连续催化重整闭锁料斗的研究.docx

机械设备连续催化重整闭锁料斗的研究闫遂宁李朝发全民中国石化集团洛阳石油化工工程公司工程研究院 (河南省洛阳市 471003)摘要 :通过试验研究 ,确定了闭锁料斗的结构尺寸与参数 ; 得出了计算下料速率与下料口直径 , 颗粒物性及料斗结构的关联式 ;得出了闭锁料斗的漏气量与压差的变化关系式 ,所得关联式可用于工程设计 。提出了闭锁料斗 设计中应注意的几个问题 。关键词 :催化重整装置 组合床 闭锁料斗 气动控制 试验研究 关联式 低压组合床重整催化重整是生产高辛烷值汽油和芳烃的主要工艺方法之一 。闭锁料斗是连续催化重整催化剂 连续再生设备中的一个关键设备 ,它的作用是将上部低压区的催化剂输送到下部高压区 。环球油品公司 (uop) 第一代连续催化重整装置中使用的 闭锁料斗是依靠阀门直接控制催化剂流量的 。由于阀门频繁的开关 ,阀体与催化剂的磨损相当严 重 ,因此 ,对阀门的维护要求相当高 。uop 第二代和第三代连续重整装置中使用的闭锁料斗依靠料 斗气体压力的变化将低压区的催化剂输送到下部高压区 ,通过改变料斗气体压力的维持时间来控制催化剂的流量 ,实现了催化剂输送的气动控制 ,从而解决了磨损问题 。国内尚未对气控式闭锁料 斗进行 深 入 的 研 究 , 因 此 , 缺 乏 相 应 的 自 主 设 计方法 。本研究重点考察了如下几个问题 : (1) 在何种 条件下闭锁料斗实现闭锁 ,高压差下会不会出现 异常情况 ; (2) 根据要求的催化剂循环量确定下料 管的结构尺寸 ,建立描述下料量的关联式 ; ( 3) 料 斗闭锁后 ,给定压差下漏气量的确定和计算 ; ( 4) 闭锁料斗放大和缩小的设计方法 。平衡 管 线 及 平 衡 阀 。试 验 所 用 提 升 器 外 径 为500 mm ,提升管直径为 57 3 . 5 mm 。试验所 用颗粒为 dp = 1 . 6 mm 的重整催化剂中间担体 。 试验时 ,当打开平衡阀后 ,上下两个料斗间的压力 趋于一致 ,此时 ,催化剂颗粒自上部料斗经催化剂锥形分配器依靠自身的重力向下移动进入下料管 及其下部的下料口落入到下部料斗中 , 催化剂循 环量的计量由下料量及其下料时间来确定 。关闭 平衡阀后 ,由于下部料斗的压力高于上部料斗 ,催 化剂停止下料 ,即实现了闭锁 , 此时 , 下部料斗中的气体沿下料口及下料管向上流动 ,从而形成一 定的漏气量 。下料管上的压力降由差压变送器传 送并计量 。下部料斗中的催化剂经下部锥体和循 环管及球阀进入催化剂提升器中 ,由流化风和提 升风将催化剂沿提升管提升至上部料斗中 , 从而完成催化剂的循环 。气固分离采用倒 l 型的分离 器 ,气体出口加过滤网及布袋除尘器 。高压气体 由压缩机经稳压罐进入高压气体分配器 , 高压气 体经过计量后分别进入上部料斗和下部料斗 , 通 过调节上部料斗出气量可使上下料斗间形成预定的压差 ,而下部料斗不另设其它出口 , 此时 , 下部 料斗转子流量计的读数即为漏气量 。也可以只给 下部料斗通入预定压力的压缩空气 ,从而实现上 下料斗间预定的压差 。1闭锁料斗试验装置试验装置如图 1 所示 , 闭锁料斗由上下两个 外径 516 mm ,高分别为 1 700 和 2 500 mm 的料仓组成 ,两个料仓间使用垂直下料管连接 ,下料管直径可分别为 50 3 . 5 mm , 57 3 . 5 mm , 764 . 5 mm ,下料管下部有控制催化剂循环量和漏 气量的缩口 ( 下料口) ,两个料仓间设置气体压力收稿日期 :2003 - 09 - 12 。作者简介 ,闫遂宁 ,高级工程师 ,1987 年毕业于西北大学化工 系 ,获硕士学位 ,一直从事炼油及石油化工设备的研究工作 。 28 炼油技术 与 工 程2004 年第 34 卷数 。计算结果与实测数据的对比表明 ,使用式 (1)的误差在 5 %左右 。gs = p db (tgtg) c de(1)p ror2 . 2上下料斗间压差对漏气量的影响通过向下料斗中通入不同压力的压缩空气 ,来实现上下料斗间的压差 ,以便观察料斗的闭锁 点以及不同压差下的漏气量 。如图 2 为气体从下料斗流经下料口 、下料管 、上料斗锥体至上料斗上部 ,漏气量随上下料斗压差的变化情况 。