王 娟， 余海艷， 解 凱， 徐皓晗， 王 壯， 王江云, 毛 羽

(1.中國石油大學(北京) 重質油國家重點實驗室，北京 102249；2.過程流體過濾與分離技術北京市重點實驗室，北京 102249)

流化催化裂化(Fluid catalytic cracking, FCC)是重油加工過程中的一種重要工藝，在國內石油加工工業(yè)中占有舉足輕重的地位[1]。沉降器是催化裂化反應再生系統(tǒng)的重要組成裝備之一，其主要作用是將反應油氣與催化劑進行分離，并將待生催化劑引入再生器燒焦再生，反應油氣則通過油氣管線進入分餾塔進行餾分切割[2]。近年來，隨著石油資源的緊張，原料油的重質化、劣質化以及摻渣率不斷提高，原料性質越來越差，使得產物分布及產品質量變差，沉降器結焦問題日益嚴重，已成為影響催化裂化裝置平穩(wěn)操作和長周期安全運行的重大隱患[3]。結焦物占據(jù)了一定的流動空間，使流動阻力增加及設備性能有所下降，同時降低催化劑的活性，從而影響催化劑的效果[4-5]。當操作發(fā)生波動時，由于焦塊與鋼材的熱膨脹系數(shù)不同，很容易引起焦塊脫落，堵塞沉降器汽提段和分離器料腿，輕則導致催化劑循環(huán)不暢或催化劑大量跑損，重則導致催化劑循環(huán)終止，裝置被迫停工，增加了裝置檢修的工作量及難度，給企業(yè)造成重大的經濟損失[6-7]。

目前，國內外眾多學者都對催化裂化沉降器結焦問題進行了相關的研究，然而對于結焦問題的系統(tǒng)性分析總結，研究報道尚很少見。筆者通過調研前人對沉降器結焦問題的研究分析，系統(tǒng)地總結了結焦的部位及原因、結焦物的基本特性、結焦機理、結焦的影響因素及結焦的應對措施，以期為沉降器的優(yōu)化操作提供參考。

1 沉降器結焦部位及原因

催化裂化裝置在長久運行的過程中，容易出現(xiàn)結焦問題[8]。工業(yè)生產實踐[6,9-10]和學術研究[11]表明，沉降器中容易出現(xiàn)結焦的部位主要有提升管進料噴嘴上方區(qū)域、穹頂內壁、集氣室內壁、粗旋及頂旋外壁、粗旋及頂旋料腿、頂旋升氣管外壁和汽提段，如圖1所示。結焦是烯烴、芳烴類、部分未氣化重組分等混合物發(fā)生縮合反應的過程，以催化劑顆粒為中心并逐漸長大[12]。目前的研究表明[13-15]，沉降器結焦必須具備2個條件：①存在易結焦物質；②具備結焦的環(huán)境和條件。結焦物質包括油氣組分、油液滴(未氣化的液滴和冷凝形成的液滴)和催化劑顆粒，是沉降器結焦的內因。沉降器內氣、固多相流動，傳熱和傳質的狀況(流場、溫度場、催化劑含量和壓力分布) 為結焦提供了必要的環(huán)境條件，是沉降器結焦的外因。沉降器結焦問題是內、外因綜合作用的結果。

A—The inner wall of the plenum； B—The area above the risernozzle； C—The outer wall of rough-cut cyclone； D—The dipleg ofrough-cut cyclone； E—Stripper； F—The dipleg of secondary cyclone；G—The outer wall of secondary cyclone； H—The outer wall ofvortex finder of secondary cyclone； I—The inner wall of dome圖1 沉降器結焦部位示意圖Fig.1 Schematic diagram for coking parts of the disengager

1.1 沉降器結焦內因分析

進入沉降器的介質包括提升管反應器出口的油氣和催化劑顆粒。反應油氣包括以氣相形式存在的裂化氣、汽油、柴油、回煉油、油漿以及以液相形式存在的重組分[13]。目前的研究表明[14]，沉降器內反應油氣中的氣相組分不結焦，沉降器結焦的內在原因是液相重組分。反應油氣的液相組分包括未汽化的液滴和重組分冷凝后形成的液滴。這些液滴以自由沉降、自由擴散或黏附的方式低速運動并沉積在器壁或內構件表面。部分液相中的重芳烴含有3個以上的芳環(huán)，芳環(huán)在高溫下很難斷裂開；相反重芳烴的側鏈在高溫下斷裂后易縮合成稠環(huán)芳烴，它在高溫下會發(fā)生脫氫縮合反應而生成焦炭。膠質和瀝青質含有5個以上芳環(huán)，屬于稠環(huán)芳烴，在高溫條件下也會發(fā)生脫氫縮合反應后生成焦炭[13,16-17]。

