粗旋风分离器内气相流场研究与数值模拟

采用CFX软件提供的DSM模型对催化裂化沉降器内粗旋风分离器中的气相流动规律进行了数值模拟,并与用五孔探针测试的流场进行了比较。结果表明,采用合适的网格系统和边界条件等,DSM模型对粗旋风分离器具有良好的预测精度。对实验和模拟结果的分析表明,粗旋风分离器内流场与常规旋风分离器的流场不同,升气管和料腿均存在回流区,升气管回流区最大可波及分离空间,对分离空间流场有很大干扰。料腿直径的减小以及灰斗的存在使升气管排出的气量增大并使升气管、料腿回流区大幅减小,从而在宏观上保证了气固分离效率和较小的气相停留时间。     

无沉降器催化裂化装置的设想

对于分子筛催化裂化工艺而言，催化裂化装置沉降器的作用仅是包容旋风分离器和用于待生催化剂的沉降和保温。但沉降器存在的大空间却形成了油气的滞留空间，油气流速低，停留时间长，结果导致反应油气的二次裂化反应，油气中的液滴和催化剂颗粒易于沉积在沉降器器壁上结焦形成焦块。因此，提出了取消沉降器，采用无沉降器催化裂化工艺装置的设想。该设想包括两个方案，第一个方案为：封闭式旋流快分器作为第一级分离器，多个并联PV型旋风分离器作为第二级分离器，旋风分离器的料腿出口阀采用气动V型阀；第二个方案为：带汽提器的旋风分离器作为第一级分离器，多个并联PV型旋风分离器作为第二级分离器，旋风分离器的料腿出口阀采用翼阀。     

FCC沉降器内部空间压力分布的数值模拟

采用Fluent流体计算软件对1.40 Mt/a催化裂化装置沉降器内部空间的油气流动状况进行了数值模拟,湍流模型是Reynolds应力输运模型,重点考察内部压力场的分布规律。沉降器计算几何模型是沉降器原型尺寸,包括内部的两级旋风分离器、内置提升管等。计算结果表明沉降器空间的压力按数值大小划分为三个区,一级旋风分离器（粗旋）和提升管反应器内的高压区,沉降器空间的中压区和二级旋风分离器（顶旋）内的低压区。其中提升管出口的压力最高,而顶旋料腿内部压力是整个沉降器压力的最低部分。沉降器内部的压力分布决定了各部分油气和蒸汽的流动路线、速度,以及料腿的料封问题。     

催化裂化装置沉降器粗旋结构设计探讨

通过FLUENT 6.2流体计算软件,采用雷诺应力模型(RSM)对直径500 mm、三种不同升气管/料腿直径组合的粗旋气相流场进行了数值模拟,分析了升气管和料腿长度改变以及尺寸放大对粗旋流场和性能的影响。模拟结果表明,粗旋流场同普通旋风分离器流场的区别主要在于轴向速度和升气管、料腿内的流场分布;升气管直径大于料腿直径的结构有利于减少由料腿排出的气体量,从而缩短粗旋排出的气体在沉降器内的停留时间,这是粗旋设计的关键;升气管、料腿长度改变对粗旋上下行气量分配有一定影响,其长度选取均存在最佳范围;尺寸放大后,粗旋流场基本上相似,下行气量占进气量的比率略有增大。     

FCC沉降器内粗旋出口导流长度对油气流动的影响

 采用Reynolds应力输运模型和随机轨道模型对催化裂化沉降器内的流动状况进行了全尺寸的数值模拟,考察了粗旋分离器排气管出口导流段长度对沉降器内流动状况的影响。为了反映真实的流动过程,计算中没有对沉降器空间和两级旋风分离器的复杂结构进行简化,并实现了完全结构化的网格划分。结果表明,粗旋分离器排气管出口的导流段有助于排出的油气直接进入顶旋分离器,降低进入沉降器的油气量,并减少油气在沉降空间内的停留时间,降低了沉降器内发生结焦的可能性;随着导流段长度的增加,直接进入顶旋的油气量也随之增加,而粗旋和顶旋分离器的压降基本不变,对反应器内的压力平衡基本没有影响。     

FCC沉降器内粗旋与顶旋连接结构的优化

 采用Reynolds应力输运模型和随机轨道模型对催化裂化沉降器内的流动状况进行了全尺寸的数值模拟,考察了不同的粗旋与顶旋分离器的连接结构对沉降器内流动状况的影响。为了反映真实的流动过程,计算中没有对沉降器空间和两级旋风分离器的复杂结构进行简化,并基本实现了完全结构化的网格划分。结果表明,粗旋分离器排气管出口的导流段有助于排出的油气直接进入顶旋分离器,降低进入沉降器的油气量,并减少油气在沉降空间内的停留时间,降低了沉降器内发生结焦的可能性,为优化沉降器结构的设计提供了新的方法。     

