FCC沉降器內(nèi)部空間壓力分布的數(shù)值模擬

孫文英，劉曉欣，王仲霞，嚴(yán)超宇

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）化學(xué)工程學(xué)院，北京102249；2.中國(guó)石化石家莊煉化分公司）

沉降器是催化裂化裝置（FCCU）的重要組成部分，是油氣和催化劑進(jìn)行分離和汽提的場(chǎng)所。沉降器操作中要求油氣和催化劑快速分離，并將分離出的油氣快速引出，實(shí)現(xiàn)催化劑的高效汽提，從而縮短高溫油氣在沉降器空間內(nèi)的停留時(shí)間，防止輕質(zhì)油氣組分過(guò)度裂化，進(jìn)而減少輕質(zhì)油損失，以及避免重質(zhì)油結(jié)焦［1－2］。進(jìn)入沉降器的物流主要有提升管反應(yīng)油氣及其攜帶的待生催化劑、汽提蒸汽、防焦蒸汽，這些物流在沉降器內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)決定著沉降器內(nèi)的壓力分布，而壓力分布又直接影響到沉降器內(nèi)的油氣流動(dòng)狀態(tài)和停留時(shí)間［3－5］。例如頂部旋風(fēng)分離器（頂旋）是進(jìn)行油氣和催化劑分離操作的場(chǎng)所，內(nèi)部空間是一個(gè)壓力相對(duì)較低的區(qū)域，但收集的催化劑需要從頂旋料腿排入壓力相對(duì)較高的沉降器空間。若沉降器內(nèi)的壓力平衡出問(wèn)題，或頂旋料腿內(nèi)的顆粒質(zhì)量流率比較小，就會(huì)造成料腿內(nèi)的料封高度不夠，使沉降器內(nèi)的油氣反竄進(jìn)入料腿，一方面影響頂旋的分離性能，另一方面造成頂旋翼閥的沖蝕磨損［6－7］。本課題采用Fluent計(jì)算軟件，建立沉降器區(qū)域全尺寸結(jié)構(gòu)化計(jì)算模型并進(jìn)行數(shù)值模擬，重點(diǎn)分析沉降器內(nèi)油氣流動(dòng)狀況及壓力分布的特點(diǎn)，以及頂旋和料腿區(qū)域內(nèi)的壓力分布特點(diǎn)，為沉降器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和操作提供依據(jù)。

1 沉降器結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格劃分

圖1為國(guó)內(nèi)某煉油廠1.40Mt/a催化裂化裝置的沉降器結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格劃分示意。沉降器高20m，直徑6m。提升管反應(yīng)器內(nèi)置在沉降器內(nèi)部，提升管出口直聯(lián)一級(jí)旋風(fēng)分離器（粗旋）。該沉降器采用包含3個(gè)粗旋和3個(gè)二級(jí)旋風(fēng)分離器（頂旋）的分離系統(tǒng)，兩級(jí)旋風(fēng)分離器之間采用口對(duì)口式連接。粗旋內(nèi)徑1 328mm，頂旋內(nèi)徑1 280mm。粗旋入口中心線離頂旋入口中心線的距離為4 569mm。提升管內(nèi)的油氣進(jìn)入粗旋，經(jīng)初級(jí)分離后，油氣從粗旋出口排出進(jìn)入沉降器空間，再進(jìn)入頂旋進(jìn)行二級(jí)分離，最后油氣從頂旋出口排出沉降器進(jìn)入后續(xù)流程。分離后收集的待生催化劑進(jìn)入沉降器下部的汽提器，經(jīng)過(guò)汽提蒸汽汽提后從下部排出。而汽提蒸汽將催化劑顆粒之間的油氣和顆粒內(nèi)部的油氣汽提置換出來(lái)后進(jìn)入沉降器空間，與油氣混合后進(jìn)入頂旋。

由于沉降器內(nèi)部空間區(qū)域的油氣流動(dòng)互相密切關(guān)聯(lián)，只有同時(shí)計(jì)算才能反映油氣在整個(gè)沉降器內(nèi)部真實(shí)的流動(dòng)情況。在空間區(qū)域離散化過(guò)程中，對(duì)所有區(qū)域均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格單元數(shù)為1.2×106個(gè)。

圖1 沉降器結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分

2 計(jì)算模型和計(jì)算參數(shù)

