（化学工程与技术专业论文）新型变径提升管反应器实验研究.pdf

e c a n d i d a t e ：g o n gh a i f e n g s u p e r v i s o r ：p r o f y a n gc h a o h e d lz h a oh u i c o l l e g eo fc h e m i s t r y & c h e m i c a le n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：1 3 期：1 0 年6 月2 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：宣堕堕 指导教师签名： 日期：如i o 年月2e 1 日期：弘知年月乙日 摘要 面对丙烯等低碳烯烃不断增长的市场需求，传统提升管催化裂化过程很难达到多产 低碳烯烃并兼顾轻油收率的炼化一体化要求。针对该问题，中国石油大学( 华东) 成功 开发了两段提升管催化裂化增产丙烯( t m p ) 工艺，该工艺采用一种新型的变径提升管 反应器。由于变径段和多层进料结构的存在，传统等径提升管内的气固流动规律很难直 接应用到新型变径提升管。因此，详细研究变径段和多层进料结构对气固两相流动的影 响，以及扩径段内催化剂颗粒的流动发展情况对于提升管反应器的设计、放大和优化操 作具有重要的学术和工程价值。 本论文实验装置由底部扩径段和上部等径段两部分构成，总高度为8 3 m ，等径段直 径为5 0 r a m ，扩径段的高度和直径可调。提升管预提升进气口和扩径段内设置的盘管进 气口、喷嘴进气口共同构成了新型提升管的多层进气结构。以空气f c c 催化剂两相体 系为研究对象，通过测量提升管内的轴向压力梯度分布和多个高度截面上的局部颗粒浓 度分布及速度分布，深入分析了多层进料结构和扩径段结构参数对提升管内气固两相流 动的影响，并优选出效果较好的结构参数，对比了新型变径提升管与传统等径提升管内 气固两相流动特征的异同，研究了不同操作条件对新型变径提升管内流动规律的影响。 针对提升管内存在的催化剂偏流现象，本文最后考察了不同的盘管进气结构对提升管扩 径段内催化剂分布的影响。 实验结果表明，扩径段结构参数分别为d d = - 2 、胁5 、m 睁3 5 时，新型变径提升 管内催化剂的分布情况最为理想。与传统等径提升管相比，在相同的操作条件下，新型 变径提升管扩径段的浓度均可提高1 0 倍以上；在一定的操作气速下，新型等径提升管 内全床总压降只与固体循环速率g 之间同样存在良好的线性关系。对于新型变径提升 管而言，增大操作气速或减小固体循环速率均会提高催化剂轴、径向分布的均匀程度， 然而提升管内不同高度截面上的不同径向位置对两者的敏感程度有所不同；在实验操作 范围内，适当增加预提升气和下层喷嘴的进气比例，可以提高装置的操作弹性。针对不 同盘管进气口结构形式，与a 型和c 型相比，b 型盘管进气口结构形式有利于消除催 化剂的偏流现象。 关键词：循环流化床，变径提升管，冷模，多层进料 e x p e r i m e n t a ls t u d yo f an o v e ld i a m e t e i - c h a n g i n gr i s e r g o n gh a i f e n g ( c h e m i c a lt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f e s s o ry a n gc h a o h e a b s t r a c t w i t ht h eg r o w i n gd e m a n do nt h ep r o d u c t i o no fp r o p y l e n e ，c o n v e n t i o n a lf l u i dc a t a l y t i c c r a c k i n g ( f c c ) r i s e rr e a c t o r sc a l ln o tf i tt h em u l t i f u n c t i o n a lp u r p o s ef o rt h ei n t e g r a t i o no f r e f i n e r ya n dp e t r o c h e m i c a lp r o c e s s e s i no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e m ，c h i n au n i v e r s i t y o f p e t r o l e u md e v e l o p e dt h et w o s t a g er i s e rf l u i dc a t a l y t i cc r a c k