CN104236655A - 一种测量循环流化床提升管内固相颗粒质量流率的方法 - Google Patents

Abstract

一种测量循环流化床提升管内固相颗粒质量流率的方法，属于石油化工领域，该方法既不改变循环流化床的结构，也不添加部件，仅在催化裂化装置提升管出口T形弯头的水平管I和提升管G的合适位置设置压力传感器，得到两测点压降Δp，再利用提升管气速U_g计算得到提升管的颗粒质量流率G_s。本发明具有较高的抗干扰性和时间跟随性，具有测量方便，快捷，不中断提升管的进料与循环回路中的物料，易于在现有传统的循环流化床系统中实现等优点，特别适用于催化裂化装置中T形出口结构提升管内固相颗粒质量流率的实时检测和控制。

Description

一种测量循环流化床提升管内固相颗粒质量流率的方法

技术领域

本发明涉及石油化工气固提升管反应器，循环流化床，颗粒的气力输送领域，具体涉及一种测量固相颗粒质量流率的方法。

背景技术

提升管反应器是循环流化床中重要的气固两相上行反应装置。特别在石油炼制和煤气化装置中，它是关键的反应器。在提升管反应器中，固相颗粒质量流率G_s，也称循环率，是工业生产中决定气固反应过程的一个重要参数。

工业生产上，提升管内的颗粒质量流率G_s难以直接和准确测量。常规的固体颗粒质量流率的测量方法有：直接观察法、蝶阀测量法、伴床法等。但由于这些方法均存在一定的缺点，所以无法满足连续操作中固体颗粒质量流率的测量要求。现有固体质量流率G_s的测量方法大多局限在气固分离器下部的下料立管部分，采用累积法计量进行。例如，中国专利200810117401.X，题为《循环流化床物料循环流率测量方法与装置》，该方法采用在立管设置翻板阀、计时器联动开关、计时器、物料计量段、蝶阀和缓冲罐等部件，用于测量回料立管上的固相颗粒质量流率，该方法仅适合于物料流动允许暂时中断的场合，且影响系统压力平衡，因此受到了极大的局限。中国专利200820200445.4，题为《一种应用于循环流化床的循环流率测量装置》和中国专利200810198396.X，题为《一种应用于循环流化床的循环流率测量装置及测量方法》，该方法采用在下降管上部分段内设置一个隔板的方法，通过隔板的变向使颗粒流向不同的计量储罐，形成了一套可切换的循环流化床颗粒循环流率测量装置及方法，但由于增加内构件，也是需要物料流动暂时中断，对循环流化床内颗粒循环产生一定的影响。

中国专利201110208802.8，题为《一种监测催化裂化装置催化剂循环量的方法》，该方法在汽提器和再生器之间的待生催化剂输送线上设置了复杂的处理单元。

中国专利200510138040.3，题为《调整循环式流化床反应系统固体循环量的方法和设备》，需要在旋风分离器筒体上设置一个由喷嘴形成的气态自由射流脉冲，将流入料腿的固体流量的一个分量导入排气管，剩余的余量导入料腿。输入料腿的固体流量中被导出的分量的流量大小，通过不同的喷嘴或不同大小的射流介质的流量决定。此方法增加了喷嘴及射流介质，且要求喷嘴自由射流出至少为音速，操作较为复杂。

林世雄等(石油炼制工程(第三版)[M]，2007：374-377)利用再生器稳态热平衡关系计算固相颗粒质量流率；魏飞等(FCC催化剂循环量计算方法的比较，炼油设计，1990，4(1)：41-43)利用再生器中碳的物料平衡计算催化剂循环率；袁璞等(催化裂化反应过程的观测和控制，中国专利：ZL 90108193.0)利用催化剂流动特性和再生阀门特性计算催化剂循环率；黄德先等(CN101859103A)利用再生器热平衡计算模型和再生阀门流量特性模型相结合的方式计算固相颗粒质量流率。但上述四种方法计算催化剂循环量均为离线模式，具有时间的滞后性，准确性和实时性较差，不能满足生产检测及控制的实时性要求。

