催化裂化提升管进料混合段研究进展

王 钊，闫子涵，范怡平，卢春喜

催化裂化提升管进料混合段研究进展

王 钊，闫子涵，范怡平，卢春喜

（中国石油大学（北京）重质油国家重点实验室，北京 102249）

催化裂化是炼油工业中重要的二次加工过程，提升管反应器是催化裂化装置的核心部分，其中的进料混合段是原料油与催化剂的初始接触阶段，该区域油、剂间的接触与混合效果将对裂化反应的产品分布产生直接影响。在传统的提升管进料段结构中，存在着催化剂分布不均匀、颗粒返混严重等问题，不利于实现油、剂间快速而均匀的混合与反应。针对提升管进料混合段内存在的缺点与不足，国内外研究者提出了诸多改进方法，其中改变进气方式、增加内构件、提升管变径等方案的效果较为显著。

提升管；混合进料段；结构优化

催化裂化工艺是石油加工业中不可或缺的工艺工程，提供了市场中大部分的汽、柴油等产品。提升管反应器是催化裂化的核心装置之一，汽油、柴油和液化气等诸多目的产品均是通过在其内裂化反应获得。

根据在裂化反应过程中的作用，可以将提升管反应器沿轴向由下至上分为四个部分，分别是预提升段、进料混合段、充分反应段以及出口快分段［1,2］。其中的进料混合段是油、剂的初始接触阶段。在该区域内，原料油与催化剂间的接触及混合效果将对整个裂化反应产生直接影响。

然而，实际生产中，进料混合段内存在以下问题：（1）进料混合段原料油与催化剂颗粒接触及混合状况不理想。在油剂初始接触阶段，催化剂颗粒沿径向的分布极不均匀，且颗粒轴向速度较低，不利于油剂间快速而均匀地混合。（2）在提升管中油剂混合物的流动状态不是理想的“平推流”，较多的催化剂颗粒聚集在提升管近壁，呈环-核结构，喷嘴射流的引入也加剧了颗粒的轴向返混，使油、剂之间进行反复接触，造成较为严重的结焦。

针对提升管进料混合段内存在的问题，国内外研究者在对传统进料段内气、固两相流动特点进行详尽研究与分析的基础之上，提出了诸多改进方法，其中一些方案实现了工业应用并取得了一定的效果。

1 提升管进料混合段内气固流动特性研究现状

提升管进料段内的流动状况极其复杂，可以将该流场描述为“受限射流与三维三相流场的耦合”，相关研究主要采用实验与数值模拟相结合的方法。

范怡平[3-6]等在内径为186 mm、高14 m的有机玻璃提升管装置内进行了提升管进料混合段内气固两相流动特性的研究。按照颗粒相与射流相的流动特征，将整个混合进料段由下至上分为四个区段，分别是：上游影响区、主射流影响区、二次流影响区和混合发展区。其中，二次流影响区段边壁处的颗粒返混急剧增加，且油剂匹配效果较差，对油剂间的混合产生极为不利的影响。

鄂承林[7]等在Φ200 mm的提升管冷模实验装置上，研究了喷嘴射流在进料段的分布特征并考察了喷嘴气速的影响。结果表明，喷嘴射流在进料混合段内存在六种径向分布特征，沿轴向由下到上分别是：未混合区（强M型分布）、混合区（弱M型分布、强三峰分布、弱三峰分布、单峰分布）、完成混合区（环-核分布）。当喷嘴气速增加时，未混合区、混合区及完成混合区的轴向高度均逐渐增加。该研究还指出：提升管直径较大时，适当提高喷嘴气速有利于喷嘴油气与预提升气体和催化剂颗粒之间的混合；提升管直径较小时，适当降低喷嘴气速有利于喷嘴油气与预提升气体和催化剂颗粒之间的混合。

王洪斌[8]等采用三维数值模拟的研究方法考察了喷嘴射流的角度与速度对提升管内流动的影响。根据数值模拟得到的结果，同一角度下，喷嘴的射流速度对催化剂和油气的浓度分布以及气相组成的浓度分布有一定影响，而在工业提升管喷嘴射流速度范围内（60～80 m/s），射流速度的改变对提升管内流动形态的影响不明显。射流角度的变化对提升管内流动和反应都有较大影响，从数值模拟的结果来看，射流角度不应当超过45°。

