催化裂化工藝介紹課件

1、第四章 催化裂化Chapter 4 Catalytic Cracking遼寧石油化工大學石油化工學院趙德智1第1頁，共137頁。本章主要內(nèi)容概述催化裂化工藝流程烴類的催化裂化反應催化裂化的原料和產(chǎn)品催化劑的失活與再生流態(tài)化基本原理和流化輸送催化裂化主要設備反應-再生系統(tǒng)及工藝計算2第2頁，共137頁。4.1 概述原油一次加工常減壓蒸餾：只可得1040%的汽油、煤油、柴油等輕質(zhì)油品，其余為重質(zhì)餾分和渣油。原油二次加工催化裂化：重質(zhì)油輕質(zhì)化的過程。催化重整：生產(chǎn)高辛烷值汽油及輕芳烴。催化加氫：石油餾分在氫氣存在下催化加工的過程。產(chǎn)品精制：提高產(chǎn)品質(zhì)量，滿足產(chǎn)品規(guī)格要求。3第3頁，共137頁。4.1

2、 概述一、催化裂化在煉油過程中的地位催化裂化是現(xiàn)代化煉油廠用來改質(zhì)重質(zhì)餾分和渣油的核心技術。我國車用汽油70-80%是來自催化裂化汽油；柴油產(chǎn)量的30以上來自催化裂化；煉油企業(yè)中一半以上的效益依靠催化裂化。4第4頁，共137頁。4.1 概述二、催化裂化的發(fā)展歷程催化裂化自1936年實現(xiàn)工業(yè)化至今經(jīng)歷了四個階段：固定床、移動床、流化床和提升管。Fixed BedMoving Bed5第5頁，共137頁。4.1 概述在全世界催化裂化裝置的總加工能力中，提升管催化裂化已占絕大多數(shù)。Fluid BedLift Pipe6第6頁，共137頁。4.1 概述三、催化裂化主要發(fā)展方向1、加工重質(zhì)原料如常壓渣油

3、、脫瀝青殘渣油等，以提高經(jīng)濟效益。2、盡量提高汽油辛烷值改善原料質(zhì)量、重整催化汽油中間餾分、優(yōu)化操作條件、使用高辛烷值催化劑。3、降低能耗降低焦炭產(chǎn)率、充分利用再生煙氣中CO的燃燒熱、發(fā)展再生煙氣熱能利用技術。7第7頁，共137頁。4.1 概述4、減少環(huán)境污染再生煙氣中的粉塵、CO、SO2和NOx；含硫污水、產(chǎn)品精制時產(chǎn)生的堿渣；再生煙氣放空、機械設備產(chǎn)生的噪音。5、過程模擬和計算機應用建立合理的數(shù)學模型，用于設計、預測以及計算機優(yōu)化控制。6、適應多種生產(chǎn)需要的Cat.和工藝多產(chǎn)柴油、多產(chǎn)丙烯、丁烯等的新Cat.和工藝技術。8第8頁，共137頁。4.2 催化裂化工藝流程催化裂化裝置一般由3個部

4、分組成：反應再生系統(tǒng)由提升管反應器和再生器構成：提升管內(nèi)發(fā)生催化裂化反應；再生器內(nèi)進行Cat.再生。分餾系統(tǒng)完成反應產(chǎn)物油氣的分離：粗汽油、輕柴油、 富氣、重柴油等。吸收穩(wěn)定系統(tǒng)吸收塔、解吸塔、穩(wěn)定塔。催化裂化工藝9第9頁，共137頁。4.2 催化裂化工藝流程10第10頁，共137頁。4.2 催化裂化工藝流程11第11頁，共137頁。流程圖畫面 12第12頁，共137頁。4.3 烴類的催化裂化反應產(chǎn)品數(shù)量和質(zhì)量決定于烴類在Cat.上的化學反應。一、催化裂化的化學反應(chemical reaction)1、分解反應(decomposition reaction)(1)烷烴(alkane)規(guī)律：

5、分子越大越易斷裂； C原子數(shù)相同時，異構烴比正構烴容易分解。13第13頁，共137頁。4.3 烴類的催化裂化反應(2)烯烴(olefin)烯烴分解反應規(guī)律與烷烴相似，分解速度比烷烴快。(3)環(huán)烷烴(cyclane)開環(huán)生成異構烯烴；帶側(cè)鏈時，可能斷側(cè)鏈反應。(4)芳烴(aromatics)烷基芳烴容易斷側(cè)鏈，生成較小的芳烴和烯烴。14第14頁，共137頁。4.3 烴類的催化裂化反應規(guī)律：至少3個C的側(cè)鏈才易脫落，脫乙基較困難； 側(cè)鏈越長、異構程度越大，越容易脫落。2、異構化反應(isomerization reaction)分子量不變只改變分子結(jié)構的反應。(1)骨架異構15第15頁，共137頁