中国专利201110104058.7，题为《固体循环流率测量装置及方法》，采用在循环流化床系统的旋风分离器下部增加阀门、高低料位开关、计时装置、物料计量段和平衡管等，用累积法测量立管上的固相颗粒质量流率，适用于高质量流率颗粒的测量。但该方法增加的部件较多，且操作过程将循环中颗粒引出系统后测量，因此对原有循环系统必定有一定的影响。此外，在下料立管增加固体质量流率测量部件特别不适用于石油炼制催化裂化装置，也不能用于提升管内颗粒质量流率的准确测量。

综上专利，在提升管的固相质量流率的累积法测量上，存在测量中回路颗粒输送中断，测量的结果滞后，或需要切断输送等问题，尤其是不能适合于高温高压的工作环境。因此，现场需要一种实时，在线，连续测量，适于高温高压的固体质量流率的测量方法。

下面结合附图1说明催化裂化工艺和进行固体质量流率测量的必要性。

图1是典型的炼油催化裂化装置的提升管反应器与沉降器部分。油气与催化剂Q进入提升管G，气固两相混合物绕过T形弯头H，途径水平管F后进入粗旋E分离；分离的催化剂Q₂经粗旋E向下流入汽提器A，另外一小部分催化剂Q₁未被分离并随油气进入沉降器空间，汽提器A使用蒸汽汽提带出该空间内催化剂表面和空隙内部的油气，并同时带出部分催化剂Q₃；进入沉降器空间的催化剂(Q₃和Q₁)部分自由沉降返回汽提器A，部分从顶旋D进入，经过分离后的催化剂Q₄沿立管C向下进入汽提器，最终油气携带微量的催化剂Q₅离开沉降器。

提升管内催化剂和油气的反应过程与催化剂和油气的质量比值有直接关系，决定着油气裂化的反应深度和轻油收率，同时也决定着催化剂携带的热量负荷。因此，固体质量流率的测量对于优化装置的操作，提高轻油收率是非常必要的。目前尚无可靠的适于催化裂化装置的固体质量流率的测量方法。

在催化裂化装置中，粗旋E下部仅有很短的立管B，因此粗旋风下部不便于测量颗粒质量流率；沉降器顶部由多组二级旋风D并联构成，在沉降器二级旋风立管布置测量也不方便；在汽提器下部立管测量颗粒质量流率将与提升管的实际流率有很大的差别。累积法不适用于现场的固体质量流率的测量。

中国专利200780030307.4，题为《散装固体的质量流率的实时测量方法》主要用于水泥等固相物质的装卸，它使用压差方法测量位于水平管上的两个测点，从而获得水平管内的固相物质的质量流率。该方法若用于提升管测量也具有一定的问题，该测量方法应用的领域不同，测量颗粒的性质和流化状态以及测量管的方向均有很大差别，因此不能直接套用在循环流化床提升管中。

陈勇等人在《炼油技术与工程》发表的题为《催化裂化装置提升管T形出口结构压力降的实验分析》(2012年，第42卷，第1期：38-40)，分别将T形弯头进口与出口的气相和固相速度看做是相同的。事实上，根据金涌等《流态化工程原理》中所述，循环流化床提升管内气相携带固相颗粒向上运动过程中，气相和固相的速度总是不一致的，是存在滑移的，所以这样的假设带来的误差是较大的。因此，本专利考虑气固相速度之间的滑移因素，并引入滑移因子φ，设计一种相对简单方便的提升管催化剂颗粒质量流率的测量方法，以避免时间的滞后性，达到生产检测及控制的实时性要求，对于维持装置长周期平稳运行是十分必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种检测提升管内催化剂颗粒质量流率的方法。为解决这个问题，本发明主要通过测量提升管G和水平管F上的测点1和测点2的压降Δp，见附图2，再通过油气量和提升蒸汽量确定提升管气速U_g，最后通过实验标定公式计算得到提升管的颗粒固体质量流率G_s。实现提升管内催化剂颗粒质量流率的检测。

