FCC再生/汽提过程强化反应器数学模型和内构件可靠性分析

Fluid Catalytic Cracking (FCC) is one of the most important processes of producing light transportation fuels in petroleum refining industry. As a usual process intensifying measure, inserting effective baffles is often employed in FCC strippers and regenerators to enhance light product yields and reduce unit energy consumption. However, due to lacking reliable quantitative predicttion tools to evaluate their long-term economic benefits and reliabilities, refineries are often reluctant, mainly in view of the worry of petential risks, to accept laboratory-developed technologies for first industrial application in their commercial units. Universally, the industrial applications of many good process intensifying technologies are greatly postponed for this cause. Furthermore, some technologies become outdated and useless finally. Based on previous studies on hydrodynamics and mixing in baffled fluidized beds, this study aims to establish reactor models with coupled kinetics for industrial FCC stripper and regenerator to make their ecnomic benefits (e.g. the increase of light product yields or the decrease of energy consumption) predictable quantitively and unit operating parameters optimizable through these models. The other aim is to study systematically the dynamic forces on fluidized-bed baffles used to intensify the performance of FCC stripper and regenerator in this study. Through stress and fatigue analyses, this work will help establish the evaluation methods of the long-term reliability of these process intensifying technologies. In summary, this study will help bridge the understanding gap between academic and industrial communities in fluidization intensifying technologies and accelerate the industrial-application steps of these laboratory-developed technologies.

催化裂化工艺是我国最重要的轻质油品生产工艺之一，利用高效内构件强化汽提和再生过程是提高轻质油品收率和降低装置能耗的重要措施之一。然而，由于缺乏评价技术长周期运行效果和可靠性的手段，从降低风险角度考虑，炼厂通常很难接纳实验室开发的过程强化技术进行初次工业试验。这常常是很多好技术长期无法应用甚至最终放弃的主要原因之一。本研究是在前期挡板流化床流动和混合特性研究的基础上，通过建立与反应动力学耦合的再生器和汽提器工业反应器数学模型，使这些技术的最终应用效果（如轻油收率增加或能耗降低的幅度）可以直观地预测，并可以在后期进一步优化工业装置的操作参数。另外，通过对内构件在流化床内受力状态的系统研究，进一步结合应力和疲劳分析，以便为建立再生和汽提强化技术可靠性的定量评价方法以及内构件的科学设计方法奠定基础。本研究将有助拉近学术界和工业界对流态化强化技术认识的距离，以促进这些实验室研究成果尽早实现工业化。

催化裂化工艺是我国最重要的轻质油品生产工艺之一，内构件过程强化方法在催化裂化装置核心—反再系统中应用广泛，是提升装置经济效益和降低装置能耗的重要措施之一。针对工业界关心的内构件工业应用效果定量评价方法以及长周期可靠性科学设计两个关键问题，本项目研究是在前期挡板流化床实验室研究的基础上，通过一系列基础研究来拉近学术界和工业界对挡板流化床过程强化技术认识的距离，从而进一步促进这些实验室研究成果尽早实现工业应用。主要开展了四方面的研究：(a)催化裂化再生器数学模型的研究、(b)催化裂化汽提器的实验和CPFD模拟研究、(c)气固流化床斜片挡板内构件受力特性的实验研究、(d)环流流化床传热强化的实验研究和数值模拟。这些研究体现了内构件在流化床过程强化的不同应用。通过上述研究，获得了一系列重要的学术成果和应用成果，在国内外重要学术刊物上发表论文17篇，获得中国发明专利授权7项和两项省部级技术发明二等奖。重要的学术和应用成果包括：(1)建立了更接近实际的三区两相催化裂化湍动再生器模型，该模型可进一步定量评价Crosser格栅内构件在不同工业装置中的应用效果；(2)基于Crosser格栅内构件，开发了新型填料式催化剂汽提器，通过大型冷模实验验证了该型汽提器相比传统的盘环形挡板汽提器具有更高的汽提效率和更好的操作弹性，利用CPFD数值模拟解释了该型汽提器优越性能的内在原因；(3)系统研究了斜片挡板内构件在细颗粒流化床不同状态下受力特性的规律，特别是发现在流化床启动阶段，斜片挡板内构件将受到一个很大的峰值载荷，一些条件下会对内构件造成永久损坏，进一步研究发现了减缓这一短时峰值载荷的方法；(4)提出利用环流流化床强化流化床换热器传热效果的强化方法，利用大型冷模实验验证了该方法的可行性，利用小型机理实验证实了环流流化床可以有效强化换热表面颗粒的更新使其具有更好传热效果的根本原因。