i n gt e c h n o l o g yf o rm a x i m i z i n g p r o d u c t i o no fp r o p y l e n e ( t m p ) t h er i s e ro ft h i st e c h n o l o g yi se q u i p p e dw i t ha ne n l a r g e d s e c t i o na ti t sb o t t o ma n dm u l t i i n j e c t i o nl o c a t i o n s i ti so fi m p o r t a n ta c a d e m i ca n de n g i n e e r i n g v a l u et os t u d yt h ed y n a m i c so fg a s - s o l i df l o wi n r i s e r sf o rd e s i g n i n g ，s c a l i n g 。u pa n d o p t i m i z i n gr i s e r s t h eg a s - s o l i df l o wp a t t e r n s a r ed i f f e r e n tb e t w e e nt h en o v e lr i s e ra n d c o n v e n t i o n a lr i s e r sf o rt h er e a s o no ft h ee n l a r g e ds e c t i o na n dt h es t r a t i f i e di n j e c t i o ns t r u c t u r e ， s ot h e s ec o n c l u s i o n sg o t t e nf r o mc o n v e n t i o n a lr i s e r sc a nn o ta p p l i e dt ot h en o v e lr i s e r , a n d t h e ni ti si n t e r e s t i n gt of i n de f f e c t so ft h ee n l a r g e ds e c t i o na n dh y d r o d y n a m i cf e a t u r e so f g a s s o l i df l o wi nt h en o v e lr i s e r t h ee x p e r i m e n ts e t u pi sc o m p o s e do fa ne n l a r g e ds e c t i o na ti t sb o t t o ma n da ne q u a l d i a m e t e rs e c t i o na ti t st o p t h et o t a lh e i g h to ft h er i s e ri s8 3 m ，t h ed i a m e t e ro ft h eu p p e rp a r t i s5 0 m m ，a n dt h eh e i g h ta n dd i a m e t e ro ft h ee n l a r g e ds e c t i o na r ef l e x i b l et ob ec h a n g e d e x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u tu s i n gf c cc a t a l y s ta n da i r ac a l i b r a t i o no f t h ef i b e ro p t i cs o l i d s c o n c e n t r a t i o np r o b ew a sc a r r i e do u t a x i a ld i s t r i b u t i o n so fp r e s s u r eg r a d i e n t sa sw e l la sr a d i a l d i s t r i b u t i o n so fl o c a ls o l i d sc o n c e n t r a t i o na n dp a r t i c l ev e l o c i t i e sw e r es t u d i e d c o m p a r i s o no f t h ed y n a m i c so fg a s s o l i df l o ww a sm a d eb e t w e e nt h en o v e lr i s e ra n dac o n v e n t i o n