油氣中的催化劑顆粒與高沸點未氣化的組分接觸形成“濕催化劑”。這些“濕催化劑”也會低速運動并沉積在器壁或內構件表面，油液滴和催化劑顆粒交錯層疊，有時油液滴包裹著催化劑顆?；驃A在堆積的催化劑顆粒之間。隨著“濕催化劑”中重組分脫氫縮合反應的進行，最終生成焦炭，“濕催化劑”中催化劑顆粒構成了焦炭的一部分[13,18]。此外，“濕催化劑”中未氣化重組分與沉降器油料中較多的膠質和瀝青質在高溫下會發(fā)生激烈的化學反應，形成焦炭、烯烴及二烯烴，烯烴和二烯烴非常活潑，在高溫下容易發(fā)生聚合和環(huán)化反應，生成稠環(huán)芳烴，最終脫氫縮合生成焦炭[17,19]。

1.2 沉降器結焦外因分析

1.2.1 流場分布對結焦的影響

沉降器內的流場分析表明[20]，沉降器內各個區(qū)域的油氣流速有很大的差異，如圖2所示。根據(jù)油氣流速大小可以將沉降器空間劃分為3個區(qū)域：①油氣靜止區(qū)域；②油氣低速流動區(qū)域；③油氣高速區(qū)域。在油氣靜止和油氣低速流動區(qū)域，油氣容易聚集，停留時間增長，不僅油氣和催化劑顆粒黏附并一起運動沉積到壁面的機率增大，而且更易于發(fā)生生焦反應。在油氣高速運動區(qū)域，油氣停留時間短，由于油氣的沖刷作用，不僅油氣和催化劑黏附沉積在壁面的機率小，而且即使黏附在壁面上也不牢固,難以發(fā)生生焦反應。因此，沉降器的生焦速率與油氣流速及油氣停留時間密切相關，生焦速率與油氣流速成反比，而與油氣停留時間成正比[21-22]。

Ⅰ—Low velocity zone; Ⅱ—High velocity zone;Ⅲ—Dense phase zone圖2 FCC沉降器內部流場示意圖Fig.2 Schematic diagram of flow field in the FCC disengager

1.2.2 溫度場分布對結焦的影響

沉降器內的溫度分布情況直接影響著油氣的汽化冷凝和油氣熱裂化反應進行程度，從而影響著沉降器內的結焦情況[13]。沉降器內的溫度場研究表明[23-24]，沉降器內油氣溫度分布并不是均勻的，在沉降器內壁附近存在低于油氣露點的低溫區(qū)，而在沉降器內其他區(qū)域油氣溫度較高。沿著沉降器軸向從下而上，油氣溫度在整個沉降器空間內近似呈兩頭高中間低的凹狀分布。沿著沉降器空間徑向溫度分布相對較均勻，但在粗旋排氣管出口和料腿出口存在局部高溫，這是由于在高速高溫下油氣從粗旋排氣管離開并迅速進入頂旋入口，對周圍空間溫度影響很小，形成局部高溫，而大量高溫催化劑夾帶少量油氣從粗旋料腿排出，此處也形成局部高溫[25-26]。當油氣在流動過程中遇到低溫區(qū)域時，其重組分因達到露點而冷凝為液滴，溫度越低，冷凝率越大，形成的液滴越多，黏附在壁面上的機率越大，其黏附壁面的液滴數(shù)量越多，生成的焦炭就越多。

