石油学报(石油加工)
2004年6月 ACTA PETROLEI SINICA(PET ROLEUM PROCESSING SECT ION) 第20卷第3期
文章编号:1001 8719(2004)03 0024 06
实验研究与工业应用
EXPERIMENTAL STUDY AND INDUSTRY APPLIC ATION OF A NEW VOTEX QUICK S EPARATION SYSTEM AT FC CU RISER OUTLET
卢春喜，蔡 智，时铭显
LU Chun x i,CAI Zhi,SHI Ming xian
(石油大学重质油国家重点实验室，北京102200)
(The National Key L aboratory of Heav y Oil,Univ ersity o f Petroleum,Beij ing102200,China)
摘要：在冷模实验装置上，系统地考察了旋流式快分(V Q S)系统的操作性能，实验在气体线速为8~21m/s的
范围内进行。结果表明，该系统能较好地实现气固的快速分离、催化剂的高效快速预汽提及油气的快速引出,
系统各部分压力分布合理，冷态下的气固分离效率高达98.5%以上，并具有较好的预汽提效果。工业试验在
处理能力为1M t/a的FCCU装置上进行。结果表明,V QS系统开工灵活，操作弹性大，气固分离效率高(油浆
固含量小于4g/l)，可有效地改善产品分布。
关 键 词：流化催化裂化；旋流分离器；提升管出口快分系统
中图分类号:T E966;T E624.4 文献标识码:A
Abstract:The operation performance of a new riser terminal votex quick separation(VQS)system
w ith pre stripper w as systematically investigated in a cold FCC simulator w ith the g as linear velocity
range of8~21m/s.T he solid particles were quickly and efficiently separated and stripped by pre
stripper.T he gas residence time w as shortened,and the separation efficiency w as also enhanced.
T he total g as solid separation efficiency under ambient temperature w as higher than98.5%,.
Commercial performance trial w as conducted in a FCCU of1Mt/a in capacity.The results indicated
that VQS system w as featured with flex ibility of start up and operation,and high efficiency of gas
solid separation(solid content of the slurry less than4g/l).The product distribution w as improved
effectively.
Key words:fluidized catalytic cracking;pre stripper;votex quick separation system
提升管反应技术是现代催化裂化装置的核心技术。原料油与裂化催化剂在提升管内完成所需要的反应后，在出口处必须实行 气固快速分离和油气快速引出以及分离催化剂的快速预汽提，以防止产生不必要的过度裂化和尽可能降低待生催化剂中的H/C比。随着原料油变重、变劣和掺渣比的增大，这个 三快要求显得更为突出。早期的提升管出口气固快分系统只注重了提高油气和催化剂的一次分离效率，并未重
视反应后油气在沉降器内的返混问题，致使反应后油气的平均停留时间长达10~20s，不仅影响了产品的分布，而且在掺渣比较大时，很易使沉降器内严重结焦，给装置的长周期安全生产带来威胁[1\!。近年来，国外一些石油公司相继开发了一些具有较高工业应用价值的提升管出口快分技术。较有代表性的先进技术有Mobil公司的闭式直联旋分系统、Stone&Webster公司的轴向旋分系统以及
收稿日期:2003 05 06
通讯联系人：卢春喜
