石油催化裂化流态化

石油催化裂化流态化第1页/共64页7.1概述催化裂化是最重要的重质油轻质化过程之一，在汽油（70%）和柴油（30%）等轻质油产品的生产中占有很重要的地位催化裂化于1936年实现工业化催化裂化是重质油在酸性催化剂存在下，在500℃左右、1×105~3×105Pa下发生裂解，生产轻质油、气体和焦炭的过程催化裂化能力在各个主要二次加工工艺中居首位第2页/共64页7.1

概述催化裂化原料：重质馏分油（减压馏分油、焦化馏分油）、常压重油、减压渣油、脱沥青油产品分布：气体：10~20%，气体中主要是C3、C4,烯烃含量很高汽油：产率30~60%，辛烷值80~90柴油：产率0~40%，十六烷值低，需调和或精制油浆：产率0~10%焦炭：产率5%~10%，原子比大约是C:H=1:0.3~17.1.1催化裂化的原料及产品第3页/共64页7.1

概述反应-再生系统分馏系统吸收-稳定系统7.1.2催化裂化系统第4页/共64页7.1概述7.1.3反应-再生系统的发展固定床反应器：设备结构复杂，生产连续性差移动床反应器：设备尺寸大，装置处理能力有限第5页/共64页7.1概述7.1.3反应-再生系统的发展流化催化裂化---床层反应器生产连续、产品性质稳定、设备简化等优点发明了立管，解决了催化剂从低压区向高压区输送用螺杆泵造成催化剂结块，活性迅速降低的难题实现催化剂循环系统，解决连续生产问题催化剂与油气形成与沸腾的液体相似的流化状态催化剂直径为20~100μm流化时，反应器或再生器内温度分布均匀催化剂循环量大第6页/共64页7.1概述7.1.3反应-再生系统的发展流化催化裂化---提升管反应器高低并列式同轴式流态化系统：鼓泡流化床、湍动流化床、快速流化床、立管密相输送、斜管密相输送、稀相输送流化床以及流化床中的一些关键部件，如气体分布器、催化剂分布器等第7页/共64页7.1概述7.1.4催化流态化系统的特点流化床直径大、操作流化数高：世界D=16800mm，国内D=12100mm，流化数几十到1000；高温压力下的流态化：再生器温度650~730℃，操作压力0.25~0.4MPa（绝），反应器480~550℃，压力0.15~0.35MPa流化介质种类不同，物性差别大：烟气、空气、水蒸汽、油气等；催化剂的流化性能：粒径几微米到200μm，颗粒密度1100~1700kg/m³，属于Geldart颗粒分类中的A类第8页/共64页I型流化床1942年1-原料2-热交换器3-再生催化剂斗4-一级旋风分离器5-二级旋风分离器6-Cottrell沉降器烟气冷却器8-待生催化剂斗9-油气7.1概述7.1.5国外催化裂化重大技术进展第9页/共64页I型流化床1942年1944年II型流化床1947年III型流化床7.1概述7.1.5国外催化裂化重大技术进展第10页/共64页I型流化床1942年1944年II型流化床1947年III型流化床1952年IV型流化床催化剂用U形管密相输送；循环量靠反-再内催化剂密度调节；待生催化剂经密相提升管送入再生器装置高度降低到32~36m7.1概述7.1.5国外催化裂化重大技术进展第11页/共64页1956-1960年UOP高低并列式1974年UOP高效再生流化催化裂化7.1概述7.1.5国外催化裂化重大技术进展第12页/共64页1956-1960年UOP高低并列式1974年UOP高效再生流化催化裂化1981年RCC装置1996年-Lummus公司催化裂化装置7.1概述7.1.5国外催化裂化重大技术进展第13页/共64页1961-1965同高并列式流化床工业装置1966-1970同高并列带管流化床1—汽提段2—沉降器3—再生器4—溢流管5—辅助燃烧室6—提升管7

—U形管8

—外溢流管9—管式反应器7.1概述7.1.6国内催化裂化重大技术进展第14页/共64页1961-1965同高并列式流化床工业装置1966-1970同高并列带管流化床1971-1975高低并列全提升管装置1976-1980烧焦罐式提升管装置1