1.2.3 催化劑含量分布對結焦的影響

焦物分析結果表明[16,18]，沉降器內的焦塊中含有催化劑，催化劑是焦炭的主要組成。對于沉降器中重組分液滴而言，催化劑顆粒起到了結焦中心的作用，凡是沉降器中容易積存催化劑的地方，結焦都比較嚴重，在催化劑濃度高的區(qū)域，黏附在壁面上的催化劑增多，生成的焦炭量增加[27]。因此,沉降器內催化劑濃度分布情況對結焦過程也存在著一定的影響。催化劑濃度分布研究表明[23-24,28]，催化劑濃度沿軸向從下向上逐漸減小，在沉降器內形成了非常明顯的密相區(qū)和稀相區(qū)。此外，在粗旋肩部、頂旋肩部、粗旋入口管等區(qū)域也沉積有一定量的催化劑。

1.2.4 壓力分布對結焦的影響

壓力分布研究表明[11,29-30]，沉降器內油氣壓力分布不均，根據(jù)壓力范圍可以將沉降器空間劃分為3個區(qū)域：①高壓區(qū)(粗旋及提升管內部區(qū)域)；②低壓區(qū)(頂旋內部區(qū)域)；③中壓區(qū)(沉降器空間)，如圖3所示。反應器結構形式決定了油氣的流動方向和流場分布，進而影響壓力分布，從而影響了油氣停留時間，最終影響結焦狀況。

Ⅰ—High pressure area; Ⅱ—Medium pressure area;Ⅲ—Low pressure area; Ⅳ—Dense phase zone圖3 FCC沉降器內部壓力分布Fig.3 Pressure distribution in the FCC disengager

2 沉降器中結焦物的基本特性

2.1 結焦物分類

由于催化裂化反應的操作條件及設備構造不同，生成的結焦物也不盡相同，結焦物的歸類分析對提出防止結焦措施具有重要的指導意義。結焦物的分類標準多樣。宋健斐等[18,31]、胡敏等[32]根據(jù)焦的宏觀特征將其分為3類：軟焦、中性焦和硬焦。軟焦是催化劑顆?；蛴蜌庠谟蜌忪o止空間以自由沉降和擴散方式堆積在器壁表面而發(fā)生的結焦物。其表面為黑灰色，含有大量催化劑顆粒和空隙，質地松散易粉碎，主體是催化劑顆粒，焦分布在催化劑顆粒之間或表面，形成的焦量大，危害最大，多發(fā)生于油氣流速較低或相對靜止的區(qū)域。中性焦是催化劑顆?；蛴蜌庠谟蜌饬魉龠\動到器壁表面而發(fā)生的結焦物,其為灰黑色外觀，斷面有許多微孔，質地較致密堅硬，大多發(fā)生在油氣流速較低的區(qū)域。硬焦是油氣液滴和細小催化劑顆粒在油氣流動狀態(tài)下在器壁表面的附面層內以沉積方式黏附在器壁表面形成的結焦物,其為烏黑發(fā)亮外觀，表面光滑并有明顯的沖刷痕跡，結構致密，質地堅硬,敲擊有金屬聲音，主體是焦，焦連成一體，催化劑擠在焦體之間，分布在油氣流速較高、速度梯度變化較大、催化劑濃度較低的區(qū)域。邢穎春等[21]、Wang等[33]根據(jù)焦的產生方式將其分為4類：催化焦、附加焦、可汽提焦、污染焦。催化焦是烴類在催化劑活性中心上反應時生成的焦。可汽提焦是在汽提器內因汽提不完全而殘留在催化劑上的重組分烴類生成的焦。污染焦是重金屬沉積在催化劑表面上促進油氣脫氫縮合反應而產生的焦。附加焦是原料中生焦前身物(主要是膠質、瀝青質等高沸點、稠環(huán)芳烴化合物)在催化劑表面或其他表面上脫氫縮合反應生成的焦，前期以液態(tài)或液滴方式存在。宋健斐[31]、魏耀東等[16]根據(jù)焦的微觀特征將其劃分為4類：絲狀焦、滴狀焦、塊狀焦、顆粒焦。絲狀焦是鐵、鎳金屬元素催化烴類氣體以及易生焦物發(fā)生脫氫縮合反應，以催化劑顆粒形成結焦中心并逐漸長大；絲的根部固定在催化劑顆粒表面，絲的直徑變化不大，但長短不一，無明顯的方向性，彎曲盤繞。滴狀焦是稠環(huán)芳烴發(fā)生脫氫縮合反應并且高沸點未汽化油滴黏附在催化劑顆粒或器壁表面形成的“焦核”。其附著在催化劑表面或結焦的表面，大小不同的多個滴狀焦相互重疊，形成堆積狀。塊狀焦是高沸點未汽化油滴相互溶解后再發(fā)生脫氫縮合反應或聚合環(huán)化反應形成的。其主體是焦，焦融合在一起形成焦塊，催化劑顆粒被包裹在焦體之中。顆粒焦是油氣在氣相中發(fā)生脫氫縮合反應或聚合環(huán)化反應形成微小結焦顆粒并相互團聚形成的。其為白色細小顆粒，散落在其他結焦表面或催化劑顆粒表面。各類焦的結構、特點及產生原因迥異， FCC沉降器內的結焦物一般是多種結焦物分類方式的綜合。

