催化裂化催化剂在立管中的流动

1、催化裂化催化剂在管线中的流动催化裂化催化剂在管线中的流动 保持催化裂化装置平稳操作的三个主要方面： 1.保证良好的气固流化状态，提高气固接触效率，强化反应和再生过程。 2.确保催化剂正常循环，使催化剂在系统中能顺畅的、平稳的、按生产所要求的催化剂循环量，连续不断的进行输送。催化剂的输送不仅与所使用的原料、催化剂物性有关，同时还输送管线的结构、松动给风（汽）量、操作者水平高低等因素密切相关。若某一环节运用不当，轻者会造成局部桥，降低处理量。严重者也会造成切断进料，甚至出现事故。 3 .要保证催化剂回收系统操作稳定压力平衡合理 。第一节第一节 不同类型的催化剂流动性能不同类型的催化剂流动性能 目前

2、FCC装置使用的催化剂可分为三种： 小比重催化剂（堆积密度约600 700kg/m3） 大比重催化剂（堆积密度在800900kg/m3） 混合催化剂（由不同比例的大、小比重催化剂混合构成）。 大比重催化剂具有比表面积小、孔容小、堆积比重大、磨损少、活性高等特点。但大比重催化剂通常会带来一些流化工程的新问题。如在冷模试验中发现，大比重催化剂的流动性能不如小比重催化剂。 物理性能差异：物理性能差异： 大比重催化剂接近B类粒子，休止角大，脱气快其流动性能不如小比重催化剂冷模试验现象冷模试验现象: :在同一装置中，装入相同料位高度的催化剂大比重催化剂流化起来风压需0.03MPa，而小比重催化剂只需0.

3、012MPa。当主风量为240Nm3/h（0.265m/s)，大比重催化剂在流化床内分层下落像塌方一样，一段一段地流化，直至全部塌完，方使流化床里的催化剂全部流化起来。小比重催化剂，当风量在160 Nm3/h （0.177m/s),一次就流化起来。因此说小比重催化剂是容易流化的。流化以后，两种催化剂在流化床中形成的状态不一样，在相同流化气量下，大比重催化剂所形成的流化床稀密相床界面很明显，气泡在密相里较大，而小比重催化剂形成的流化床床界面较模糊，密相床里气泡直径较小。 循环管锥斗提升管图6-1-1 小密度催化剂 经锥斗流动 用小比重催化剂时，经过锥斗的催化剂无论循环量大或小，催化剂均能保持稳定

4、的连续流动。大比重催化剂经过气控锥斗时的流动不象小比重催化剂流动具有连续性，而是一股一股的流动，有时在两股流动中间也伴有少量催化剂流动。图6-1-2 大密度催化剂 经锥斗流动提升管循环管图6-1-2 大密度催化剂 经锥斗流动提升管锥斗循环管空a b图6-2-1 在立管中鼓泡流化流动形式 (a)乳化相气体向上气泡气体向上总的气体向上（ ）乳化相气体向下气泡气体向上总的气体向上 ( )乳化相气体向下气泡气体向上总的气体向下 ( )乳化相气体向下气泡气体向下总的气体向下 固体颗粒依靠重力自上而下的流动，由压力较低向压力较高处流动称为负压差流动，如旋风分离器料腿、待生立管、再生立管中气固两相流就属这种

5、型式。相反，固体颗粒由压力较高向压力较低处流动称为正压差流动，移动床、提升管中气固两相流属于这种情况。 在充气条件下，催化剂的流动依充气量的不同其流动型式也不一样，但总的来说，立管中固体向下流动基本上有两种流型，一种为流化流动，也叫充气流动，其固体呈流化状态，即固体颗粒悬浮在气体中；另一种为非流化流动又称粘附滑移流动或移动床流动。 第三节第三节 催化剂在立管中实际流型催化剂在立管中实际流型 3.1 再生立管和斜管中催化剂的流型： 一般来讲，工业生产中立管和斜管中均为流化流动，但是，在特殊情况下，也会产生粘附滑移流动，具体情况分述如下：对于流化流动，滑阀以上的立管和斜管，催化剂向下流动，伴随着有