2 提升管进料混合段结构优化研究现状

为实现进料段油气流动混合理想状态，近年来国内外研究者提出了许多改进性方案，并取得了一定的成果。

Haun等[9]提出了一种新型喷嘴进料方案，如图1所示。该结构的主要的特点是喷嘴进料方向与提升管轴线垂直，或在±25°范围内变动。这使得进料油气在提升管整个截面上的扩散速度大大增加，原料油与催化剂接触后在沿轴向上很短的距离内实现充分接触，从而使反应时间缩短，产品质量提高。该结构在还提升管的中部设置了挡板，以防止较高气速的水平进料对提升管内壁的冲击。

Mauleon J L等[10]提出了一种新结构，如图2所示。该结构的进料喷嘴向下倾斜，与催化剂流逆向接触。催化剂颗粒由再生斜管进入提升管，由预提升气体携带向上运动，在预提升段上部设有二次提升气体，催化剂颗粒在两股气体的共同作用下向上运动，与斜向下的喷嘴喷入的油雾接触并发生反应。

据介绍，该结构主要有以下优点：第一，原料油液滴的气化速度与传统的进料方式相比有很大提高，减少了催化剂的结焦；第二，生焦量的减少保护了催化剂催化裂化的活性，从而提高了产品的选择性；第三，该结构使得催化剂颗粒与原料油进行良好的接触，这就保证了裂化反应的迅速进行，从而缩短了催化剂在提升管内所需的停留时间，使提升管反应器的长度缩短；第四，该进料方式允许原料油中含有较多的重油成分，尤其是沥青成分，且反应的转化率有所提高。

Swan等[11]分析了喷嘴的出口流型及安装位置对进料区域内流动及混合状况的影响，并提出了优化方案。常见的提升管进料喷嘴出口流型有扇形、三角形等，该专利将出口流型为扇形的喷嘴与出口流型为三角形的喷嘴配合安装，如图3所示。该方法可以使原料油进入提升管后在提升管中心和边壁处的分布趋于均匀，以改善该区域内油剂的接触状况。同时，在该专利中还提出将进料喷嘴分为两组布置在提升管周向位置，其中一组的安装位置靠近提升管中心，约为r/R=0.5位置处，另一组安装在靠近提升管边壁位置，约为r/R=0.9位置处。通过这种方式也可以使喷嘴油气在提升管径向上的分布更加均匀。

Maroy等[12]提出了一种新的提升管进料段结构。在传统提升管反应器内，颗粒相在径向上的分布为中间稀、边壁浓的环-核结构，并且在边壁存在颗粒的返混，这种分布是引起催化剂与原料油接触不均匀的主要原因。为改变这一情况，该专利设计了两种结构，使提升管底部而来的催化剂流向由传统提升管中的竖直向上运动改为螺旋式向上运动，这将使提升管截面径向上各点的颗粒浓度及速度分布区域均匀，同时消除了颗粒在提升管边壁处的返混。第一种结构是在提升管内安装螺旋型构件，诱导气固混合流在提升管内做螺旋型运动，如图 4所示。第二种结构是在提升管外部增加切向进气管，通过切向进气使提升管内的气固流动形式变为螺旋式，如图5所示。该设计主要有以下优点：第一，在喷嘴进料区，颗粒相的分布较为均匀，原料油与催化剂的接触及传热效果较好；第二，原料油与催化剂颗粒实现迅速混合，提高了对重质油操作的能力；第三，极大程度减少了固体颗粒在边壁处的滑落；第四，减少了颗粒对提升管内壁的磨损，提高了反应器的使用寿命。