2.2 結焦物組成

沉降器內不同部位的結焦其主要成分有很大的差異，這種差別與油氣組分、溫度、停留時間、流動狀態(tài)等因素有關[7]。鈕根林等[34]、宋健斐[31]對不同部位結焦物組分組成進行研究，結果如表1所示。結果表明：結焦物灰分含量較高，不同部位的結焦物其灰分含量不同，范圍為質量分數(shù)30%～70%，其他主要為C、H、S和N等元素，這些元素均為原料本身所含有的元素。結焦物的H/C質量比很低，約為0.015～0.041，說明它是一種高度碳化的焦。焦塊中灰分的組成為：硅(以SiO2計)45.0%，鋁(以Al2O3計)47.3%，鐵(以Fe2O3計)2.47%，鈣(以CaO計) 0.55%。由表2還可以看出，灰分主要由鋁和硅2種元素組成，而這2種元素基本是催化劑的主要成分，因此，灰分就是催化劑顆粒。綜上所述，焦塊基本由C、H 2種元素和催化劑組成，是一種高度碳化的焦。

表1 沉降器內不同部位焦塊的組分Table 1 Components of coke blocks in different parts of the disengager

3 沉降器結焦機理分析

結焦機理很復雜，是一系列化學反應和物理變化相互結合共同產生的綜合結果[4,35]。目前對于沉降器結焦機理的研究主要有2類[4]：

(1)化學反應過程機理，又可以分為3種[2,36]：(a)重組分高溫縮合機理，未汽化的原料重組分黏附在器壁或催化劑顆粒表面上，在沉降器操作條件下發(fā)生縮合反應后生成焦炭；(b)相分離生焦機理，油漿等重餾分具有膠體體系的行為特征，重油液相熱轉化過程中的結焦,實際上就是膠體體系的相分離過程；(c)自由基反應機理，在反應混合油氣中，由于發(fā)生自由基反應而產生大量的聚合物，這些聚合物進一步縮合生成焦炭。

(2)油劑流動、焦體沉積與增長過程機理[4]。結焦主要分2步：第一步形成結焦前體；第二步結焦前體在壁面黏附、固化積累和增長形成焦塊。

4 沉降器結焦的主要影響因素

4.1 沉降器操作條件對結焦的影響

4.1.1 原料性質的影響

原料性質是導致沉降器結焦的本質因素[37-38]。原料性質越差,殘?zhí)苛吭礁?；原料中的稠環(huán)芳烴、膠質及瀝青質等重組分含量越高，高沸點組分含量越多，這不但導致原料在提升管內的氣化率降低，形成的濕催化劑含量增多，生焦能力增強，而且反應產物中重組分含量也同時增多，為結焦提供了內因[33,39-40]。

4.1.2 催化劑的影響

催化劑是焦塊形成的重要條件之一。催化劑含量對沉降器結焦影響重大[41]。催化劑含量越高，裂化反應越劇烈，就會生成更多的焦炭。孟憲苓等[42]考察了在反應溫度380 ℃、反應時間40 min條件下催化劑含量對油漿系統(tǒng)生焦性能的影響，發(fā)現(xiàn)油漿中催化劑含量越大，反應系統(tǒng)生焦量越大。王剛等[43]發(fā)現(xiàn)：對于平均沸點較低的油漿重餾分，隨著催化劑含量增大，其生焦率增加趨勢較明顯；隨著重餾分平均沸點提高，催化劑對其生焦率的影響越來越小。Lan等[44]通過對不同再生催化劑含量下生焦率的研究，發(fā)現(xiàn)隨著再生催化劑含量的增加，生焦率呈上升趨勢。