重油催化抑制结焦沉降器油气停留时间的数值模拟

 采用标量输运方程数值模拟了一重油催化防结焦改造后沉降器内油气停留时间的分布。结果表明,沉降空间油气停留时间分布曲线呈单峰形式;在忽略油气质量流率极小量,即油气质量流率小于10-3kg/s时认为不存在油气的情况下,由汽提段进入的油气主流停留时间大致为13s,最短约7.5s,最长也不超过60s;由粗旋料腿入口进入的油气主流停留时间约15s,最短不足6s,且几乎所有油气的停留时间都小于70s。油气在沉降器内总体平均停留时间约26s。对比尺寸近似的常规沉降器和FSC沉降器内油气停留时间分布发现,抑制结焦沉降器的平均停留时间较短,比常规沉降器缩短79.8%,比FSC缩短81.9%;预计防结焦改造后沉降器沉降空间结焦情况大为减轻。     

催化裂化沉降器顶旋风分离器直连改造后料腿结焦原因分析

催化裂化装置沉降器顶旋风分离器(顶旋)由软连接改直连后，设备结构变化使得汽提油气停留时间和流动轨迹发生变化，装置操作条件波动，降低原料油雾化蒸汽流量等因素导致沉降器顶旋料腿及汽提段结焦。提出了以下改进措施：恢复原设计沉降器顶旋直连改造前的平衡管长度，控制相对较高的汽提蒸汽流量，使汽提油气停留时间少于10 s,同时保证沉降器顶旋翼阀处不结焦，使料腿下料顺畅；避免加工焦化蜡油等含多环芳烃较易发生缩合结焦的原料；原料油雾化蒸汽控制不低于喷嘴设计值，保证喷嘴雾化效果，同时控制再生剂温度不低于680℃,使原料油中高沸点组分遇高温再生剂瞬间气化，提高剂油比使原料雾化液滴与更多的再生剂接触气化发生催化裂化反应，减少热裂化反应生成结焦前身物。     

FCC装置的结焦分析及防治

本文指出了ＲＦＣＣ装置的结焦部位主要在：反应沉降器顶的集气室、反应器至分馏塔的大油气线、扣升管料进料喷嘴的喷射区、旋风分离器入口段和料腿以及分馏塔底油浆循环系统等处，分析了结焦的原因和危害，提出了一些防止结焦的措施。     

催化裂化沉降器内料腿-翼阀排料区域的气相流场的数值模拟

采用计算流体力学软件Fluent6.2对催化裂化装置沉降器内旋风分离器下部的料腿-翼阀排料区域周围的气相流场进行了数值模拟,主要分析翼阀阀板表面产生磨损的原因。计算结果表明沉降器内油气在料腿负压差的作用下会通过开启阀板与阀口的间隙反窜进入料腿形成漏风,漏风量随着阀板开度和负压差的增大而增大。这种漏风携带催化剂颗粒冲击阀板是导致冲蚀磨损的主要原因,同时影响到旋风分离器的分离效率。     

FCC沉降器粗旋风分离器的料腿泄气率

 在粗旋冷态模型实验基础上,采用FLUENT 6.2流体力学计算软件对FCC沉降器粗旋内部的两相流动进行数值模拟,针对稀、密相流动分别采用颗粒随机轨道模型和双流体模型,探讨了气速、气体物性和固相颗粒浓度对FCC沉降器粗旋料腿泄气率的影响规律。结果表明,气速和固相颗粒浓度升高均导致粗旋料腿内外压差增大,料腿泄气率随之增大。随固相颗粒浓度增大,料腿泄气率上升的趋势先急后缓,与其固相颗粒浓度-压降关系相对应,料腿泄气率-固相颗粒浓度曲线和压降-固相颗粒浓度曲线显示的转折点质量浓度均为0.8 kg/m³;固相颗粒浓度对料腿泄气率的影响存在着2种作用机制,即下行颗粒群对气体的夹带作用和颗粒在粗旋内壁形成的不断增厚的灰层对气体实际流通横截面积的缩减作用。气体密度的增大会导致料腿泄气率增大;黏度增加在削弱气流的旋转能量的同时,增加了升气管短路流率,对料腿泄气率的增加具有正反两方面作用。综合操作参数、气体物性和结构尺寸等因素的影响,回归得到FCC沉降器粗旋料腿泄气率表达式。     

FCC提升管快分器结构形式对油气在沉降器内停留时间的影响

比较了四种结构形式FCC提升管快分器油气在沉降器内的停留时间,通过改进提升管出口快分器的结构形式改变油气的流动路线,改变快分器各出口分支路油气的上升速度和油气量的分配,可以缩短油气停留时间,改善油气的停留时间分布。实践证明,要实现油气和催化剂真正意义上的快速分离和油气的快速引出,应该减小或消除沉降器油气流动的低速空间和扩散空间,提高油气的流动速度。     

重油催化抑制结焦沉降器内油气流动的数值模拟

采用 - 模型和组分输运方程进行数值模拟,考察了重油催化工业沉降器抑制结焦改造后其沉降空间的稳态流场及油气分率。结果表明,改造后的沉降器空间油气以顶部下行、底部上行略带扭摆的纵向流动为主,顶部下行速度小于0.15 m/s,底部上行油气速度平均为0.5 m/s,纵向流速比横向流速高1~2个数量级。中心抽吸管口区域存在较强的油气汇聚,速度10 m/s左右。改造后的沉降空间不存在流动死区,绝大部分油气能迅速从中心抽吸管排出沉降器;只有低于10%的油气不能迅速排出沉降器,停留时间稍长。沉降器下部油气摩尔分率较大（平均约50%,顶部低于25%,部分区域甚至小于10%）。改造后沉降器空间的结焦大大减轻。