郑茂军等[13]开发研究了一种抗滑落提升管反应器。该结构与传统提升管相比主要有三方面的改进：二次提升技术、轴切向注入技术以及进料喷嘴区的缩径结构。

其中的二次提升技术采用轴切向进气，所产生的沿轴向向上的动能使得边壁区颗粒剧烈湍动，加剧了颗粒间的碰撞，促使返混的颗粒团解体。轴切向进气同时为边壁颗粒提供了水平方向的动能，使得解体的颗粒向提升管中心流动，提高了核心区的颗粒浓度。进料喷嘴以上的缩径结构可以改变气固两相的流动方向，在底部具有一定初速度的物流由于缩径段的加速作用，会向核心区聚集，从而打破传统提升管中的环-核结构；从压力场的角度分析，缩颈段下部横截面积大于上部，在该区域产生足够的速度场，克服颗粒的重力作用，使物流获得向上的推力，以抵消边壁摩擦力和径向扩散的影响，以近似于“平推流”的形式在提升管内流动。

范怡平[14,15]等在大量实验的基础上，开发了两种新型提升管进料混合段结构，实现了对二次流的利用和控制，如图6。其中，A型结构是在喷嘴出口正上方的提升管内壁焊接一定形状的内构件，并在此内插件与提升管内壁间隙的开口处引入一股辅助气体，该辅助气体紧贴提升管内壁引入，使其进入二次流影响区段。B型结构是在喷嘴出口正上方的提升管内壁设置若干块凸型导流板。与传统的提升管进料结构相比，两种新型结构的颗粒相相对返混比、密度分布均匀性指数、特征剂油浓度比等参数都有很大改善，B型结构的改善效果更为显著。

文献[6]中提出了一个“三分定理”，用来确定喷嘴射流所产生的二次流的位置，为控制和利用二次流提供了理论依据。以此为基础，范怡平等[16,17]开发了一种CS 喷嘴，用于解决二次流的不利影响。其基本原理是，在确保雾化效果且不增加汽耗的前提下，在喷嘴出口处引出一股与二次流方向一致的“屏幕汽”，用于削弱二次流影响区段提升管近壁处颗粒相的返混；同时，由于气体间的弛豫时间远小于气固间的弛豫时间，即辅助蒸汽与喷嘴油气之间比其与催化剂颗粒更容易融合，因此，“屏幕汽”的引入对喷嘴射流在提升管进料段内的扩散速度影响较小，实现了对二次流的“扬长避短”。目前该进料混合段结构已在国内多家炼厂实现工业应用[18]。

3 结束语

本文对改进提升管结构，优化进料段油气混合状态的研究进展进行了综述和讨论，总结了影响油气混合状态的影响影响因素，并对比了不同结构的优缺点。目前对提升管进料混合段结构改进的主要方法包括：喷嘴角度及进气方式的改变、增加内构件、提升管变径等。其中，改变提升管进料段区域的流通面积或设置内构件取得的效果较为显著，在颗粒浓度的径向分布、油剂接触状况等方面都有不同程度的改善。对于提升管进料混合段来说，其结构及气固接触形式仍有进一步的改进空间，在今后的研究中应从改善颗粒分布，减少颗粒及油气返混，提高气固间接触效率等方面进行进一步优化。

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Research Progress of Feed Injection-mixing Zone in FCC Riser

WANG Zhao，YAN Zi-han，FAN Yi-ping，LU Chun-xi
（State Key Laboratory of Heavy Oil, China University of Petroleum, Beijing 102249, China.）

Riser reactor is one of the most important units in the FCC process. In the feed injection-mixing zone of the riser reactor, the contact and flow conditions of oil and catalysts will directly affect the FCC reaction. The present research about gas-solid flow behaviors in the conventional feed injection zone indicates that the catalysts distribute quite unevenly in the feed injection zone, which is harmful for the contact and reaction of oil and catalysts. To solve the disadvantages of riser feeding mixed segment, domestic and overseas researchers put forward some improvement methods, including changing the way of air inlet, appending the internals and transforming the diameter of the riser.

Riser; Feed injection-mixing zone; Structure optimization

TE 624

： A

： 1671-0460（2015）05-0997-04

2015-03-22

王钊（1989-），男，黑龙江大庆人，硕士研究生，研究方向：过程装备，气固两相流。E-mail：531006494wz@sina.com。

范怡平（1972-），男，副教授，博士学位，研究方向：过程装备，气固两相流。