背景介绍

FCC再生器介绍

流体催化裂化（FCC）能够将重质的低价值原料转化为多种高价值产品，例如汽油、柴油和其他轻质气体。在石油化工行业应用广泛，但随着FCC反应不断生焦附着在催化剂上，造成催化剂活性降低甚至失活。而再生器主要通过注入助燃空气燃烧脱除催化剂上的焦炭使催化剂恢复活性再生的装置。

面临的问题与挑战

随着加工原油的日益重质化，反应生焦量成倍增加，要求再生过程应有更大的灵活性和适应性，要求更低的再生催化剂含碳量。因此如何提高再生器的烧.焦效果，以满足加工重油的要求，已经成为一个迫切需要解决的问题。而通过对再生器内部构件的改进，来提高再生效果是一条重要的途径，如改进再生器主风分布、增加再生器内构件和待生催化剂的分配。但往往由于前期设计或改进不当，会造成再生器内部混合效果差、烧焦效率低下、催化剂跑损严重、后燃频发及污染物排放超标等问题。所以如果能够对预期的设计或改进方案执行仿真分析，将会大大提高改进方案的成功性，并有望找到实际运行问题的解决方法。

相关案例介绍

该炼油厂于2015年末对装置进行升级改进，更换了其FCC再生器旋风分离器和燃烧布风器。为了改善助燃空气和待生催化剂的混合，同时对助燃空气格栅进行了旋转30°的尝试调整。

图 1为更换前后的设备示意图。更换的三个旋风装置沿再生器的圆周均匀分配。安装了较大的高效旋风分离器，三个一级旋风分离器和两个二级旋风分离器沿着再生器的圆周分配，第三个二级旋风分离器位于再生器的中央。

但开车运行后发现未达到预期的改进效果，反而NOx、CO和颗粒物排放量急剧增加。虽然瞬时NOx排放达标，但从推测看，到2016年夏季，365天动态平均NOx排放会超标。原来排放正常的CO2，现在也比正常情况下高得多。此外，催化剂跑损严重，直到再生器稠密床层达到近似20%时跑损现象才能停止。

为了确定排放增加的根本原因，炼油厂使用了固体和气体示踪剂用于监测再生器内的流动。另外，采用放射性扫描来验证相对于在线密度测量的实际稠密床层水平。同时该炼油厂向CPFD公司寻求帮助，借助Barracuda软件对再生器运行情况进行了仿真分析评估，以便寻找最优的解决方案。

CPFD 解决方案

计算方法

Barracuda软件基于的CPFD方法是一种欧拉-拉格朗日双向耦合的计算方法，流体采用欧拉方法，通过求解Navier-Stokes方程来描述流场；颗粒相采用拉格朗日方法，根据MP-PIC数值方法（Multiphase particle-in-cell method）进行颗粒求算。通过三维瞬态模拟气体和催化剂颗粒的流体动力学、热力学行为和焦炭燃烧动力学，实现对反应器内流动、传热和反应情况的预测，分析操作条件、装置结构变化带来的影响。

技术优势

庞大的颗粒计算量：石化行业设备尺寸及颗粒处理量一般非常庞大，颗粒数量甚至可以达到天文数字级别，Barracuda软件将真实颗粒打包为计算颗粒，有效地将颗粒降低到计算机可以处理的数量。同时，百万至千万量级的计算颗粒仍然可以精确地模拟设备内的颗粒流动情况。

密相-稀相混合问题：无需根据浓度人为界定颗粒流类型，进而选择不同的多相流模型。Barracuda软件采用了拉格朗日类型的多相流模型模拟整个浓度范围内的颗粒流动。

独特的Baffle功能：支持挡板、分布器等薄体几何模型直接导入，无需对薄体几何进行网格划分，通过参数实现Baffle位置、大小及阻力系数的设置，灵活方便。

颗粒级别的化学反应模拟：颗粒与流体作用过程中发生的化学反应与颗粒浓度、粒度及流体温度、压力密切相关，Barracuda 软件结合化学反应动力学基本理论，在颗粒层级上模拟气-固，液-固，固-固的化学反应状况。

CPU+GPU并行加速计算：能够支持CPU并行和CPU+GPU并行加速求解计算，特别是GPU加速尤为显著，依靠显卡供应商NVIDIA推出的CUDA™通用并行计算架构，GPU能够快速高效地解决复杂的计算问题。

