标题：催化裂化再生器
催化裂化再生器
再生器的主要作用是烧去结焦催化剂上的焦炭以恢复催化剂的活性，需的热量。对再生器的主要要求有:
①生催化剂的含炭量较低，一般要求低于0.2%（质量分数）有时要求低达0.05%0.10%（质量分数）。
②有较高的烧焦强度，当以再生器内的有效藏最为基准时，烧焦强度一般为100-250 kg/（t*h）。
③催化剂减活及磨损的条件比较缓和。
④易于操作，能耗及投资较少。
⑤能满足环境保护要求。
  表1 各种组合方式的再生形式为了实现以上目标，工业上有各种型式的再生器，大体可分为三种类型：单段再生、两段再生、快速流化床再生。表1列出了各种组合方式的再生型式以及它们的主要指标。图1是单段再生的再生器简图，以下以此图为例说明再生器的基本工艺结构。
再生器的结构再生器的壳体是钢制的大型筒休，国外最大的直径达  图1 再生器的工艺结构16.8m（装置处理能力8.5Mt/a）。壳体内的上部为稀相区，下部为密相区。密相区的有效藏量由烧焦负荷及烧焦强度确定，根据密相区的有效藏量和固体密度可决定密相风的容积。所谓有效藏量是指处于烧焦环境中的藏量。密相区的直径由空塔气用较高的气速可以有较高的烧焦强度，从而使藏量减少，但床层密度下降而使床层体积增大，因此，气速的选择有一合理的范围。密相区的直径和容积确定后，即可确定其高度。密相区的床层高度一般为5-7m。为了避免过多地带出催化剂及增大催化剂的损耗，稀相区的气速不能太高，对堆积密度较小的催化剂一般采用0.6-0.7m/S，对堆积密度较入的催化剂则可采用0. 8 - 0.9 m/s。从密相区向上到一级旋风分离器入口之间的稀相空间高度应大于TDH。即使如此，稀相空间仍有一定的催化剂浓度，为了减少催化剂的损耗，再生器内装有两级串联的旋风分离器，其回收固体颗粒的效率应在99.99%以上。旋风分离器的直径不能过大，以免降低分离效率，因此，在烧焦负荷大的再生器内装有几组旋风分离器，它们的升气管连接到一个集气室将烟气导出再生器。
为了使烧焦空气（工厂里多称为主风）进入床层时能沿整个床截面分布均匀，在再生器下部装有空气分布器，其主要结构形式有分布板式（碟形）和分布管式（平面树枝形和环形）两类。碟形分布板上开有许多小孔，孔直径为16-25mm，孔数为10-20/㎡。分布板可使空气得到良好的分布，但是大直径的分布板长期在高温下操作易变形而使空气分布状况变差。目前工业上使用较多的是管式分布器，这种分布器在树枝形分布管或环形分布管上设有向下倾斜45°的喷嘴，空气由喷嘴向下喷出，再返回上面的床层。
待生催化剂进入再生器和再生催化剂出再生器的方式及相关的结构形式随再生器的结构、再生器与反应器的相对位置等因素而多种多样，同时还应从反应工程的角度考虑如何能有较高的烧焦效率。一般来说，待生催化剂从再生器床层的中上部进入，并且以设有分配器为佳;再生催化剂从床层的中下部引出，通常是通过淹流管引出。
在以馏分油为原料的催化裂化装置中，一般是处于热平衡操作。但在重油催化裂化装置中，由于焦炭产率高，再生器内产生的热量过剩，必须另外取走一部分热量才能维持两器的热平衡。工业上曾经采用在再生器内安装取热盘管或管束的办法来取走过剩的热量，称为内取热方式。由于操作灵活性差及取热管易损坏，近年来，内取热方式已被外取热方式逐渐所替代。外取热方式是在再生器壳体外部设一催化剂冷却器（称外取热器），从再生器密相床层引出部分热催化剂，经外取热器冷却，温度降低约100-200℃，然后返回再生器。这种取热方式可以采用调节引出的催化剂的流率的方法改变冷却负荷，其操作弹性可在0-100%之间变动，这就使再生温度成为一个独立调节变动，从而可以适合不同条件下的反应—再生系统热平衡的需要。
外取热器主要类型  图2 下行式外取热器目前上业应用的外取热器主要有两种类型，即下行式外取热器和上行式外取热器，它们的结构分别见图2和图3。下行式外取热器的操作方式是从再生器来的催化剂自上而下通过取热器，流化空气以0.3-0.5m/s的表观流速自下而上穿过取热器使催化剂保持流化状态。在取热器内也形成了密相床层和稀相区，夹带了少量催化剂的气体从卜部的排气管返回再生器的稀相区。取热器内装有管束，通入软化水以产生水蒸气，从而带走热量。催化剂循环量由出口管线上的滑阀调节，取热器内密相床层料面高度则由热催化剂进口管线上的滑阀调节。
