催化裂化两器内的压力平衡设计与计算

催化裂化压力平衡设计及计算为了使流化催化裂化装置中的催化剂和气体按照预定方向作稳定流动，不出现倒流、架桥、串气等现象，保持各设备之间的压力平衡是十分重要的。通过压力平衡的计算可以确定两器的相对位置，并确定在各种不同处理量条件下两器顶部应采取的压力，而两器顶部压力的变化，又会引起藏量、循环量的变化。同高并列式装置两器的顶部保持着大致相同的压力，两根Ｕ型管很象两根连通管，在Ｕ型管的一端施加压力时，催化剂就会从另一端流出。同样，Ｕ型管一端的压力降低时，催化剂就可由这根Ｕ型管的另一端压过来，使Ｕ型管的一条腿为重腿，一条为轻腿时就可以达到这一目的。高低并列式装置的两器保持着较大的压差，再生催化剂斜管相当于同高并列式装置Ｕ型管的重腿，提升管则相当于Ｕ型管的轻腿。改变两类装置两器压差都可以改变藏量和循环量。但对于高低并列式装置来说，改变藏量和循环量主要是靠改变待生斜管上滑阀的开度来调节的。目前，国内催化装置绝大部分属于立管一提升管输送系统。有的还包括斜管、快速床输送系统，含有Y型、半Ｕ型及直角弯头，粗旋分、弹射分离、三叶型快分等组件。使压力平衡的设计计算更复杂化。一．埃索压力平衡设计准则[1]埃索设计准则可归纳为；(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，按催化剂流动方或划分该线路的上、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。0对图1所示的装置，两条输送线上的推动力项及阻力项分别为:再生剂输送线待生剂输送线再生器顶压沉降器顶压再生器稀相静压沉降器稀相静压二密相静压头汽提`段静压头推动力再生立管静压头待生剂斜管静压沉降器顶压再生器顶压沉降器稀相静压再生器稀相静压提升管粗旋压降稀相管粗旋压降提升管总压降稀相管压降预提升段静压头烧焦罐静压阻力再生滑阀压降待生滑阀压降再生器沉降器提升管烧焦罐图1催化裂化反再系统结构示意图1二、与压力平衡计算有关的流态化知识1、流化床的整体特性（再生器部分）沿整个流化床高度可分为四个区，即分布器作用区—密相区—弹溅区—湍流扩散区，见图2。也可以把弹溅区和湍流扩散区合并为稀相区。ＴＤＨ稀相区Ｚｃ密相区Ｈｆ分布器区ｈｊ图2流化床的整体特性示意图ρ密相区弹溅区湍流扩散区0HfZcTDH图3流化床沿轴向密度及分布曲线示意图。2（1）分布器区高度及压降的计算：hj／d0＝141.85[ρpdp／(ρgdo)]0.273[ρgｕ0do/μ]-0.654[ｕ02/(gd0)]0.408(1)式中:do—喷嘴内径。Ｍρp—催化剂颗粒密度，kg/ｍ3ρg—气体密度，kg/ｍ3ｕo—喷嘴气速，ｍ/shj—分布器区高度，ｍ△Pd＝99.90ｕo-1.037(ｕo2ρg/2)(2)△Pd—分布器压降，Pa(2)密相区密度及床高的计算ρB=ρBp（1-ε）(3)ε＝0.309（ｕ1/ｕt）0.136(Ho/D1)-0.280(Hf/D1)o.171+0.313(小比重为0.25)(4)Hf/(αhHo)=-0.252Ｕ1+2.551(5)αh=0.797(ｕ1/ｕt)-o.375(Ho/D1)-0.298+0.298(6)其中：ｕ1———密相表现气速ｍ/sｕt———ｕt=[g（ρp-ρg）dp2]／（18μ）终端速度Ho———Ho=W/（At1ρBT）起始装料高度，ｍW———流化床总藏量，kgAt1———密相有效截面积，ｍ2ρBT———催化剂充气密度，kg/ｍ3754kg/ｍ3（小比重平衡剂）ρBT＝{（参考数）903kg/ｍ3（大比重剂）D1———密相直径，ｍαh———密相藏量与总藏量之比。