U OP公司的VDS和VSS系统等[2~5]。经过近10年的研究，中国先后开发出了挡板汽提式粗旋(FSC)快分系统、旋流式快分(VQS)系统和带有密相环流预汽提器的提升管出口快分(CSC)系统[6~10]。这3种快分系统均已成功地用于多套工业装置的设计和改造，并取得了巨大的经济效益。VQS快分系统主要是针对大型内提升管的重油催化裂化装置而开发的。经过实验室阶段的结构优化，又经大型冷模试验验证其系统性能及开停工性能后，在九江石化分公司1M t/a的加工管输油的重油催化裂化装置上进行了工业试验，取得了满意的效果。
1 大型冷模实验
1.1 装置及内容
为模拟典型工业装置的提升管 沉降器 再生器系统的工况，建造了一套大型冷模实验装置(气体线速范围为8~21m/s)。实验装置主要由流化器(相当于工业装置的再生器)、内提升管、旋流式快分器、预汽提段、催化剂循环管线等部分组成。
在大型冷模实验装置上，全面考察了VQS系统的压力、气体停留时间分布和快分效率，以便为工业设计提供可靠的依据。
根据工业装置提升管线速为10~16m/s的操作状况，本次实验的提升管线速范围为8~21m/s，以保证实验结果能覆盖工业装置的实际情况。采用改变循环蝶阀开度的方法来实现催化剂循环量的变化。采用计重法测定每个操作条件下催化剂的循环量，本次实验的提升管内出口处催化剂质量浓度在5. 5~14kg/m3范围内。采用的固体介质为FCC平衡催化剂，平均粒径为58.2 m。
采用计重法测量旋流快分的分离效率，采用DDY型多点压力测量仪测定系统的压力分布，采用T CDA型氢气示踪仪测定气体停留时间分布。
1.2 结果与分析
1.2.1 系统的整体压力分布规律
本次实验采用较先进的DDY型多点压力仪测量系统，保证了实验数据的可靠性。图1给出了在不同提升
管气速条件下，沿提升管、快分头及预汽提段各处的压力分布曲线。由图1可以看出，随着提升管高度的增加，压力先递减(图1中的12~15点)，经快分头后压力降低幅度较大(图1中的15~16点)。在第一层挡板上部到第三层挡板之间，压力又开始回升(图1中的16~20点)。各部分的压力随提升管线速的增加而加大。这是由于提升管线速增加，旋流快分压降和导流管及顶旋压降随之增加所致。
图2给出了旋流快分器压降与旋流头喷出速率的关联曲线。由图2可以看出，旋流快分器压降随旋流头喷出速率的增加而增大。在本次实验操作范围内，旋流头压降在0.6~1.7kPa之间，预汽提线速的变化对快分头压降的影响不大。
旋流快分器压降与旋流头喷出速率有如下关系:
P=!H V2e
2
(1)
!H∀G s
u p =
kG s
u g
(2)
根据式(1)和(2)可以得到式(3),
P=kG s
2u g
V2e(3)
由实验数据回归可得式(4),
#k=4.39G s
u g -0.286
(4)
即
2 P
V2e
=4.39
G s
u g
0.714
(5)式(5)的相关系数R=0.9866，最大相对误差为4.。
25
第3期 催化裂化提升管出口旋流式快分(V QS)系统的实验研究与工业应用
图3 旋流快分系统压降的模型计算值与实验结果的比较
Fig.3 C alculated results vs experimental
data of VQS m odel
∃%Experi m ental data;-%Calculated res ults
图3给出了对模型的检验结果。由图3可以
看出,2 P /V 2e 与(G s /u g )
0.714成较好的线性关系。说明实验结果与所给模型吻合较好。
1.2.2 分离效率
在实验中发现,(VQS)系统的分离效率随提
升管线速的增加略有降低。这是由于气体离开快
分头喷出后，首先发生向下的返混流动，随着提
升管线速的提高，气体向下的返混速度也随之增
加，这样就对刚刚离开快分头喷出的催化剂起到
了向上的扬析作用，增加了其被向上夹带的可能，从而使分离效率降低。增加预汽提线速快分效率也略有降低，但降低的幅度不大。预汽提线速增加到0.266m/s 时，快分效率仍能保持在98%以
上。 通过对试验结果和前人对旋分分离器效率影响因素的分析，发现对于给定的快分结构，影响其效率的主要操作因素是快分喷出口速度V e 、封闭罩上部截面气速V 0和提升管出口催化剂质量浓度C i 。由实验数据回归可得旋流快分效率与操作参数之间的关联式:
∀=K (Stk )0.0142V 0
V t -0.0164C i !g 0.0118(6)
式(6)的相关系数R =0.977，最大相对误差低于0.2%。
由此关联结果可以看出，在本试验操作范围内，旋流快分的效率随喷出速率和提升管出口催化剂质量浓度的增加而增大、随封闭罩内截面气速的增加而降低。
1.2.3 气体停留时间分布及汽提效果
采用TCDA 型氢气示踪测量仪可测得系统中6个不同位置的停留时间分布，并根据测得的6个采样点处接收到氢气的相对浓度C 1~C 6来确定其汽提效果。
