在催化裂化油浆过滤分离设备

陈燕蓉+黄南概+陈程+徐大鹏

摘要：文章简述了催化裂化油浆过滤分离设备的研究背景，分析了运用TRIZ理论改进催化裂化油浆过滤分离设备从而提高过滤效率的可行性，并运用TRIZ理论对催化裂化油浆过滤分离设备进行了具体研究和创新设计，提出多个改进方案，并进行方案评价，综合各方案的优点获得总体设计方案。新方案采用造价低廉的滤网代替昂贵的滤芯，并通过简单的结构设计，借助滤网的移动给油浆加压，加速油浆过滤。新方案不仅能够显著地提高催化裂化油浆过滤分离效率，解决传统设备过滤分离效率低的难题，还能够有效降低生产成本、提高经济效益，应用前景广阔。

关键词：TRIZ；催化裂化油浆；过滤分离；创新设计

1研究背景

催化裂化油浆是石油炼化等化工生产过程中产生的一种相对密度大、黏度高的产品。据统计，全球每年催化裂化油浆产量大约为3750万吨，主要作为重质燃料油调和组分出售，若分离后油浆用于生产高品质焦炭，每吨增加的净利润为7～15美元。对于大规模连续化生产，油浆的分离问题是石油炼化装置能否稳定运行以及提高经济效益的关键，也是工业研究领域的难点和热点。

目前催化裂化油浆分离主要是采用具有反冲洗功能的过滤器系统。也就是在正常过滤工作过程中，含有固体颗粒的油浆在压力差作用下，从过滤材料的一面流向另一面，固体颗粒就被截留在过滤材料的表面上，形成滤饼。随着过滤时间的延长，积累在过滤材料表面上的滤饼厚度会增加，产生进出料压差。当压差达到设定值或过滤时间达到设定值，过滤器就会停止进料，反向加压，快速打开进料侧的排渣阀门，过滤器内的液体会产生爆破性的反向流动，将滤饼推离过滤材料，从排渣口流出过滤器，完成反冲洗。过滤器重新进料，进行下一周期的过滤过程。

现有的催化裂化油浆的过滤技术无法满足长周期过滤连续运转的需要，所用的催化裂化油浆过滤设备系统一般在使用3个月以内就发生堵塞。原因是国内都是用残渣比很高的重油催化裂化装置来催化裂化油浆，这样的催化裂化装置中的油浆沥青质含量很高。这些沥青质成分既不是固体，也不是液体，属于胶体，如果沥青质附着在过滤材料上，无法通过反冲洗的办法使其与过滤材料分离，甚至粘附到过滤材料内部，不能反冲洗再生，导致整个过滤工序无法长时间运转，过滤分离效率低。

2基于TRIZ理论的催化裂化油浆过滤分离设备创新设计可行性分析

催化裂化油浆过滤分离设备过滤效率低的问题本质上就是传统的油浆过滤分离工艺与设备之间存在技术矛盾。TRIZ理论针对不同的问题可采用不同的分析工具。分析工具是TRIZ用来解决矛盾的具体方法或模式，其中包括矛盾矩阵、物质一场分析、39个通用技术参数、40条创新原理和76个标准解法等。因此，对于催化裂化油浆过滤分离设备过滤效率低的问题，同样可以运用TRIZ理论构建问题模型，进行系统分析，列举解决方法，获得最优的解决方案。

3催化裂化油浆过滤分离设备的改进

3.1现有设备中存在的问题

油浆过滤分离设备是指能够分离油浆中固体颗粒的设备（如图1所示）。其基本原理是在压力作用下，迫使油浆通过滤芯，固体颗粒截流于滤芯上，从而达到油浆和固体颗粒分离的目的。

由于国内催化裂化油浆中的沥青质含量很高，常常粘附在滤芯内部，造成滤芯堵塞，导致滤芯无法反冲洗再生而需要更换，且无论是国外引进的还是国内的装置和技术，在我国的工业运行时间都不太长，导致油浆过滤效率低，所以目前大多数炼油厂为了保证工艺的连续运行，安装2台过滤器，其中1台作为备用。但是这并不能够解决根本的问题，我们必须进一步研究和改进油浆过滤分离的装置，以便提高它们的工业运行时间，从而提高过滤效率。

3.2系统分析

对现有的催化裂化油浆过滤分离设备建立系统分析模型（如图2所示）。

通过系统模型图可知，造成催化裂化油浆过滤分离效率低的主要原因是：1.油浆中沥青含量高造成油浆黏度高；2.泵的过滤推动力不足；3.颗粒物堵塞滤芯造成过滤阻力大。这3个问题是导致催化裂化油浆过滤分离效率低的关键，但是考虑到问题1油浆中的沥青是系统本身存在的，对系统而言是不可控的，且因为过滤速度与过滤推动力成正比与过滤阻力成反比，因此着重从增大过滤推动力和减小过滤阻力两方面进行创新改进。