a lr i s e r e f f e c t so fr i s e rs t r u c t u r e so nh y d r o d y n a m i cf e a t u r e so fg a s - s o l i df l o wi nt h er i s e rw e r e i n t e n s i v e l yi n v e s t i g a t e da sw e l l a tl a s t ，e f f e c t so ft h es h a p eo fc o i l t y p ei n l e tw e r es t u d i e do n e l i m i n a t i n gt h eb i a sp h e n o m e n o no ff c cp a r t i c l e s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tan o v e lr i s e rw i t hd d = 2 ，h d = s ，h h 弓 5i sb e s t f o rt h ed i s t r i b u t i o no fp a r t i c l e s c o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a lr i s e r , t h ec o n c e n t r a t i o no f f c c p a r t i c l e si nt h eb o t t o mo f t h en o v e ld i a m e t e r - c h a n g i n gr i s e ri sa b o u t10t i m e sh i g h e r a t ac e r t a i n 玑t h et o t a lp r e s s u r eo ft h er i s e ri sl i n e a rt ot h eg i ne i t h e ro n eo ft h e s et w or i s e r s f o rt h en o v e lr i s e r , l a r g e rd i a m e t e ra n dh e i g h ti nt h ec h a n g i n gs e c t i o nc a ni n c r e a s et h e c o n c e n t r a t i o no ff c cp a r t i c l e s ，b u ti ft h es c a l ei st o ol a r g e ，i tw o u l db en o tc o n d u c i v et ot h e s t a b i l i t yo fd e v i c eo p e r a t i o n l o c a t i n gt h en o z z l ei n l e ta tt h eu p p e rs e c t i o no ft h ee x p a n d i n g s e c t i o n ，a n da p p r o p r i a t e l yi n c r e a s i n gt h ei n p u ta i ra tt h eb o t t o mo ft h er i s e rw o u l db eb e n e f i t f o ri m p r o v i n gi t s o p e r a t i o n a lf l e x i b i l i t y i n c r e a s i n g o rd e c r e a s i n ggw i l ll e a dt om o r e u n i f o r md i s t r i b u t i o no fp a r t i c l e si n t h er i s e r , b u tt h e yh a v ed i f f e r e n ti n f l u e n c e o nr i d i a l p a r t i c l e sd i s t r i b u t i o na td i f f e r e n ta x i a lh e i g h t s c o m p a r e dw i t ha t y p ea n dc t y p e ，b 。