由测量结果发现:(1)气体从提升管出口喷出后经过VQS 到达顶旋入口的时间以及预汽提段检测到H 2的时间，都随提升管线速的提高而缩短，这说明随着提升管线速的增加，进入封闭罩空间的气量增加，从而使气体在导流管内的流速增加，停留时间缩短。(2)随着预汽提线速的增加，气体在系统内的停留时间缩短。由于汽提线速的增加使总气量增加，停留时间缩短；更由于汽提线速的提高，汽提气体从预汽提段底部自下而上及时地把催化剂夹带的气体置换了出来，从而大大缩短了这部分气体向下返26 石油学报(石油加工) 第20卷
混的路程，使停留时间缩短。(3)从各部位停留时间的分布看，气体从快分头的入口到达顶部旋分器入口的时间为2~3s，气体在顶旋内的停留时间约为1~2s，这样气体从提升管出口到达顶旋气体出口的停留时间可保持在5s 以内。(4)从检测到的H 2相对浓度进行分析,C 4为预汽提前的浓度,C 5和C 6分别为经过一层挡板和三层挡板汽提后的H 2相对浓度。从测量结果看，当预汽提线速为0时，经一层挡板汽提后,C 5/C 4为7.3%~12%；在汽提线速为0.1m/s 时,C 5已变为0。此结果表明，第一层挡板采用外挡板布置时，催化剂在从边壁向中心的浓相流落过程中能够充分脱析夹带的气体，在引入汽提之后，上升的汽提气与下落的催化剂有了更好的气固接触效果，强化了汽提作用，没有脱析出来的气体可以及时有效地被汽提气置换出来。
1.2.4 系统的操作弹性及开、停工状况
从实验测定的旋流快分系统整体压力分布曲线(图1)可以看出，提升管线速在8.83~21.50m/s 范围变化，系统的压力分布合理。由图2也可以看出，在该提升管线速变化范围内，快分头压降变化平稳，未出现大的波动，压降变化范围在0.6~ 1.7kPa 之间。封闭罩出口阻力和导流管阻力降范围分别为0.09~0.6kPa 和0.15~1.1kPa 。快分头的分离效率曲线随提升管线速和预汽提线速的增加变化平缓，表明系统具有较大的操作弹性。
为了考察该系统在开、停工及转剂情况下的操作稳定性，在固定催化剂循环量情况下进行实验。实验过程中提升管线速先由4m/s 逐步提高到21m /s，然后再由21m/s 逐步降到4m/s 。实验结果表明，系统操作稳定,VQS 系统及顶旋操作正常，未出现催化剂的跑损。在提升管线速由8m/s 降低到4m/s 时，可明显看到顶旋料腿的下料量增加，说明在此操作范围内，旋流快分的效率随提升管线速的降低而下降。因此建议转剂时提升管线速在8~16m/s 较为有利。
为了考察该系统的抗事故能力，在固定提升管线速16m /s 和催化剂循环速率120kg/m 2#s(对应提升管面积)的情况下，将封闭罩内的预汽提线速提高到0.6m/s 进行实验。结果表明，此时旋流快分头仍具有较高的分离效率。随着提升管线速的降低，旋流快分效率随之降低，顶旋料腿下料量的明显增加；提升管线速降低至4m/s 时，也未出现催化剂跑损的情况，只是相应地加重了顶旋负荷，说明该系统具有较大的抗事故能力。
2 VQS 系统的工业实验
九江分公司以加工鲁宁管输油(简称管输油)为主，有两套掺炼减压渣油的重油催化裂化装置，加工能力各为1Mt/a 。管输渣油粘度大、残碳高、裂化难度大。提高重油催化裂化装置掺渣能力、减少结焦、延长开工周期和提高轻液收率，不仅对九江厂提高经济效益具有重要意义，对其它厂也有借鉴作用。1999年9月在九江厂&套重油催化裂化装置上进行了技术改造，将提升管出口由原粗旋加单旋的结构系统改为VQS 快速分离系统。VQS 系统由三臂旋流快分、封闭罩、导流管、四组PV 单级快分、四层高效汽提板5部分组成。为考察改造效果，该装置在改造前的1999年8月29%31日进行了加工管输油的空白标定，并在改造后的2000年4月20%22日进行了加工管输油的总结标定。
2.1 掺渣油能力
从VQS 改造前后的加工管输油的运行结果发现，改造前1998年1月至1999年8月(20个月)的生产统计数据，掺入渣油质量分数平均为33.1%。改造后,1999年10月至2001年6月(20个月)的生产统计数据，掺入渣油质量分数平均为45.4%，增加了12.3%。
2.2 产品分布
从改造前后的标定数据来看，在掺入渣油质量分数36%~38%和其它工艺条件基本相同条件下，产品分
布得到明显改善，干气收率由5.1%降为4.6%，轻油收率由66.9%上升到68.1%，轻液收率增加了1.1%。
表1列出的生产统计数据表明，改造后在掺入渣油质量大幅度增加情况下，轻质油、轻液收率下降不多。改造后2001年5月与改造前1999年6月相比，在掺渣油质量分数增加14.1%，原料密度和残碳27第3期 催化裂化提升管出口旋流式快分(V QS)系统的实验研究与工业应用
含量增加，并按多产液化气方案生产的情况下，轻液收率仅下降3.3%。
表1 改造前后生产统计数据
Table1 Yield statistics before and after revamping