計(jì)算采用Fluent 6.2流體計(jì)算軟件，湍流模型采用Reynolds應(yīng)力輸運(yùn)模型（RSM）。速度邊界條件的入口速度分別取提升管提升氣速和汽提段蒸汽表觀氣速，頂旋升氣管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)已趨于穩(wěn)定，故設(shè)定壓力出口邊界條件。粗旋料腿的出口設(shè)為敞口。頂旋料腿的出口安裝翼閥，出口為封閉狀態(tài)，其余部分則設(shè)定固壁邊界條件。

在沉降器汽提段的表觀氣速為0.2m/s、頂旋出口的表壓為150kPa、沉降器系統(tǒng)內(nèi)溫度為470℃、高溫油氣為流動(dòng)介質(zhì)［密度2.40kg/m3，黏度1.27×10－5kg/（m·s）］的條件下設(shè)置提升管出口氣速分別為12，15，18，20m/s，計(jì)算結(jié)果表明，在出口氣速為18m/s時(shí)模擬操作數(shù)據(jù)與實(shí)際生產(chǎn)工況的操作數(shù)據(jù)吻合，因此采用提升管出口氣速18m/s作為入口邊界條件。

3 結(jié)果與討論

3.1 沉降器內(nèi)部壓力分區(qū)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，沉降器內(nèi)部壓力分布大致可以分為3個(gè)壓力區(qū)域：高壓區(qū)，中壓區(qū)，低壓區(qū)。頂旋的內(nèi)部壓力低于沉降器空間壓力，屬于低壓區(qū)，其平均壓力為152kPa；沉降器的空間壓力低于粗旋內(nèi)部壓力，屬于中壓區(qū)，其平均壓力為155kPa；粗旋及提升管反應(yīng)器的內(nèi)部壓力最高，屬于高壓區(qū)，其平均壓力為156kPa。由于沉降器內(nèi)部大空間的上升氣速比較低，可以認(rèn)為整個(gè)沉降器空間的壓力一致，這樣沉降器各個(gè)壓力區(qū)之間的壓差主要是旋風(fēng)分離器的壓降。高壓區(qū)與中壓區(qū)之間的壓差是粗旋的壓降，而中壓區(qū)與低壓區(qū)之間的壓差是頂旋的壓降。

圖2為沉降器粗旋－頂旋中心縱截面的流場(chǎng)分布。沉降器內(nèi)的壓力分布［見(jiàn)圖2（a）］決定著油氣的流動(dòng)方式。粗旋在高壓下操作，頂旋在低壓下操作，因此在壓力的推動(dòng)作用下，油氣從粗旋排氣管排出進(jìn)入沉降器空間，然后再進(jìn)入頂旋。從圖2（b）中可以看出，旋風(fēng)分離器內(nèi)的氣體速度較高，沉降器空間區(qū)域的流速很低，約為1.00m/s。由于壁面效應(yīng)，在粗旋外壁和沉降器器壁附近某些區(qū)域的流速低于沉降器空間內(nèi)的流速，形成了器壁附近的滯留層，使重質(zhì)油顆粒易于沉積和滯留，最后形成結(jié)焦。

圖2 沉降器粗旋－頂旋中心縱截面的流場(chǎng)分布

3.2 粗旋出口－頂旋入口附近的流場(chǎng)

圖3為粗旋出口－頂旋入口處的流場(chǎng)分布。沉降器內(nèi)的粗旋和頂旋是口對(duì)口式連接，流場(chǎng)如圖3（a）所示，粗旋出口的油氣高速進(jìn)入頂旋入口?？谂c口之間的流體主要是粗旋的油氣，而口與口之間的間隙是汽提油氣、防焦蒸汽和粗旋料腿排出油氣的入口，這幾部分的氣體匯集粗旋出口的油氣一同低速進(jìn)入頂旋。提升管反應(yīng)器進(jìn)氣量為112t/h，汽提油氣約占進(jìn)氣量的4%，防焦蒸汽約占進(jìn)氣量的3%，粗旋料腿排出量約占進(jìn)氣量的0.8%。最終進(jìn)入頂旋進(jìn)行二次分離的氣體流量Q3為沉降器空間內(nèi)油氣量Q2與粗旋出口噴射出的大部分油氣流量Q1之和，見(jiàn)圖3（b）。

