催化裂化催化劑生產(chǎn)裝置高壓噴霧設(shè)備的優(yōu)化*

□ 閆俊杰 □ 李弘揚(yáng) □ 楊 璽 □ 楊年青 □ 高 科 □ 陳 震 □ 李小偉

中國(guó)石化催化劑有限公司長(zhǎng)嶺分公司 湖南岳陽(yáng) 414000

1 優(yōu)化背景

催化裂化是石油煉制的核心工藝之一,是煉廠(chǎng)中最重要的重油輕質(zhì)化及獲取經(jīng)濟(jì)效益的手段。催化裂化催化劑是全球消耗量最大的煉油催化劑。全球主要的催化裂化催化劑供應(yīng)商總生產(chǎn)能力約為110萬(wàn)t/a,我國(guó)催化裂化催化劑產(chǎn)能達(dá)到45萬(wàn)t/a。催化裂化催化劑行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈,優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品是提升企業(yè)全球競(jìng)爭(zhēng)力的主要措施之一。

噴霧干燥成型是催化裂化催化劑生產(chǎn)的最后流程,通過(guò)高壓噴霧干燥和氣流分級(jí)過(guò)程,生產(chǎn)出合格的催化裂化催化劑成品。噴霧干燥成型使用的高壓噴霧設(shè)備包括柱塞高壓泵和氣流分級(jí)機(jī)。柱塞高壓泵將來(lái)自系統(tǒng)的漿液物料增壓至10 MPa～20 MPa,然后經(jīng)過(guò)噴槍噴出,分裂為細(xì)小霧滴,通過(guò)氣流分級(jí)機(jī)干燥分級(jí),生產(chǎn)出粒度分布合格的粉末狀催化裂化催化劑產(chǎn)品。

筆者以柱塞高壓泵和氣流分級(jí)機(jī)為例,介紹石油化工行業(yè)催化裂化催化劑生產(chǎn)裝置高壓噴霧設(shè)備的優(yōu)化,具體柱塞高壓泵盤(pán)根、柱塞的改造,氣流分級(jí)機(jī)軸承箱壓蓋、軸封、軸承選型的改進(jìn)。通過(guò)優(yōu)化,降低高壓噴霧設(shè)備的故障率,提高運(yùn)行率、生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量,解決了高壓噴霧設(shè)備長(zhǎng)周期運(yùn)行存在的瓶頸問(wèn)題。

2 催化裂化催化劑制備流程

催化裂化催化劑生產(chǎn)中,將水玻璃、硅鋁膠、導(dǎo)向劑等原材料通過(guò)合成、晶化等一系列工序,制成粉狀催化裂化催化劑成品。催化裂化催化劑制備流程包含分子篩制備單元和催化劑制備單元兩部分,如圖1所示。綠色為分子篩制備單元流程,藍(lán)色為催化劑制備單元流程。噴霧干燥成型是催化裂化催化劑生產(chǎn)的最后流程,通過(guò)高壓噴霧干燥和氣流分級(jí)過(guò)程,生產(chǎn)出合格的催化裂化催化劑成品。噴霧干燥成型使用的高壓噴霧設(shè)備包括柱塞高壓泵和氣流分級(jí)機(jī)。柱塞高壓泵將來(lái)自系統(tǒng)的漿液物料增壓至10 MPa～20 MPa,然后經(jīng)過(guò)噴槍噴出,分裂為細(xì)小霧滴,通過(guò)氣流分級(jí)機(jī)干燥分級(jí)。從催化裂化催化劑制備流程可以看出,柱塞高壓泵和氣流分級(jí)機(jī)是催化裂化催化劑制備流程的關(guān)鍵設(shè)備,設(shè)備安全穩(wěn)定長(zhǎng)周期運(yùn)行是保證催化裂化催化劑生產(chǎn)裝置安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)。

圖1 催化裂化催化劑制備流程

3 高壓噴霧設(shè)備

3.1 柱塞高壓泵

柱塞高壓泵由控制系統(tǒng)、減速傳動(dòng)部分、動(dòng)力端、液力端等部分組成。柱塞高壓泵現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。液力端由缸體、柱塞、吸入閥、排出閥等部件組成。缸體由316L不銹鋼塊鍛造而成,設(shè)有三個(gè)柱塞孔。柱塞由不銹鋼或陶瓷制造,通過(guò)連桿帶動(dòng)。采用填料密封,防止液體泄漏和空氣滲入。