(3)弹溅区高度的计算Zc=8.21×10-2D10.104Rep10.536[(ρp-ρg)/ρg]0.32(7)Rep1=dpｕ1ρg/μdp———平均粒径，ｍμ———气体粘度，Pa.s3(4)稀相区计算TDH/dp={5.385(D2/dp)0..346[(ρp-ρg)/ρg]-0.393Rep20.535+0.443}×104(8)D2———稀相段直径，ｍRep2＝dpｕ2ρg/μｕ2———稀相表观气速ρ稀＝175.85ｕ21..6286(小比重剂)(兰炼)(9)或ρ稀＝139.89ｕ22..59(小比重剂)(江南练厂)2．对重油催化裂化装置一再、二再密相密度及床高的简单计算方法此方法属于标定结果法。（1）一再：ρB1＝8177.4ｕ1-0..24△pB1+161.1(kg/ｍ3)(10)△pB1———一再藏量总差压、ＭPa对80万吨/年装置可由图4查得。（2）二再：ρB2＝10151.8ｕ3-0..24△pB2+122.9(kg/ｍ3)(11)ｕ3————二再密相表观气速ｍ/s△pB2———二再藏量总差压，Ｍpa，由图4查得。W1～△PB1W（T）60W2～△PB240201.01.82.63.4×10-2△PB（ＭPa）图480万吨/年重油催化裂化装置藏量与藏量总差压关联（以大比重剂为主）4（3）一再和二再床高的计算先由图5、图6分别查出Hf/Ho值然后由藏量及充气密度算出Ho值。Hf1/Ho11.81.41.00.60.60.70.80.91.0ｕ1(ｍ/s)图5一再床高与气速的关联曲线其中Ho1=W1/（At1ρBT），Ho2=W2/（At3ρBT）W1——一再总藏量W2——二再总藏量At1、At3——分别为一再、二再密相有效截面积。1.8Hf2/Ho21.41.00.60.180.260.340.42ｕ3(ｍ/s)图6二再床高比与气速的关联曲线5例1：已知：一再藏量W1=30ⅹ103kg有效截面积At1=15.9ｍ2充气密度ρBT=903kg/ｍ3ｕ1=1.0ｍ/s求：Hf1=？解：由Ho1=W1/（ρBTAt1）=30ⅹ103/（903ⅹ15.9）≈2.08(ｍ)由ｕ1=1.0ｍ/s查图5可得Hf1/Ho1≈1.38Hf1=1.38Ho1=1.38ⅹ2.08=2.87ｍ3．烧焦罐密度的计算方法：ρ烧=0.896ｕ4-1.1355h–0.2722Gs烧1.5335------------(12)ｕ4————烧焦罐表观气速，ｍ/sGs烧———烧焦罐循环强度，kg/ｍ2·sh———沿烧焦罐轴向高度，ｍρ烧=1.231ｕ4-1.1355Gs烧1.5335H-0。272-------------(13)ρ过渡=1.55ｕ4-0.0976Gs烧1.179-------------(14)ρ稀相管=0.956ｕ5–1..348Gs稀相管1.2309-------------(16)ｕ5————稀相管线速，ｍ/sGs稀相管——稀相管循环强度，kg/ｍ2·s（12）—（16）式适用于小比重催化剂。对大比重剂可按下式计算：ρ烧=1.923ｕ4-0.915h-0.347Gs烧1.362-------------(17)ρ烧=2.945ｕ4-0.915Gs烧1.362H-0.347-------------(18)4．提升管总压降提升管的流动特性属于快速床和输送床的范畴，主要参考文献有：Leｕng[2]，Kato[3]，Wierｍa[4]，Capes[5]，Khan[6]，Sterｍerding[7]，Kｕnii[8]，Kowton[9]，Jones[10]，金涌[11]，李松年[12]，杨贵林[13]，卢春喜[14]，王勤获[15]等1）提升管总压降△PT＝△PA+△Ps+△Pf------------（19）△PT———提升管总压降，pa6△PA———粒子加速产生的压降，pa△Ps———提升管静压，pa△Pf———气固混合物与管壁摩擦产生之压降，paRichards和Wierｍa分析了2000多个数据后，提出一个经验关联式。