—辅助燃烧室2

—再生器3、4—集气室5—沉降器6—汽提段7

—提升管1

—汽提段2

—沉降器3—再生器4—提升管5—烧焦罐6—循环外管7.1概述7.1.6国内催化裂化重大技术进展第15页/共64页1981-1985后置烧焦罐两段再生1986-1995常压渣油催化裂化装置7.1概述7.1.6国内催化裂化重大技术进展第16页/共64页1981-1985后置烧焦罐两段再生1986-1995常压渣油催化裂化装置1996-2000多产柴油和液化石油气工艺2001-两段提升管7.1概述7.1.6国内催化裂化重大技术进展第17页/共64页高低并列式同轴式第18页/共64页再生烟气待生催化剂再生催化剂烧焦空气旋风分离器7.2

再生器7.2.1单段再生器作用：用空气在一合适的工艺条件下烧去（氧化）集聚在催化剂上的焦炭，使催化剂活性恢复决定因素：化学动力学、气固传质传热床层流态化类型：湍流床结构：密相床、气体分布器、稀相区、待生催化剂分配器、再生催化剂导出、气固分离系统稀相床密相床气体分布器第19页/共64页7.2

再生器7.2.1单段再生器---密相床焦炭燃烧的主要场所；操作气速：0.2~1.2m/s；直径由表观气速和空气流率计算催化剂床层密度再生烟气稀相区密相床待生催化剂再生催化剂烧焦空气旋风分离器表观气速/（m/s）轴向密度分布/（kg/m³）距分布板最低点高点/m第20页/共64页7.2

再生器7.2.1单段再生器--气体分布器分布器要求：使气体均匀分布，降低压降，节约能耗；使流化床有好的的流化状态，在分布器附近创造良好的气固接触区，防止经分布器筛出大颗粒；具有足够的强度和刚度可支撑催化剂，能长周期操作不堵塞，不冲蚀，易于启动应尽可能减少颗粒的粉碎再生烟气待生催化剂再生催化剂烧焦空气旋风分离器气体分布器第21页/共64页7.2

再生器7.2.1单段再生器--气体分布器多孔板式分布器孔磨损严重和布风不均匀问题；大直径分布板，长时间处于不均匀热应力作用下易产生较大形变，检修难度大压降：ζ为分布板阻力系数，取2.1第22页/共64页7.2

再生器7.2.1单段再生器--气体分布器多孔板式分布器第23页/共64页7.2

再生器7.2.1单段再生器--气体分布器管式分布器树枝形分布器圆环形分布器树枝形：降低流速可降低喷嘴的冲蚀和催化剂的磨损制造、安装、检修方便圆环形：制造、安装、检修困难，造价高压降高，操作弹性小压降：ζ为管式分布器阻力系数，取1.2~2.2第24页/共64页7.2

再生器7.2.1单段再生器--气体分布器管式分布器树枝形分布器第25页/共64页7.2

再生器7.2.1单段再生器—待生催化剂分配器船形分配器槽形分配器船形：待生斜管向下倾斜30°~35°；分配器上向下开槽口；多用于高低并列式催化裂化；槽形：待生剂先进入提升井底部，由提升风输送至槽形分配器；槽形分配器位于密相床，催化剂分布较均匀；第26页/共64页7.2

再生器7.2.1单段再生器—待生催化剂分配器船形分配器槽形分配器第27页/共64页7.2

再生器7.2.1单段再生器—待生催化剂分配器新型槽形分配器张永民等，石油学报（石油加工），2015,31（5）：1164-1170特点：采用等间距排列的颗粒开孔；每个孔催化剂流量服从1:3:5：…：2n-1；催化剂分配均匀度、颗粒输送能力，操作弹性较传统船形和槽形更优；第28页/共64页7.2

