新型催化裂化槽式待生剂分配器的冷模实验

张永民, 禹淞元

(中国石油大学 重质油国家重点实验室，北京 102249)

新型催化裂化槽式待生剂分配器的冷模实验

张永民, 禹淞元

(中国石油大学 重质油国家重点实验室，北京 102249)

针对大型催化裂化再生强化的需要，提出了一种新型的槽式待生剂分配器，在大型冷模实验装置上对其性能进行了系统的评价，并考察了操作条件和结构参数对主要性能指标的影响规律，还与前期研究的两种传统分配器进行了性能对比。结果表明，该型分配器在操作气速大于临界表观气速的条件下即可达到很高的颗粒分配均匀性和颗粒输送能力，而其他因素对其性能影响不大。考虑到工业圆形再生器的实际情况，提出了1个修正的不均匀指数，可以更好地满足工业待生剂分配器设计的需要。和传统船型和管式分配器的性能对比，新型槽式待生剂分配器不仅具有更好的颗粒分配均匀性，而且在颗粒输送能力和操作弹性两方面也具有显著的优势，因为它更好地解决了分配器内颗粒的流动性问题。

待生剂分配器；槽式；不均匀指数；再生器；催化裂化；流化床

目前，流化催化裂化(Fluid catalytic cracking，简称FCC)工艺在国内大多数炼油厂都居于核心地位，是最重要的重质油轻质化转化工艺之一，也是很多炼油厂利润的主要来源。在FCC过程中，高效的催化剂再生具有重要的意义。一方面，形成的更低碳含量的再生剂可以保障反应系统中催化剂的高活性以及良好的产品分布；另一方面，由于再生过程决定了催化裂化装置80%的能耗[1]，因此高效再生过程也有助于降低催化裂化过程的能耗。随着常规石油资源的日趋短缺，发展提高石油资源利用率的新技术日趋重要，而高效催化裂化再生技术无疑属于其中之一。

催化裂化催化剂再生过程涉及主风中的氧气与待生催化剂颗粒上沉积的焦炭在气-固流化床中的非均相氧化反应。实现催化剂的高效再生，除了要求气、固相间的高效接触(均匀分布主风、控制较小的床层平均气泡直径等)外，颗粒沿再生器横截面的均匀分布也十分重要，尤其在大型工业再生器中。再生器中待生剂分配不均，不仅有损氧气和焦炭的整体接触效果，降低烧焦强度，而且可能形成严重的稀相尾燃，损害再生器操作的稳定性，严重时甚至可能出现设备烧蚀事故。长期以来，国内对待生剂的分配问题一直没有足够重视，大多数早期的再生器都没有设置待生剂分配器，近年来才开始设置一些结构简单的船型和管式待生剂分配器[2]。这两种分配器一般都是依据经验设计，并没有经过系统的基础研究。国外除了一些专利[3-7]外，也很少有催化裂化待生剂分配器的系统研究。最近，张永民等[8]建造了一套能够评价待生剂分配器性能的大型冷模实验装置，并在此装置上检验了参考已有工业设计制造的船型和管式分配器的性能。他们发现，两种分配器的分配效果都不理想，其中船型分配器分配均匀性最差，管式分配器性能稍好一些，但必须借助足够的输送风量。在工业装置中这不仅会增加能耗，而且会额外增大待生剂输送管路的阻力，降低管路颗粒的输送能力，并有可能产生设备磨损问题。

为了开发更为高效的待生剂分配器，以满足催化裂化装置高效再生及设备大型化的要求，笔者借鉴水泥、电力等行业中使用的一种空气槽粉体输送系统，又称“气垫输送”的原理[9]，提出了一种新型的槽式待生剂分配器。采用前期建造的待生剂分配器冷模实验装置[8]，评价这一新型待生剂分配器的性能，考察了操作条件和结构参数对待生剂分配器主要性能指标的影响。在此基础上，进一步讨论了该型分配器在工业装置中应用的相关问题，并与船型和管式两种分配器进行了性能对比。

