催化裂化提升管出口紧凑式旋流快分系统.pdf
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1、2 0 0 9 年 2月 石油学报( 石油加工) A C T A P E T R O I E 1 S I N I C A( P E T R O L E U M P R O C E S S I N G S E C T I O N ) 第 2 5 卷第 1 期 文 章 编 号 :1 0 0 1 8 7 1 9 ( 2 0 0 9 ) 0 1 0 0 2 0 0 6 催化裂化提升管 出 口紧凑式旋流快分 系统 胡艳 华 ,卢春喜 ,时铭显 ( 1 中国石油大学 化工学院 。北京 1 0 2 2 4 9 ; 2 ,中国石油集 团工程技术研究 院,天津 3 0 0 4 5 1 ) 摘要 : 基于旋 流快
2、 分系统 ( V QS ) 在重油催化裂化工业装置中的成功应 用与推广 ,提 出了一种适用于重油催化裂化双 提升管装置 的紧凑式旋流快分系统( C VQS ) 。该系统 由两级高效旋流快 分器 串联 组成 ,第 二级高效旋 流快分器取代 顶旋。采用 紧凑式旋流快分系统不仅可以降低设 备投资 ,而且可 以显著缩短油气在沉降器内的停 留时 间,从而有助 于解决沉降器 内油气 的滞 留、返混和装置结 焦等 问题 。在 研究新 型高效隔 流筒和旋 流头的基础 上,考察 了 C VQS 系统的两种 串联方案 的分 离性能 。结果表明 ,两级高效旋流快分器优化匹配后 ,系统的总分离效率大大提 高,可 以
3、更好地实现气 、固两相 的快速高效分离 。 关键词 : 紧凑式旋流快分系统( C V QS ) ;隔流筒 ;旋 流头 ;分 离性能 ;优化 中图分类号 : T QO 2 1 1 文献标识码 : A oP TI MAL S T RUC T URE OF CoMP AC T V oRT EX QUI C K S E P ARAT oR AT FCC RI S ER OUTLET H U Ya n hu a ,LU Chun x i ,SHI M i ng x i a n ( 1 F a c u l t y o f C h e mi c a l E n g i n e e r i n g, C h
4、i n a U n i v e r s i t y o f Pe t r o l e u m,B e i j i n g 1 0 2 2 4 9 ,C h i n a 2 Re s e a r c h I n s t i t u t e o f E n g i n e e r i n g Te c h n o l o g y o f CNPC,Ti a n j i n 3 0 0 4 5 1 ,C h i n a ) Ab s t r a c t :Co mp a c t v o r t e x q u i c k s e p a r a t o r ( CVQS)f o r F CC r i
5、 s e r t e r mi n a t i o n d e v i c e ( RTD) wa s s y s t e ma t i c a l l y d e v e l o p e d b a s e d o n t h e s u c c e s s f u l a p p l i c a t i o n o f v o r t e x q u i c k s e p a r a t o r s( VQS)i n FCCU a nd d e v e l op m e nt of no v e l i s o l a t e c y l i nd e r a n d d i s e n
6、 ga g e r a r ms Thi s s y s t e m c o ns i s t e d o f t wo n o ve l v o r t e x s e pa r a t o r s c o m b i n e d o pt i m a l l y i n s e r i e s t h r o u gh t he e x pe r i m e nt a l c o mpa r i s o n,i n whi c h t h e s e c o n da r y vo r t e x s e pa r a t o r wa s t he s ubs t i t ut e of