6、。4.3 烴類的催化裂化反應(2)雙鍵位置異構(3)幾何異構3、氫轉(zhuǎn)移反應(hydrogen transfer reaction)某烴分子上的氫脫下來加到另一烯烴分子上使之飽和的反應。氫轉(zhuǎn)移是催化裂化特有的反應。16第16頁，共137頁。4.3 烴類的催化裂化反應特點：二烯烴最易接受氫轉(zhuǎn)化為單烯烴，故產(chǎn)品中二烯烴很少。4、芳構化反應(aromatization reaction)所有能生成芳烴的反應。也是催化裂化的主要反應。17第17頁，共137頁。4.3 烴類的催化裂化反應5、疊合反應(condensation reaction)烯烴與烯烴合成大分子烯烴的反應。隨疊合深度不斷加深，最終將生成

7、焦炭。與疊合相反的分解反應占優(yōu)勢，故催化裂化過程疊合反應不顯著。6、烷基化反應(alkylation reaction)烯烴與芳烴或烷烴的加合反應。18第18頁，共137頁。4.3 烴類的催化裂化反應二、反應機理(Reaction Mechanism)正碳離子(carbonium ion)機理。1、正碳離子烴分子中有一個碳原子的外圍缺少一對電子，而形成帶正電的離子，如：特點：不能在溶液中離解出來自由存在； 只能吸附在催化劑表面上參加化學反應。19第19頁，共137頁。4.3 烴類的催化裂化反應正碳離子形成：烯烴的雙鍵中一個鍵斷開，并在含H多的C上加上一個H，使含H少的另一個C缺少一對電子。2、

8、形成碳離子條件(1)存在烯烴來源：原料本身、熱反應產(chǎn)生。(2)存在質(zhì)子H+來源：由催化劑的酸性中心提供。H+不稱氫離子，存在于Cat.的活性中心，不能離開Cat.表面。20第20頁，共137頁。4.3 烴類的催化裂化反應2、正碳離子機理以正n-C16H32來說明。(1)生成正碳離子正n-C16H32得到一個H，生成正碳離子。如(2)斷裂大正碳離子不穩(wěn)定，容易在位置上斷裂，生成一個烯烴和一個小正碳離子：21第21頁，共137頁。4.3 烴類的催化裂化反應特點：主鏈中C數(shù)量5時才容易斷裂，裂化后生成的產(chǎn)物至少是3個C以上的分子。(3)異構化叔正碳離子仲正碳離子伯正碳離子。若正碳離子為伯正碳離子，易

9、變成仲碳離子，再進行斷裂，甚至異構化為叔正碳離子，再進行斷裂。22第22頁，共137頁。4.3 烴類的催化裂化反應直至不再斷裂的小正碳離子，如C3H7、C4H9為止。(4)氫轉(zhuǎn)移 23第23頁，共137頁。4.3 烴類的催化裂化反應較小正碳離子與烯烴、烷烴、環(huán)烷烴間發(fā)生氫轉(zhuǎn)移反應，使小正碳離子變成小分子烷烴。中性烴分子變成新正碳離子，再進行各種反應，使原料不斷變成產(chǎn)品。24第24頁，共137頁。4.3 烴類的催化裂化反應(5)疊合反應正碳離子和烯烴結(jié)合在一起，生成大分子正碳離子：(6)反應終止正碳離子放出H還給Cat.而變成烯烴，反應終止：25第25頁，共137頁。4.3 烴類的催化裂化反應思

10、考1：為什么催化裂化產(chǎn)物中少C1、C2，多C3、C4？正碳離子分解時不生成C3、C4的更小正碳離子。思考2：為什么催化裂化產(chǎn)物中多異構烴？伯、仲正碳離子穩(wěn)定性差，易轉(zhuǎn)化為叔正碳離子。思考3：為什么催化裂化產(chǎn)物中多烯烴？伯正碳離子易轉(zhuǎn)為仲正碳離子，放出H+形成烯烴。26第26頁，共137頁。4.3 烴類的催化裂化反應三、催化裂化反應的特點1、氣固非均相反應(inhomogeneous reaction)原料在反應器汽化，然后在Cat.表面上反應。外擴散：反應物分子向Cat.表面擴散；內(nèi)擴散：反應物分子向Cat.內(nèi)部擴散；吸附：反應物分子被Cat.內(nèi)表面吸咐；表面反應：Cat.內(nèi)表面上發(fā)生化學反應