圖2 柱塞高壓泵現(xiàn)場(chǎng)

柱塞高壓泵工作時(shí),電機(jī)通過(guò)減速箱帶動(dòng)曲軸作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),曲軸通過(guò)連桿帶動(dòng)柱塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng),傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將電機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為柱塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)柱塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí),在泵腔內(nèi)循環(huán)產(chǎn)生低壓及高壓,將物料吸入及排出。

3.2 氣流分級(jí)機(jī)

氣流分級(jí)機(jī)由電機(jī)、內(nèi)置軸承箱、分級(jí)輪等組成,氣流分級(jí)機(jī)原理如圖3所示。

圖3 氣流分級(jí)機(jī)原理

氣流分級(jí)機(jī)工作時(shí),氣體由進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入氣流分級(jí)機(jī)內(nèi),形成旋轉(zhuǎn)氣流,沿筒體上升,在氣流分級(jí)機(jī)內(nèi)部形成穩(wěn)定、均勻的離心力場(chǎng)。高壓噴霧后的物料借助重力進(jìn)入氣流分級(jí)機(jī)內(nèi),與上升的氣流充分接觸,同時(shí)在離心力場(chǎng)的作用下被充分甩開(kāi)。物料中的粗顆粒受到的離心力大于氣體對(duì)顆粒的拽力,被甩至器壁,并沿器壁滑落而下,從粗粉出口排出。物料中的細(xì)顆粒受到的離心力小于氣體對(duì)顆粒的拽力,隨氣流上升進(jìn)入細(xì)粉尾氣管道,經(jīng)旋風(fēng)分離器后回收利用,尾氣經(jīng)引風(fēng)機(jī)排放。

4 柱塞高壓泵優(yōu)化

4.1 存在的問(wèn)題

柱塞高壓泵運(yùn)行中頻繁出現(xiàn)盤(pán)根漏料、柱塞損壞等問(wèn)題,造成故障率高、質(zhì)量波動(dòng)大,嚴(yán)重制約了生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

4.2 原因分析

原盤(pán)根為整卷混紡纖維浸四氟盤(pán)根,每次檢修更換盤(pán)根需要維修人員手工切割。由于維修人員技能水平參差不齊、檢修強(qiáng)度高,經(jīng)常出現(xiàn)切割后盤(pán)根長(zhǎng)短不一、切口角度不一致等問(wèn)題,導(dǎo)致盤(pán)根壽命縮短?；旒徖w維材質(zhì)較軟,使用中易造成較硬的物料帶入盤(pán)根內(nèi),加速柱塞磨損。每次安裝時(shí)需要維修人員進(jìn)行預(yù)壓,安裝難度大、強(qiáng)度高。盤(pán)根偏長(zhǎng)會(huì)造成盤(pán)根安裝后排列不齊,安裝質(zhì)量降低。盤(pán)根偏短及切口不一致會(huì)造成接口處密封效果差。

原柱塞為金屬柱塞,材質(zhì)為2Cr13鋼或316L不銹鋼。2Cr13鋼材質(zhì)柱塞表面硬度高、耐腐蝕性差,316L不銹鋼材質(zhì)柱塞耐腐蝕性強(qiáng)、表面硬度較低。催化裂化催化劑物料酸堿值低,并且含氯離子,使用2Cr13鋼材質(zhì)柱塞表面短時(shí)間內(nèi)會(huì)被腐蝕,造成柱塞漏料。使用316L不銹鋼材質(zhì)柱塞表面短時(shí)間會(huì)被磨出溝槽,造成柱塞泄漏。2Cr13鋼材質(zhì)柱塞使用壽命為一個(gè)月,316L不銹鋼材質(zhì)柱塞使用壽命不到兩個(gè)月。