4.1.3 反應溫度的影響

反應溫度是指提升管出口參加反應的油氣溫度，是導致沉降器結焦的重要外因[27,45]。反應溫度對結焦的影響有2方面，一是影響油氣的汽化率，二是影響油氣的反應速率。當溫度降低至油氣中某組分的露點溫度時，該組分就會冷凝為液滴，溫度越低，形成的液滴數(shù)量越多，黏附于沉降器器壁的機率越大，生成的焦炭就越多[21,46]。Yan等[47]研究結果表明，油氣溫度對油漿的汽化率有著重要影響。當油氣溫度低于油漿露點溫度時，隨著溫度的降低，油漿汽化率迅速下降，油滴數(shù)量迅速增加，使得冷凝結焦發(fā)生的概率增大。王剛等[43]、繆超等[23]實驗研究發(fā)現(xiàn)，隨著反應溫度的升高，各油漿重餾分的生焦率均逐漸降低。Lan等[44]通過對不同反應溫度料漿裂化效果和焦炭收率的比較，發(fā)現(xiàn)隨著反應溫度的升高，料漿轉化率和焦炭收率均呈上升趨勢。

4.1.4 再生劑溫度和劑/油質量比的影響

再生劑溫度和劑/油質量比決定了進料油和催化劑混合后的溫度。劑/油質量比決定了再生劑帶給進料油汽化和反應所需的熱量。再生劑溫度和劑/油比越高，進料油獲得的熱量就越多，汽化率也越高，反應越完全。再生劑溫度低，可以通過增大劑/油比來提高進料油與催化劑接觸的表面積，從而提高汽化率。若再生劑溫度過低及劑/油比過小，進料油的汽化率會降低，導致濕催化劑增多，結焦概率增大[3,33,37]。

4.2 沉降器結構條件對結焦的影響

4.2.1 粗旋與頂旋連接結構的影響

粗旋與頂旋連接方式對反應油氣在沉降器內的油氣流動狀況和停留時間起著決定性作用。油氣的運動死區(qū)越多，停留時間越長，沉降器越容易結焦[12]。王娟等[48]研究發(fā)現(xiàn)，粗頂旋的敞口式連接使得從粗旋排氣管出口排出的氣流不能對準頂旋入口，反應油氣未全部進入頂旋入口，有相當一部分油氣從頂旋入口的側面進入了沉降器空間，導致停留時間變長，為濕催化劑的黏附和高沸點組分的冷凝提供有利的條件。中國石油長慶石化公司對沉降器內粗頂旋連接結構進行了直連改造，運行后發(fā)現(xiàn)沉降器上部基本無油氣停留，油氣二次反應減少，產品分布得到了改善[49]。

4.2.2 快分系統(tǒng)結構的影響

提升管出口設置快分系統(tǒng)的目的在于使催化劑與油氣快速分離以抑制反應的繼續(xù)進行，因此，快分系統(tǒng)需滿足的條件為停留時間短及提高催化劑的分離效率[50]。此外，快分系統(tǒng)中分離器的入口結構直接關乎到氣流在分離器內的流動形式，也是影響分離效率的重要因素。快分系統(tǒng)中頂旋分離器升氣管外壁結焦最為常見且危害性最大，這是由于頂旋分離器升氣管外壁附近存在著低速的“滯流區(qū)”,極易導致催化劑顆粒和重油液滴向升氣管壁表面黏附和沉積的緣故[4,51]。

5 抑制或減緩沉降器結焦的措施

結合上述對沉降器結焦原因、機理及影響因素的分析總結，減少和延緩沉降器結焦的措施可以分為2類，即抑制油氣重組分的冷凝和減少油氣在沉降器內的停留時間。油氣重組分的冷凝和停留時間不僅受反應溫度、油氣分壓及操作手法等操作條件的影響，而且取決于沉降器的內部結構。因此，沉降器的防焦措施也可以分為優(yōu)化操作條件和沉降器內部結構2個方面。