1 新型槽式待生剂分配器的提出及采用的实验方法

1.1 新型槽式待生剂分配器模型

空气槽输送是一种粉体输送技术，常用于常温常压下粉体的短距离输送(一般小于100 m)，其原理如图1所示。主体设备空气槽由上、下2个槽体组成，中间由1层多孔板或厚的编织滤布隔开，空气由下部腔体均匀流过多孔板或滤布，使上部一浅层固体颗粒流化。通常，空气槽沿物料前进方向与水平面有向下3°～6°的倾角，依靠重力实现粉料的平稳输送，具有能耗消耗低、没有运动部件等优点。目前，对该系统已有较为系统的研究[10-13]。借鉴空气槽粉体输送技术的原理，笔者提出了一种新型的催化裂化待生剂分配器，并申请了中国发明专利[14]，使用的分配器模型如图2所示。和粉体输送空气槽的结构类似，该分配器也由上、下2个平行的槽体组成，下槽体是流化风缓冲腔，利用上、下两个槽体之间的气体分布板将上槽体内的颗粒层流化；不同的是，槽式待生剂分配器设有多个颗粒出口，以实现颗粒均匀分配的首要目的。另外，和常用的粉体输送空气槽相比，待生剂分配器的操作条件更为苛刻，需要在更高的温度和压力下长周期稳定运行，因此对设备可靠性的要求更高，但分配器输送槽的长度要短得多，最多十几米。该分配器输送槽长1.8 m、宽120 mm，上部颗粒分配槽高140 mm，两侧开有5个80 mm×40 mm的矩形开口，开口总面积和上部颗粒输送槽的横截面积相当，下部流化风缓冲腔高50 mm。

图1 空气槽粉体输送原理

图2 新型槽式分配器模型

1.2 实验方法

采用张永民等[8]建造的实验装置和实验流程。略有不同的是，在测试管式和船型分配器时，流经立管的催化剂颗粒需要经过一水平短管后才进入分配器，而这里立管直接与接近竖直的分配器颗粒进口管相连(见图2)；另外，槽式分配器只需要一股流化风即可，不像管式和船型分配器同时需要流化风和输送风。实验所用的固体颗粒同为工业FCC平衡剂，平均粒径60 μm，颗粒密度1500 kg/m3，堆积密度922 kg/m3。在评价催化剂分配性能时，同样采用了不均匀指数ζ[8]。考察了流化风表观气速、分布板类型、颗粒循环量、槽体水平倾角等参数对分配器性能的影响。其中，流化风表观气速的范围为0.01～1.0 m/s，采用了10 μm的密孔金属烧结网板和开有160个2 mm小孔、开孔率0.5%的多孔分布板两种气体分布板考察分布板类型的影响，槽体水平倾角范围为0°～6°。

2 结果与讨论

2.1 新型槽式待生剂分配器性能的实验研究结果

表1给出了不同操作气速下槽式待生剂分配器5个颗粒出口的流出分率。流出分率定义为单孔颗粒流出量占总颗粒流量的质量分数。图3给出了对应的颗粒平均循环量。为了方便和工业装置操作状况进行对比，颗粒循环量根据立管内径计算，采用的气体分配器为多孔板。

从表1和图1可以看出，当操作气速很小时，例如在u0=0.03 m/s时，颗粒的分配均匀性最差，所有颗粒都从第1个孔流出，对应的颗粒循环量也最低。6次实验中，伴床料位高度均相同，且立管上的滑阀开度均为最大，这时管路的推动力相同，说明u0=0.03 m/s时，颗粒管路中的流动阻力最大。这主要是由于立管出口处颗粒并没有完全流化，形成了很大的颗粒流动阻力，因此也降低了颗粒的循环量。当进一步增大操作气速至0.04 m/s时，5个颗粒流出孔都有颗粒流出，但第1个孔颗粒流出量仍然最大；进一步增大气速至0.06 m/s时，第1个孔流出的颗粒分率逐渐降低至最小，而最后3个颗粒流出孔的流出分率逐渐增大，且三者相差不多；随着操作气速进一步增大，颗粒管路的流动阻力呈现不断降低的趋势，表现出颗粒循环量不断增大，当气速增大到0.05 m/s时，颗粒循环量几乎不再受操作气速影响，说明此时分布板上方的所有颗粒已经完全流化。