7、 t o p c yc l o ne s e p a r a t o r W i t h t he a p pl i c a t i o n o f C VQS,n o t o n l y t h e r e s i d e n c e t i me o f o i l g a s i n t h e d i s e n g a g e r wa s g r e a t l y s h o r t e n,b u t a l s o t h e c ok i n g r e a c t i o n wa s r e s t r a i ne d,bo t h of whi c h we r e
8、 he l p t o i nc r e a s e t he op e r a t i o n c yc l e a nd i mpr o v e t he p r o du c t y i e l d s o f FCCU Th e e x pe r i m e nt a l r e s u l t s i n di c a t e d t ha t b ot h t he n ov e l i s o l a t e c yl i nd e r a n d di s e ng a g e r a r m s c o ul d i mp r ov e t h e s e pa r a t
9、i o n pe r f o r ma n c e o f s y s t e m , a n d t he ma x i ma l s e pa r a t i o n e f f i c i e nc y wa s o b t a i n e d b y o pt i m i z e d c o mbi n a t i on t o m e e t t he r e q ue s t s o f i n du s t r i a l pr o du c t i o n Ke y wo r d s :c o mp a c t v o r t e x q u i c k s e p a r a
10、 t o r ( CVQS );i s o l a t e c y l i n d e r ;d i s e n g a g e r a r ms ;s e p a r a t i o n pe r f o r m a nc e ;o p t i mi z a t i o n 提 升管 出 口快 分 技术 是 现 代 重油 催 化 裂化 装 置 ( F C C U) 的核心技术之一。 目前 ,比较先进的快分 收稿 日期:2 0 0 8 0 4 0 7 基金项目:中国石油化工集团公司项 目( 3 0 1 0 0 3 ) 资助 通讯联系人:卢春喜,Te l :0 1 0 8 9 7 3 3 8 0
11、 3 ; E ma i l :l c x 7 2 5 s i n a C O IT I 系统主要有 S h e l l Oi l 公 司的快分技术 、UO P公司 的涡 旋 分 离技 术 ( VD S 和 VS S ) 、s &w 公 司 的 第 1 期 催化裂化提升管 出口紧凑式旋流快分系统 2 1 Ra ms h o r n轴 向旋 分 器 、中 国石 油 大 学 ( 北 京 )自主 开 发 的挡 板式 粗旋 快 分 系统 ( F S C) 和 旋 流 快 分 系 统 ( V QS ) 等 _ 1 。其 中 VQS系 统 主 要 用 于 内 提 升 管 式 催化裂化装置 ,可成功地实现“
12、油气与催化剂快速高 效分离、反应后油气快速引出和对分离后夹带油气 的催 化剂 快 速 汽提 ” _ 】 。 1 9 9 8年 ,VQS系 统 在 北 京燕山石化公司炼油厂二号催化裂化装置技术改造 中投入使用 ,两年多的连续运行表明,该系统具有 气 、固相分 离 效率 高 ,剂油 接 触 时 间 短 ,操 作 弹性 大,防结焦效果显著等特点 ,可实现装置的长周期 安全运行 ;在提高掺渣 比的条件下,产品分布得到 了 明显 改善 ,经济 效益 显著 。 现有 VQs系统主要 由单级旋流快分器和顶部 的旋 风分 离 器( 顶 旋 ) 串联 组 成 。 由于 沉 降器 内提 升 管出口末端 至顶旋之