再生器7.2.1单段再生器—稀相床再生烟气待生催化剂再生催化剂烧焦空气旋风分离器稀相床稀相段：对于湍动流态化，为了保持密相床的平衡操作，降低催化剂损失，必须在密相床上部设置稀相段，先进行沉降分离，然后再旋风分离系统分离；稀相段直径：表观气速、烧焦空气量、烟气量和旋分系统平面布置；稀相段高度：TDH和旋分系统结构布置所需高度；第29页/共64页7.2

再生器7.2.1单段再生器—稀相床旋风分离系统：基本组成部件；料腿要有一定高度催化剂形成料封旋风分离器分按进气方式分：切向和轴向进入式旋风分离器料腿支撑结构料腿密封结构直入切向进入式窝壳切向进入式轴向进入式第30页/共64页7.2

再生器7.2.1单段再生器—稀相床料腿密封结构：a.回转阀；b.螺旋输送器；c.翼阀；d.重锤阀；e.方冲挡板（锥）；f.J/V型阀（a）（b）（c）（d）（e）（f）第31页/共64页翼阀防倒锥第32页/共64页7.2

再生器7.2.2两段再生器单段再生器为湍动床，床内气泡相和乳化相直接物质传递阻力大，返混严重，降低了烧炭强度，为了达到烧焦效率，不得不增加藏量，则会加长催化剂停留时间，从而加重催化剂的水热失活；两段再生器操作属于快速流态化，床层中气相为连续相，颗粒时聚时散，大大降低了相间的物质传递阻力，有利于烧焦进行。第一段再生器第二段再生器旋风分离器第33页/共64页7.2

再生器7.2.2两段再生器组成部分：第一密相床（快速流化床，烧焦罐）烧焦罐再生器旋风分离器1气体表观气速：1.0~2.0m/s催化剂质量流率：15~60kg/m2·s催化剂停留时间：35~40s催化剂密度不宜过高或过低快速流化区烧碳比例约为总烧碳量的90%第34页/共64页7.2

再生器7.2.2两段再生器组成部分：催化剂和烟气并流向上流动的稀相烧焦管和稀相烧焦管顶部直接连接的粗旋风分离器系统作为缓冲容器兼最终烧焦的第二密相床烧焦罐再生器旋风分离器1234采用典型的鼓泡床，表观气速为0.15~0.25m/s第35页/共64页7.2

再生器7.2.2两段再生器组成部分：再生催化剂循环管：烧焦罐再生器旋风分离器一路将再生催化剂返回第一密相床和待生催化剂、烧焦空气混合，保证起始烧焦温度另一路输送至提升管底部，参与反应再生循环管有两种形式：内循环管（通常为溢流入口的典型立管）和外循环管55上部稀相段和旋风分离系统6第36页/共64页7.2

再生器7.2.3改进后的再生器再生器旋风分离器组成部分：第一密相床（快速流化床，烧焦罐）气固并流向上可通过的气体分布器作为缓冲容器兼最终烧焦的第二密相床催化剂从第二密相床向第一密相床底部输送的催化剂循环管外取热器淹流管：输送催化剂至提升管底部稀相段和旋风分离系统第37页/共64页7.3提升管反应器特点：提升管反应器裂化具有更好的选择性具有更高的效率具有较好的弹性和灵活性裂化的产品质量优于床层裂化包括预提升段、进料反应段、出口快速分离段第38页/共64页7.3提升管反应器预提升段7.3.1预提升段第39页/共64页7.3提升管反应器7.3.1预提升段A结构B结构第40页/共64页7.3提升管反应器进料反应段7.3.2进料反应段(a)LPC喷嘴结构(b)KH-2、KH-3型喷嘴第41页/共64页7.3提升管反应器快速分离段粗旋倒L型VQS快分短接触旋流反应器超短卧式快分FSC快分7.3.3快速分离段第42页/共64页7.4

汽提段汽提段人字形挡板式锥盘式环流式第43页/共64页7.5

催化剂的循环输送催化剂的进入和导出：待生斜管上进，再生斜管下出；待生斜管下进，再生斜管上出；旋转床式再生剂导出：淹流管：高淹流管和低淹流管溢流管：设置在密相床顶面附近脱气罐第44页/共64页再生剂淹流口第45页/共64页7.5

