，才开始排料。

在实际的操作过程中，尤其是顶旋的入口浓度比较小时，导致料腿内的颗粒质量流率比较低，难以建立起有效的密相床，或密相料封高度不够，在出口处形成半管排料，就会产生漏风现象，翼阀外部的油气在负压差作用下通过翼阀进入料腿。这种漏风会影响料腿的排料，降低旋风分离器的分离效率，增加催化剂的跑损，漏风还会夹带催化剂颗粒，形成对旋风分离器翼阀阀板的冲蚀磨损，从而进一步破坏翼阀的密封性能，加剧漏风量。

3.4 油气沿程的压力分布

图4 油气沿程的压力分布

沉降器内部的压力分布决定着各部分油气和蒸汽的流动路线和速度。图4是计算的各部分油气的沿程压力分布和路线长度。从图4可以看出，提升管出口油气的压降主要产生在粗旋和顶旋上，沉降器内上升油气的压降主要产生在顶旋上，但是油气流动路线的长度有很大的不同。油气由提升管反应器进入粗旋后经由粗旋分离进入顶旋，整个路程长度约为10m，停留时间比较短。而蒸汽汽提油气经过沉降器的大空间缓慢上升进入顶旋，整个路程长度约为27m，停留时间比较长，容易造成结焦现象。

4 结 论

FCC沉降器内空间按压力数值大小可以分为高压区（粗旋及提升管内部区域）、低压区（顶旋内部区域）和中压区（沉降器空间）。这种压力分布的形式决定着油气的流动路线和速度，油气运动过程中压降主要发生在顶旋和粗旋上，而顶旋料腿的压力低于沉降器空间内压力，形成了负压差。

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