13、问存 在较 大的油气滞 留空间 , 油气停 留 时 间较 长 ,结 焦 问题 时 有 发 生 。 因此 ,如 果在满足催化裂化装置总体分 离效率 的基础上 ,采 用 两级或 多级 高效 旋 流快 分 器 串联 的结 构 来 替 换 目 前 工业上 常 用 的 VQS系 统 ,就 可 以使 沉 降 器 的 尺 寸 大大缩 小 ,其 直 径 基 本 上 与汽 提 段 相 当 ,高 度 也 可远 低于 现有沉 降 器 ,从 而 消 除 了原 沉 降 器 中无 用 的油气滞 留空 问 ,进 一 步缩 短 油 气 停 留时 间 ,不仅 可 以降低设 备 成本 ,另外 对 改 善 产 品 的分 布 、提高
14、 装置长周期运转都具有重要的意义 。 笔者为了确定 紧凑式旋流快分 系统( C VQS ) 内 两级旋流快分器串联的最佳匹配方式 ,在 以往 VQs 系统气 相流场 和 分 离性 能 的 研 究基 础 上 ,优化 开 发 了新型 高效 隔流 筒 与旋 流 头 ,并 采 用 性 能 实验 对 紧 凑式旋 流快分 系 统 的 串联 方 案 进行 研 究 ,确定 了优 化方案 ,为工 业应 用奠定 了基 础 。 1 C V QS系统的提 出 中国石油 大学 ( 北 京 ) 新 近 开 发 了一 种 带 有 隔 流 筒的高效旋流快分器 ,并 已将隔流筒技术成功地应 用于金陵石化公 司第一套 1 4 0
15、 1 0 t a MI P装 置 中。结果表明,采用隔流筒 技术后 ,可 以大大提高 装置的分离效率,降低装置 的油浆固含量。在此启 发下 ,中国石油 大学 ( J L 京 ) 提 出 了紧 凑 式 旋 流快 分 系统( C VQs ) 。该 系统 由两级高效旋流快分器 串联 组成 ,其中,第二级高效旋流快分器取代顶旋 ,使 沉降器 的空 间大 大 减 小 ,结 构 更 为 紧凑 ,尺 寸更 小 ( 基本 与汽提 段 同径 ) ,油 气 停 留 时 间大 大 缩 短 ,有 助于解决油气的滞留、返混和装置结焦问题 。 笔者通过新型高效隔流筒和旋流头 的开发 以及 两级旋流快分器串联匹配的优化,保
16、证 C VQS系统 既有结构紧凑的优点,又能具备高 效的分离能力, 从而可成功应用于工业生产 ,取代现有的 VQS系 统 ,并且 可适用 于 现有 的双 提 升管 或 两 段 提升 管 装 置 。 2 结构改进与优化 2 1 隔 流简 的结构 改进 与优化 初步研 究 表 明 ,在旋 流 头 上骑 插 隔 流 筒后 ,可 使旋流头喷出口附近的上行流转为下行流,消除短 路流夹带颗粒的现象 ,有利于提高系统的分离效率 。 但初次采用的隔流筒为筒形( A型) ,其底部截面还 存在另一种短路流现象 ,结构尚需进一步优化l_ 4 。 为此 ,笔者 又提 出 了另 外 2种新 型隔 流 筒 ,即折 边 隔
17、流筒 ( B型) 和锥形隔流筒( C型) ,并通过性 能对 比实验确定优化的新型隔流筒 。 图 1为 A、B 、C 3种 隔流 筒 的 速度 矢 量 对 比 图 。骑 插隔 流筒 后 ,旋 流 头 上 部空 间封 闭 ,气 、 固 混合物从喷出口喷出后先向下作螺旋运动 ,经过一 段分 离距 离 后 才 能 绕 过 隔 流 筒 进 入 上 行 气 流 引 出 , 这样 就 消除 了旋流 头 喷 出 口附 近短 路 流 直 接夹 带 颗 粒 向上逃 逸的 弊病 ,对 提 高 细 粉 的分 离 效 率 十分 有 利 。由图 1可知,不同结构 的隔流筒会对其底 部截面处的“ 短路流” 现象产生不同影
18、响。A型隔流 筒底部截面处“ 短路流” 现象比较明显 ,存在严重的 颗粒返混与夹带,对系统分离十分不利。改进结构 后 的 B型 隔流筒 与 C型 隔流筒则 有 明显改 善 。相 比 于 B型隔流筒 ,c型隔流筒的优势在 于,其筒体直 径 从顶 部开 始逐渐 加大 , 直径变 化 比较平缓 , 梯度 警 ; 誊 曩 一 i 绸 : ; : i :譬 譬 l 磔 冀 、瀛 私 , 嚣 $ 图 1 隔流筒的速度 矢量对 比图 Fi g 1 Ve l o c i t y v e c t o r di s t r i bu t i o n o f i s o l a t e c yl i nde r s