$\mathrm{Gs}=\frac{2\mathrm{\Δp}(1.5U_g+7.56)}{(\mathrm{\ξ}+\mathrm{\ζ}){U_g}^2}-{\mathrm{\ρ}}_g({1.5U}_g+7.56)---\left(1\right)$

式中，U_g为提升管气速，可以根据油气量和提升蒸汽量Q确定，即U_g＝Q/A，其中A表示提升管截面积；ΔP为T形弯头进口1与出口2的两个测点处的压降；ζ为弯管阻力系数，需通过实验确定；ζ为截面变化阻力系数，G_s为提升管颗粒质量流率；ρ_g为提升管内气相密度。

以下结合附图2，详细叙述本发明的技术方案。

一种测量循环流化床提升管内固相质量流率的方法，其中所述的方法，其特征在于，该方法包括以下测量步骤：

(1)安装压力监测装置：在循环流化床提升管出口T形弯头的进口和出口分别设置一个压力测点，并连接压差测量仪表，然后再将压差Δp数据和提升管气速U_g输送到控制器。

(2)标定待定系数ζ：装置运行稳定后，测量不同提升管气速下两测点压力差与提升管颗粒质量流率(用堆积法测量提升管颗粒质量流率，多次测量取平均值)，实验标定表达式中的系数ζ；

(3)检测颗粒质量流率：根据步骤(1)中两测点的压差，提升管气速U_g，使用公式计算提升管出口的颗粒质量流率G_s，并通过监控室的显示器显示出固相颗粒质量流率随时间的变化，进而实现提升管内固相颗粒质量流率的实时检测与控制。

一种测量循环流化床提升管内固相颗粒质量流率的方法，其特征在于，计算提升管内的颗粒质量流率G_s使用如下公式：

$\mathrm{Gs}=\frac{2\mathrm{\Δp}(1.5U_g+7.56)}{(\mathrm{\ξ}+\mathrm{\ζ}){U_g}^2}-{\mathrm{\ρ}}_g({1.5U}_g+7.56)\text{.}$

根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法使用提升管的出口为T形弯头结构。在T形弯头的入口处和出口处分别安装压力检测装置。

根据权利要求1所述的方法，其特征在于，入口处压力检测装置的位置距水平管中心距离J＝(1～4)L；出口处压力检测装置距提升管中心距离I＝(1～3)L；出口管的直径K＝(0.4～1)L；T形弯头的盲管长度H_b＝(0.5～3.5)L。

根据权利要求1所述的方法，其特征在于，入口处压力检测装置设置在出口水平管的对侧；出口处压力检测装置设置在出口水平管的上侧。

根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据测量的入口与出口的压差Δp数据和提升管气速U_g，采用下式计算提升管内的颗粒质量流率G_s

$\mathrm{Gs}=\frac{2\mathrm{\Δp}(1.5U_g+7.56)}{(\mathrm{\ξ}+\mathrm{\ζ}){U_g}^2}-{\mathrm{\ρ}}_g({1.5U}_g+7.56)$

一种催化裂化提升管内固相颗粒质量流率的压差式测量方法，其测量的技术原理为：

对图2的T形弯头的进口1和出口2之间的气固两相流建立伯努利方程，设进口1和出口2的气相和固相的速度分别为是V_g1、V_s1和V_g2、V_s2，则

$p_1+\frac{1}{2}{\mathrm{\ρ}}_g{V}_{g1}^2+C_s{V}_{s1}^2=p_2+\frac{1}{2}{\mathrm{\ρ}}_g{V}_{g2}^2+C_s{V}_{s2}^2+{\mathrm{\Δp}}_f---\left(2\right)$