5.1 優(yōu)選反應物和操作條件

5.1.1 優(yōu)化原料

原料性質影響沉降器結焦。提供合適的催化裂解原料，控制原料的性質尤為重要。改善原料性質有以下3種方式：(1)適當渣油脫瀝青、油漿抽提除去重芳烴，將劣質原料優(yōu)質化[38]；(2)采用原油和回煉油混合進料的方式，降低進料油的黏性，提升進料油的汽化率[45]；(3)多回煉回煉油，少回煉油漿[32]。

5.1.2 優(yōu)選催化劑

選取的催化劑要具備重油裂解能力強、抗重金屬污染能力強、焦炭選擇性好、汽提性及水熱穩(wěn)定好等特點[41,52]。此外，催化劑的粒度分布合適，細粉含量過高，會增加結焦的機率[39]。

5.1.3 提高沉降器溫度

提高沉降器溫度不僅可以避免油氣重組分冷凝，降低油氣的冷凝率，而且還可以降低油氣的生焦率。因此，提高沉降器溫度，可以減緩沉降器結焦。提高沉降器溫度有以下3種途徑：(1)加強沉降器保溫，避免散熱損失；(2)向汽提段通入適量過熱蒸汽，提高汽提段溫度，避免油氣冷凝，油氣中的重組分可裂化為小分子的輕烴，避免生焦[24,53]；(3)沉降器內的防焦蒸汽采用過熱蒸汽，防止沉降器存在低溫死區(qū)[54]。

5.1.4 降低油氣分壓

降低油氣分壓可以降低油氣露點溫度，從而避免重組分冷凝，減少結焦[24]。降低油氣分壓可以從4個途徑展開：(1)提高霧化的蒸汽量，降低油氣分壓，提高蒸汽對進料的破碎程度，使進料霧化成粒徑更小的微細顆粒，提高霧化效果，使油氣與催化劑充分接觸快速汽化進行反應[55]；(2)增加防焦蒸汽量，降低穹頂處的油氣分壓，避免油氣在頂部死區(qū)聚集[15,24]；(3)提高油氣中水蒸氣所占比例，降低油氣分壓；(4)注入惰性終止劑介質(如酸性水)，有效地降低油氣分壓，降低干氣產率，減少結焦[56]。

5.2 優(yōu)化沉降器結構

5.2.1 優(yōu)化粗旋與頂旋連接

合理的粗頂旋連接方式有助于縮短油氣在沉降器內的停留時間和防止反應物的過度裂化，從而減少沉降器內的結焦[57]。王江云等[57-58]在粗旋出口處增設矩形導流段的模擬結果表明，矩形導流段的加入使得進入沉降器稀相空間的油氣量顯著降低，且導流段長度越長，進入沉降器稀相空間的油氣量降低得越顯著。劉美麗等[59]的研究結果表明，改進粗旋出口與頂旋入口的相對位置，絕大部分油氣直接進入頂旋，進入沉降器空間的油氣量減少。袁曉云等[49]將沉降器內分離器連接形式由軟連接改為直連，發(fā)現(xiàn)沉降器空間內基本無油氣滯留。Song等[60-61]提出了兩級旋風的3種連接結構，發(fā)現(xiàn)C型結構可直接將氣流從一級旋風出口導向二級旋風進口，停留時間短，壓力降低。

5.2.2 優(yōu)化快分系統(tǒng)

催化裂化提升管出口的反應油氣經過快分系統(tǒng)實現(xiàn)“三快”，即油氣與催化劑的快速分離、油氣的快速引出以及催化劑的快速預汽提，避免了油氣在高溫區(qū)停留時間過長而產生的過裂化反應，造成沉降器內油氣的結焦傾向[62]。為此，國內外相繼開發(fā)出了一系列快速分離系統(tǒng)[63]。中國石油大學先后開發(fā)了環(huán)形擋板汽提式粗旋快分系統(tǒng)(FSC)[64]、密相環(huán)流預汽提器快分系統(tǒng)(CSC)[65]、旋流式快分系統(tǒng)(VQS)[66]、帶有隔流筒旋流快分系統(tǒng)(SVQS)[67]、緊湊式旋流快分系統(tǒng)(CVQS)[68-69]和超短快分系統(tǒng)(SRTS、SSQS)[70-71]。國外較有代表性的技術有Mobil公司的閉式直聯(lián)旋分系統(tǒng)[72]、Stone & Webster公司的軸向旋分系統(tǒng)[73]、UOP公司的Vortex disengager system (VDS)[74]、Vortex separation system (VSS)[75]和Suspended catalyst separation (SCS)[76]系統(tǒng)等。