计算速度快，结果全面：Barracuda软件有着高效且稳定的计算方法，完成小试装置->中试装置->真实设备的仿真，通常在数天到数周的时间，计算速度较通用CFD软件快10~100倍，完全满足工业部门多设备设计要求；而且是保证获得实验及其他仿真工具难于获得的更为详细的颗粒信息，如颗粒浓度、停留时间、粒径分布、组分变化等。

研究内容及计算模型

1、待生催化剂分配器

待生催化剂分配器是非常大的结构，其旨在将催化剂引导至再生器稠密床层中心。该分配器在入口处大约占横截面积的20％（图 2）。该分配器阻碍了再生器密相床的混合。示踪剂研究观察到助燃空气经常倾向于沿着给定再生器内的内部结构流动。

2、助燃空气格栅方向
考虑了两种助燃空气格栅方向的构型，包括“Aligned对齐”和“Offset偏移”构型，请参见图 3。同时考虑构型与待生催化剂分配器的位置，Aligned构型将待生催化剂直接输送到东北主分配器臂的上方。
Offset构型在北部和东部一次空气格栅分配器之间传递待生催化剂。直观上看这种结构更好，因为它将催化剂送到助燃空气充分的区域。在2015年调整之前，再生器内部就用了这种构型。
3、一级和二级旋风料腿出口方向
考虑了三种旋风分离器排料方向，其中包括以当前构型方向为基准，以及另外两种情况，如图 4所示。所述选项1构型专注于向催化剂入口施加径向旋转，以改善混合。当前构型和选项2的构型专注于将催化剂输送到催化剂密度较低的致密床内的区域。
总共对五种情况进行了模拟和分析，包括最初提出的调整后的构型、当前构型和其他三种情况：案例1在径向一级旋风分离器料腿卸料与偏置空气格栅对齐；案例2在径向一级旋风分离器料腿卸料，同时保留了对齐的格栅结构；案例3将一级旋风分离器的排放物输送到密度较低的密集床层区域，并采用偏置空气格栅的模式。具体模拟计算情况如表1所示。
4、二级旋风料腿高度
最后，研究了催化剂床层密度在各旋流器料腿卸料区域的分布情况，尤其对二级旋风料腿区域的分布情况进行了研究。一般来说，二级旋风料腿卸料到床层密度高的区域可能导致料腿堵塞，从而引起催化剂跑损。因此提高二级旋风料腿卸料高度1.0和1.5英尺也进行了计算模型研究。
模型结果和发现
模拟结果与示踪剂研究的比较
示踪剂研究表明，在空气格栅高度上存在不对称的不均匀空气分布情况，在南、西南检测器附近观察到超过50％的空气（见图 5）。计算模型以气流网格上各喷嘴的等量气流为初始条件。在模拟结果中可以看到，待生催化剂分配器位于大部分空气格栅上方，导致空气窜流到待生催化剂分配器的南侧和西侧，这与示踪剂研究一致。计算模型和示踪剂研究结果非常一致，表明先前的工程设计，是造成助燃空气窜流现象的根本原因。
如图 6所示，有一股较大的燃烧气流绕过了大部分再生器密相床层，如图红色气流所示。分析了这五种情况下待生催化剂分配器区域的助燃空气窜流程度(图 7)。案例2和案例3再生器中持续的气体窜流比其他案例程度低。
图 8显示了从空气分配器的高度，一直到再生器向上进入稀相区域的各个时间的平均催化剂密度。对催化剂密度的分析表明，在催化剂密度较低的区域，气体的窜流现象更易出现。
助燃空气均匀度指数
CPFD软件率先采用了一种定量方法来估算FCC再生器气体分配的均匀性。该均匀性指数旨在估算再生器效率。均匀性指数是用气体流动的横截面积除以再生器内任何给定高度的总横截面积的商。
为了计算流量值，引入了两种时间平均流量的定义：一种是传统的面积加权流量，另一种是质量流量加权流量。如下图所示，Fi和ai为i单元的流体质量通量和横截面积
面积加权的平均通量：

质量流量加权平均流量：

平均通量定义的不同之处在于Farea给出了整个截面上的平均通量，而Fwt是气体活跃流动时的平均通量。两种流量定义都与截面内的总质量流量有关，通过适当的流量面积的乘法。这提供了Aflow的定义：