催化剂的循环输送立管和斜管密相输送：待生斜管、立管；再生斜管下、立管；1/3管径1/2管径2/3管径全管稀相输送：稀相烧焦罐；提升管反应器反应段；催化剂冷却器提升管等第46页/共64页催化裂化正常生产条件：物料平衡、热平衡和压力平衡压力平衡：不发生窜气、架桥等问题，催化剂按预定方向流动、调整所需的催化剂循环量，保证装置平稳操作7.6

催化裂化反应-再生系统压力平衡第47页/共64页7.6.1

反-再系统压力平衡的设计计算压力平衡的原理---U形管原理1点处静压：p1’ρ1ρ2p1p2阀12推动力

阻力

为阻力损失，包括摩擦阻力、阀压降等2点处静压：流体从左向右流动，则要求：第48页/共64页1)将FCC装置反应器一再生器压力平衡系统分别按再生剂输送线及待生剂输送线两条独立线路的压力平衡来计算。2)在再生剂(或待生剂)输送线上，以线路标高取低点为基准，按催化剂流动方向划分该线路的上、下游。上游的压力及静压头总和为催化剂流动的推动力，下游的压力、静压头及滑阀压降之总和为催化剂流动的阻力。3)维持催化剂平衡循环流动的条件为：推动力=阻力。催化裂化反再系统结构示意图再生剂输送线待生剂输送线7.6.1

反-再系统压力平衡的设计计算(2)压力平衡设计准则—埃索准则第49页/共64页催化裂化反再系统结构示意图线路再生剂输送线待生剂输送线推动力再生器顶压p0沉降器顶压再生器静压p1沉降器静压再生滑阀以上斜管静压p2汽提器静压待生滑阀以上斜管静压再生滑阀以下斜管压降p3待生滑阀以下斜管压降阻力沉降器顶压p4再生器顶压沉降器静压p5再生器静压提升管总压降p6待生蝶阀压降旋风分离器压降p7再生滑阀压降p87.6.1反-再系统压力平衡的设计计算(2)压力平衡设计准则—埃索准则第50页/共64页二、与压力平衡计算相关的流态化知识(1)再生器顶压：P0=表压+大气压稀相区密相区分布器区P1

＝ρ稀g△h稀+

ρ密g

△h密流化床沿轴向密度及分布曲线示意图流化床的整体特性示意图(2)再生器静压：

P1=稀相静压+密相静压密相区稀相区P0沿整个流化床高度可分为三个区：分布器作用区—密相区—稀相区第51页/共64页二、与压力平衡计算相关的流态化知识(3)斜管或立管静压“+”气体向上流动，“-”气体向下流动；粘滞流动：Ergun公式松动流动：静压+摩擦损失

P1-P2=gρ（h2-h1）±△

P摩擦

P1-P2=gρ（h2-h1）sinθ±△

P摩擦△P摩擦＝

Gs立2/ρ+2fs

Gs立2（L/Dt）/ρ，（Pa）水平管流动：△Pf＝0.537us0.45.Lρg/(Dt/dp)0.25

△P=150L×（1-εm

）2/εm3×μ|△Ｕ

|/[g(ϕsdp)2]

+1.75L(1-εm

）/εm3×ρg(△Ｕ)2/(

gϕsdp)第52页/共64页二、与压力平衡计算相关的流态化知识(4)提升管压降：△PT

＝△PA+△Ps+△Pf

加速压降：△PA

＝ρug2/2----埃索公司准则（四）法

静压：

△Ps＝ρ视g

△h=Gs/ugg

△h

摩擦阻力：

△Pf1＝77.4×10-4Lρug2/Dt(Pa)(5)旋分分离器压降：一级旋分压降：△p1＝(u12/2)(Kρ入混+3.4ρg)二级串联总压降：△p1,2＝△p1+(u22/2)(6.7ρg)三级串联总压降：△p1,2,3＝△p1.2+(u32/2)(6.8ρg)(6)滑阀压降：20~40kPa第53页/共64页三、反应-再生系统压力平衡算例沉降器再生器汽提器提升管反应器再生剂线路压力平衡：1）选取最低点淹流管推动力阻力再生器顶压P2沉降器顶压P1

