半再生立管输送催化剂不畅的原因分析和改进措施

严超宇，魏志刚，宋健斐，魏耀东

(1.中国石油大学(北京)重质油国家重点实验室，北京102249；2.中国石油抚顺石化分公司)

半再生立管输送催化剂不畅的原因分析和改进措施

严超宇1，魏志刚2，宋健斐1，魏耀东1

(1.中国石油大学(北京)重质油国家重点实验室，北京102249；2.中国石油抚顺石化分公司)

催化裂化装置中半再生立管是重叠式两段再生器之间催化剂循环的输送管。半再生立管在操作中常出现催化剂输送不畅的问题，直接影响到装置的平稳运行和催化剂的再生效果。依据两段再生器之间颗粒循环回路的压力平衡分析，半再生立管输送催化剂不畅的主要原因是立管入口进料、出口排料不畅造成下行回路立管的推动力不足。改进立管的入口进料、出口排料，松动风的设置等可以有效地提高立管输送催化剂的能力，解决半再生立管输送催化剂不畅的问题。

催化裂化 半再生立管 输送 故障 分析

半再生立管是催化裂化装置上重叠式两段再生工艺中各段再生器之间的催化剂输送管道，通过立管上滑阀的开度调节催化剂循环速率，进而控制第一再生器和第二再生器内催化剂的藏量和烧焦量[1]。一些装置在操作中出现半再生立管催化剂输送不畅的问题[2-5]，主要表现为半再生立管压差小、推动力不足、滑阀压降低、再生器内料位大幅度波动等，进而影响到催化剂的再生效果和提升管的反应温度。对此各装置采取了多种措施进行改进。本课题基于两段再生器之间的压力平衡和立管的推动力计算，分析半再生立管催化剂输送不畅的原因，并对采取的措施进行讨论，提出相应的改进建议。

1 两段重叠式再生器内颗粒循环回路上的压力平衡

图1为两段重叠式再生器及其催化剂循环回路的压力平衡示意。上部第一再生器通过半再生立管向下部第二再生器输送催化剂。由于第二再生器处于气体流动的上游，第一再生器处于气体流动的下游，因此第二再生器内的压力p0高于第一再生器内的压力pi，即半再生立管出口环境的压力p0大于入口压力pi，属于负压差操作。半再生立管内催化剂需要借助于自身的重力由上部的低压端流向底部的高压端，同时还需要在立管的下部建立一个一定浓度ρs和高度h的密相颗粒料柱，阻止底部出口的气体反窜进入立管。

图1 两段重叠式再生器及其催化剂循环回路的压力平衡示意

实际上负压差(p0-pi)也是第二再生器上行输送催化剂的推动力，起始压力p0由分布器喷嘴的出口压力决定。两个再生器之间颗粒循环回路的压力平衡曲线表明，催化剂上行部分的压力曲线与下行部分的压力曲线相交在轴向某一位置，形成了一个8字形的压力平衡曲线，上行路线是气体流，下行路线是颗粒流，由此保证了下行的半再生立管出口的压力ps大于环境的压力p0，这也是维持催化剂循环的必要条件。根据压力平衡曲线，半再生立管排料条件是催化剂料柱产生的蓄压推动力大于负压差(p0-pi)，即

(ps-pi)=ρsgh>(p0-pi)

(1)

式中：ρs为催化剂浓度，kg/m3；h为料柱高度，m。式(1)表明，增加ρs和h可以有效地提高立管蓄压的推动力。立管输送操作的一个重要特点是颗粒料柱的流态形式、浓度、料柱高度等随着负压差和颗粒质量流率的变化而自动进行调整。

2 半再生立管催化剂输送不畅的原因分析

某2.8 Mt/a重油催化裂化装置再生器采用两段重叠式再生工艺，当装置处于大负荷(115%)和大风量(112%)操作时，半再生立管催化剂出现流化异常的问题，表现为催化剂下料不畅，第二再生器催化剂藏量不够，立管的推动力由正常的35 kPa降到15 kPa以下甚至为零，半再生滑阀压差由正常的60 kPa降到40 kPa以下，并大幅度波动。半再生立管内催化剂浓度正常操作时为450 kg/m3，异常操作时降至220 kg/m3以下[2]。