因此，气体流动均匀性U的定义为

采用上述计算方法在延伸到旋风分离器入口的再生器切线上方的每个高度上绘制均匀度指数（图 9）。从图中可以看出，典型的FCC反应器经历有限的助燃空气混合，直到气体离开密相床层为止，此时助燃空气的混合度显着增加。案例2和案例3显示了较高的气流均匀性。案例3似乎比案例2更好。

图 9 气体均匀性指数

后燃和再生器温度分布

图 10 温度分布

从所有案例中都可以看出，在与待生催化剂分配器直接相邻的区域，持续存在再生器温度较低的区域（图 10）。这是因为大量较冷的富碳待生催化剂被送到靠近分配器本身的再生器中。由于上述所讨论的大量助燃空气窜流，大部分氧气绕过了床层，再生器的这一区域基本处于部分燃烧模式下运行的，发生的燃烧非常有限。综合对比看，在所有研究的案例中，案例2具有最均匀的温度分布。

图 11显示了进入再生器后15秒内催化剂颗粒在密相床层内的流动模式。从图中可以清楚地看出，催化剂的径向分布非常有限，大部分的催化剂残留在催化剂分配器的邻近区域。这进一步表明，需要对该炼油厂使用的待生催化剂分布系统进行重新设计。

气体成分

图12-14显示了在不同高度下再生器中O2、CO和CO2的时间平均浓度分布。在所有案例中，案例2似乎都表现出O2的最佳利用效果。案例2和案例3在稀相中的CO含量相比于其他案例都较低些。但在所有案例中都存在严重的分布不均问题。

图 14 二氧化碳分布

图 15表示在两个不同的时间间隔内记录的进入一级旋风分离器进口的时间平均CO浓度情况。建立当前构型作为基线，其值定义为100％。柱状图高度的变化表示再生器内气流的瞬态特性。可以看出案例2是所有模拟案例中最稳定的。

再生器床层密度和催化剂跑损

图 16显示了2015年之前的再生器与当前再生器的催化剂床层密度对比。可以看出，当前的3号二级旋风料腿卸料到的区域其密度始终很高。也许正是由于这种特殊的旋风分离器，二次旋风料腿堵塞导致了间歇性催化剂跑损的可能。

图 17显示了当前旋风分离器与案例2和案例3的比较。案例2排入高密度催化剂床层的可能性最低。图 18显示了增加二级旋风料腿部高度的效果。从图片显示来看，增加二级旋风料腿高度有着很小的积极效果。案例3表明，二级旋风3号料腿在模拟的所有高度中都排放到高密度区域。

改进方案及实施效果

案例2和案例3在改善气体分布均匀性、减少待生催化剂分布器区域的空气窜流以及减少进入一级旋风分离器的CO方面显示出对当前构型的明显改进效果。

案例2在二级料腿出口的更好的氧气利用率和更低的浓密床密度方面表现出了显著优势。综合对比考虑实施案例2的方案，其中包括将空气格栅的方向与选项1的径向料腿出口对齐。炼油厂在2016年3月的检修期间实施了该方案。

2016年3月后的周转观察

进行上述修改后，炼油厂启动后，NOx、CO和颗粒物排放立即得到改善。但是，这些改进最初不足以实现365天的动态平均排放达标。随后的再生器优化实现了排放达标。

NOx排放：在2015年调整后启动后，365天滚动平均NOx排放量比最大排放量高出约10％。在2016年3月的调整之后，365天动态平均NOx排放量明显改善，但仍略高于要求水平。炼油厂优化了空气喷射速率，现在已将排放量降低到比最大允许排放量低约10％。

CO排放：在2015年调整之前，该设备的运行水平始终比365天的最高动态平均值低25％。2015年调整后，CO的排放量立即超过最大允许排放量的43％。在2016年调整之后，CO的排放量大幅下降，但仍略高于365个滚动日的平均上限。空气注入速率的优化使炼油厂实现了在最大限制之下持续运行。

颗粒物排放：在2016年调整之后，该炼油厂未发生任何催化剂跑损问题。

结论

炼油厂通过借助Barracuda软件进行仿真分析，在不到半年的时间内就找到了再生器内分配不均的根本原因，并确定了合适的解决方案，降低了NOx，CO和颗粒物排放，改善了设备运行的稳定性。

*参考文献：

CAT-16-17: The Experience of a Team of Experts to Resolve Severe FCC Regenerator Maldistribution

查看完整介绍