4.3 優(yōu)化

針對(duì)柱塞高壓泵泄漏原因,對(duì)盤(pán)根和柱塞進(jìn)行優(yōu)化。新盤(pán)根材質(zhì)為芳綸浸四氟,并且預(yù)制為成型盤(pán)根。芳綸浸四氟材質(zhì)較混紡纖維耐酸性較好、強(qiáng)度高,在制作過(guò)程中施加預(yù)壓,有效延長(zhǎng)盤(pán)根壽命。同時(shí),成型盤(pán)根長(zhǎng)短一致、切口平整,且切口處采用特殊膠水粘結(jié),穩(wěn)定性好,徹底消除了不確定因素導(dǎo)致盤(pán)根壽命短的情況。新舊盤(pán)根現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比如圖4所示。針對(duì)金屬柱塞存在的問(wèn)題,將金屬柱塞改為陶瓷柱塞。陶瓷柱塞硬度高、表面光滑,可有效降低盤(pán)根泄漏頻率,延長(zhǎng)柱塞和盤(pán)根的使用壽命。新舊柱塞現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比如圖5所示。

圖4 新舊盤(pán)根現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比

圖5 新舊柱塞現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比

4.4 優(yōu)化效果

經(jīng)過(guò)上述兩項(xiàng)優(yōu)化,有效解決了盤(pán)根漏料頻繁、柱塞使用周期短,影響產(chǎn)品質(zhì)量的問(wèn)題。盤(pán)根泄漏從每月1.25次減少至每月0.4次,柱塞平均壽命由一個(gè)月延長(zhǎng)至八個(gè)月以上,有效降低了設(shè)備故障率,節(jié)約了維修成本,保證了催化裂化催化劑生產(chǎn)裝置長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行,提升了產(chǎn)品質(zhì)量。

5 隔膜式高壓泵的應(yīng)用

2016年12月,筆者單位引進(jìn)隔膜式高壓泵,代替柱塞高壓泵進(jìn)行試生產(chǎn)。使用后無(wú)外排污水產(chǎn)生,降低了環(huán)保壓力。使用后盤(pán)根和柱塞壽命延長(zhǎng)至1 a以上,設(shè)備故障、維護(hù)強(qiáng)度、運(yùn)行成本大幅降低。同時(shí),隔膜式高壓泵柱塞運(yùn)行時(shí)不需要冷卻,每臺(tái)設(shè)備每年可節(jié)約化學(xué)水消耗量9 504 t以上,同時(shí)減少9 504 t以上的外排污水,降低了環(huán)保壓力,具有廣泛的應(yīng)用前景。隔膜式高壓泵在催化裂化催化劑生產(chǎn)中成功應(yīng)用,是國(guó)內(nèi)首次使用隔膜式高壓泵對(duì)高固含量、高腐蝕性介質(zhì)進(jìn)行高壓噴霧。隔膜式高壓泵現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示。

圖6 隔膜式高壓泵現(xiàn)場(chǎng)

6 氣流分級(jí)機(jī)優(yōu)化

6.1 存在的問(wèn)題

氣流分級(jí)機(jī)投入運(yùn)行三個(gè)月左右,就會(huì)出現(xiàn)軸承振動(dòng)大、響聲異常的問(wèn)題,必須停工檢修,嚴(yán)重影響催化裂化催化劑生產(chǎn)裝置產(chǎn)能。

6.2 原因分析

對(duì)氣流分級(jí)機(jī)故障軸承進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)軸承箱壓蓋潤(rùn)滑脂硬化失效,下軸承含有物料粉塵,軸承滾道磨損,游隙變大,這些是軸承振動(dòng)的主要原因。

(1) 軸承箱設(shè)計(jì)存在缺陷。氣流分級(jí)機(jī)軸承箱下端密封采用單面普通毛氈密封,檢修過(guò)程中發(fā)現(xiàn)下部軸承內(nèi)有物料顆粒進(jìn)入。催化裂化催化劑生產(chǎn)過(guò)程中,氣流分級(jí)機(jī)內(nèi)部溫度在100 ℃以上,普通毛氈密封長(zhǎng)期在高溫環(huán)境下快速失效,密封效果下降,導(dǎo)致潤(rùn)滑脂流失,催化劑顆粒進(jìn)入軸承內(nèi),造成下軸承損壞。

氣流分級(jí)機(jī)軸承箱立式安裝,軸承采用鋰基脂潤(rùn)滑。由于軸承箱上部沒(méi)有加油孔,因此只能采用閉式軸承。軸承潤(rùn)滑脂在高溫下黏度降低,流動(dòng)性提高,上部軸承內(nèi)潤(rùn)滑脂流失,導(dǎo)致軸承長(zhǎng)期處于潤(rùn)滑不良狀態(tài),造成軸承損壞。