根据图1的压力平衡曲线和式(1)，当催化裂化装置处于大风量操作时，第二再生器的压力p0增大，半再生立管的负压差增大，甚至(ps-pi)<(p0-pi)，导致流化风从半再生立管出口反窜进入立管，底部不能建立起密相料柱，同时也造成立管入口进料不畅，使得半再生立管内催化剂浓度减小，仅是一个稀相下落流流态，静压推动力不足，甚至吹通半再生立管，结果第二再生器的藏量减小。此时降低主风量后，半再生立管的出口压力减小，限制了流化风的窜入，底部建立起有效的密相料柱，入口进料也通畅，半再生立管的推动力增加，半再生立管的输送操作恢复正常。然而，这种情况下大多通过以下措施解决半再生立管催化剂输送不畅的问题，例如更换其它类型的催化剂，或减少松动风点和风量。但这些措施既不能减小负压差，也无助于底部催化剂密相料柱的建立，所以均没效果，或效果不大[2]。

又如某1.0 Mt/a催化裂化装置再生器采用两段重叠式再生工艺，第一再生器稀相段压力为185 kPa，第二再生器稀相段压力为212 kPa，开工后多次出现半再生立管流化失常的现象，表现为催化剂下料不畅。对该装置半再生立管的压力平衡曲线的测量和计算结果见图2。由图2可见，下行正常压力曲线的斜率明显高于下行异常压力曲线的斜率。式(1)下行曲线斜率表示催化剂的浓度。上行的气体通过了第二再生器的密相床层和稀相床层，以及第一再生器的部分密相床层。正常操作时，立管内催化剂浓度在400 kg/m3以上，推动力为60～70 kPa，滑阀压降为40～50 kPa(A～C范围)。异常操作时，立管推动力为20～30 kPa，催化剂浓度在200 kg/m3以下，滑阀压降为10 kPa以下(A～B范围)，滑阀失去对催化剂的调控能力。由于第一再生器的催化剂不能及时输送至第二再生器，结果第一再生器料位高，第二再生器料位低，两器内的密相料位波动剧烈。

图2 再生立管的轴向压力分布

依据压力平衡分析，主要原因是第二再生器的主风窜入半再生立管，现场催化剂采样分析结果也表明第二再生器主风通过半再生斜管上行进入了第一再生器，导致立管吹通，立管的入口进料也受到影响，立管内不能建立起有效的催化剂料柱。

某装置曾采取了以下措施解决催化剂输送问题：降低第二再生器主风量或增大第二再生器主风量，采用不同型号的催化剂，半再生立管直径由700 mm增大到900 mm。但这些措施无助于提高半再生立管的蓄压推动力，实施后均没有收到明显的效果[3]。

3 半再生立管催化剂输送不畅的改进措施

为使半再生立管能通畅输送催化剂，根据式(1)，需要减小半再生立管的负压差或增加催化剂的质量流率，在半再生立管内建立起一个一定高度的密相料柱才能产生排料的推动力，才能使半再生立管出口的压力ps大于环境的压力p0。为此，提高半再生立管入口的进料量，抑制半再生立管出口反窜风的进入，提高半再生立管内的催化剂浓度等，可以有效提高立管排料的蓄压推动力。

半再生立管的入口处于第一密相床内，立管催化剂入口、取热器催化剂入口及待生立管催化剂出口均在此区域，相互影响和干扰。此外，若半再生立管入口处流化风速过大，阻碍了催化剂的进料，或夹带量过大，也可以导致进料不足的问题。通过对入口加装料斗(见图1)，同时对第一再生器分布器进行改造避免流化风对入口进料的影响，有效地提高了立管入口的进料能力。例如上述1.0 Mt/a和2.8 Mt/a重油催化裂化装置通过这些改造后半再生立管操作稳定，立管推动力稳定在70 kPa，滑阀压降50 kPa，再生器料位未出现大幅度的波动[2-3]。文献[4-5]中的催化裂化装置不仅在半再生立管入口处加装料斗，而且还对第二再生器的分布器进行改造，减小半再生立管出口区域的分布器喷嘴数量，同时降低流化风对立管出口排料的干扰，抑制反窜风的进入，适当减小松动风量，增加半再生立管内催化剂的浓度，解决了半再生立管流化不稳定的问题。