上行式外取热器的操作方式是热催化剂进入取热器的底部，输送空气以1.0-1.5m/s的表观流速携带催化剂自下而上经过取热器，然后经顶部出门管线返回再生器的密相床层的中上部。在取热器内的气固流动属于快速床范畴，其催化剂密度一般为100-200kg/m。催化剂的循环量由热催化剂入口管线上的滑阀调节。
再生器的主要类型
  图3 上行式外取热器以上主要是讨论了再生器的一般工艺结构，下面对再生器的几种主要类型的工艺特点分别进行讨论。
1．单段再生单段再生是只用一个流化床再生器来完成全部再生过程。由于工艺和设备结构比较简单，故至今仍被广泛采用。图1是单段再生器的工艺简图。
对分子筛催化剂，一单段再生的温度多在650-700℃之间，当催化剂的水热稳定性好时，有的还提高到730℃，但高温也会受到设备材质的限制。对处于热平衡操作的装置，再生温度与反应温度的差值Δt（两器温差）和待生催化剂含炭量与再生催化剂含炭量的差值ΔC（炭差）之间有近似直线关系:
Δt=KΔC
式中的K值主要是再生烟气中CO2和CO的比值及过剩空气率的函数。在一定程度上，K值也受到待生催化剂的汽提效果及催化剂比热容的影响。当ΔC达到0.7%-0.9 %（质量分数）时，相应的匀为150-200℃，再生催化剂含炭量降低至0. 1%- 0.2%（质量分数）。
再生温度对烧焦反应速率的影响十分显著，提高再生温度是提高烧焦速率的有效手段。但在流化床再生器中，烧焦速率还受到氧的传递速率的限制，而氧的传递速率的温度效应相对要小得多。而且，在高温下，催化剂的水热失活也比较严重。因此，在单段再生时，密相床层的温度一般很少超过730℃。
在烧焦反应中原生的COZ和CO的比值是催化剂种类和温度的函数，一般为0. 7-0.9。由于在离开密相床层前，CO会在催化剂颗粒内的孔隙及外部空间与氧进行均相氧化反应。因此，工业再生烟气中的CO2和CO比值一般达到1.0-1.3，有的还会更高些。其中，在稀相区的CO燃烧占相当一部分比例，从而使稀相温度升高而高于密相温度。向再生器加入CO助燃剂一可使CO的相当一部分甚至全部在密相床内燃烧，提高密相床的温度和烧焦速率，使再生催化剂含炭量降低，从而提高轻质油收率并降低焦炭产率，使经济效益明显提高。
使用CO助燃剂的另一个重要的好处是可以防止二次燃烧。稀相区的催化剂浓度一般为4-20kg/m。由此计算得到催化剂的热容量约为烟气的3-15倍，因此，烟气夹带的催化剂可以成为吸收CO燃烧产生的大量热量的热阱，减少稀相区的温升。当烟气进入一级旋风分离器后，其中的催化剂浓度降低至0. 1 kg/m以下，其热阱作用不复存在。如果烟气中的含氧量超过某个数值，CO的燃烧就会失控而使温度大幅度升高，又进一步加快了燃烧速率，直到把烟气中的氧全部耗尽为止。此时的温升可以高达400℃以上，造成操作波动甚至烧坏设备。这种现象称为二次燃烧，也叫尾燃。在不使用CO助燃剂时，再生温度高或烟气中氧浓度高就比较容易发生二次燃烧。当使用CO助燃剂而只是使部分CO燃烧时也还是要控制烟气中的氧含量以避免发生二次燃烧。在使用CO助燃剂而CO完全燃烧时则对烟气中的氧含量没有严格的要求。
提高空气通过床层的流速能提高氧的传递速率，从而提高烧焦强度。工业上一般采用的空气线速为0.6-0.7m/s。提高气速会使床层密度下降，烧焦强度虽然提高了，但床层单位容积的烧焦能力反而下降，抵消了高线速的好处。单段再生器也有采用高达1.0m/s以上的线速的，但其稀相区必须扩大直径。
提高再生压力可提高氧浓度，使烧焦速率提高。由于两器压力平衡的要求，再生压力的提高必然也使反应压力提高，导致焦炭产率增大。下业装置采用的再生器压力在0.25-0.40MPa（绝）的范围内，对于含渣油的原料则裂化反应压力不宜高于0.25 MPa（绝），相应的再生压力不宜高于0.30MPa（绝）。
单段再生的主要问题是再生温度的提高受到限制和密相床层的有效催化剂含炭量低。