t y p ei s t h eb e s tc o i l t y p es t r u c t u r ef o re l i m i n a t i n gt h eb i a sp h e n o m e n o no ff c c p a r t i c l e s k e y w o r d s ：c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d ，d i a m e t e r - c h a n g i n gr i s e r ，c o l d m o d e l ，m u l t i i n j e c t i o n i i i 目录 第一章前言1 1 1 流态化技术l 1 2 提升管催化裂化技术一2 1 2 1 传统催化裂化技术的发展及面临的问题2 1 2 2 重油催化裂化技术进展3 1 2 - 3 变径技术在提升管中的应用一6 1 3 课题的提出和主要工作9 第二章实验装置和参数测量1 1 2 1 实验装置和流程描述1 1 2 1 1 冷模装置1 l 2 1 2 流程描述l3 2 1 3 实验固体颗粒物性。13 2 2 参数测量13 2 2 1 操作气速1 4 2 2 2 颗粒循环速率岔1 4 2 2 3 提升管中的压力梯度f ) h j1 5 2 2 4 颗粒浓度g 。15 2 2 5 局部颗粒速度收19 第三章扩径段结构参数的优选2 0 3 1 扩径比例2 0 3 1 1 对催化剂平均固含率轴向分布的影响。2 0 3 1 2 对催化剂局部固含率径向分布的影响2 l 3 2 扩径段高径比2 4 3 2 1 对催化剂平均固含率轴向分布的影响2 4 3 2 2 对催化剂局部固含率径向分布的影响。2 4 3 3 上层喷嘴位置2 7 3 3 1 对催化剂平均固含率轴向分布的影响2 7 3 3 2 对催化剂局部固含率径向分布的影响2 8 i v 3 4 本章小结3 1 第四章新型变径提升管内气固流动规律研究3 2 4 1 提升管底部变径3 2 4 1 1 对压力梯度分布的影响3 2 4 1 2 对固含率分布的影响3 4 4 1 3 全床总压降只与操作参数的关系3 8 4 1 4 多层进气结构不同进气比例的影响。4 0 4 2 操作条件4 2 4 2 1g 对固含率分布的影响4 2 4 2 2 对固含率分布的影响。4 6 4 2 3g 对颗粒速度径向分布的影响。4 9 4 2 4 对颗粒速度径向分布的影响5 3 4 3 本章小结5 7 第五章不同盘管进气结构的对比5 8 5 1a 型盘管进气结构存在的问题5 8 5 2 不同盘管进气结构的对比6 0 5 3 本章小结6 3 结论。6 4 参考文献。6 6 致j 射6 9 v 认识的不断加深【3 1 ，人们逐渐意识到该新型流态化形式与传统流态化之间存在的差异， 并对快速流态化产生了浓厚的兴趣。如果将处于快速流态化和气力输送状态下的气固 流动体系配之以相应的气固分离器、伴床、颗粒循环控制器等辅助设备，即可构成气 固循环流化床。作为一种高效的气固接触技术，循环流态化技术已然成为当今流态化技 术研究领域中的热点之一。 循环流化床具有可以提高气固接触效率、减少气固返混、易于建立温度及浓度梯度、 实现不同反应过程的耦合，如：反应再生、吸热放热、正反应逆反应等的优点，因此 其非常适用于要求气固处理量大、化学反应快速或超快、催化剂失活迅速而需要及时再 生，以中间产物为目的产物、强吸热或强放热并需要颗粒将大量热量补入或取出反应器、 或需要周期操作的反应。自从1 9 5 5 年循环流化床的第一个工业应用装置，即以h 2 及 c o 为原料合成烃类物质的费托合成反应器工业化以来，循环流化床技术已广泛应用于 l 第一章前言 石油、化工、冶金、能源、环保等众多领域的3 0 多个不同的工业过程。这些过程可大 致分为以下3 类f 4 1 ： 一、非均相催化反应( 反应温度为1 7 0 6 5 0 。c ) 。主要是应用于炼油和石油化工领域。 如：石油流化催化裂化( f c c ) 、费托合成、邻二甲苯或萘氧化制苯酐、丁烯氧化脱氢 制丁二烯、裂解木质素、乙烯环氧化、丙烷氧化生成丙酮等 二、非催化气固高温反应。主要是利用燃料的燃烧，应用于能源、环保、冶金等工 业领域。如：氢氧化铝焙烧、水泥生料预焙烧、粘土的焙烧、铁矿石的焙烧、氧化钛焙 烧生成氧化钛和氯气、硫化矿( z n s 、c u 2 s 等) 的焙烧、煤气化、f c c 催化剂再生等。 三、低温非均相反应( 部分为催化反应) 。主要是应用于能源、环保及冶金工业领 域中废气的净化等。如：电解氧化铝废气( h f ) 净化、粉煤锅炉排气( s o x ) 净化、煤 气净化等。 由上可知，气固循环流态化在众多工业领域有着非常广泛的应用，然而其又有着非 常复杂的流动行为，因此深入研究气固循环流态化的基础理论、探索和开发新的气固循 环流态化应用技术，具有重要的意义，而这也促使其成为近年来流态化技术领域中研究 的重点之一。以气固流态化为核心的工程技术在推动催化裂化技术发展的进程中一直起 着举足轻重的作用，本论文正是以催化裂化提升管反应器内的气固循环流态化为研究对 象的。 1 2 提升管催化裂化技术 1 2 1 传统催化裂化技术的发展及面临的问题 催化裂化技术先后经历了固定床、移动床、流化床等3 种结构的反应器形式。