19、 I s o I a t e c y l i n d e r mo d e l :( a ) A; ( b ) B;( c ) C 2 2 第 2 5卷 较小 ,可避免 因筒体直径突扩 而导致 的流场混乱, 其底部截面处流场分布比较稳定 , 速度梯度变化平 缓,同时其内侧环形区域内上行轴向速度较小 ,有 利于减 少油气 对催化 剂颗 粒 的上行夹带 。 图 2为 3种带有隔流筒的旋流快分器的分离效 率和压降对比图。由图 2 ( a ) 可知,在常规旋流头上 骑插 隔流筒 后 ,其 分离 效 率 大 大提 高 。对 于 8 0 0目 滑 石 粉 ( 颗 粒 密 度2 7 0 0 k g m。 ,
20、 中 位 粒 径 1 0 5 9 0 m) ,其 分 离 效 率 平 均 提 高 了 约 3 0 。同 时 ,性 能对 比实 验还 表 明 ,在 不 同 的旋 流 头喷 出 口 速度( ) 下 ,C型隔流筒 的分离 效率为三者最 高, 尤其在低速情况下其分离优势更为突出,分离效率 仍保持在较高水平 。由此也说 明 C型隔流筒的操作 弹性较好,在不同操作参数下均能保持较高的分离 效率 。 由图 2 ( b ) 可知 ,采用 隔流 筒后 ,旋 流快 分 器 的 压降( A p ) 较常规略有提高 ,这是 因为隔流筒的存在 分割 了封 闭罩 内 的环 形 空 间 ,延 长 了 气 流 的 流 程 ,
21、 增加 了气 流的沿 程摩擦 损 失 。在 相 同 的 。 下 ,带有 C型隔流筒 的旋流快分器的 A p较带有 A、B型隔 流筒 的有所 增大 ,这是 由于 C型 隔流 筒 结构 改 进后 其分离段外侧的切 向速度增大所致。当 。较低时 , 三者的压降相差不大 ;随着 。 的进一步增加 ,带有 C型 隔流筒 的旋 流快 分 器 与带 有 A、B型 隔 流筒 的 A p之差也 随之 增 大 。u 过 大 ,将 导 致 颗 粒 返混 夹 带 ,降低系统的分离效率 ,因此工业应用 中一般将 选定 在 1 6 2 4 m s 。在 这 一 操 作 范 围 内 ,带 有 C型隔流 筒 的旋 流 快 分
22、 器 的 A p 较 带 有 A、B型 隔 流筒的略大, 对系统能耗影响不大 ,可以满足工业 生 产要求 。 图 2 3种带有隔流简的旋流快分 器的分 离效率 ( t 7 ) 和压降 ( A p ) 对比 F i g 2 Co mp a r i s o n o f s e p a r a t i o n e f f i c i e n c y( I )a n d p r e s s u r e d r o p ( A p)f o r CVQS wi t h t h r e e d i f f e r e n t i s o l a t e c y l i n d e r s ( a ) ;(
23、b)Ap Ci 一 5 0 g , n l 。;8 0 0 me s h t a c s o l a t e c y l i n d e r mo d e l :( 1 )No i s ol a t e c y l i n d e r ;( 2 )A ;( 3 )B;( 4)C 2 2旋流 头的 结构改 进与优 化 胡艳华等I 7 提出紧凑式旋流快分系统内二级旋 流头 入 口处 的气 相流 场 为 三维 强 旋 流 ,提 升管 边 壁 处切 向速度较 大 ,上 行 轴 向速 度 较 小 ,易形 成 浓 集 颗粒层。针对这一特点 ,笔者提出了 2种新型旋流 头 ,即三臂径向出口旋流头(I型旋流头
24、) 与两臂大 弧切向出口旋流头( 1 I 型旋流头) ,并通过数值模拟 对其 进行 了深 入研 究 。结 果 表 明 , 型旋 流 头在 旋 流人 口条件 下具 有 一定 的分 离 优势 ,适 于用 作 二级 旋流头。为了扩展新型旋流头的应用范 围,在直流 人I2 1 条件下 ,通过 实验室的加 粉实验,对 比了 l、 型旋流头的分离性能。 图 3为采 用 C型 隔流筒 情 况下 , I、 型旋 流 头 的分离 效率 和压 降对 比图 。 由图 3 ( a ) 可知 ,对 于 8 0 0目滑石粉 ,在各种低浓度条件下, 型旋流头 的分离效率较 - l_ 型旋 流头提高 了约 3 ,这在工业 生
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