再生器

以上主要是討論了再生器的一般工藝結(jié)構(gòu)，下面對(duì)再生器的幾種主要類型的工藝特點(diǎn)分別進(jìn)行討論。

單段再生是只用一個(gè)流化床再生器來(lái)完成全部再生過(guò)程。由于工藝和設(shè)備結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，故至今仍被廣泛采用。圖1是單段再生器的工藝簡(jiǎn)圖。

對(duì)分子篩催化劑，一單段再生的溫度多在650-700℃之間，當(dāng)催化劑的水熱穩(wěn)定性好時(shí)，有的還提高到730℃，但高溫也會(huì)受到設(shè)備材質(zhì)的限制。對(duì)處于熱平衡操作的裝置，再生溫度與反應(yīng)溫度的差值Δt(兩器溫差)和待生催化劑含炭量與再生催化劑含炭量的差值ΔC(炭差)之間有近似直線關(guān)系:

Δt=KΔC

式中的K值主要是再生煙氣中CO2和CO的比值及過(guò)剩空氣率的函數(shù)。在一定程度上，K值也受到待生催化劑的汽提效果及催化劑比熱容的影響。當(dāng)ΔC達(dá)到0.7%-0.9 %(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，相應(yīng)的勻?yàn)?50-200℃，再生催化劑含炭量降低至0. 1%- 0.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

再生溫度對(duì)燒焦反應(yīng)速率的影響十分顯著，提高再生溫度是提高燒焦速率的有效手段。但在流化床再生器中，燒焦速率還受到氧的傳遞速率的限制，而氧的傳遞速率的溫度效應(yīng)相對(duì)要小得多。而且，在高溫下，催化劑的水熱失活也比較嚴(yán)重。因此，在單段再生時(shí)，密相床層的溫度一般很少超過(guò)730℃。

在燒焦反應(yīng)中原生的COZ和CO的比值是催化劑種類和溫度的函數(shù)，一般為0. 7-0.9。由于在離開(kāi)密相床層前，CO會(huì)在催化劑顆粒內(nèi)的孔隙及外部空間與氧進(jìn)行均相氧化反應(yīng)。因此，工業(yè)再生煙氣中的CO2和CO比值一般達(dá)到1.0-1.3，有的還會(huì)更高些。其中，在稀相區(qū)的CO燃燒占相當(dāng)一部分比例，從而使稀相溫度升高而高于密相溫度。向再生器加入CO助燃劑一可使CO的相當(dāng)一部分甚至全部在密相床內(nèi)燃燒，提高密相床的溫度和燒焦速率，使再生催化劑含炭量降低，從而提高輕質(zhì)油收率并降低焦炭產(chǎn)率，使經(jīng)濟(jì)效益明顯提高。

使用CO助燃劑的另一個(gè)重要的好處是可以防止二次燃燒。稀相區(qū)的催化劑濃度一般為4-20kg/m。由此計(jì)算得到催化劑的熱容量約為煙氣的3-15倍，因此，煙氣夾帶的催化劑可以成為吸收CO燃燒產(chǎn)生的大量熱量的熱阱，減少稀相區(qū)的溫升。當(dāng)煙氣進(jìn)入一級(jí)旋風(fēng)分離器后，其中的催化劑濃度降低至0. 1 kg/m以下，其熱阱作用不復(fù)存在。如果煙氣中的含氧量超過(guò)某個(gè)數(shù)值，CO的燃燒就會(huì)失控而使溫度大幅度升高，又進(jìn)一步加快了燃燒速率，直到把煙氣中的氧全部耗盡為止。此時(shí)的溫升可以高達(dá)400℃以上，造成操作波動(dòng)甚至燒壞設(shè)備。這種現(xiàn)象稱為二次燃燒，也叫尾燃。在不使用CO助燃劑時(shí)，再生溫度高或煙氣中氧濃度高就比較容易發(fā)生二次燃燒。當(dāng)使用CO助燃劑而只是使部分CO燃燒時(shí)也還是要控制煙氣中的氧含量以避免發(fā)生二次燃燒。在使用CO助燃劑而CO完全燃燒時(shí)則對(duì)煙氣中的氧含量沒(méi)有嚴(yán)格的要求。

提高空氣通過(guò)床層的流速能提高氧的傳遞速率，從而提高燒焦強(qiáng)度。工業(yè)上一般采用的空氣線速為0.6-0.7m/s。提高氣速會(huì)使床層密度下降，燒焦強(qiáng)度雖然提高了，但床層單位容積的燒焦能力反而下降，抵消了高線速的好處。單段再生器也有采用高達(dá)1.0m/s以上的線速的，但其稀相區(qū)必須擴(kuò)大直徑。

提高再生壓力可提高氧濃度，使燒焦速率提高。由于兩器壓力平衡的要求，再生壓力的提高必然也使反應(yīng)壓力提高，導(dǎo)致焦炭產(chǎn)率增大。下業(yè)裝置采用的再生器壓力在0.25-0.40MPa(絕)的范圍內(nèi)，對(duì)于含渣油的原料則裂化反應(yīng)壓力不宜高于0.25 MPa(絕)，相應(yīng)的再生壓力不宜高于0.30MPa(絕)。

單段再生的主要問(wèn)題是再生溫度的提高受到限制和密相床層的有效催化劑含炭量低。

兩段再生是把燒焦過(guò)程分為兩個(gè)階段進(jìn)行。在第一段燒去焦炭堂的80%-85%，余下的在第二段再用空氣及在更高的溫度下繼續(xù)燒去。兩段再生可以在一個(gè)再生器筒體內(nèi)分隔為兩段來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以在兩個(gè)獨(dú)立的再生器內(nèi)實(shí)現(xiàn)。圖4是Kellogg公司的上下疊置式兩段再生器的簡(jiǎn)圖。

