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。     

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。     

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。     

催化裂化装置沉降器内结焦物的基本特性分析及其油气流动对结焦形成过程的影响

 通过对催化裂化装置(FCCU)沉降器内结焦物的微观组织结构和密度的分析, 考察了两者之间的内在关系,探讨了油气流动对结焦过程的影响. 油气的流动不仅起到输送油气液滴和催化剂颗粒的作用,油气的流动状态还影响油气液滴和催化剂颗粒之间的相互作用,影响它们在器壁的沉积形式,使焦体与催化剂颗粒结合方式具有多样性,焦体与催化剂颗粒的比例关系和结焦中催化剂颗粒粒度的分布发生变化; 从微观结构上看,是结焦的致密性发生变化, 从宏观上看,是结焦的密度发生变化. 根据油气流动速度的大小可将沉降器分为3类区域,各区域的结焦情况不同. 在油气静止区域,催化剂颗粒沉降堆积在固体表面上, 结焦中主要是催化剂,焦体比例少,结焦组织疏松,密度低; 在油气流动区域, 液滴与催化剂颗粒扩散沉积在固体表面上,结焦中焦体所占比例大,催化剂颗粒少且粒径小,结焦质地致密,密度高.     

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。     

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。     

两段提升管催化裂化沉降器内待生剂吸附油气的变化

沉降器内汽提油气的冷凝是造成重油催化裂化装置沉降器结焦的根本原因。为了分析待生剂吸附油气的性质变化,首先通过在线取样获得两段提升管催化裂化装置不同提升管内待生剂,用甲苯抽提提取待生剂上吸附的烃类并进行性质分析;然后在模拟汽提实验装置上进行待生剂的模拟汽提实验,分析汽提过程中的化学反应;最后将汽提油气中的液相组分进行二次热转化实验,探索汽提油气在沉降器稀相空间的热转化行为。结果表明,二段提升管待生剂吸附油气较多,馏程偏重,饱和分和氢含量很低;汽提过程中的化学反应以热裂化为主,二段待生剂吸附油气的反应较弱,重油收率较高,而且经过二次热裂化反应后,二段汽提油气重油收率仍然高于50%。因此二段提升管待生剂汽提油气会对两段提升管催化裂化沉降器的结焦产生重要影响。     

重油催化裂化沉降器油气相态计算

 为了确定重油催化裂化沉降器中液相组分的数量及其对结焦的贡献，以工业重油催化裂化装置的沉降器为研究对象，按照正构烷烃模型分子法确定基团组成的方法，利用已编写的气化率计算程序，求取了沉降器内反应油气的重组分—油浆馏分的气化率，确定反应油气的气、液相比例。计算结果表明，在实际工业操作条件下，重油催化裂化沉降器内的油浆馏分以气、液两相状态存在，其露点温度为488.8℃，露点温度直接取决于油浆终馏分的沸程，而且油浆分压对其泡点和露点温度也有较大影响。     

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.     

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。     

催化裂化装置反应系统防结焦技术分析

叙述了催化裂化装置结焦的危害并指出油气重组分冷凝油滴是结焦的内因,油气所处的环境是结焦的外因。从焦块组成与焦块催化剂粒度分布可看出,焦炭中氢的质量分数不足4%,主要是催化剂细粉与高度缩合的碳氢化合物。在操作波动、沉降器温度变化时,很容易发生焦块脱落影响反应再生系统催化剂循环,从而导致非计划停工,影响长周期稳定运行。避免出现"未汽化油"和"湿"催化剂是防治反应系统结焦的有效手段,合理适度提高反应深度,降低反应器油气中油浆重馏分含量,也是减缓抑制结焦的重要手段之一。通过优化原料组成、采用MIP/MIP-CGP工艺和RICP工艺等新技术、优化粗旋设计和在粗旋灰斗增设预汽提器、优化提升管出口连接形式、操作上控制油浆不回炼并尽可能减少回炼油,规范开停工程序等有效防范和抑制结焦的措施,可以实现催化裂化装置长周期稳定运行。     

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。     

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。