2．两段再生两段再生是把烧焦过程分为两个阶段进行。在第一段烧去焦炭堂的80%-85%，余下的在第二段再用空气及在更高的温度下继续烧去。两段再生可以在一个再生器筒体内分隔为两段来实现，也可以在两个独立的再生器内实现。图4是Kellogg公司的上下叠置式两段再生器的简图。
与单段再生相比，两段再生的主要优越性有:  图4 Kellogg公司上下叠置式两段再生器简图
①对全返混流化床反应器，从反应动力学角度看，有效的催化剂含炭量等于再生器出口的再生催化剂含炭量，由于在第一段再生时只烧去大部分焦炭，第一段出口的半再生催化剂的含炭量高于再生催化剂的含炭量，从而提高了烧焦速率。
②在第二段再生时可以用新鲜空气（提高了氧的对数平均浓度）和更高的温度，于是也提高了烧焦速率。
③焦炭中的氢的燃烧速率高于碳的燃烧速率，当烧去约80%的碳时，氢已几乎全部烧去，因此第二段内的水汽分压可以很低，减轻了催化剂的水热老化程度。而且，第二段的催化剂藏量比单段再生器的藏量低，停留时间较短。这两个因素都为提高再生温度创造了条件。
当对再生催化剂含炭量要求很低时，例如<0. 1%时，两段再生有明显的优越性。但是当要求再生催化剂含炭量高于0.25%时，两段再生反而不如单段再生。
两段再生时，第一段和第二段的烧焦比例有一个优化的问题，除了考虑在第一段基本上烧去焦炭中的氢之外，还应从烧碳动力学的角度来进行优化。对工业装置，一般是在第一段烧去焦炭量的80%-85%。
3.快速流化床再生  图5 快速流化床再生器简图从流态化域来看，单段再生和两段再生都属于鼓泡流化床和湍动床的范畴，传递阻力和返混对烧焦速率都有重要的影响。如果把气速提高到1.0m/s以上，而且气体和催化剂都向上流动，就会过渡到快速流化床区域。此时，原先成絮状物的催化剂颗粒团变为分散相，气体转为连续相，这种状况对氧的传递十分有利，从而强化了烧焦过程。此外，随着气速的提高，返混程度减小，中上部甚至接近平推流，也有利于烧焦速率的提高。在快速流化床区域，必须要有较大的固体循环量才能保持较高的床层密度，从而保证单位容积有较高的烧焦量。
催化裂化装置的烧焦罐再生（亦称高效再生）就是采用上述快速流化床的一种方式。图5是工业化的快速流化床再生器简图。
图5中的核心设备是烧焦罐。为了保持烧焦罐的密相区的密度达到70-120kg/m，从第二密相床通过循环斜管引入大流量的催化剂。除了此作用以外，循环催化剂还起到提高烧焦罐内起燃温度的作用。进入烧焦罐的待生催化剂的温度一般在500℃左右，空气的温度约为150-200℃，两者混合后的温度只有450℃左右，不可能达到高效再生。因此，从第二密相床引入的高温再生催化剂，使烧焦罐底部的起燃温度提高到660-680℃。在工业装置中，烧焦罐的烧焦强度约为450-700kg/（t·h），烧去的焦炭量约占总烧焦量的85%-90%。
稀相管内的密度很小，烧去的焦炭量不大，其主要作用是使CO进一步燃烧成CO2当烧焦罐的温度低于700℃时，CO的均相燃烧很难进行完全。
第二密相床的主要功能是作为再生器与反应器之间的缓冲容器，需有一定的藏量。进入第气密相床的空气量只占烧焦总空气量的10%左右，气速很低，属于典型的鼓泡流化床，其烧焦强度只有30-50 kg/（t·h）。
由于第二密相床和稀相管的烧焦强度低，故整个再生器的综合烧焦弧度约为200-320 kg/（t·h）。
  图6 后置烧焦罐再生器流程简图针对第二密相床烧焦强度低的间题，国内外都做了不少改进的开发研究工作，其主要的改进方向是提高气速、降低床层密度、减少氧气的传递阻力。国内开发成功的快速床串联再生工艺提高了第二密相床的烧焦强度，使整个再生器的综合烧焦强度达到了310 kg/（t·h）。其主要的措施是把烧焦罐出门的烟气全部引入第二密相床，使气速达到1.5-2.0m/s，变成两个串联的快速流化床再生器。
烧焦罐再生器实际上是由一个快速流化床（烧焦罐）与一个湍动床或鼓泡流化床（第二密相床）串联而成。对现有的工业装置，欲采用这种方式的难度很大。因此，现有装置的改造多采用在原有的湍动床再生器之后串联一个较小的烧焦罐，称为后置烧焦罐再生。图6是其中比较常用的一种后置烧焦罐再生流程简图。[1]