與單段再生相比，兩段再生的主要優(yōu)越性有:

①對(duì)全返混流化床反應(yīng)器，從反應(yīng)動(dòng)力學(xué)角度看，有效的催化劑含炭量等于再生器出口的再生催化劑含炭量，由于在第一段再生時(shí)只燒去大部分焦炭，第一段出口的半再生催化劑的含炭量高于再生催化劑的含炭量，從而提高了燒焦速率。

②在第二段再生時(shí)可以用新鮮空氣(提高了氧的對(duì)數(shù)平均濃度)和更高的溫度，于是也提高了燒焦速率。

③焦炭中的氫的燃燒速率高于碳的燃燒速率，當(dāng)燒去約80%的碳時(shí)，氫已幾乎全部燒去，因此第二段內(nèi)的水汽分壓可以很低，減輕了催化劑的水熱老化程度。而且，第二段的催化劑藏量比單段再生器的藏量低，停留時(shí)間較短。這兩個(gè)因素都為提高再生溫度創(chuàng)造了條件。

當(dāng)對(duì)再生催化劑含炭量要求很低時(shí)，例如<0. 1%時(shí)，兩段再生有明顯的優(yōu)越性。但是當(dāng)要求再生催化劑含炭量高于0.25%時(shí)，兩段再生反而不如單段再生。

兩段再生時(shí)，第一段和第二段的燒焦比例有一個(gè)優(yōu)化的問(wèn)題，除了考慮在第一段基本上燒去焦炭中的氫之外，還應(yīng)從燒碳動(dòng)力學(xué)的角度來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)工業(yè)裝置，一般是在第一段燒去焦炭量的80%-85%。

從流態(tài)化域來(lái)看，單段再生和兩段再生都屬于鼓泡流化床和湍動(dòng)床的范疇，傳遞阻力和返混對(duì)燒焦速率都有重要的影響。如果把氣速提高到1.0m/s以上，而且氣體和催化劑都向上流動(dòng)，就會(huì)過(guò)渡到快速流化床區(qū)域。此時(shí)，原先成絮狀物的催化劑顆粒團(tuán)變?yōu)榉稚⑾啵瑲怏w轉(zhuǎn)為連續(xù)相，這種狀況對(duì)氧的傳遞十分有利，從而強(qiáng)化了燒焦過(guò)程。此外，隨著氣速的提高，返混程度減小，中上部甚至接近平推流，也有利于燒焦速率的提高。在快速流化床區(qū)域，必須要有較大的固體循環(huán)量才能保持較高的床層密度，從而保證單位容積有較高的燒焦量。

催化裂化裝置的燒焦罐再生(亦稱高效再生)就是采用上述快速流化床的一種方式。圖5是工業(yè)化的快速流化床再生器簡(jiǎn)圖。

圖5中的核心設(shè)備是燒焦罐。為了保持燒焦罐的密相區(qū)的密度達(dá)到70-120kg/m，從第二密相床通過(guò)循環(huán)斜管引入大流量的催化劑。除了此作用以外，循環(huán)催化劑還起到提高燒焦罐內(nèi)起燃溫度的作用。進(jìn)入燒焦罐的待生催化劑的溫度一般在500℃左右，空氣的溫度約為150-200℃，兩者混合后的溫度只有450℃左右，不可能達(dá)到高效再生。因此，從第二密相床引入的高溫再生催化劑，使燒焦罐底部的起燃溫度提高到660-680℃。在工業(yè)裝置中，燒焦罐的燒焦強(qiáng)度約為450-700kg/(t·h)，燒去的焦炭量約占總燒焦量的85%-90%。

稀相管內(nèi)的密度很小，燒去的焦炭量不大，其主要作用是使CO進(jìn)一步燃燒成CO2當(dāng)燒焦罐的溫度低于700℃時(shí)，CO的均相燃燒很難進(jìn)行完全。

第二密相床的主要功能是作為再生器與反應(yīng)器之間的緩沖容器，需有一定的藏量。進(jìn)入第氣密相床的空氣量只占燒焦總空氣量的10%左右，氣速很低，屬于典型的鼓泡流化床，其燒焦強(qiáng)度只有30-50 kg/(t·h)。

由于第二密相床和稀相管的燒焦強(qiáng)度低，故整個(gè)再生器的綜合燒焦弧度約為200-320 kg/(t·h)。

針對(duì)第二密相床燒焦強(qiáng)度低的間題，國(guó)內(nèi)外都做了不少改進(jìn)的開(kāi)發(fā)研究工作，其主要的改進(jìn)方向是提高氣速、降低床層密度、減少氧氣的傳遞阻力。國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)成功的快速床串聯(lián)再生工藝提高了第二密相床的燒焦強(qiáng)度，使整個(gè)再生器的綜合燒焦強(qiáng)度達(dá)到了310 kg/(t·h)。其主要的措施是把燒焦罐出門的煙氣全部引入第二密相床，使氣速達(dá)到1.5-2.0m/s，變成兩個(gè)串聯(lián)的快速流化床再生器。

燒焦罐再生器實(shí)際上是由一個(gè)快速流化床(燒焦罐)與一個(gè)湍動(dòng)床或鼓泡流化床(第二密相床)串聯(lián)而成。對(duì)現(xiàn)有的工業(yè)裝置，欲采用這種方式的難度很大。因此，現(xiàn)有裝置的改造多采用在原有的湍動(dòng)床再生器之后串聯(lián)一個(gè)較小的燒焦罐，稱為后置燒焦罐再生。圖6是其中比較常用的一種后置燒焦罐再生流程簡(jiǎn)圖。