1 9 3 6 年第一套固定床催化裂化工业装置在p a u l s b o r o 建成，这在世界炼油史上具有重要的历 史意义。尽管固定床催化裂化过程是炼油技术的重大发展，但是它也存在着设备结构复 杂、生产连续性差等一系列问题。为了克服这些缺陷，必须解决催化剂在反应系统和操 作系统之间的循环问题和减小催化剂颗粒粒度的问题，而移动床和流化床的操作特性恰 恰解决了这些问题。在上世纪四十年代初，移动床催化裂化技术和流化床催化裂化技术 几乎同时发展起来。在最初的- - _ 十年间，这两种技术均得到了快速的发展。随着裂化 深度的加深和再生条件的提高，移动床中催化剂颗粒过大( 催化剂颗粒粒径为2 - 4 m m ， 流化床催化剂颗粒平均粒径为6 01 2m 左右) 所带来的传质阻力较大的问题开始变得严 重，再加上流化床装置的机械结构相对更加简洁，并且更适于大处理量的生产要求，因 此流化催化裂化技术受到了更为广泛的关注与青睐，并逐渐取代了移动床催化裂化技 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 术。就这样，催化裂化技术在经过这三种反应器形式的工业实践和历史选择之后，最终 在流化床反应器形式的基础上不断发展起来。 上个世纪6 0 年代后期以来，为了适应高活性的沸石分子筛催化剂，世界各国又相 继开发了提升管催化裂化技术。伴随着提升管高低并列式、反再同轴式，再到两段烧 焦和两器再生等不同反再系统形式的开发，以及各种新型催化剂、助剂和先进的反应 器出口快分技术、取热技术、再生烟气能量回收等技术的不断出现，提升管催化裂化技 术日益成熟。作为重要的重质油轻质化过程之一，催化裂化技术一直发挥着重要的作用。 然而，新的历史时期使其面临一些新的问题和挑战：传统的催化裂化原料主要是减压馏 分油，但是随着石油产量逐渐接近高峰，世界正在进入石油供应出现短缺的后石油时代 【5 1 。原油日趋重质化、劣质化；原油价格的提高以及社会对轻质燃料的需求不断增长， 如何更好地利用催化裂化技术加工重质原料油，如常压重油、脱沥青油等来获取较大的 经济和社会效益成为传统的催化裂化技术首要解决的问题。其次，市场要求催化裂化技 术提供更高的柴汽比；提高低碳烯烃的产量；提高汽油辛烷值和柴油的十六烷值；降低 汽油中烯烃含量和s 含量，以及柴油中的s 含量。再次，日趋严格的环境保护法律要求 催化裂化装置减少污染物即再生烟气中的粉尘、c o 、s o x 和n o x 等的排放。同时，传 统的催化裂化技术本身并不是完美无缺的，其在渣油催化裂化过程中仍存在着以下几个 方面的弊端：提升管过长，从而造成反应时间过长和目的产物过裂化；因为积炭而造成 的催化剂活性下降、选择性变差；不同反应组分之间存在恶性竞争；反应油气在提升管 下游的非理想二次反应增加等。以上这些问题的存在既使催化裂化技术面临困境，但同 时又促进了其相关新技术的不断涌现，成为其不断向前发展的动力。 1 2 2 重油催化裂化技术进展 催化裂化投资和操作费用低、原料适应性强、转化率高，已经发展成为世界炼油技 术中的核心加工工艺，是重油轻质化的主要手段之一，并且在未来很长一段时间内仍将 发挥其在炼油厂中作为主要二次加工装置的作用【6 1 。尤其是对于我国来说，近年来催化 裂化始终是加工重油、提高轻质油品收率最为重要的手段【刀。在我国的成品油中，超过 7 0 的汽油，以及超过2 0 的柴油均来自于催化裂化反应。我国的催化裂化装置处理能 力也从3 0 年前的2 0 0 0 万吨年发展到l 亿吨年以上，成为仅次于美国，世界排名第二 的国家【8 ，9 】。因此针对前面提到的传统催化裂化技术存在的各种缺陷，国内外各大石油公 司和研究单位均投入大量的精力致力于该技术的优化和新的渣油催化裂化工艺的开发， 并将研究的重点放在反应技术方面，如减少反应时问、提高油剂接触温度、消除器内油 3 第一章前言 气和催化剂的返混、改善催化剂性能、改变反应器型式等。其中围绕提升管反应器而开 发的各种新技术有以下几个方面：为了改善原料油和催化剂的接触情况，u o p 公司和 a s h l a n d 公司开发了轻烃预提升技术：l u m m u sg l o b a l 公司、u o p 公司、s & w 公司、 k e l l o g g 公司以及洛阳工程公司、中科院力学研究所等相继开发了各自新型的进料喷射 技术。为了改善产物分布，提高反应转化深度和轻质油收率，国内外一些研究机构开发 了提升管反应苛刻度控制技术，如法国i f p 的油剂混合温度控制( m t c ) 技术；k e l l o g g 公司的提升管急冷油技术；c h e v r o n 公司的分路进料技术。对于提升管出口油气与催化 剂的快分和后冷问题，m o b i l 和k e l l o g g 公司联合推出了高效的密闭式旋分器；u o p 公 司开发了v d s 和v s s 提升管终端技术；以及石油大学( 北京) 研制的旋流式快速分离 系统等。