流化催化裂化装置旋风分离器的研究及分离效率的优化

流化催化裂化装置旋风分离器的研究及分离效率的优化郝天歌;于姣洋;夏志鹏;吴琼【摘要】The mechanism of cyclone separation of cyclone separator was analyzed as well as factors affecting the separation efficiency,how to improve the separation efficiency of cyclone separator wasdiscussed.Finally,some suggestions on efficiency optimization of the two-stage cyclone separator in reactor-regenerator device in FCC were presented as well as some practical solution to the problems of third-stage cyclone,the precautions during the forth-level cyclone installment process.%首先从旋风分离器的分离原理及影响分离效率的诸多因素人手,对提高旋风分离器分离效率进行了研究和探讨,最后提出了在FCC装置设计过程中,反再两器中的两级旋风分离器分离效率优化的一些建议和方法,三级旋风分离器的一些实际问题的解决方法以及四级旋风分离器安装过程中的一些注意事项.【期刊名称】《当代化工》【年(卷),期】2017(046)004【总页数】4页(P700-703)【关键词】流化催化裂化;旋风分离器;分离效率优化;三级旋风分离器【作者】郝天歌;于姣洋;夏志鹏;吴琼【作者单位】中国寰球工程公司辽宁分公司,辽宁沈阳110169;中国寰球工程公司辽宁分公司,辽宁沈阳110169;中国寰球工程公司辽宁分公司,辽宁沈阳110169;中国寰球工程公司辽宁分公司,辽宁沈阳110169【正文语种】中文【中图分类】TE624流化催化裂化（FCC）装置是现今发展相当迅速的炼油再加工装置之一。

在FCC装置中，催化剂耗量是主要技术指标之一。

在大量的催化剂消耗的同时，衍生出来的是催化剂跑损问题。

过多的催化剂跑损，会造成催化剂粉尘大气污染，无法达到国家控制指标。

而且，催化剂跑损后会夹杂在油气或烟气中，导致催化分馏塔下部油质量下降，余热锅炉也会受到相应影响。

而旋风分离器正是解决这一问题最简单直接而又价格低廉的手段，从而被广泛应用于炼化等领域[1]。

因此，它也成为FCC装置中现有回收催化剂的主要手段。

由于催化剂的颗粒十分细小（平均粒径60 μm）,并且催化裂化的反应温度大多在650 ℃（沉降器）750 ℃（再生器）。

高温微小颗粒的快速冲蚀导致旋风分离器的操作条件十分苛刻。

如一套120万t/a 处理量的FCC装置，再生器中由床层带入旋风分离器的催化剂量达1000 t/h以上,如果旋分器的效率降低万分之一，就会每天跑失催化剂 2.4 t[2]。

因此，有必要对旋风分离器的各项参数指标、流体动力学及优化方法进行研究，以提高旋风分离器的催化剂回收效率。

从而减少FCC装置催化剂损耗。

1.1 旋风分离器内流体的流速和压力分布旋风分离器内主要分为气固两项，而气流作为流动力的主要来源。

由于流体两相掺杂，也导致了比较复杂的刘东情况。

两相气流由切线进入，形成两个漩涡状流动。

外漩涡沿着器壁从上到下进入灰斗；内漩涡则上升至管口，颗粒在离心力的作用下与器壁碰撞，并由外漩涡气流带向灰斗。

接近旋风分离器器壁的区域基本为外漩涡，内部则为内漩涡。

详见图 1，达到了气固分离的目的。

但实际上的气流情况要复杂得多。

由于径向和轴向的压力以及速度分布，在旋风分离器内会形成一个或者两个旋涡。

如果出现两个旋涡，一个在上一个在下，如图2所示。

两个旋涡实际上形成了两个灰尘环。

早期的设计是在入口的下方加一个旁路，如果无旁路设计，上灰尘环中的颗粒积累到一定程度即会由出口气流带出。

在增设旁路的情况下，上灰尘环中的固体颗粒经旁路出口出来又进入向下旋转的气流中。

但这种旁路旋风分离器，衬里制作困难，磨损后修补困难。

现代已采用分离效率高于带旁路设计的旋风分离器，这种设计不出现径向流动，不产生上部灰尘环。

现已用于现代的工业化装置。

其原理是[3]：一个含尘气流流经一段矩形弯管的时候，靠近弯管内壁的气流比靠近弯管外壁的气流经历的距离短，因而在垂直于气流的方向产生垂直流。

旋风分离器的入口也可以看做是一个矩形弯管，产生的垂直流妨碍颗粒向外壁移动。

并将细粒带往旋风分离器顶，这就形成了上灰尘环。

通过研究发现，将弯管进行特殊设计的时候可以避免垂直流。

即弯管横截面上任一点的半径乘高度等于同一截面上任一点半径与高度乘积时，就可以避免垂直流。

此种方法已经得到了广泛的应用。

1.2 旋风分离器的操作条件对分离效率的影响旋风分离器的流体流动被称为三维流场，是非常复杂的两相流运动，为了达到优化的流动条件以提高分离效率的目的。

研究人员进行了深入研究。

一般方法有三种：理论分析法、、实验分析法、模型计算法。

理论分析一般实践性稍差，而实验分析方法和模型计算方法[4]成为现在研究旋风分离器流场的主要方法。

谭天佑等[5]通过对旋分器中流动场的测量得到了流行图。

Su[6]等则主要采用了实验的方式，主要研究了方形旋分器中两相流的湍动。

陈建义[7]首先给旋分器增加了高温条件，并测得了此时的平均速度情况。

并进行了常温比对测量，从而得出了旋分器一个最大切向速度与温度及入口气速的经验关系式。

崔茂林等[8]通过实验，不断改变旋风分离器高度和入口气速。

实验结果表明，随着入口速度的增加，效率会逐渐增加，但是会有一个转折点，使分离效率随着气速增加而急剧下降。

即存在一个最大效率气速。

董栋栋等[9]在温度673 K，催化剂浓度2～60 g/m3的条件下，得出了，入口气速相同的条件下，分离效率和压降与浓度成正比，而浓度高到一定程度的时候，则不再出现明显提高。

