催化裂化沉降器粗旋风分离器内油气停留时间的研究

催化裂化沉降器粗旋风分离器内油气停留时间的研究孙国刚石油大学（北京）化工学院过程装备实验室2003.10.20大连1、问题提出旋风分离器是流化催化裂化装置的关键设备之一如沉降器内:粗旋——两端敞口顶旋——一端封闭（翼阀），一端敞口不同的结构、操作方式不同的流动特性、设备性能一般应用场合：关注的重点：旋风分离器效率、压降。催化裂化沉降器中，除考虑旋分器的效率、压降外，还应考虑油气、催化剂的停留时间。因为油、剂停留时间影响裂化深度及器内结焦。目前未见有研究报道2、本研究考察催化裂化沉降器粗旋风分离器内油气停留时间的分布特性及粗旋料腿直径大小和有无灰斗对气体停留时间的影响，为进一步研究重油催化沉降器内结焦问题提供基础。研究方法、路线——数值模拟与模型实验相结合：五孔探针测定粗旋风分离器内稳态时均流场数值模拟粗旋内稳态时均流场，并与测量比较采用标量输运方程附加变量示踪计算气体停留时间分布分析考察粗旋结构设计对气体停留时间的影响3、实验模型升气管、料腿两端敞开放空流量调节阀转子流量计鼓风机放空无灰斗有灰斗4、研究考察的粗旋模型结构尺寸rd0d结构升气管直径料腿直径有/无灰斗1240190无2240190有3240240无4240240有5、数值模拟时均稳态流场：ASM模型停留时间计算：瞬态求解无反应标量对流--扩散输运方程SScDUttt))()(()(Sxxuxtjjjj式中为通用变量，为输运系数，为源项。S-1.0-0.50.00.51.0-0.4-0.3-0.2-0.10.00.10.2r/Rsimulationexperimentz=2161mmVz/ViComparisionofaxialvelocitiesbetweensimulationandexperiments6.1分离器筒体部分切向气速、轴向气速-0.9-0.6-0.30.00.30.60.90.00.40.81.21.62.02.4z=2161mmComparisionoftangentialvelocitiesbetweensimulationandexperimentsvt/vir/Rsimulationexperiment6、模拟及实验结果-0.9-0.6-0.30.00.30.60.91.20.00.30.60.91.21.51.82.12.4z=171mmComarisionoftangentialvelocitiesbetweensimulationandexperimentsvt/vir/Rsimulationexperiment-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.00.20.40.60.81.0-0.8-0.6-0.4-0.20.0Comparisionofaxialvelocitiesbetweensimulationandexperimentsz=171mmvz/vir/Rsimulationexperiment6.2料腿中切向气速、轴向气速及压力-1.0-0.50.00.51.0-1500-1000-5000500Comparisonofstaticpressurebetweensimulationandexperimentsz=171mmP-P0(Pa)r/Rsimulationexperiment-0.9-0.6-0.30.00.30.60.90.00.30.60.91.21.51.82.1Comparisionoftangentialvelocitiesbetweensimulationandexperimentsz=3311mmvt/vir/Rsimulationexperiment-0.9-0.6-0.30.00.30.60.9-0.6-0.4-0.20.00.20.40.60.8Comparisonofaxialvelocitiesbetweensimulationandexperimentsz=3311mmvz/vir/Rsimulationexperiment6.3排气管中切向气速、轴向气速及压力-0.9-0.6-0.30.00.30.60.9-1500-1000-5000500z=3311mmComparisonofstaticpressurebetweensimulationandexperimentsp-p0(Pa)r/Rsimulationexperiment6.4升气管、料腿回流区排气管速度矢量图料腿速度矢量图排气管回流区流线图升气管、料腿存在较大回流区，升气管回流区对旋分器流场有干扰6.5停留时间分布0.10.20.30.40.50.60.70.80.000.050.100.150.200.250.300.35由入口注入从排气管排出的气体停留时间(s)示踪烟气的质量流率(kg/s)0.20.30.40.50.60.70.80.91.00.00.10.20.30.40.50.60.70.8由入口进入从料腿排出的气体停留时间分布(s)示踪烟气质量流率(kg/s)0.00.20.40.60.80.00.20.40.60.8从排气管回流区注入从排气管排出的气体停留时间分布(s)示踪烟气质量流率(kg/s)0.00.10.20.30.40.000.050.100.150.200.250.300.350.40从料腿回流区注入料腿排出的气体停留时间分布(s)示踪气体质量流率(kg/s)双峰分布6.6、升气管、料腿流量分配QQup/QQup/'QQdown/QQdown/'旋分器结构模拟值实验值模拟值实验值10.7860.8160.2140.18420.9070.9190.0930.08130.2890.3220.7110.67840.6340.7130.3660.287注：Q为旋分器入口气体质量流率，Qup，Q’up为排气管出口质量流率模拟计算值和实验值，Qdown，Q’down为料腿出口质量流率模拟计算值和实验值。结果：灰斗的存在和料腿直径的减小使大部分气体向上由升气管排出，而下行从料腿排出的气量减少。6.7、停留时间计算结果1t2t3t4tt12旋分器(s)(s)(s)(s)(s)(%)(%)10.2170.4780.1460.0110.2885.910.00720.1960.5130.1140.00.2416.900.030.270.4390.3170.1410.4239.571.940.2410.4670.1860.0170.3456.170.02注：t1，t2由入口进入旋风分离器，而分别由升气管、料腿排出的气体平均停留时间；t3,t4升气管、料腿回流区平均气体停留时间;t总平均停留时间；因升气管、料腿回流区的存在使停留时间增加的比率127.结论(1)两端敞开的粗旋风分离器内流场有其独特之处——升气管和料腿中存在一回流区；升气管中回流区可一直延伸到粗旋的筒体分离空间。(2)烟气示踪结果表明，由两端敞开的粗旋风分离器入口注入的气体，一部分向上从升气管排出，一部分向下从料腿排出。从升气管、料腿排出的气体停留时间分布呈偏正态分布；升气管、料腿回流区的存在使气体停留时间呈双峰分布。(3)料腿直径大小变化和灰斗的存在与否对两端敞开的粗旋风分离器升气管与料腿排气量分配非常敏感，减小料腿直径和有灰斗存在均可增大粗旋风分离器向上由升气管排出的气量。(4)谢谢指教！