可以看 出 :压差越大 ,漏气量越大 ;下料管径越大 ,漏气量 越大 ;下料管越长 ,在相同压差下 ,漏气量越小 ; 下 料孔径不同 ,漏气量变化很小 。计算上下两个料斗之间的压差 ,需要考虑下 料管的缩口压力降 ,下料管内的压力降及上部料 斗的压力降 。缩口的压力降和管径与缩口的比值 以及过孔线速有关 。使用试验测得的漏气量数据 计算表明 ,缩口压力降在总压降所占的比例是很小的 。由于上部料斗中的气速很低 , 上部料斗的压力降在总压力降中所占比例也是很小的 。压力 降主要产生在下料管中 ,占总压力降的 90 %以上 。 在封料情况下 ,决定下料管内压力梯度的是气体 相对于固体颗粒的运动 ,而不是气体相对于壁面的运动 。这是由于气体与固体颗粒之间的摩擦阻力比气体与壁面之间的摩擦阻力大得多的缘故 。 因此 ,在封料情况下 ,下料管中两点间的压差可用修正的 ergun 方程式1 来计算 ,即 :1 提升器 ;2 提升管 ;3 上料斗 ;4 观察窗 ;5 平衡阀 ;6 下料管 ;7 下料口 ;8 下料斗 ;9 循环管图 1 闭锁料斗试验装置示意2 试验结果2 . 1 下料孔径对催化剂下料量的影响打开平衡阀后 , 气体沿平衡管线直接到达上 部料斗 , 使 得 上 下 两 个 料 斗 的 压 力 接 近 相 等 , 此时 ,催化剂在重力作用下沿下料管垂直向下卸料 。由于下料管中还残存少量高压气体 ,因此 ,催化剂 开始下料时稍快 ,且会出现不连续的现象 , 此后 ,催化剂颗粒在卸出口呈漏斗状连续流出 。除卸出 点附近外 ,催化剂颗粒在管内各处均为类似活塞的粘 附 滑 移 流 动 。试 验 进 行 了 下 料 管 长 1 600 ,2 000和 2 600 mm ,下料口直径为 25 ,31 ,32 ,34 ,36 ,38 和 40 mm 时的下料量 。可以得出 ,下料孔径增 大 ,下料量增大 。下料管长变化 ,下料量基本保持不变 ,即颗粒下料速率与管长无关 ,这是因为在下料口上部的颗粒相互挤压形成的拱形构造承受着 来自上部的颗粒压力 ,构成拱的颗粒不断落下 ,而替代的新颗粒又不断地补充进来形成动态平衡 , 古代沙漏计时就是利用了这一原理 。下料管直径 变化 , 下料量基本保持不变 , 即颗粒下料速率与下料管直径无关 。颗粒从下料口的流出速率主要取决于下料口的直径 。除此之外 , 下料速率还与 颗粒直径 、休止角 、下料口处的结构 、料斗结构和 壁面的粗糙度有关 。许多研究者对固体颗粒由孔 口的排出速率进行过研究 ,由于研究条件的不同 , 其结果存在一定的甚至很大的差异 。通过对本试验中所 采 用 的 颗 粒 物 性 数 据 及 料 斗 结 构 数 据 回 归 ,得出如式 ( 1) 的关联式 , 其中 a , b , c , e 为常系g u2(1 - ) 2 pu (1 - )(2)gc = a+ b3( s dp ) 23l2 dp式 ( 2) 是与气体物性和颗粒物性以及设备尺寸有关的关系式 ,是粘度损失和动能损失的和 ,其 中 a , b 为常系数 。在已知漏气量的情况下 ,通过 上式可以计算出管内的压力降 ,同样 ,在已知管内两点间的压力降及长度时 ,也可以计算出漏气量 。由于气体沿下料管向上运动时 , 其压力逐渐 减小 ,体积逐渐增大 ,气体密度逐渐减小 ,因此 ,在压差比较大的情况下 ,应考虑这一变化 。使用试 验条件及参数计算表明 ,一定压差下 ,式 ( 2) 计算的漏气量值与实测值基本符合 ,参见图 2 。下料管内的压力随管长的变化也与实测值接近 , 如图 3所示 。需要说明的一点是 ,当下料孔径与管径之 比大于某个较大的数值时 ,虽然能够实现料封 ,但漏气量很大 ,而压差却很小 , 在试验条件下 , 无法 达到 0 . 3 mpa 的 预 定 压 差 , 甚 至 无 法 达 到 0 . 1第 4 期闫遂宁等. 连续催化重整闭锁料斗的研究 29mpa ,这将导致闭锁料斗无法正常工作 。这是由于在此情况下 ,下料管内颗粒的下料流动型式发生 了变化 ,管内持料量减少了 ,管内空隙率显著地增 大了 ,甚至形成下料管部分空管现象 , 这样 , 即便 是在高线速下 ,气体与固体颗粒的摩擦作用也明显小于下料孔径小时的情况 ,从而造成非正常操 作工况 。因此 ,在设计时应选取适当的下料孔径 与管径之比 ,以防止该现象的出现 。