由连续性方程有

$V_{s2}={\left(\frac{D}{d}\right)}^2{V}_{s1}---\left(3\right)$

$V_{g2}={\left(\frac{D}{d}\right)}^2{V}_{g1}---\left(4\right)$

对于摩擦部分的损失压降Δp_f，有

${\mathrm{\Δp}}_f=\mathrm{\ζ}\frac{{\mathrm{\ρ}}_g{V}_{g1}^2+C_s{V}_{s1}^2}{2}---\left(5\right)$

代入公式(2)，则

$\mathrm{\Δp}=p_1-p_2=\frac{1}{2}(\mathrm{\ξ}+\mathrm{\ζ}){\mathrm{\ρ}}_g{V}_{g1}^2+\frac{1}{2}(\mathrm{\ξ}+\mathrm{\ζ})C_s{V}_{s1}^2---\left(6\right)$

公式(6)表明T形出口结构的压降与提升管内的催化剂浓度呈1次方成正比，与提升管内的气体速度呈2次方关系，这与陈勇等《催化裂化装置提升管T形出口结构压力降的实验分析》文章的结果一致。

对于提升管而言，固相颗粒质量流率G_s可由颗粒浓度C_i与颗粒速度V_s1得到，即

G_s＝C_i×V_s1            (7)

由于提升管内固相颗粒随着气相上行，气固两相的速度不同，存在滑移，所以，定义提升管中颗粒相速度V_s1与气体速度之比为滑移因子φ，

$\mathrm{\φ}=\frac{U_g}{\mathrm{\ϵ}{V}_{s1}}---\left(8\right)$

滑移因子可由下式求得(见文献Suneel K.Gupta，Franco Berruti.Evaluationof the gas-solid suspension density in CFB risers with exit effects[J].PowderTechnology，2000，108(1)：21～31.)

φ＝1+5.6(gD)^0.5/U_g+0.47[U_t/(gD)^0.5]^0.41           (9)

式中，颗粒的终端速度U_t可由下式计算

$U_t=1.74{\left[\frac{g({\mathrm{\ρ}}_s-{\mathrm{\ρ}}_g)d_p}{{\mathrm{\ρ}}_g}\right]}^{0.5}---\left(10\right)$

由于气相体积分数变化很小，可以取

整理可得固相颗粒质量流率的计算式

$\mathrm{Gs}=\frac{2\mathrm{\Δp}(1.5U_g+7.56)}{(\mathrm{\ξ}+\mathrm{\ζ}){U_g}^2}-{\mathrm{\ρ}}_g({1.5U}_g+7.56)---\left(11\right)$

提升管气速U_g根据油气量和提升蒸汽量Q确定，即U_g＝Q/A，其中A表示提升管截面积。

ΔP为两个测点处的压降，因此，上式中仅含有ζ一个系数，可以通过相同尺寸的装置的实验测量确定计算系数ζ，从而获得提升管颗粒质量流率测量方法。

与其他循环流化床提升管质量流率的测量方法相比，本发明一种测量循环流化床提升管内固相颗粒质量流率的方法，具有如下显著效果：

(1)该方法具有较好的准确性。附图3为实例中不同提升管气速U_g下，催化剂颗粒质量流率G_s与T形弯头的压降Δp关系。颗粒质量流率实验值与公式(11)计算值的比较，相对误差基本在15％以内，计算值与实验值吻合较好。

(2)一种测量循环流化床提升管内固相质量流率的方法，仅需测量提升管出口T形弯头的进口和出口的压差，具有测量方便、快捷、不中断提升管的进料与循环回路中的物料，易于在现有循环流化床系统中实现等优点，且不会对循环流化床系统造成干扰，即当按本发明的措施或装置不实施或不工作时，循环流化床反应器应保持其原始的工作特性。

(3)此种测量方法特别适用于催化裂化装置中提升管内固相颗粒的质量流率测量和监测。由于该方法设置在提升管的末端，尤其适用于T形弯头的装置；此外，仅有的两个测压孔即可将压力信号导出，不涉及电路等易起火花的部件，在石油炼制过程中具有较高的防爆安全性。