5.2.3 優(yōu)化分離器入口結構

良好的入口結構可以改善流場的對稱性，提高分離效率，減少顆粒的堆積現(xiàn)象。Safikhani等[77]提出了直切雙入口和三入口結構，發(fā)現(xiàn)分離效率均有所提高，且三入口結構最優(yōu)。Bernardo等[78]和錢付平等[79]改變入口截面角，發(fā)現(xiàn)分離效率隨入口截面角的增加先增加后減小，其中45°入口截面角最佳。王振興等[80]設計了入口截面形狀為梯形、矩形、三角形及圓形的4種入口，研究結果表明，入口形狀對于粒徑2.5 μm以上顆粒的分離效率基本無影響，而對于粒徑2.5 μm以下的顆粒而言，其中圓形入口的分離效率最差，梯形入口的分離效率最好。毛羽等[81]提出了單入口多進氣道方式，實現(xiàn)了入口氣流的對稱配置，使得分離器內產生對稱的流場，提高了分離效率。Lim等[82]設計了一種切向等寬同側雙進口，使得分離效率增長了5%～15%。肖北辰等[83]在雙入口內均設置擋板，直徑大于5 μm以上的顆粒能夠全部分離。蔡香麗等[84]在入口處設置螺旋導流板，不僅減輕了環(huán)形空間內二次流所攜帶顆粒的逃逸，消除了頂灰環(huán)造成的器壁磨損，而且還抑制了顆粒在升氣管外壁表面的沉積。蘭江等[85]在入口裝配多層管排結構，雖然壓力降升高5%，但切割粒徑從2.6 μm減小到2.1 μm，極大改善了分離器對細小顆粒的捕捉能力。趙洋等[86]設計了一種入口面積可變式的旋風分離器，確定了入口面積調節(jié)方法，使得進氣流量減小時旋風分離器可穩(wěn)定高效運行。

5.2.4 優(yōu)化頂旋升氣管

由于頂旋升氣管壁面存在著低速的“滯流區(qū)”，因此防止其結焦的關鍵在于改變升氣管外壁的繞流附面層流動[4,51]。為此，中國石油大學[4,51,87-88]開發(fā)了氣流屏蔽、焦塊分割固定、升氣管壁加厚、升氣管偏置、升氣管表面附加數(shù)條導流葉片和翅片等一系列改進方案，有效地抑制頂旋結焦現(xiàn)象，延長了裝置平穩(wěn)運行的周期。

6 結語及展望

針對沉降器結焦問題，國內外眾多學者都對之進行了一系列研究，分析了結焦物的基本特性、結焦原因、結焦機理及影響因素等，從而優(yōu)化開發(fā)減緩或抑制沉降器結焦的新型結構，降低結焦對裝置安穩(wěn)長運行的危害。然而結焦是一個復雜的物理化學及內因、外因綜合作用的結果，當前的研究并不完善徹底，目前所提出的防焦措施也并未從根本上解決沉降器結焦的問題。結焦的原因、影響因素有很多，許多防焦措施仍有待完善。經過上述分析和總結，提出以下建議：

(1)沉降器內的流場分布對結焦的影響至關重要。不同的催化裂化工藝流程，決定了沉降器及其內部設備具有不同的排布方式，因此其內部的流場、壓力分布、油氣分布特點也不相同。因此需要進一步研究不同沉降器結構條件下的流場和壓力分布特點，掌握油氣分布的軌跡和停留時間分布特點。

(2)合理設計不同工藝需求條件下的沉降器結構，對粗旋和頂旋的結構、粗旋和頂旋的連接方式及快分系統(tǒng)等進行優(yōu)化，以利于形成不易產生結焦的流場和壓力分布，縮短油氣在沉降器粗旋和頂旋以外空間內的停留時間，從結構設計角度出發(fā)，降低產生結焦的可能性。