美国Shell公司开发的提高催化剂循环速率技术(Catalyst Circulation Enhancement Techno-logy，CCET)，采用一种新型的立管入口结构，选择锥形料斗结构，同时在锥体上开槽口，目的是增加催化剂进入的面积和气泡脱出的空间，应用结果表明催化剂循环速率可提高50%[6]。

但半再生立管内催化剂浓度的增加是有一定限制的。当立管内催化剂脱气严重，催化剂浓度较高时，易于发生失流化架桥问题，此时催化剂浓度达到起始流化浓度，需要合理设置松动点和松动风量。某2.0 Mt/a重油催化裂化装置半再生立管松动点设计不合理，催化剂浓度在120～1 100 kg/m3之间波动。通过改造松动点和调整松动风量，使半再生立管内催化剂浓度维持在正常值340 kg/m3，实现了平稳操作[7]。

4 结 论

催化裂化装置在操作中出现半再生立管压差小，推动力不足，斜管滑阀压降降低，再生器料位大幅度波动等问题，导致催化剂输送不畅，其原因是立管负压差过大，进口进料不畅，出口反窜漏气。通过半再生立管入口结构改造提高进料量，出口环境改造抑制反窜气的进入等，可以有效地在半再生立管内建立起密相料柱，提高排料的蓄压推动力，实现半再生立管催化剂的稳定输送。

[1] 陈俊武，许友好.催化裂化工艺与工程(下册)[M].3版.北京：中国石化出版社，2015：1423-1434

[2] 白锐，王晓，王振卫，等.重油催化裂化装置再生器催化剂流化异常原因及对策[J].石油炼制与化工，2013，44(2)：61-65

[3] 唐泉.两再生器同轴布置FCC装置再生器料位控制难的原因[J].炼油技术与工程，2007，37(9)：1-6

[4] 许缄涛，王军峰，罗万明.FCC装置半再生斜管流化不稳定的原因分析[J].齐鲁石油化工，2008，36(4)：297-300

[5] 寇拴虎，狄延琴，田金光.重油催化裂化装置技术改造及其效果[J].化学工程师，2005，19(2)：23-26

[6] Chen Yemon.Recent advances in FCC technology [J].Powder Technology，2006，163(1/2)：2-8

[7] 邢颖春，卢春喜.某催化裂化装置催化剂循环管线松动点的改造[J].石化技术与应用，2008，26(1)：49-54

ANALYSISOFCATALYSTCONVEYINGFAULTINSEMI-REGENERATIVESTANDPIPEOFFCCUANDRELATEDMEASURES

Yan Chaoyu1， Wei Zhigang2， Song Jianfei1， Wei Yaodong1

(1.StateKeyLaboratoryofHeavyOilProcessing，ChinaUniversityofPetroleum，Beijing102249；2.FushunPetrochemicalCompanyofPetroChina)

The semi-regenerative standpipe is used for conveying catalyst between stacked two-stage regenerator in the FCC unit.Abnormal catalyst transportation occurred in standpipe during operation，which directly affected the unit operation and catalyst regeneration efficiency.Based on the analysis of the pressure balance of particle circulation loop，the cause is being the obstacle in inlet feed and outlet discharge，resulting in not enough driven force in the pipe for catalyst downward.By optimizing the fluxes of particle feed and discharge and controlling the loosen wind rate，the capacity of the catalyst transportation in standpipe can be effectively improved.

FCC； semi-regenerative standpipe； transportation； fault； analysis

2017-02-14；修改稿收到日期：2017-05-20。

严超宇，副教授，从事流态化方面的研究工作。

严超宇，E-mail：yanchaoyu@sina.com。

中国石油大学(北京)克拉玛依校区科研启动基金(RCYJ2016B-02-002)；国家自然科学基金(21176250)；中国石油大学(北京)科研基金(2462015YQ0301)。