Resid blended /%
Feed
capacity
/kt#a-1
Feed properties
石油加工!/
g#ml-1
w(Residue
carbon)/%
w(Product)/%
Dry
gas
Liquefi ed
gas
Gasoline
Di esel
oil
Oil
slurry
Coke Loss
Before
re revam ping 1999.629.4077.69
0.8973~
0.9135
3.13~
3.79
3.9515.2041.8425.34 5.687.250.76
After
re revam ping 2001.543.4982.57
0.9015~
0.9105
3.28~
5.07
4.3417.453
5.8725.717.128.680.83
Before
re revam ping
1998.1-1999.8
33.061479.70-- 4.3614.7637.6128.93 5.647.810.89
After
re revam ping
1999.11-2001.6
45.391525.66-- 4.0815.9338.6925.45 6.438.500.92
2.3 汽提效果
改造后增设了预汽提段，汽提效果明显提高。改造后待生催化剂上沉积焦炭的氢质量分数由改造前的7.8%降为6.3%。
2.4 操作弹性
由于市场需求变化，催化裂化装置加工负荷经常变化，如2000年7月份，装置加工负荷较大，加工量为3159t/d，是设计负荷的105%,2001年1月的加工量较低，平均加工量为2223t/d，是设计负荷的74%。上
述两个月的生产都较平稳，掺渣比及产品分布均较为理想。
2.5 减少结焦
改造前，因沉降器稀相空间大，导致反应油气在沉降器的停留时间较长，在催化剂的作用下，进一步发生二次反应结焦；另外，在沉降器温度高达500~510∋情况下，发生热裂化反应，产生二烯烃，并进一步与作为 焦前身物的高沸点化合物反应生焦，且焦质较硬。结焦的部位主要在初旋顶部的单旋升气管外壁和沉降器顶四周。1999年5月，曾因沉降器结焦严重，且焦块坚硬，巨大焦块落到汽提段下端的格栅上，造成催化剂循环中断，装置被迫停工处理。
1999年9月经首次改造为VQS系统后，反应油气大多数直接进入单旋至分馏塔，大大减少了易结焦的部位。
3 结 论
(1)VQS系统能较好地实现气固快速分离和催化剂的高效快速预汽提以及油气的快速引出的预期目标。系统各部分的压力分布合理，快分头压降随喷出口线速的变化平缓。旋流快分系统具有较大的操作弹性和灵活可靠的稳定性能，冷态下的FCC平衡催化剂气固分离效率达98.5%以上；气体离开快分头后，在沉降器内的停留时间在5s以下。当设置2~3层挡板，预汽提线速在0.1m/s时，即可达到较好的汽提效果。
(2)由实验数据回归得到的VQS系统的压降和VQS系统分离效率计算公式可供工程设计参考使用。
(3)工业试验结果证明，其改造费用低，安装方便，开工简单，操作弹性大，油浆的固体质量浓度可保持在4.0g/l以下。VQS系统减少了油气在沉降器内的返混，从而减少了油气的二次反应，焦炭和干气产率明显降低，掺渣比可大幅度提高，总液收可提高1.0%以上。待生剂在汽提段的汽提效果明显
28 石油学报(石油加工) 第20卷
提高，焦炭中氢质量分数由改造前的7.8%降为6.3%。
符号说明:
C i %%%提升管出口催化剂的质量浓度,kg /m 3,
C i =G s /u g ;
G s %%%对应于提升管截面的催化剂循环强度,
kg/m 2#s;K %%%经验常数;k %%%提升管中气固滑落系数,k =u g /u p ;P i %%%压力测点表压,Pa;
P %%%旋流快分压降,Pa;
u g %%%提升管线速,m/s;
u p %%%提升管内颗粒上升速率,m/s;V e %%%旋流快分出口气速,m/s;V 0%%%封闭罩上部截面气速,m/s;V t %%%颗粒的终端速率,m /s;
Stk %%%Stokes 数;
!g %%%气体密度,kg /m 3;
!H %%%提升管气固混合物密度,kg /m 3; %%%阻力系数;∀%%%旋流快分效率,%。
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33-37.
作者简介:
卢春喜(1963-)，男，教授，博士，从事多相流传递与反应的研究工作;
蔡 智(1964-)，男，教授级高级工程师，从事石油炼制的科研和生产工作;
时铭显(1933-)，男，教授，中国工程院院士，从事多相流动与反应工程的研究工作。29第3期 催化裂化提升管出口旋流式快分(V QS)系统的实验研究与工业应用
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