现推荐如下：△PT＝ρg（1+Gs提/Gg）ｕg2+ρgL（1+Gs提/Gg）（1+17.5Dt/L）------------(20)式中：（Pa）ρg————提升管内混合气体密度，kg/ｍ3Gs提————提升管内催化剂循环强度，kg/ｍ2·sGg————混合气体质量流率，kg/ｍ2·sｕg————混合气体表观气速，ｍ/sL————提升管长度，ｍDt————管径，ｍ各分项的计算：2）提升管静压ΔPs＝ρp（1-ε）gL＝ρgL----------（21）ε的计算，KｕnioKato建议用下式预测：ε/（1-ε）＝230[（ｕg-ｕt）/ｕt]1.5Gs提-1D-0.4ｕt1.8-----------------(22)式中：ε———提升管空隙率。ｕg———混合气体表观气速=（ｕ出-ｕ入）/ln（ｕ出/ｕ入）ｍ/sｕt———颗粒群终端速度，ｍ/s（22）式的实验范围为：0.7ｕg10ｍ/s0.1ｕt2.0ｍ/s0.5Gs提40kg/ｍ2·s0Gs提/Gg20，0.03D0.10ｍ使用(22)式求得ε时，要结合生产经验判断，以选择合理的ε值。因此（22）式有一定的局限性。较为符合实际的计算方法是在确定△PT、△PA、△Pf后再计算△Ps，然后由△Ps＝ρ提·L·g来计算ρ提7即：由（19）式有△Ps＝△PT-（△PA+△Pf）∴ρ提＝[△PT-（△PA+△Pf）]/（gL）其中△PT由（20）式求得，重点解决△PA和△Pf的求算。一般情况下△PT（△PA+△Pf），当近似计算时可按ρ提≈△PT/L·g求算提升管的平均密度。3）颗粒加速之压降△PA①埃索公司准则（四）法：△PA＝ρ视ｕg2/2(Pa)---------------------(24)ρ视———不考虑滑落时的固体平均密度，kg/ｍ3ρ视＝（Gs提+Gg）At/（Vs+Vg）≈Gs提At/Vg＝Gs提/ｕg---------------------(25)②Zenz法：△PA＝Gs提.ｕg(Pa)---------------------(26)4）提升管内摩擦阻力△Pf1(直管段)摩阻为气体与固体对管壁相对运动产生的剪切力的总和。①埃索准则（四）法：△Pf1＝79×10-5Lρ视ｕg2/Dt(ｍｍH2O)＝77.4×10-4Lρ视ｕg2/Dt(Pa)----------------(27)式中.Dt———提升管内径，（ｍ）L———提升管长度，（ｍ）②Zenz法：△Pf1＝2f(L/Dt)(ρgｕg2)[(1+Gs提/(ｕgρg)](Pa)-------------(28)式中：f———范宁摩擦系数.由《石油炼制工艺设计计算图表》图12-1查得入(摩擦系数)，再由f＝入/4计算出f值。5）局部阻力计算△Pf2局部阻力相对提升管来说主要系指弯头处和出口处的压降。Kｕnii推荐△Pf2＝2fbρTｕg2+ρTｕg2/2（Pa）------------------（29）其中：fb———为弯管阻力系数，可由下表确定：曲率半径/管径2467fb0.3750.1880.1250.0958ρT———弯管处的气固平均密度，kg/ｍ3ρTｕg2/2———输送管出口处的压力降，为突涨损失。6）提升管静压△Ps①准则（四）△Ps＝L（1.5ρ视）·g（Pa）------------------（30）②Zenz法：△Ps＝(Gs提L/ｕp)·g（Pa）------------------（31）ｕp———固体的平均速度，ｍ/sｕp=ｕg-ｕt7）加速阻力降+局部阻力降（△PA+△Pf2）△PA+△Pf2=N×ｕg2ρ视/（2g）×10-4（kg/cｍ2）=Nｕg2ρ视/2（Pa）------------------（32）N———系数（加速催化剂，N=1，每次转向，N=1.25）（当不考虑局部阻力时，该式与埃索准则（四）式（24）一致）例2：某催化裂化装置提升管垂直高度L=23.25ｍ，下段直径0.5ｍ，上段直径0.55ｍ，提升管入口线速Ｕg入＝7.11ｍ/s，出口线速Ｕg出＝12.67ｍ/s，提升管入口气体密度ρg入=