以上各项技术的出现均在不成程度上促进了渣油催化裂化技术的发展，然而对 于催化裂化反应过程所用的提升管反应器来说，其结构形式直接决定了器内的油气与催 化剂的流动与接触情况，并间接地影响了反应的结果。因此可以说，优化提升管反应器 的结构型式，将会从根本上促进催化裂化技术的发展。 提升管催化裂化工艺在反应器方面的技术进步主要包括：分段进料技术、下行式反 应器技术和多反应区技术等。分段进料技术的特点是在催化裂化反应系统的某个位置加 入除原料油外的某种油品，如：回炼油、汽柴油、原料油等。通过分段进料，可以达到 优化操作参数、实现选择性裂化、减少目的产物的二次反应、改善注入油品的质量等目 的。分段进料常见的一些技术包括：m t c 技术、多产柴油的m p d 技术、多产液化气和 柴油的m g d 技术、反应终止剂技术、d n c c 技术等。下行式反应器技术是一种比较新 颖的渣油催化裂化短接触反应技术，这一概念最早由s t o n e & w e b s t e r ，u o p ，以及t e x c o 等国际知名石油公司提出，关于该技术比较成功的应用便是毫秒催化裂化技术( m s c c ) 。 与上行式提升管反应器相比，下行床反应器内气固浓度、速度的轴径向分布更加均匀， 气固混合行为更加充分，因此更加接近于平推流反应器。清华大学对下行床反应器的流 体力学行为、数学模拟、进料混合等多方面也进行了深入的研究，开发了灵活下行式催 化裂化技术 1 0 , 1 1 , 1 2 】。多反应区技术在众多新技术中应用比较多，它摆脱了传统提升管单一 反应区的束缚，为实现某一生产目的而增设了其它反应区。如采用提升管加床层的m i p 技术f 1 3 】、d c c 技术【1 4 , 1 5 1 ，采用双提升管的m a x o f i n 工艺、灵活多效催化裂化( f d f c c ) 工型1 6 1 ，以及两段提升管催化裂化( t s r f c c ) 技术1 7 , 1 8 , 1 9 1 等。 近年来，催化裂化技术的一个重要发展方向就是增产低碳烯烃技术。国内外一些科 研机构对此做了较多的研究，并形成了很多成熟的工艺技术，如：d c c i 、d c c i i 、m g g 、 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 a r g g 、m i o 、m a x o f i n 等。多产烯烃之所以备受关注就是因为进入上世纪9 0 年代以 来，世界各国对石油化学品需求大幅增长，并逐渐超过了对各类油品需求的增长【2 0 1 ，而 制造这些化学品的主要基本有机原料正是低碳烯烃。在这些低碳烯烃中，乙烯是石油化 工的龙头产品，并被称为“石油化工之母 ，聚乙烯、环氧乙烷、二氯乙烷、苯乙烯等 约7 5 的石油化工产品是由乙烯生产的【2 l 】。根据国家的规划，到2 0 1 0 年，中国大陆乙 烯产量要达到1 4 0 0 万t ，到2 0 2 0 年，要达到2 3 0 0 万t ，但是按照中国目前的乙烯生产 增长速度，到2 0 2 0 年只能满足一半的社会需求，另外一半仍需要依靠进口1 2 2 1 。丙烯是 仅次于乙烯的最重要的基本有机原料之一，其最大用途是生产聚丙烯( 约占5 2 ) ，其 次是丙烯腈( 1 2 ) 、环氧丙烷( 7 ) 、异丙苯( 7 ) 、异丙醇( 4 ) 、羰基醇( 9 ) 和其他( 9 ) 1 2 3 】。近年来，受下游衍生物需求的影响，丙烯的消费量大幅增加。预计 2 0 1 0 年我国丙烯表观消费量将达到1 0 4 9 万吨，当量需求将达到1 9 0 5 万吨，当量需求的 年均增长率达7 6 ，超过丙烯生产能力的增长速度，供需缺口将达到8 2 5 万吨，丙烯 资源供应仍显紧张1 2 4 1 。 目前国内外增产丙烯的工艺和技术已经取得了较大的进展，并逐步形成非石油路线 增产丙烯和石油路线增产丙烯共同发展的良好态势1 2 5 1 。增产丙烯的方法主要是指以天然 气为原料，采用氧化偶联或b e n s o n 法制取低碳烯烃，或以天然气、煤为原料，采用f t 合成或经由甲醇- - 甲醚制取丙烯。在我国，通过石油路线生产丙烯主要是采用烃类蒸汽 裂解技术( 约占4 8 ) 和催化裂化多产丙烯技术( 约占5 2 ) 。近期的丙烯生产仍是以石 油路线为主，非石油路线为辅。蒸汽热裂解工艺在全球范围内应用较为广泛，它是将石 脑油、轻烃、柴油或重渣油等原料在高温( 8 0 0 l 0 0 0 ) 条件下热裂化来生产乙烯、 丙烯和丁烯等的。该工艺需要非常高的温度和能耗，对设备的要求比较高，并且会产生 较多的副产物如：氢气、甲烷、焦炭等。催化裂化多产丙烯技术是指在催化剂存在的条 件下，对石油烃进行裂解来生产低碳烯烃的过程。