附图说明

图1是传统的催化裂化提升管、沉降器体系结构示意图。

图2是本发明一种测量循环流化床提升管内固相颗粒质量流率的方法的压力测点布置图。

图3为实例中提升管固体颗粒质量流率与两测点间压差的关系图。

图中，1-提升管压力测点，2-水平管压力测点，A-汽提器，B-粗旋立管，C-顶旋立管，D-顶部旋风分离器，E-粗旋，F-水平管，G-提升管，H-T形弯头，H_b-T形弯头盲管高度，I-测点1到提升管中心的距离，J-测点2到水平管中心的距离，K-水平管的内直径，L-提升管的内直径，Q-进入提升管的总固相量，Q₁-离开粗旋顶部固相量，Q₂-离开粗旋底部的固相量，Q₃-汽提器汽提带出的固相量，Q₄-顶旋分离下来的固相量，Q₅-离开沉降器的固相量。

具体实施方式

以下结合附图和具体实例对本发明进行进一步的详细说明：

图2是本发明一种测量循环流化床提升管内固相颗粒质量流率的方法的测点布置图。

本发明的测量装置采用T形弯头结构，无需安装标尺，结构简单，操作方便，适用于在常压或高压高温下测量固体颗粒质量流率。

本实例的测量方法具体步骤如下：

步骤一：布置如图2所示的测点，连接压差传感器或压力传感器以测量测点1和测点2的压差；

步骤二：待循环流化床装置运行稳定后，测量不同提升管气速下测点1和测点2的压力差和提升管颗粒质量流率(用堆积法测量提升管颗粒质量流率，多次测量取平均值)；

步骤三：实验标定表达式中的系数ζ；

步骤四：利用建立起来的颗粒质量流率的压差表达式实时检测提升管内的颗粒质量流率，将实时检测的结果反馈到控制器进行实时检测和控制。

实例中，I＝400mm，J＝400mm，L＝186mm，K＝136mm，H_b＝150mm，附图3为实例中不同提升管气速U_g下，催化剂颗粒质量流率G_s与T形弯头的压降Δp关系。颗粒质量流率实验值与公式(10)计算值的比较，相对误差基本在15％以内，计算值与实验值吻合较好。其中，实验标定得到ζ＝2.99。

Claims (5)

1.一种测量循环流化床提升管内固相颗粒质量流率的方法，其特征在于，其中所述的方法包括以下测量步骤：

安装压力监测装置：在循环流化床提升管出口T形弯头的进口和出口分别设置一个压力测点，并连接压差测量仪表，然后再将压差Δp和提升管气速U_g输送到控制器。

标定待定系数ζ：装置运行稳定后，测量不同提升管气速下两测点压力差与提升管颗粒质量流率(用堆积法测量提升管颗粒质量流率，多次测量取平均值)，实验标定颗粒质量流率与提升管气速表达式中的系数ζ；

检测颗粒质量流率：根据两测点的压差，提升管气速U_g，利用颗粒质量流率与提升管气速的关系计算提升管出口的颗粒质量流率G_s，并通过监控室的显示器显示出固相颗粒质量流率随时间的变化，进而实现提升管内固相颗粒质量流率的实时检测与控制。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在提升管出口处设置一个T形弯头。在T形弯头的入口处和出口处分别安装压力检测装置。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，入口处压力检测装置的位置距水平管中心距离J＝(1～4)L；出口处压力检测装置的位置距提升管中心距离I＝(1～3)L；出口管的直径K＝(0.4～1)L；T形弯头的盲管长度H_b＝(0.5～3.5)L。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，入口处压力检测装置设置在出口水平管的对侧；出口处压力检测装置设置在出口水平管的上侧。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据测量的入口与出口的压差Δp数据和提升管气速U_g，采用下式计算提升管内的颗粒质量流率G_s

$\mathrm{Gs}=\frac{2\mathrm{\Δp}(1.5U_g+7.56)}{(\mathrm{\ξ}+\mathrm{\ζ}){U_g}^2}-{\mathrm{\ρ}}_g({1.5U}_g+7.56)$