(2) 軸承選型不合理。氣流分級(jí)機(jī)原設(shè)計(jì)軸承采用兩個(gè)7314B角接觸軸承面對(duì)面安裝,同時(shí)承受徑向力和軸向力。該類(lèi)軸承適用于較高轉(zhuǎn)速,同時(shí)承受軸向和徑向載荷的場(chǎng)合,對(duì)安裝精度有很高要求。在實(shí)際生產(chǎn)中,下軸承所處環(huán)境溫度較高,裝配難度大,裝配時(shí)即使考慮熱膨脹因數(shù),仍較難精確。安裝后,若軸承游隙偏大,則軸承會(huì)產(chǎn)生振動(dòng);若軸承游隙偏小,則軸承會(huì)在短時(shí)間內(nèi)燒壞。根據(jù)氣流分級(jí)機(jī)受力分析,氣流分級(jí)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中只產(chǎn)生向下的軸向力,不會(huì)產(chǎn)生雙向軸向力,單個(gè)角接觸軸承完全可以解決設(shè)備軸向力問(wèn)題。

6.3 優(yōu)化

針對(duì)氣流分級(jí)機(jī)故障率高的情況,對(duì)軸承箱和上軸承選型進(jìn)行優(yōu)化。

軸承箱優(yōu)化包括兩個(gè)方面。一是通過(guò)重新加工下軸承壓蓋,將下部密封改為雙向密封。上層采用耐高溫膠骨架油封,防止?jié)櫥蛳铝魇?。下層采用耐高溫毛氈密?防止分子篩顆粒進(jìn)入下軸承滾道。二是對(duì)上部軸承壓蓋進(jìn)行優(yōu)化,增加注油孔,安裝油杯,并定期對(duì)上部軸承補(bǔ)充潤(rùn)滑脂。優(yōu)化后的上軸承壓蓋如圖7所示。選用兩邊帶防塵蓋的軸承,去除上部防塵蓋,保留下部防塵蓋,以減緩潤(rùn)滑脂流失。另外,由耐高溫油脂代替原鋰基脂。

圖7 優(yōu)化后上軸承壓蓋

對(duì)于上軸承選型優(yōu)化,將上部7314B角接觸軸承改為6314深溝球軸承,主要承受氣流分級(jí)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的徑向力,同時(shí)起到在徑向固定的作用。下部軸承繼續(xù)使用7314B角接觸軸承,承受氣流軸向力和一部分徑向力,安裝時(shí)外圈窄邊向上。深溝球軸承允許角偏差較大,能有效避免因軸承游隙過(guò)大或過(guò)小造成的軸承早期失效問(wèn)題,同時(shí)安裝精度要求較低。

6.4 優(yōu)化效果

經(jīng)過(guò)兩項(xiàng)優(yōu)化,有效解決了氣流分級(jí)機(jī)故障率高的問(wèn)題,設(shè)備運(yùn)行周期從三個(gè)月左右延長(zhǎng)至3 a左右,提高了設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行率和生產(chǎn)效率,降低了設(shè)備故障率,提升了產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量。

7 結(jié)束語(yǔ)

筆者以柱塞高壓泵和氣流分級(jí)機(jī)為例,介紹石油化工行業(yè)催化裂化催化劑生產(chǎn)裝置高壓噴霧設(shè)備的優(yōu)化,包括柱塞高壓泵盤(pán)根、柱塞的優(yōu)化,氣流分級(jí)機(jī)軸承箱壓蓋、軸封、軸承選型的優(yōu)化。通過(guò)采用新型盤(pán)根代替普通盤(pán)根,采用陶瓷柱塞代替金屬柱塞,有效解決了柱塞高壓泵盤(pán)根頻繁泄漏及柱塞壽命短的問(wèn)題。通過(guò)在氣流分級(jí)機(jī)軸承箱上部軸承壓蓋開(kāi)注油孔并增設(shè)油杯,將下部壓蓋密封優(yōu)化為雙向密封,優(yōu)化軸承選型,有效解決了氣流分級(jí)機(jī)使用周期短的問(wèn)題。通過(guò)優(yōu)化,提高了高壓噴霧設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行率和生產(chǎn)效率,降低了設(shè)備故障率,提升了產(chǎn)品質(zhì)量,消除了安全環(huán)保隱患。