该过程有利于提高裂解深度和选择性， 并且能在比热裂解条件更缓和的条件下( 比标准裂解反应约低5 0 - - 2 0 0 c ) 获得较高的 烯烃收率，降低能耗，同时可以根据市场需求调节乙烯和丙烯的收率比，因此具有反应 温度低、操作条件温和、原料的适应性强、丙烯收率较高等优点。此外，发展石油化工 型催化裂化技术也是炼油和石化企业克服加工重质、低质原油等诸多挑战的关键技术之 一【2 6 1 。再加上我国的催化裂化技术较为成熟，尤其是我国的重油催化裂化技术更是处于 世界领先水平，因此利用催化裂解工艺来生产丙烯在我国具有非常独特的优势。 然而以重油为原料，利用传统提升管反应器进行催化裂化生产丙烯的技术存在着丙 s 第一章前言 烯收率与轻质油品质量之间的矛盾。这是因为催化裂化增产丙烯所需的温度和剂油比比 较高，而根据重油催化裂化多产丙烯的反应规律，这种苛刻的条件将会导致干气和焦炭 收率的增加、轻质油品的收率和质量下降，尤其是柴油质量的下降 2 7 1 。中国石油大学( 华 东) 2 s , 2 9 1 在深入分析丙烯生成规律的基础上，结合两段提升管催化裂化技术，成功开发 了两段提升管催化裂解多产丙烯兼顾汽油和柴油生产的技术，即：t m p 技术。该技术采 用两段提升管反应器代替传统的单段提升管反应器，实现催化剂的两路循环，从根本上 打破了传统的反再系统循环模式，进而具有“分段反应、催化剂接力、短停留时间、 大剂油比和灵活操作 等特点。实验结果表明【2 3 1 ，采用该项技术进行大庆常渣的两段提 升管催化裂解反应，在丙烯收率高达2 2 0 的情况下，总液收可达8 2 ，干气收率只有 5 3 7 ，并且生成的汽油烯烃含量在2 4 以下，芳烃含量在5 0 以上，柴油的计算十六烷 值在3 0 左右。因此该项技术具有非常广阔的工业应用前景，本论文即是以采用该项技术 的大庆炼化n 艘工业装置的冷态模型为研究对象的。 1 2 3 变径技术在提升管中的应用 在众多针对提升管结构形式进行优化的新型催化裂化工艺中，提升管变径技术应用 的比较多。利用变径技术，可以有效地改善催化剂的浓度分布、气固两相的接触状态以 及停留时间分布等。 传统提升管反应器的预提升段一般为直径比较小的直筒型结构，因此往往会存在以 下几个问题：提升管反应器底部的缓冲空间小，对再生斜管下料阻力较大，从而造成再 生催化剂下料不稳、易产生波动，影响装置的平稳操作；催化剂经斜管进入提升管的一 侧，容易发生偏流，从而加剧了提升管下部区域内催化剂径向分布的不均匀性等。石宝 珍，刘献玲等【3 0 ，3 1 1 针对这些问题，开发了一种新型催化裂化提升管反应器结构形式，如 图1 2 所示。 该提升管反应器的特点是将预提升段由直筒式结构改造成为扩大管式流化室结构。 较大的流化室结构可以显著降低流化气体的线速度，减轻再生催化剂从斜管进入流化室 时的压力波动，并减缓了其偏流现象。该技术已经先后在濮阳石化、兰州石化、锦西石 化、济南石化等多套催化裂化装置上推广应用1 3 2 , 3 3 】，并取得显著成绩。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图1 2 新型预提升段进气结构示意图 f i 9 1 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fan e wp r e - r i s e r 生产清洁汽油组分的催化裂化m i p ( m a x i m i z i n gi s o p a r a f f i n s ) 工艺【3 4 ，3 5 采用的是双 循环提升管反应器。提升管反应器由下部床径较小、操作气速较高的气力输送区和上部 床径较大、操作气速较低的快速流化区构成，如图1 3 所示。该工艺技术既可以增加二 次反应时间，又可以在提升管下部和中部分别加入循环催化剂，形成主、副两个固体循 环回路，达到增大固含率的目的。 图l - 3m 口工艺提升管反应器结构示意图 f i g l - 3 s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h er i s e rs t r u c t u r eo fm i p 7， 第一章前言 钟孝湘等【3 6 】提出的多产烯烃的提升管反应系统包括两种具有相似结构的新型提升 管。它们均包括缩径结构的第一反应区、扩径结构第二反应区和位于提升管水平段的第 三反应区。根据物料在提升管内总停留时间的不同，可以分别达到多产异构烯烃和多产 丙烯的目的。其反应特点为在反应的前段具有较高的反应强度；而在反应的后段适当降 低反应强度，达到抑制氢转移和过裂化等不利反应的目的。 而另一种具有切向二次提升气的变径提升管反应器结构p7 l 可以实现良好的抗返混 性能，装置结构如图1 _ 4 所示。实验结果表明：在距离进料喷嘴一定高度之内几乎不存 在返混现象，并且在此范围内催化剂颗粒速度的径向分布比较均匀。 