催化裂化装置沉降器内结焦物的基本特性分析及其形成过程的探讨

采用扫描电镜（SEM）和X射线能谱分析仪对催化裂化装置（FCCU）沉降器内结焦物的微观组织结构和成分进行了分析，将结焦物划分为软焦和硬焦。焦的硬度与油气液滴和催化剂颗粒的沉积过程有关，尤其是结焦部位的油气流动方式和催化剂颗粒的运动状态，决定着未汽化的重质油组分液滴和催化剂颗粒的沉积形式和沉积物的构成，从而影响着焦的软硬程度。软焦是催化剂颗粒或油气在油气静止空间以自由沉降和扩散方式堆积在器壁表面而产生的结焦，形成的焦块松散，易粉碎，含催化剂比较多，颗粒粒径比较大，是一种堆积型结焦；而硬焦是油气液滴和细小催化剂颗粒在油气流动状态下，在器壁表面的附面层内以沉积方式粘附在器壁表面形成的结焦，焦块质地坚硬，含催化剂比较少。颗粒粒径细小，足沉积型结焦。还有相当一部分结焦物介于软焦和硬焦之间。     

重油催化裂化装置旋风分离器器壁上的结焦过程研究

针对取自重油催化裂化装置（RFCCU）沉降器旋风分离器器壁4个不同区域的结焦样品,利用扫描电子显微镜（SEM）对其微观结构和性能进行了分析,并以此对结焦过程进行了研究。研究结果表明,结焦是流动油气混合物中夹带的一些重质非挥发性油滴由于重力沉降或湍流扩散作用沉积在在旋风分离器器壁上,然后逐渐凝脱氢缩合反应形成的。同时,一些较细的催化剂颗粒也沉积在结焦中。根据结焦的性质、成分和微观结构,可分为硬焦和软焦。在油气混合物的滞留区域中,油滴和催化剂颗粒自由沉降在器壁上,形成软焦。软焦非常松散,含有大量的催化剂颗粒。在油气混合物的流动区域中,油滴和催化剂颗粒扩散到壁面上,形成了硬焦。这种硬焦致密,坚硬,含有少量的催化剂微粒。因此,流动油气混合物不仅携带油滴和催化剂颗粒,而且影响其在器壁上的沉积,从而影响沉积结焦的组成和特性。     

催化裂化装置沉降器内结焦形成过程的因素分析

 在催化裂化工艺中,根据结焦的产生方式可分为催化焦、附加焦、可汽提焦和污染焦。催化裂化装置沉降器内器壁上的结焦主要属于附加焦,是由油气中的液相组分黏附在器壁表面上发生缩合反应产生的。这些结焦是催化裂化工艺总生焦量的很小一部分,但至今仍是影响重油催化裂化装置长期运行的重要因素。其形成过程经历了黏附、固化和增长3个阶段,与环境温度,油气成分、停留时间和流动状态等因素有关。环境温度低,油气中重组分达到露点冷凝为液相的几率大,液滴浓度较高,沉积在器壁上的机会增多;沉积液滴停留时间长,发生缩合反应固化形成结焦的几率大;油气的流动状态影响油气液滴和催化剂颗粒向器壁的沉积形式,进而影响结焦的增长过程。防结焦技术的开发应以减少附加焦和抑制重油液滴长时间滞留在沉降器器壁上为基本点。     

催化裂化装置沉降器内顶旋升气管外壁结焦的特性分析

对炼油厂催化裂化装置沉降器内顶旋升气管外壁结焦的微观结构和外观特点所作的分析表明,升气管外壁的结焦主要是由液滴状结焦和细催化剂颗粒组成,结焦组织致密,焦块硬脆；结焦厚度沿圆周分布不均,以入口为0°,结焦厚度从0°约2cm向后逐渐增厚,表面有明显的冲刷沟槽,180°向后表面形成尖牙状结焦,厚度达10cm。升气管表面结焦是重组分油气冷凝形成的液滴和细催化剂颗粒沉积粘附在升气管表面发生结焦反应,并不断长大形成的。升气管表面结焦过程属于沉积型结焦,与升气管附近的流场密切相关。     