(a)( b)管长与压力的关系图 3(a)本试验中的封料压力降与此式的计算值很接近 。实际操作时 ,上下料斗的压差 ( 0 . 3 mpa) 远大 于此值 ,即远大于料封压差 , 因此 , 实现闭锁是很 容易的 。另一方面 ,当压差大于料封压差时 ,就会出现流态化现象 ,于是床层就会膨胀 ,进一步的压 差就无法建立 ,这是不希望发生的 。实际上 ,正常 操作情况下 ( 00 . 3 mpa) , 没有发生催化剂流化 现象 。这是因为下料管上部料斗的直径远大于下 料管直径 。试验装置采用的二者之比为 10 ,则上部料斗的线速将比下料管上部线速小近 100 倍 , 如此小的线速在上部料斗产生的压差仍小于料封 压差 ,因此 ,在上部料斗不会产生流态化现象 , 即 为固定床 。由于上部料斗固定床的限制作用 , 下 料管中的催化剂流化不起来 , 也为固定床 , 这样 ,即使气体以高线速 (大于最小流化速度) 通过下料 管中催化剂颗粒之间的空隙 ,虽产生很高的压力 差 ,也不会发生流态化 。计算表明 ,当管长为 2 m 时 ,发生料面流态化的压差大于闭锁料斗单段所 采用的压差 ,因此 ,料斗的闭锁过程是稳定的 。需要指出的是 ,在设计中 ,应对选定的上部料斗直径 与下料管直径之比进行核算 ,使预定的闭锁料斗 单段压差小于上部料斗料面发生流态化所对应的 压差 ,以保证闭锁料斗的稳定工作 。( b)(c)图 2 压差与漏气量的关系2 . 3下料管的料封压差下料管内料柱的理论料封压差等于物料的堆 积密度与料柱高度的乘积 ,即 : pt =p l t(3)使用式 (3) 计算的压力降 ,即为封料的最小压力降 。计算可知 ,当管长分别为 1 . 6 m ,2 m 和 2 . 6 m 时 ,临界料封压差分别为 11 . 2 ,14 和 18 . 2 kpa ,可以看出 ,其值是很小的 。3小结(1) 采用增加下部料斗气体压力来阻止催化 30 炼 油 技术 与 工 程2004 年第 34 卷剂流动 ( 闭锁) 的方法是较易实现的 ,其封料压差一般在 20 kpa 以下就可以实现 ,本研究的试验范 围内压差可以达到 350 kpa ,可以实现稳定的料斗 闭锁过程 。(2) 下料口直径增大 , 下料量增大 , 下料管长 与下料管直径变化 , 下料量基本保持不变 。但应 注意下料口直径与管径之比不宜过大 。(3) 闭锁料斗的漏气量与压差的变化关系符 合 ergun 方程 ,而且压力降主要产生在下料管中 。 即在相同压差下 ,下料管长度增加 , 漏气量减小 ;下料管直径增大 ,漏气量增大 ;在下料管直径相同 的情况下 ,压差越大 ,漏气量越大 , 下料口直径增 大 ,漏气量略有增大 。gs 颗粒质量流率 ,kg/ s ;gc 换算因子 ,9 . 8 n/ kg ;l t 管长 ,m ;u 气体速度 ,m/ s ;3p 颗粒堆积密度 ,kg/ m ; 气体密度 ,kg/ m3 ;g半顶角 ,度 ;r 颗粒休止角 ,度 ; 气体粘度 ,kg/ (ms) s 颗粒球形度 ; 颗粒层空隙率 ;l 管长 ,m ; p 压差 , kg/ m2 ; pt 料封压差 , kg/ m2 。参考文献1 上海化工学院编. 化学工程. 北京 :化学工业出版社 ,1980 :1592 李洪钟. 化学工程 ,1989 , (5) :2831( 编辑 苏德中)符号说明dp 颗粒直径 ,m ;dor 下料孔直径 ,m ;study o n interloc k hopper of ccryan suining , li chaofa , quan minresearch institute of petrochemical engineering technology / l pec , s ino pec ( l uoyang , henan 471003)abstract structure dimension and parameter of the interlock hopper have been determined. correlation formu2las of catalyst downward flow rate and the hole diameter , particle character and int