循环流化床工艺的一个重要特征是固体颗粒沿着一个设定的封闭回路流动形成一个颗粒循环系统。颗粒是在循环流动过程中完成气固反应、热量传递、颗粒回收过程的,气体则是单向流动完成这些过程的。催化裂化装置采用了气固循环流化床工艺去实现催化剂与油气的裂化反应和催化剂的再生。催化裂化装置中催化剂与油气的裂化反应和催化剂的烧碳再生是通过催化剂在沉降器与再生器之间的循环进行的。因此,催化剂的稳定循环是催化裂化工艺进行的前提条件。任何阻碍催化剂循环流动的故障均可以导致催化裂化工艺不能正常运行,甚至整个装置的非计划停工。催化裂化工艺催化剂颗粒循环回路是由上行流动系统和下行流动系统两部分构成,上行流动系统的主要单元是提升管和流化床,这些单元一直是流态化研究领域的主要内容,有丰富的文献资料;而下行流动系统的主要单元是旋风分离器,料腿,翼阀,输送斜管等。虽然催化剂在下行流动过程中不参与物料的化学反应过程,但这些单元的运行对催化剂颗粒循环过程有重要的影响。一般循环回路的颗粒上行流动是气体携带颗粒的运动,而颗粒下行流动是颗粒依靠重力的自行流动,流态更趋于复杂,具有很强的不稳定特性。现场对催化裂化装置颗粒循环系统的事故统计表明,催化剂颗粒循环回路下行流动系统出现问题的概率更大一些。例如,旋风分离器的分离性能下降,料腿的堵塞,翼阀磨损和漏风,斜管输送颗粒不畅和振动等。对于催化裂化工艺的催化剂颗粒循环回路,目前人们更关注上行流动系统的提升管反应器和流化床反应器,仍有很多课题是围绕这方面进行的。对于催化剂颗粒循环回路的下行流动系统,人们还没有给予足够的关注和重视,文献资料不多,在流动规律和流动特性方面还存在比较多认识不清的地方。为此,课题以催化裂化装置的催化剂颗粒循环流回路的下行流动系统为研究对象,基于气固两相流动的静态参数和动态参数的实验室实验测量和现场的实际操作数据的对比分析,同时依据气固两相流动的理论,从循环回路系统压力平衡的观点研究催化剂下流流动过程中流态与操作参数的关系,催化剂流动过程中流动参数的脉动变化,重点考察催化剂流动的不稳定特性,不稳定产生机理,并结合现场装置操作的问题探讨下行流动单元的一些故障产生的原因及其诊断。通过对催化剂下行流动各个单元的催化剂流动的不稳定特性研究,提高催化剂下行流动过程不稳定流动现象的认识,给出催化剂下行流动不稳定和压力平衡的关系模型。同时,提出旋风分离器系统故障的颗粒诊断技术的新思路,为催化裂化装置的工程设计和操作提供指导和帮助。全文得到如下结论:1.催化裂化工艺催化剂颗粒循环回路的压力分布循环回路的压力是颗粒流动的推动力。下行流动系统的压力斜率要小于上行系统的压力斜率,前者是负压差流动,后者是正压差流动,两者在某个高度形成交叉,总体构成一个8字的压力分布。循环回路的颗粒循环流率决定了上行流动系统起始端的压力,也决定了下行流动系统的流态和末端的压力大小。颗粒循环回路流动过程的具有不稳定特性,表现为压力的波动变化,其中低频高幅的脉动压力主要来源于颗粒的下行流动部分。2.旋风分离器气固分离过程的不稳定性旋风分离器内部的气体旋转流存在着不稳定,表现为旋转流的旋转中心偏离几何中心的摆动。这种偏心的旋转摆动导致了旋风分离器内部的压力脉动。这是一种低频高幅的压力脉动。在气固两相流状态下,不仅存在着旋转流的旋转中心偏离几何中心的摆动,而且在离心分离作用下的颗粒在器壁形成了浓度不均匀的旋转灰带,产生更低频的压力脉动。旋风分离器内部气固两相旋转流的不稳定性导致了旋风分离器本体的机械振动和下料波动。3.料腿的负压差和蓄压以及排料的波动旋风分离器料腿是一个负压差立管,负压差大小约等于旋风分离器的压降。料腿的排料要求料腿内部的蓄压大于外部的负压差。串联二级旋风分离器料腿内的流态有两种形式,颗粒质量流率高时流态是浓相输送;颗粒质量流率低时流态是稀密两相共存流态。料腿内颗粒下行流动存在压力波动现象,浓相输送的脉动压力来源于下料的不稳定性、对气体的压缩和颗粒的团聚,颗粒夹带气体下行;稀密相共存时,密相的脉动压力来源于上升的气泡,料腿内的气体上行。4.料腿翼阀系统的不稳定排料过程料腿翼阀系统是旋风分离器的重要元件,其作用是维持颗粒的单向流动,同时阻止气体流动通过,形成锁气排料。料腿翼阀的排料流态与料腿的负压差、颗粒质量流率密切相关,有连续式滴流状排料和间歇式周期性腾涌状排料两种排料形式,具有很强的不稳定性,通过调整参数可以改变排料的形式。料腿翼阀的排料流态可以通过压力信号进行识别,以此建立排料流态识别的模型。料腿翼阀排料的不稳定性导致了压力脉动,形成了料腿翼阀系统机械振动的激振力。5.斜管颗粒输送过程不稳定性斜管是两个并列容器之间的颗粒输送管道。斜管上的控制阀开度直接影响阀前后的流态和脉动压力的变化。随着蝶阀的开启斜管内流态发生变化,阀前依次呈现移动床、气固分层、满管流化流动;而阀后依次为颗粒股流、气固分层、满管流化流动。气固分层流化流动时,排料具有很大的波动特性。这种波动排料形成的脉动压力是导致斜管机械振动的激振力源。当形成流化流动后,排料均匀稳定,阀前后的脉动压力一致,阀前后的压差由正压差演变为负压差。6.旋风分离器系统的故障诊断旋风分离器系统的故障产生于工艺和机械两个方面,工艺方面主要是流动参数的超标,机械方面有翼阀漏风,设备的磨损穿孔,料腿堵塞和断裂等,这些故障的主要表现形式是催化剂跑损。通过对旋风分离器的动态和静态的压力分析,以及催化剂颗粒粒度的分析可以进行旋风分离器的故障诊断,尤其是应用催化剂颗粒诊断技术具有准确、可靠的特点,为此提出了开创面向催化裂化装置旋风分离器系统故障诊断新思路。最后对旋风分离器系统的不稳定产生的激振力诱导机械振动问题进行了探讨。