催化裂化装置沉降器顶旋升气管外壁结焦过程的分析

通过旋风分离器升气管外壁表面的粉灰沉积试验,进一步说明催化裂化装置沉降器顶旋升气管外壁结焦的原因是管壁表面存在着低速的"滞流区"。具有结焦倾向的油气液滴和细催化剂颗粒在气流的湍流扩散和环行空间二次涡等多种因素作用下进入"滞流层"并沉积在升气管表面,尤其是顺压力梯度区域。这些具有结焦倾向的油气液滴吸咐在催化剂细粉上形成结焦中心,并逐渐长大形成焦块。这种焦块对催化裂化装置的运行具有潜在的危害性。     

FCC沉降器结焦问题的研究进展

沉降器是催化裂化中油气与催化剂分离过程的重要设备。沉降器的结焦问题易导致非计划停工,严重影响催化裂化装置的长周期运行,因此抑制或减缓沉降器结焦成为该领域的研究热点之一。综述了国内外有关沉降器结焦问题的研究进展,以期为沉降器的优化操作提供参考。首先对沉降器结焦的部位及原因进行了分析,从化学反应角度分析了结焦的内因是反应油气中液相重组分的存在;从流场分布、压力分布、催化剂含量分布和温度分布解析结焦的外因。进而阐述了结焦物的基本特性,按照不同方法对结焦物进行了分类和特性的比较。其次,从化学反应过程和油剂流动、焦体沉积与增长过程两方面总结了结焦的机理,并总结了操作条件(原料性质、催化剂含量、反应温度、再生剂温度和油/剂比)和沉降器结构(粗旋与顶旋连接结构、快分系统)对结焦的影响规律。最后根据结焦机理和影响因素,从优选反应物和优化操作条件、优化沉降器结构2个方面提出了抑制或减缓结焦问题的具体措施。提高沉降器温度和降低油气分压可从操作条件方面降低结焦的可能性,优化粗旋与顶旋连接结构、优化快分系统、优化分离器入口结构和顶旋升气管结构等措施可以改善沉降器内流场分布,进而抑制结焦。     

重油催化裂化沉降器结焦原因分析

分析了重油催化裂化沉降器结焦的原因，认为反应油气中含有催化剂颗粒以及油气中重组分的冷凝是沉降器结焦的物理原因，而重芳烃、胶质、沥青质的高温缩合则是沉降器结焦的化学因素。因此，防止沉降器结焦的关键是抑制油气重组分的冷凝和减少油气在沉降器内的停留时间。     

催化裂化防结焦沉降器的研究与应用

通过对催化裂化装置沉降器结焦机理的分析,认为原料性质、油气流动状况、停留时间、沉降器温度分布及催化剂浓度是沉降器结焦的主要影响因素。中国石化工程建设有限公司(SEI)针对常规沉降器结构缺陷,开发了新型防结焦沉降器,包括粗旋顶旋直联结构、全封闭粗旋顶旋直联结构、旋流式快分结构和全封闭旋流式快分结构,可以大幅降低油气在沉降器空间的停留时间,有效避免油气在沉降器内结焦,延长催化裂化装置的开工周期。     

重油催化裂化装置沉降器顶旋风分离器升气管外壁结焦原因的流动分析

在蜗壳式旋风分离器环形空间流场测量和分析的基础上 ,分析了重油催化裂化装置沉降器顶旋风分离器升气管外壁 0°～ 90°～ 180°(以入口处为 0°)部位结焦的原因。由于进口气流在升气管外壁的绕流流动以及和内部环流的交汇作用 ,在升气管管壁表面形成了低速的“滞流区” ,并在0°～ 90°～ 180°部位形成了顺压力梯度的附面层 ,部分细小颗粒或液滴在环形空间二次涡的作用下被输送到升气管外壁表面 ,沉积在该附面层内 ,具有结焦倾向的油气组分与催化剂细颗粒发生结焦反应 ,焦粒逐渐长大形成月牙状焦块     