在浓度保持不变的条件下，入口气速和分离效率成正比，但当浓度过高时，分离效率则不明显随入口气速变化。

刘书贤等[10]，通过对FCC装置的粗旋做冷态试验发现，入口气速的提高减少了料腿泄气率、提高了粗旋分离效率、细颗粒分离尤为有效。

粗旋风分离器压降与固体颗粒浓度成反比，而分离效率和料腿泄气率则成正比。

黄兴华等[11]，使用Fluent软件对切向进口的旋分器内气相流场和颗粒分离效率进行了三维数值化的研究。

发现，气-固流体进口位置对旋风分离器的分离效率具有一定的影响。

研究采用进口位置分别在进口界面中心线的中点，偏上部和偏下部分三个位置，最后发现，在进口截面中点处的分离效率最高。

而根据方剑藻在350 Wt/a的汉达斯坦燃料润滑油炼厂FCC装置旋风分离器的固-气分离操作评价中指出，分离的催化剂粒子密度对旋风分离器的分离效率的影响却是很微小的。

但是催化剂的粒度分布却对旋风分离器分离的临界粒子粒径有直接影响。

但是在大负荷的工况中，小的催化剂粒子由于受到大粒子冲击而导致旋风分离器的分离效率并没有下降反而有提高。

由此可以看出，为了保证FCC装置中旋风分离器的高效及低压降的要求，需要较高但不超过一定值的入口线速以及适当高的催化剂浓度。

在FCC装置中，现在经常使用的旋风分离器，可分为粗旋风分离器、高效旋风分离器和三级旋风分离器。

实际应用中有多种形式，也可在三级旋风分离器后加设四级旋风分离器以达到粉尘排放指标。

反应器和再生器设备中，一般采用二级串联方式。

-也有的装置中，反应器内同时采取了快分与单级旋分两种形式。

如图3所示，双提升管FCC装置旋分器设置的一种典型情况。

2.1 两器中旋风分离器的优化旋风分离器的入口线速主要取决于两器内气体流量以及采用旋风分离器的组数和入口截面积。

如式（1）所示。

从图3可以看出，沉降器中，含有催化剂的油气由提升管进入粗旋。

油气从粗旋出口排出后由于顶旋入口处与粗旋出口处的压差，而被吸入顶旋。

再生器中烟气分离原理相同。

一般FCC装置顶旋入口线速需保持在20 m/s左右而流体中催化剂的浓度一般在10 kg/m3左右方能保证很高的分离效率。

在实际操作中，可适当调节主风量和预提升蒸汽量。

反再两器中，旋分器的组数和摆放位置也会影响旋分器的分离效率。

黄兴华等[11]，使用Fluent软件进行的三维数值研究发现：气-固流体进口位置对旋风分离器的分离效率具有一定的影响。

研究采用进口位置分别在进口界面中心线的中点，偏上部和偏下部分三个位置，最后发现，在进口截面中点处的分离效率最高。

因此，在FCC装置中，粗旋或一级旋分的安装位置应尽量保证气体出口正对着顶旋或二级旋分的入口处，必要的时候，可以制作从粗旋出口到顶旋入口的连接管。

2.2 三级旋风分离器的一些实际问题三级旋风分离器是为了满足烟气排放中粉尘含量的环境保护指标需要而增设的旋风分离器。

目前广泛使用的有四种结构形式的三旋[12]: 多管卧式三旋、多管立式三旋，旋流式三旋和布埃尔三旋。

根据抚顺石化二厂南催化停工检修报告，采用的多管式立式三旋（单管PST-250 64根），在主风量10 000 Nm3/h的条件下，多次堵塞。

停工检修。

鉴于此类情况，考虑影响三旋的原因主要分为以下几个方面[13]：（1）在制造、安装和使用时，各种原因导致三旋单管的内外管过高的同轴度，降低了单管的分离效率。

（2）三旋长期在超负荷工况下运作，加剧了单管的结垢和磨损。

（3）临界喷嘴的设计与现在工况下运行的三旋不匹配，造成三旋泄气量不足。

（4）三旋系统后路不畅，引起分离下来的催化剂反混。

根据分析，抚顺石油二厂三旋单管堵塞的原因有可能与（1）、（2）有关。

考虑解决办法是将PST-250 64根单管换为PST-300 40根。

或将多管立式三旋改为非多管样式的三旋的布埃尔三旋或旋流式三旋。

这也是国内FCC装置常有的问题和解决办法。

2.3 四级旋风分离器的安装优化四级旋风分离器是近年来提高环保指标而在三级旋风分离器下部增设的设备。

四级旋风分离器一般体积较小，下部直接连接催化剂细分收集罐及储罐。

因此是装置回收废催化剂的尾声部分。

再生器产生的烟气可超过700 ℃，其进入三旋后再进入四旋。

高温及含有固体粉尘使此段管道的材质及应力成为配管人员关注的问题。

再生器烟气出口的管道一般防止高温固体颗粒的冲刷，内部皆有耐热耐磨衬里。

但是从三旋到四旋的部分管道，一般管径在200～300 mm之间，无法加设衬里。

因此，需提高管道材质。

采用15CrMo钢或304钢等不锈钢材质。

在配管时，为了便于含催化剂颗粒的烟气流动顺畅及高温下的应力要求，所有高温管道处的拐弯处需采用延缓的角度。