圖3 粗旋出口－頂旋入口處的流場(chǎng)分布

圖3（c）是粗旋出口－頂旋入口處的壓力分布縱向截面圖。粗旋出口的平均壓力p1＝154.8 kPa，沉降器空間內(nèi)的壓力p2＝155.1kPa，頂旋入口處壓力p3＝154.5kPa，p1與p2均大于p3。在這個(gè)壓力場(chǎng)的作用下，油氣由粗旋出口噴出后進(jìn)入壓力較低的頂旋入口，同時(shí)沉降器空間的油氣也一同進(jìn)入頂旋內(nèi)。

3.3 頂旋的流場(chǎng)

頂旋出口是沉降器的出口，頂旋料腿出口置于沉降器的空間內(nèi)，下面安裝有翼閥。從圖2可以看出，頂旋內(nèi)流場(chǎng)具有典型的旋風(fēng)分離器流場(chǎng)特征，是一個(gè)雙層漩渦結(jié)構(gòu)，外層是旋轉(zhuǎn)向下的外旋流，內(nèi)部是旋轉(zhuǎn)向上的內(nèi)旋流，有一定的徑向速度。這個(gè)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)決定了旋風(fēng)分離器內(nèi)的壓力最低點(diǎn)在中心區(qū)域。由于料腿的入口位于旋風(fēng)分離器中心，導(dǎo)致料腿內(nèi)的壓力低于沉降器空間的壓力，兩者的壓力差是料腿排料的負(fù)壓差。這個(gè)負(fù)壓差需要在料腿內(nèi)建立起一定高度的密相床來(lái)平衡，即在底部翼閥處形成一個(gè)料位靜壓。當(dāng)這個(gè)靜壓值高于外部沉降器空間的壓力時(shí)，自動(dòng)打開(kāi)翼閥閥板排料；當(dāng)靜壓值低于外部沉降器空間的壓力時(shí)，顆粒繼續(xù)蓄壓，增加底部的靜壓，直到高于翼閥閥板外的壓力值，才開(kāi)始排料。

在實(shí)際的操作過(guò)程中，尤其是頂旋的入口濃度比較小時(shí)，導(dǎo)致料腿內(nèi)的顆粒質(zhì)量流率比較低，難以建立起有效的密相床，或密相料封高度不夠，在出口處形成半管排料，就會(huì)產(chǎn)生漏風(fēng)現(xiàn)象，翼閥外部的油氣在負(fù)壓差作用下通過(guò)翼閥進(jìn)入料腿。這種漏風(fēng)會(huì)影響料腿的排料，降低旋風(fēng)分離器的分離效率，增加催化劑的跑損，漏風(fēng)還會(huì)夾帶催化劑顆粒，形成對(duì)旋風(fēng)分離器翼閥閥板的沖蝕磨損，從而進(jìn)一步破壞翼閥的密封性能，加劇漏風(fēng)量。

3.4 油氣沿程的壓力分布

圖4 油氣沿程的壓力分布

沉降器內(nèi)部的壓力分布決定著各部分油氣和蒸汽的流動(dòng)路線和速度。圖4是計(jì)算的各部分油氣的沿程壓力分布和路線長(zhǎng)度。從圖4可以看出，提升管出口油氣的壓降主要產(chǎn)生在粗旋和頂旋上，沉降器內(nèi)上升油氣的壓降主要產(chǎn)生在頂旋上，但是油氣流動(dòng)路線的長(zhǎng)度有很大的不同。油氣由提升管反應(yīng)器進(jìn)入粗旋后經(jīng)由粗旋分離進(jìn)入頂旋，整個(gè)路程長(zhǎng)度約為10m，停留時(shí)間比較短。而蒸汽汽提油氣經(jīng)過(guò)沉降器的大空間緩慢上升進(jìn)入頂旋，整個(gè)路程長(zhǎng)度約為27m，停留時(shí)間比較長(zhǎng)，容易造成結(jié)焦現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

FCC沉降器內(nèi)空間按壓力數(shù)值大小可以分為高壓區(qū)（粗旋及提升管內(nèi)部區(qū)域）、低壓區(qū)（頂旋內(nèi)部區(qū)域）和中壓區(qū)（沉降器空間）。這種壓力分布的形式?jīng)Q定著油氣的流動(dòng)路線和速度，油氣運(yùn)動(dòng)過(guò)程中壓降主要發(fā)生在頂旋和粗旋上，而頂旋料腿的壓力低于沉降器空間內(nèi)壓力，形成了負(fù)壓差。

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