6、气泡或气体流股向上运动，试验表明，无论在充气条件下或脱气条件下均是如此。随着阀开度的不同，催化剂循环量不同。当催化剂循环量较小时，向上运动的气泡直径也小，气泡个数多，气泡频率也小，随着催化剂循环量增加，气泡直径加大。气泡频率增加，当催化剂循环量大到某一值后，在斜管中出现了1/3斜管为气体流股，此时，催化剂向下运动的速度大大高于有气泡时催化剂向下运动的速度，从而使催化剂循环量增大，见图6-3-1d，由于催化剂运动速度加快，在本试验装置条件下，催化剂可以直接冲到立管管壁上，然后折转向下，在立管与斜管交接处，会形成一个旋涡区。 在有脱气管（或罐）的情况下，与无脱气管比较，试验中可以看到，有脱气管时斜

7、管中的气泡远小于无脱气管时斜管中的气泡，而且，有脱气管时，气泡个数明显增多，因此，催化剂的流动较平稳。 在阀以下催化剂的流型见图6-3-1，可以看出，当催化剂循环量较小时，催化剂以倒锥形、依靠重力向下流动，在整个立管中催化剂基本上处于管中心，见图6-3-1a，在入提升管的斜管中，催化剂由重力流动遇到斜管的阻力后，沿斜管呈抛物线的高度随催化剂循环量的增加而增高，它可以是1/3管径，1/2，和2/3，以及满管，无论那种情况，在管底部的催化剂都沿管壁向下滑动。随着催化剂循环量的增加，通过阀的催化剂不再全部在管中心。而是一侧多，另一侧少，沿管壁向下作重力流动，随着循环量增加该空间越来越小，即越接近阀下

8、部见图6-3-1a 、b、 c、 d 。试验中发现，在个别情况下的瞬间，在阀以下也出现过满管情况，但随即消失。 ssss图6-3-1 再生斜管与立管中催化剂流型再生器再生器再生器再生器提升管提升管提升管提升管2(b) W=23.8kg/m.s2(b) W=63.1kg/m.s2(b) W=196kg/m.s2(b) W=38.3kg/m.s 由催化裂化工艺设计资料可知，流化流动和粘附滑移流动最大流率分别为：流化流动时为3570T/m2.h；粘附滑移流动46T/m2.h。 本实验测得的粘附滑移流动最大循环速率为19.1T/m2.h，由上述数值计算，两种流型不同最大循环速率差77.6倍186.9倍

9、。由此可见，在生产中掌握催化剂的流型是非常重要的。257图6-3-2 斜管中催化剂向下滑移在 管壁上形成的催化剂波纹图6-3-3 不同循环量下循环管中催化剂的流型(a)(b)(c)(d)(e)3.33.3 催化剂在快分头和旋风分离器中的流动： 三叶型快分头：图6-3-9 三叶浆快分结构图6-3-10 气固混合物流型环室提升管端部图6-3-12 叶间器 壁催化剂粘附图图6-3-13 旋风器内流场分布图01234567891011121315140180 100 V/(m/s) R径深/mm(a) 0-180切向速度分布 0 200 100 75 50 2500000000 25 50 75 10

10、0 200 0(b) 90-270切向速度分布 R径深/mm V/(m/s) 100270908761410111200250500图6-3-14 料腿中密 相料面高度 图6-3-15 料腿四区流动模型 三叶型快分头的情况下，旋分器以上的空间不需要很大。由此还可以推论，工业生产中，沉降器内均设有3-5组旋分器。那么，每组旋分器入口会形成一个气固混合物流股。工业生产中的沉降器旋分器以上的空间可以大大降低，以减少基建投资。图6-3-17 沉降器 顶气固流动 6 5 4 3 2 0100200300图6-3-18 升气管中催化剂流型料面高度H/m/(kg/m s)2sW60/4060/32(a)开始

11、进入提升管(b)转料后期(c)正常提升及料封图6-3-22 提升管及下部循环管中的催化剂流动h2脱气管挡板三密相湍流床快速床33h图6-3-23 淹溢结构流型2（a）（b）图6-4-2 不加松动点时催化剂的流动气体脱空#1#2#3#4#5 图 6-4-3 一般来讲：斜管部分气泡多、直径小对催化剂的流动是有利的。当催化剂循环强度较大，气泡数量减到一定程度，首先在斜管部分由流化流动变为黏附滑移流动。其转变过程为：催化剂循环强度增加，催化剂突然加速下滑，它击碎了斜管中所有的大气泡，形成一连串几乎直径相同，分布均匀的小气泡，刹时每个小气泡又被下滑的催化剂压缩成梭状气室，此时催化剂和气体同向下运动，且呈