3.3 TRIZ应用过程与方案生成

3.3.1增大过滤推动力的解决方案

TRIZ认为创新设计的核心在于解决技术问题中的矛盾冲突。要提高催化裂化油浆过滤分离器的过滤速度，需要增大泵对油浆的推动力，促使油浆快速通过滤芯，因此，问题中存在一对技术矛盾：改善的工程参数为9速度，而恶化的工程参数为10力。通过查找矛盾矩阵得到三个可供参考的创新原理：13反向作用原理，28机械系统替代原理，15动态特性原理和19周期性作用原理。

根据13反向作用原理“用相反的动作代替问题定义中所规定的动作”及“将物体上下颠倒或内外翻转”得到方案1，通过将油浆入口和出口的位置上下颠倒，使油浆能够在重力的作用下通过滤芯，然后在过滤器下方加装一个真空泵对过滤器抽真空，借助真空泵的负压减小过滤器下方的压强使上方的油浆能够快速通过滤芯。

根据15动态特性原理“c如果一个物体整体是静止的，使其移动或可动”得到启示，将固定不动的滤芯替换为可移动的滤网，通过滤网移动对设备内部油浆施加一定的压力，加快油浆的过滤速度。得到方案2（如图3所示），通过伸缩轴和滑板使滤网能够左右移动，给滤网中间的油浆施加压力，从而加快过滤效率；或者方案3（如图4所示），在使用过程中，通过活塞杆和滑板带动滤网上下运动，对设备内部油浆形成一定的压力，从而加快了过滤效率。

3.3.2过滤阻力大的问题

系统中的过滤阻力与附着在过滤材料上的固体颗粒厚度有关。所以减小过滤阻力的解决办法主要从减少过滤材料上的附着物出发，这就意味着需要增大清洗力度将过滤介质上的附着物清洗干净，那么就需要增大反冲洗系统的压强。根据以上分析可知，改善了10力，就会恶化11压强，通过查找矛盾矩阵表得到3个可供参考的创新原理：18机械振动原理、21减少有害作用的时间原理、11事先防范原理。

根据18振动原理“C利用共振频率：超声波碎石机击碎胆结石”得到方案4，通过在滤网上加装超声模块来提高清洁力度。

3.4方案评价

对上述形成的备选方案从过滤效率、使用成本和清洁力度等方面进行综合性地客观评价，具体情况如下表1所述。

综合考虑上述4个备选方案，结合方案1至方案4的优点，克服其存在的缺陷，获得总体设计方案：一是如图5所示将油浆入口设置在过滤器上方，然后通过伸缩轴和滑板使滤网能够从左右两边向中间移动，对滤网中间的油浆进行加压，再借助真空泵的负压作用进一步提高油浆的过滤速率。当过滤设备中的过滤效果变低，滤网上污垢严重时，使用真空泵将过滤设备中的油浆抽离干净后，从两侧底部的？由浆出口灌入冲洗液，待冲洗液液面淹没伸缩杆时，启动超声模块，对滤网及分离设备内部进行超声清洁，并通过油浆入口对设备内反吹加压，使设备内压力上升，压力上升到一定程度后，打开冲洗液出口，在真空泵反吹的压力下，将冲洗液冲出。二是如图6所示，油浆入口设置在过滤器下方，通过活塞杆和滑板带动滤网上下移动，对设备内部的油浆形成一定的压力，从而加快油浆通过滤网的速度，提高过滤效率。当设备内部的油渣量达到一定數量时，将过滤好的油浆抽离，打开油渣出口排放油渣。当设备内过滤效率低，需要对滤网进行清洗时，将油浆入口封闭，利用真空泵将油浆从油浆出口进行抽离，封闭油浆出口，将冲洗液入口打开，灌入冲洗液，使冲洗液全部没过过滤网，打开超声模块进行超声清洗，然后从冲洗液入口进行加压，当压力升高到一定程度时，封闭冲洗液入口，以最快的速度打开油渣出口，将冲洗液排出。

4结论

TRIZ理论具有鲜明的特点和优势。通过使用矛盾矩阵、39个通用技术参数和40条创新原理等TRIZ解题工具获得的催化裂化油浆过滤分离设备，不仅过滤效率高、清洁效果好，还能够有效降低生产成本、提高经济效益。该设备为炼油厂的催化裂化油浆过滤分离工序的连续运行提供了有力支撑，还能够推广应用于其他工业产品的过滤分离工序中，应用前景十分广阔。同时，也为提高催化裂化油浆系统相关工序的工作效率提供了一定的理论基础。

（科技部创新方法工作专项资助项目）

责编/马铭阳