表1 表观气速对新型槽式待生剂分配器分配均匀性的影响

#1-#5—The five particle outlets along the slot of distributor

图3 与表1相应的表观气速下的催化剂循环量

图4为不同表观气速下槽式待生剂分配器的分配不均匀指数，其中的蓝色虚线是根据图3中颗粒流出率分布计算得到的不均匀指数。可以看出，分配不均匀指数随着表观气速的增大首先快速下降，然后又略有上升，但总体上升幅度很小。将不均匀指数最低点对应的表观气速定义为槽式待生剂分配器的临界表观气速，当表观气速大于该临界表观气速后，可以基本认为分布器上方的颗粒已经完全流化，这时对应的颗粒流动阻力最小，管路已经可以达到最大颗粒循环量或输送能力。图4还给出了采用密孔金属烧结网板作为气体分布器时的不均匀指数，其随表观气速的变化与采用多孔板时的基本相似，也存在一个临界表观气速，但是其临界表观气速已经降低至0.03 m/s了。相比之下，密孔金属烧结网板比多孔板分配气体更加均匀，也更容易使分布器上方颗粒完全流化，这也是为什么其临界表观气速更低的原因。另外，从图4还可以看出，当操作气速大于临界表观气速后，分配不均匀指数都相差不多，基本不再受操作气速和分布器类型的影响。

图4 不同表观气速下槽式待生剂分配器的分配不均匀指数

图5显示了分配槽体倾斜度对分配不均匀指数的影响。在显示的4种情况下，分配不均匀指数随表观气速的影响规律基本相似，当表观气速大于临界气速后，所有不均匀指数也相差不大。相比之下，倾斜度为2°时，槽式分配器的分配均匀性最好，而进一步增大槽体倾斜度，分配均匀性反而有变差的趋势。这说明在该型分配器中，如果很好解决了颗粒的流化问题，即使槽体不用倾斜或不借助颗粒重力的作用，也可以实现颗粒的均匀分配。

图5 槽式待生剂分配器的槽体倾斜度对分配不均匀指数的影响

通过改变立管上蝶阀的开度可以人为改变颗粒的循环量，图6显示了不同表观气速下颗粒循环量对不均匀指数的影响，这时，分配器采用的分布器是多孔板，槽体倾斜度为0°。从图6可以看出，只要分配器表观气速大于临界气速，即使装置颗粒循环量波动较大，也不会对分配均匀性产生较大影响。在工业催化裂化装置中，相比其他操作参数，颗粒循环量的波动往往更大一些，槽式待生剂分配器的这一特性表明其具有更好的操作弹性，有利于工业装置的操作实际。

图6 槽式待生剂分配器的颗粒循环量对分配不均匀指数(ξ)的影响

2.2 新型槽式待生剂分配器的工业应用

目前，工业FCC装置反再系统的布置主要分为同轴式和并列式两类[1]。无论哪种布置型式，再生器一般都为圆形容器。其中，同轴式FCC装置再生器的待生剂可由中心塞阀套筒多点引入床层，而并列式FCC装置再生器的待生剂则只能由再生器一侧单点引入。在同轴式FCC装置再生器中，新型槽式待生剂分配器的布置应如图7(a)所示，从中心到边壁设置多个分支槽；如果每个槽体上颗粒开孔采用等距排列的方式，那么待生剂颗粒在床层横截面上的分配模式应如图7(b)所示。在并列式FCC装置再生器中，新型槽式待生剂分配器的布置则应如图8(a)所示，从边壁一点分多个分支槽；同样如果采用等距排列的颗粒开孔的话，待生剂在床层横截面上的分配模式应如图8(b)所示。为了实现待生剂的均匀分配，理想状况下，再生器横截面上任何单位面积所分配的催化剂颗粒量应该相同。例如，在图7所示的同轴式FCC装置再生器中，如果设置4个分支槽的话，每个分支槽应该承担1/4颗粒总循环量的分配任务；从中心到边壁，每个孔对应的面积不同，靠近床层中心的颗粒分配孔所需的理想催化剂流量最小，而接近边壁的分配孔所需的理想催化剂流量最大。如果采用等距排列的分配孔，从中心到边壁每个孔所需的理想的颗粒流量应该服从1∶3∶5∶……∶2n-1的关系，这里n指的是单个分支槽上的总开孔数。同样，分析图8所示的并列式FCC装置再生器，每个分支槽从颗粒入口的每个分配孔的理想颗粒流量也应服从同样的关系。因此，在实际FCC工业装置中，并不是每个分配孔的颗粒流量完全相等才是最佳的分配结果。