12、跳跃流动，这时已形成黏附滑移流动。催化剂流型转变过程见图6-4-7。一般在黏附滑移流动时，看不到明显的气泡。大气泡小气泡 （原地振动）梭状气室图6-4-7 由流化流动转变为粘附滑移流动过程4.3 立管中输送催化剂出现“架桥”的条件及疏通措施 架桥的出现是输送催化剂非正常工作状态，迄今为止对架桥尚无明确的定义，为了文章叙述方便，这里给架桥下一定义：在垂直立管或斜管向下输送催化剂时，管内催化剂正常流动被破坏，出现了催化剂梗塞、气节等，梗塞处虽有催化剂慢速塌落或有少量催化剂流动，但催化剂的流率远小于正常流动时的流率。梗塞处上部的催化剂堆积密度不断增大，而下部无料，此时不能自行疏通，此现象定义为架桥。

13、4.3.1 架桥形成的原因 形成架桥的原因是很复杂的。目前尚无成熟的计算公式来判别，错综复杂的临界条件也不能说清楚。一般用相对速度 来解释流动破坏的原因。当相对速度usl过小时流动过程由流化流动过渡到黏附滑移流动，显然这里只能解释流型的变化，必须在此基础配有其它条件才能形成架桥。经过实验找出以下几个条件： a a.流化床层的变化引起循环管线架桥，实验中将床层表观气速由1.619m/s突然降至1.08 m/s，当循环强度为404t/m2.h时，循环管中催化剂立即架桥。若上述条件下表观气速由1.619 m/s分8次逐级降至1.036 m/s，降完10分钟才产生架桥。1sgsLuuu b.不正确的通

14、入松动风和松动点设计不合理引起架桥：众所周知，通入松 动风会使循环管线内料面升高，当料面超过变径处一定高度就会引起架桥。若料面在变径处以下时，相对来讲是不易架桥的。如在实验中发现，循环强度为222.9kg/m2.s，松动风量为0.2Nm3/h，料面高2.0米。若松动风量改为1.0 Nm3/h。，料面高则为8米。超过了变径则引起架桥。在通入松动风时，某一点通 入的风量不可过高，否则会形成气节，妨碍催化剂的流动也易引起架桥。 c.在斜管输送催化剂时，靠近提升管连接处以上一定范围内不能通入松动风，否则易引起架桥。 d.系统中压力波动，也就是说瞬间压力平衡遭到破坏，也是造成架桥的原 因。 e.循环管线

15、设计不合理：如变径过大，拐弯多，管径小，在某一条件下产生了强约束流动，是引起架桥的条件之一。在实际生产装置中，特别是老装置改造，因场地限制和工艺要求引出上述问题，必须采取相应的措施，方可保证催化剂流动正常。 f.一定通气量下，催化剂循环强度较低时，也容易发生架桥，这主要因为通气过量所造成的。4.3.2 架桥的型式按架桥出现的位置分：有的出现在直管段，见图6-4-8-a，有的在变径处或管线拐弯处架桥见图6-4-8-c、e、f。这是极易出现架桥的地方，当架桥刚形成时，都有一段脱空段，不过它较直管架桥的脱空段长。本实验时为8001000毫米。（a）（b）（c）（d）（e）（f）（g）图6-4-8 架

16、桥形式4.3.4 架桥的消除4.4 立管中催化剂流动松动问题 保持催化剂在立管或斜管中按预定方向，稳定地流动，不出现波动、失流、倒流，在立管上设置一定数量地松动点，对不同的松动点通入适量的松动风实属必要。4.4.1 敏感松动点和一般松动点 在以往的工程设计和生产操作中，没有明确提出敏感松动点这一说法，而只统称为松动点。实验发现：在控制阀上不加松动点，催化剂则不能很好地流动，由此可见此处的松动点是很关键的。除此之外，另一个对催化剂流动影响较大的松动点为1#松动点（管线变径处的松动点），实验发现，当催化剂循环强度稍大一些时，若1#松动点不通风，则很快会发生架桥，故这个松动点也是很重要的，属敏感松动

17、点。对于1#松动点的位置，在文献5中介绍，应加在变径处以下，愈接近变径处愈好。为了证实该说法，我们在变径处上下100毫米处各加了一个松动点，考证应在变径处以上还是在变径处下为好。实践证明应在变径处以上好。在管线拐弯处不同位置作了松动点位置的试验，证明该处的松动点对催化剂的流动也是至关重要的，因此将管线拐弯处，变径处以及滑阀以上的松动点确定为敏感松动点，除此之外的松动点视为一般松动点。4.4.2 松动点位置的设置： 根据对立管、斜管、松动点位置的试验结果分析认为，松动点位置的设置应考虑以下几点。 1)在立管变径段以上应设置一松动点，该点愈接近变径段愈好，该点比设置在变径段以下愈接近变径段为优越；