催化裂化装置沉降器结焦及预防措施

中国石油塔里木油田公司塔西南石化厂15×10^4t／a催化装置自2004年11月开工以来,提升管、沉降器及油气线内结焦严重,影响了装置的长周期运行。当沉降器结焦达到一定程度时,如遇切断进料,就会出现焦块脱落、催化剂循环不正常或根本不能建立催化剂循环而被迫停工处理;油气线结焦严重时,油气管线压降高,严重影响安全生产。结合生产实践．分析结焦部位和焦块结构形态,找出沉降器内结焦的原因,提出相应的对策,已在装置运行中取得了良好的效果。     

Investigation of Different Coke Samples Adhering to Cyclone Walls of a Commercial RFCC Reactor

The microstructure and properties of the coke samples collected from 4 different wall regions of the cyclone in the reactor of a residue fluid catalytic cracking unit(RFCCU) were analyzed by using the scanning-electron microscope(SEM), and the possible coke formation processes were investigated as well. The results showed that some of the heavy nonvolatile oil droplets entrained in the flowing oil and gas mixture could possibly deposit or collide on the walls by gravity settling or turbulence diffusion, and then were gradually carbonized into solid coke by condensing and polymerization along with dehydrogenation. Meanwhile some of fine catalyst particles also built up and integrated into the solid coke. The coke can be classified into two types, namely, the hard coke and the soft coke, according to its property, composition and microstructure. The soft coke is formed in the oil and gas mixture's stagnant region where the oil droplets and catalyst particles are freely settled on the wall. The soft coke appears to be loose and contains lots of large catalyst particles. However, the hard coke is formed in the oil and gas mixture's flowing region where the oil droplets and catalyst particles diffuse towards the wall. This kind of coke is nonporous and very hard, which contains a few fine catalyst particles. Therefore, it is clear that the oil and gas mixture not only carries the oil droplets and catalyst particles, but also has the effects on their deposition on the wall, which can influence the composition and characteristics of deposited coke.     

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。     

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。     

催化裂解待生催化剂上焦炭的构成研究

在小型固定流化床催化裂化装置上,模拟催化裂解（DCC）工艺条件,考察质量空速、催化剂老化时间及催化剂上Ni含量对待生催化剂上积炭构成的影响。结果表明：在反应温度、剂油质量比不变的条件下,随质量空速的增大,待生催化剂上的焦炭量呈减少趋势,最终趋于定值（极限焦炭量）,极限焦炭量为该反应温度下可汽提焦与附加焦量之和;附加焦与原料的残炭相关,在反应温度为565 ℃的条件下,有86.7%的原料残炭转化为焦炭;随着催化剂老化时间的增加,催化剂比表面积减小,附加焦与可汽提焦量之和减小,可汽提焦的量与催化剂的比表面积呈二次函数关系;在相同的质量空速下,随着催化剂上Ni含量的增加,待生催化剂上生焦量增加,且质量空速较低时,Ni含量的影响加大;在反应温度为565 ℃、剂油质量比为8、质量空速为4 h-1的条件下,可汽提焦占待生剂上焦炭总量的42.64%,比前期工作者得出的值提高约30百分点。     

催化裂化装置沉降器内油气-催化剂流动过程的数值模拟研究

采用欧拉-欧拉法,对催化裂化装置沉降器内油气及催化剂的流动状态进行了数值模拟。对比装置上观察到的操作现象及工艺操作数据可以看出,模拟计算结果与实际工业数据较为接近。通过对沉降器内流体流动的规律进行分析,提出了导致反应油气结焦的可能原因,对催化裂化装置后续的操作优化及设计改进提供了依据。     

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。