图7 新型槽式待生剂分配器在同轴式催化裂化再生器中的应用示意图

图8 新型槽式待生剂分配器在并列式催化裂化再生器中的应用示意图

为了反映在实际FCC工业装置中对各个分配孔流量的不同要求，又定义了1个修正的不均匀指数ξ*，如式(1)所示。

(1)

和图4～6中的ξ类似，ξ*越小，说明此时分配器在工业装置中所能达到的颗粒分配均匀性越好。采用这一修正的不均匀指数绘制的不同槽体倾斜度下新型槽式待生剂分配器的分配不均匀指数如图9所示。由图9可以看出，当操作气速大于临界表观气速后，ξ*基本趋近恒定，和图5显示的规律性基本一致；操作气速大于临界表观气速，ξ*的值要显著小于ξ。结合图3可以看出，此时距离颗粒入口端越远的分配孔的颗粒流出分率越大，更加符合工业装置的需要。

图9 槽式待生剂分配器的槽体倾斜度对修正的分配不均匀指数(ξ*)的影响

2.3 槽式待生剂分配器和传统船型及管式分配器性能的对比

图10对比了新型槽式待生剂分配器和船型及管式待生剂分配器[8]的性能，为了保持近似的基准，横坐标采用的是气体流量。对于槽式待生剂分配器，该流量即是槽体流化风的流量，而对于船型和管式分配器，则是输送风和松动风的总流量。另外，图10中船型和管式分配器的不均匀指数均是在最大松动风量下的数据，即最佳的操作条件下的实验结果。如果对比ξ，从图10(a)可以看出，船型分配器的颗粒分配均匀性最差，在气体流量较低时，槽式待生剂分配器具有明显的优势，但当气速增大到一定程度后，管式分配器的分配均匀性显著改善，基本和槽式分配器相当，而且还略好一些。但是，如果对比修正的不均匀指数ξ*，从图10(b)可见，新型槽式待生剂分配器的优势则更加显著，只要大于其临界表观气速，其分配均匀性就能胜于任何工况下的船型和管式分配器。图11对比了不同气量下3种分配器的平均颗粒循环量，即分配器的颗粒输送能力。从图11可以看出，当新型槽式待生剂分配器大于其临界表观气速后，流动阻力大幅度下降，颗粒输送能力远超过其他两种分配器，可达二者颗粒输送能力的3倍左右。另外，船型和管式分配器的不均匀指数均随着颗粒循环量的增大而增大[8]，而颗粒循环量的增大对新型槽式待生剂分配器的分配均匀性却影响很小(见图6)，这也说明其操作弹性要优于其他两种分配器。