18、 2)垂直立管上松动点的间距为44.5米，同时也要根据催化剂的物理性质有所变化； 3)垂直立管较长时，在其底部0.60.7米需要设一个松动点； 4)在管线拐弯处应考虑设一个松动点，以在管线拐弯处以上0.3米为好，正对管中心设松动点效果不佳； 5)斜管底部1.5米范围内不得设松动点，因为在此范围内通入松动风（汽），将会使催化剂流动不畅。 目前工业生产装置上松动点间距都较小，从0.73米，一般在2米左右。松动点多并不一定合适，这一点应引起设计和操作者的足够重视。国外资料给出松动点最大间距公式为： （6-4-7）式中：Hd松动点最大间距,m s催化剂骨架密度, T/m3 1立管顶部催化剂密度, T/

19、m3 2立管内允许催化剂最大密度, T/m3 p立管压力, MPa按（6-4-7）式计算出的松动点最大间距为2.84米。 212221*15. 2sssdpH4.4.3 松动的通气量： 1930年Holldriflow 和Thermofor的流化装置中采用了一个移动床料腿，在料腿上设有蒸汽吹气口，这是最早的一种立管，使通入的蒸汽必须保证向上流的阻力降大于向下流的阻力降，以使蒸汽向下流动，防止油气沿立管反窜。 1962年剑桥大学Donchwerts教授论证了这一现象，如果塌落床连续移出物料且通入的蒸汽量能使立管中的固体处于流化状态，立管的输送能力将大大提高。 流化床流动时固体速度大于气体速度，气

20、体在下流过程中被压缩，因此，气体速度相应降低，使立管中的固体密度增加，为了保持流化床向下流动和具有较大的流动能力，必须通入适量的气（汽），理论上讲，气体被压缩多少量相应的就通入多少气体量。通入气体量较少，达不到松动的目的即抵消不了气体被压缩的影响，特别是立管较长时尤为严重，通气量过多，气泡不仅妨碍和限制固体流率，而且由于气泡的聚并气泡直径大到与立管直径相同时，完全可以阻止固体流动。所以，通气量不能过多也不能太少。许多研究者给出了适量的通气量。 对于低密度和松散的固体，单位长度压降较低的立管中，只需加入少量的松动气，如果立管的密度保持恒定，Zenz建议每30.5米（100ft）的立管需通入气量为

21、24Nm3/t固体，另一个松动气量的表达式为： （6-4-8） 式中：Q松动气加入量, m3/h wc 催化剂流量, t/h B 催化剂视密度,t/m3 T 温度, K HP 立管长度,米 管内催化剂空隙率 近似数值是11.5 N m3/100米/t（催化剂）THwQpBc/8 .611 经大量实验研究发现：，松动气总量与立管长度（L）、管径（D）、和催化剂循环量（ws）密切相关，可用式6-4-9 表示： （6-4-9）试验数据回归得： Q （6-10）).(DLwfQs)()(ln2cLBDwks 第六节 工业立管流动问题剖析6.1 工业立管流动问题 6.2.1 立管松动问题 1987年试运

22、期间美国SW公司提出的操作指标见表6-6-3，立管结构和松动点见图6-6-2。 从表6-6-3 可以看出，SW公司使用的松动风量无论设计值和试运使用值各点给风量相同，按表6-6-3给的值开工很长时间，二再立管都不能正常流动，可见松动风量有问题。 这是因为他们没能将敏感松动点和一般松动点加以区别所致。另外按前述的松动点设置原则，A32不应当通入松动风而他们给了大量的风（蒸汽）。也不利于催化剂流动。应当指出的是AA12，这里加了松动风就使一些问题难于理解，弄不清楚是应当充气对还是脱气。若这里加了松动点只能使斜管到脱气罐的孔口变成强约束流动，对流动也是不利的。 从表6-6-3中还可以看出，他们的给风量忽高忽低，似乎可以任意给松动风，其结果恰恰相反，使催化剂在立管中不能很好的流动。脱气缸二再生器松动风环提升管AA18AA19AA20AA21AA2