再生器稀相静压△P1沉降器稀相静压△P5淹流管以上密相床静压△P2提升管进料口以上静压△P6再生滑阀以上淹流管及斜管静压△P3预提升段静压△P7再生滑阀以下斜管静压△P4提升管摩擦压降△P8提升管加速压降△P9再生滑阀压降△P阀第54页/共64页三、反应-再生系统压力平衡算例沉降器再生器汽提器提升管反应器再生剂线路压力平衡：1）选取最低点2）推动力计算i>再生器顶部压力P2

P2=121.63+103.3=224.93kPaii>再生器稀相静压△P1=ρg

△h

△P1

=15×(28.446-16.77)

×9.8=1.72kPaiii>淹流管以上密相床静压△P2=

ρg

△h

△P2=250×(16.77-15.759)×9.8=2.48kPa淹流管iv>再生滑阀以上淹流管及斜管静压△P3=

ρg

△h

△P3=300×(15.759-4.88)×9.8=32.0kPav>再生滑阀以下斜管静压△P4=

ρg

△h

△P4=200×(4.88-3.63)×9.8=2.45kPa推动力合力=224.93+1.72+2.48+32.0+2.45=263.58kPa

第55页/共64页三、反应-再生系统压力平衡算例沉降器再生器汽提器提升管反应器再生剂线路压力平衡：3）阻力计算i>沉降器顶部压力P1

P1=109.9+103.3=213.16kPaii>沉降器稀相静压△P5=

ρg

△h

△P5=10×(35.252-28)×9.8=0.71kPaiii>提升管进料口以上静压△P6=

ρg

△h

△P6=35×(28-4.9)×9.8=7.92kPa淹流管iv>预提升段静压△P7=

ρg

△h

△P7=133×(4.9-3.63)×9.8=1.66kPav>提升管摩擦压降△P8=

3.36kPa第56页/共64页三、反应-再生系统压力平衡算例沉降器再生器汽提器提升管反应器再生剂线路压力平衡：4）推动力=阻力，求所需的△P阀淹流管△P阀=263.58-229.71=33.87kPa一般要求滑阀压降在20~40kPa左右，因此计算是合适的。阻力合力=229.71+△P阀vi>提升管加速压降△P9=

2.90kPavii>再生滑阀压降△P阀第57页/共64页三、反应-再生系统压力平衡算例沉降器再生器汽提器提升管反应器待生剂线路压力平衡：1）选取最低点淹流管推动力阻力沉降器顶压P1

再生器顶压P2沉降器稀相静压△P1再生器稀相静压△P4沉降器密相静压△P2再生器密相静压△P5待生滑阀以上待生斜管静压△P3再生滑阀压降△P阀待生滑阀以下斜管静压△P42）计算各部分压降3）推动力=阻力，求出滑阀压降，核算第58页/共64页四、旋风分离器压力平衡计算旋风分离器的压降计算：1）只有一级旋风分离器：2）二级串联旋风分离器总压降：3）三级串联旋风分离器总压降：△p1＝(U12/2)(Kρ入混+3.4

ρg)，（Pa）△p1,2＝△p1+(U22/2)(6.7ρg)，（Pa）△p1,2,3＝△p1,2+(U32/2)(6.8ρg)，（Pa）式中：U1，U2

，U3——入口线速，m/s;

g——9.8m/s2;

ρ入混——一级入口气固混合物密度，kg/m3

ρg——油气或烟气密度，kg/m3K——阻力系数，随一级旋风入口速度而变第59页/共64页四、旋风分离器压力平衡计算旋风分离器系统的压力平衡：确定料腿的最小长度1）一级料腿末端出口处压力平衡：2）二级料腿压力平衡：推动力=料腿顶部压力(P2)+料腿内料柱静压(△p1)阻力=入口压力(P1)+稀相静压(△p2)+密相静压(△p3)+催化剂通过防倒锥的压降(△p防)推动力=阻力P2+(Z1