图10 3种待生剂分配器分配均匀性的对比

图11 3种待生剂分配器颗粒输送能力的对比

通过上述研究，笔者进一步认识到实现待生剂分配器中颗粒的均匀分布的关键是解决好颗粒的流动性问题，即应该设法使分配器中所有颗粒都能保持良好的流化状态。船型分配器的分配原理其实和新式槽式分配器相似，但传统的船型分布器由于分布管设计自身的缺陷，并不能使分布器内所有的颗粒都具有很好的流动性，局部流化不好的颗粒反而成为了阻碍其他颗粒流动的障碍。管式分配器依靠气体的携带实现颗粒的流动性，但由于管式分配器内气体为变质量流，距离颗粒入口端越远，管内的气体流速就越小，必须采用非常高的气体流量才能实现分配管内颗粒的均匀分配，尤其对于工业装置中跨度较大的分布管。这必然会造成很大分布管的压降，显著降低待生剂管路的颗粒输送能力。另外，高气速下伴随的高颗粒速度也会磨损设备，对设备的长期可靠性也提出严峻的挑战。管式分配器的另一个特点是随着不断远离颗粒进口端，各管孔流出的颗粒流量将逐渐减小，与工业装置希望颗粒流量越来越大的要求背道而驰。本槽式待生剂分配器具有更好综合性能的关键是解决了分布器上部所有颗粒的流动性问题，即能使所有颗粒都流化起来，因此，在工业装置中槽式待生剂分配器分布板的设计将非常关键，必须在保证良好气体分配均匀性的同时，使其能够在高温、高压的再生器环境中长期可靠运行。

3 结 论

(1) 新型槽式待生剂分配器存在一临界表观气速，操作气速大于临界表观气速，分配器就能够保持较小的分配不均匀指数和较高的颗粒输送能力；分布器类型、槽体倾斜度和颗粒循环量对槽式分配器的分配均匀性影响较小，最佳的分配器倾斜角度为2°。

(2) 根据工业圆形再生器对待生剂分配器各分配孔颗粒流量分布的要求，提出了一个能够更好满足工业设计需要的修正不均匀指数；根据该指数判断，大于临界表观气速时新型槽式待生剂分配器各孔的分配规律更能满足工业装置的需要。

(3) 无论从分配均匀性、颗粒输送能力还是操作弹性看，新型槽式待生剂分配器都比传统的船型和管式分配器更优，因为其更好地解决了所有颗粒的流动性问题。在工业装置中，气体分布器的设计是关键。

符号说明：

ci——某个出料口颗粒流出量比率；

i——出料口编号；

n——出料口个数；

ua——松动气速，m/s；

u0——槽式分配器流化风表观气速，m/s；

ζ——颗粒分配不均匀指数；

ζ*——修正的颗粒分配不均匀指数。

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Experimental Study on New Slot FCC Spent Catalyst Distributor

ZHANG Yongmin, YU Songyuan

(StateKeyLaboratoryofHeavyOilProcessing,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China)

To achieve high-efficiency catalyst regeneration in large-scale industrial FCC unit, a new slot spent catalyst distributor was proposed. Its performance was systematically evaluated in a large cold model unit. The effects of operating and structural factors on the main performance parameters were also investigated. Finally, a systematic performance comparison was carried out among the new slot distributor and the other two traditional distributors studied previously. The experimental results indicated that there was a critical superficial gas velocity in the new slot distributor, beyond which good uniformity of solid distribution and high capacity of solid transportation could be both maintained. Other operating and structural factors had little effect on its performance. In view of the cylindrical vessels in industrial FCC regenerators, a modified heterogeneity index was proposed, which can better match the requirement in designing an industrial spent catalyst distributor. Compared with the traditional boat and pipe spent catalyst distributors, the new slot distributor is much more advantageous comprehensively, e.g. in the uniformity of solid distribution, the capacity of solid transportation and operating flexibility, because of its better flowability.

spent catalyst distributor; slot; heterogeneity index; regenerator; FCC; fluidized bed

2014-05-12

国家自然科学基金项目(21276273)、国家“973”项目子课题(2012CB215004)、新世纪优秀人才支持计划 (NCET-11-0733)、北京高等学校青年英才计划人才专项基金(YETP0675)和中国石油大学(北京)基金(2462015YQ0312)资助

张永民，男，研究员，博士，主要从事石油炼制及流态化等领域的研究；Tel: 010-89731269; E-mail:zym0876@gmail.com

1001-8719(2015)05-1164-07

TE966

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2015.05.020