二次 提升 图l - 4 抗返混提升管结构示意图 f i g l - 4 s c h e m a t i cd i a g r a mo fa n t i - m i x i n gr i s e rs t r u c t u r e 有一种双提升管催化裂化技术可以实现降低催化裂化汽油硫含量的目的【3 引。该项技 术的特点为其装置包括重油提升管反应器和汽油提升管反应器，并且在汽油提升管预提 升进气口下方的垂直立管上设有扩径结构的圆筒形床层反应器。采用该技术可以较大幅 度地降低催化裂化汽油的硫含量，并可以降低汽油烯烃含量，提高汽油辛烷值。 研究人员采用如图1 5 所示的一种底部为截面交替渐缩渐扩的提升管进行实验，并 发现采用该反应器形式，可以使两相流体改变运动规律，消除颗粒与气体相互分离的趋 势，改善它们之间的混合状态，从而实现两相流场的均匀化【3 9 】。 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图l - 5 提升管实验装置示葸图 f i g l 一5 s c h e m a t i cd i a g r a mo fr i s e rs t r u c t u r e 大庆炼化公司1 2 万吨年工业化装置采用由中国石油大学( 华东) 设计的两段提升管 催化裂化多产丙烯( t m p ) 技术2 7 矧，取得了在丙烯收率高达2 2 的情况下，总液收可 达8 2 ，干气收率只有5 3 7 ，并且生成的汽油烯烃含量在2 4 以下，芳烃含量在5 0 以 上，柴油的计算十六烷值在3 0 左右的骄人成绩。t m p 工艺与常规催化裂化工艺最大的差 异在于：t m p 工艺要求回炼碳四以及轻汽油在高剂油比的条件下快速穿越反应器床层。 为了实现这样的工艺条件，工业t m p 反应器底部采取了存在变径结构的高效预提升段， 并采用组合进料的方式，在扩径部分分区进行轻汽油混合c 4 和重油的反应。刘清华、 胡昌松等【4 0 , 4 1 1 利用提升管冷模装置分别对等径提升管和变径提升管进行实验，并发现采 用变径结构的提升管，可以较好地改善提升管内部催化剂颗粒的浓度分布，并且提高提 升管底部变径段的催化剂浓度。 1 3 课题的提出和主要工作 循环流化床提升管反应器作为一种高效气固接触反应器，在石油炼制工业中起着举 足轻重的作用。近年来，人们详细研究了固体颗粒性质、提升管内构件以及高度、直径 等因素对传统提升管内气固流动规律的影响，并对其有了较为明确的认识h 纠5 1 。然而传 统单一直径的提升管反应器存在着催化剂固含率低、易返混、停留时间不易控制等缺点， 因而限制了其进一步的应用，当然也正是这些问题的存在促进了各种新型结构形式提升 管反应器的不断涌现，如局部变径提升管、分段进料提升管等。提升管局部扩径可以有 效地提高扩径部位催化剂的浓度，增大局部剂油比，并且使得气固悬浮物进入扩径段后 9 第一章前言 与壁面分离开，从而减弱了两相流体相互分离和形成环核结构的趋势，形成比较均匀的 两相流流场。分段进料技术具有可以优化操作参数及产品分布、改善油品、实现选择 性裂化等优点m 】。 尽管有人分别研究了局部扩径和分段进料对提升管内气固流动规律的影响，然而综 合考虑这两个因素的研究较少。为此，本文在自建的提升管冷模装置的基础上，考察提 升管底部扩径和多层进气结构同时对提升管内气固两相流动规律的影响，从而为该新型 结构反应器的实际应用提供指导。 主要的工作内容如下： ( 1 )对实验室原有冷模装置进行部分改造，建立具有多层进气结构的新型变径提 升管。 ( 2 )为了能够得到真实准确的催化剂颗粒浓度，建立一套下行床标定系统，对由 中科院过程所研制的p c 6 d 型固体颗粒浓度测量仪进行标定。 ( 3 )详细考察不同扩径段结构参数和多层进气结构对提升管内压力梯度分布，颗 粒浓度、速度轴径向分布的影响，对比并挑选出最有利于新型变径提升管内催 化剂分布的结构组合形式。 ( 4 )对比新型扩径提升管与传统等径提升管内颗粒流动状态的不同，深入研究操 作条件对扩径提升管内气固两相流动的影响，并总结其流动规律。 ( 5 )考察现有盘管进气结构形式对扩径段内两相流动的影响，设计一种更有利于 催化剂分布的盘管进气结构。 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章实验装置和参数测量 为更好地与工业实际情况相结合，并提供有用的实验数据作为进一步工业试验和工 业放大的指导，实验所用提升管冷模实验装置部分是以大庆t m p 工业装置为模板进行 尺寸相似缩小得到的( 参见图2 1 ) 。其中提升管、伴床、测量筒、沉降筒等主体部分均 采用有机玻璃制成，以便在实验过程中能更为直观地观察现有新型提升管反应器内气固 两相的流动情况。实验过程中忽略催化裂化反应对气固两相传递