11、；脫附：反應產(chǎn)物分子從Cat.內(nèi)表面脫附；內(nèi)擴散：反應產(chǎn)物分子由孔穴向外擴散；外擴散：反應產(chǎn)物分子擴散到主氣流中。27第27頁，共137頁。4.3 烴類的催化裂化反應速度最慢的步驟對整個催化裂化反應起控制作用。(1)各類競爭吸附能力C數(shù)相同的各類烴，被吸附的順序為：稠環(huán)芳烴稠環(huán)環(huán)烷烴烯烴單烷基側(cè)鏈的單環(huán)芳烴環(huán)烷烴烷烴；同類烴，分子量，越容易被吸附。(2)各類烴的化學反應順序烯烴大分子側(cè)鏈的單環(huán)芳烴異構烷烴或烷基環(huán)烷烴小分子側(cè)鏈的單環(huán)芳烴正構烷烴稠環(huán)芳烴。28第28頁，共137頁。4.3 烴類的催化裂化反應不僅與吸附難易程度有關，還與化學反應速度有關。思考：稠環(huán)芳烴對催化裂化過程的影響？2、平行

12、順序反應(parallel reaction)平行反應：裂化同時朝著幾個方向進行的反應。順序反應：隨反應深度，反應產(chǎn)物又會繼續(xù)反應。29第29頁，共137頁。4.3 烴類的催化裂化反應特點：反應深度對產(chǎn)品產(chǎn)率的分配有重要影響。隨反應時間，轉(zhuǎn)化深度，最終產(chǎn)物氣體和焦炭產(chǎn)率會；而汽柴油等中間產(chǎn)物產(chǎn)率開始時，隨后再。30第30頁，共137頁。4.3 烴類的催化裂化反應思考1：為什么有這些變化規(guī)律？因為達到一定反應深度后，再加深反應，中間產(chǎn)物將會進一步分解成更輕餾分，其分解速度生成速度。稱初次反應產(chǎn)物再繼續(xù)反應為二次反應。思考2：二次反應對產(chǎn)品的產(chǎn)率和質(zhì)量的影響？有利方面：烯烴再異構化生成辛烷值更高的

13、異構烴，或環(huán)烷烴進行氫轉(zhuǎn)移反應而生成穩(wěn)定的烷烴和芳烴。不利方面：烯烴裂化為干氣，丙烯、丁烯由H轉(zhuǎn)移而飽和，烯烴與高分子芳烴縮合生成焦碳。31第31頁，共137頁。4.3 烴類的催化裂化反應思考3：在催化裂化反應中，需要控制二次反應么？在催化裂化生產(chǎn)中應適當控制二次反應的發(fā)生3、渣油催化裂化反應 芳香分中含有較多的多環(huán)芳烴和稠環(huán)芳烴。我國渣油的特點：膠質(zhì)含量高(50%)，瀝青質(zhì)含量低。減壓渣油的沸點很高，在FCC提升管處與催化劑接觸時不會全部氣化。所以是一個氣一液一固三相催化反應。采用不同孔徑的分子篩催化劑進行渣油的FCC反應。 四、催化裂化反應的熱力學特征1、化學反應方向和化學平衡反應條件：4

14、00500、接近常壓，反應可分三類：(1)平衡時基本進行完全的反應：分解反應、氫轉(zhuǎn)移平衡常數(shù)很大、可看作不可逆反應；反應深度不受平衡限制，由反應速率和反應時間決定。32第32頁，共137頁。4.3 烴類的催化裂化反應(2)平衡時進行不完全的反應：異構化、開環(huán)化學平衡常數(shù)值不大，一般反應條件下要受平衡限制；反應速率不高、反應時間不長，反應很難達到平衡，反應深度由反應時間決定。(3)不能有效發(fā)生的反應：甲基化、烯烴疊合催化裂化反應中最主要的反應是分解反應，且是不可反應，實際上不存在化學平衡的限制。對催化裂化一般不研究化學平衡，而研究動力學。33第33頁，共137頁。4.3 烴類的催化裂化反應2、反

15、應熱吸熱：分解反應，如斷側(cè)鏈、斷環(huán)、脫氫等反應。放熱：合成類型如氫轉(zhuǎn)移、縮合等反應。因分解反應占主導，且熱效應較大，故總熱效應表現(xiàn)為吸熱反應。反應熱表示方法有三種：(1)以生成的汽油量或“汽油氣體”(205產(chǎn)物)量為基準。(2)以新鮮原料為基準表示。34第34頁，共137頁。4.3 烴類的催化裂化反應沒有考慮到反應深度對反應熱的影響。(3)以催化碳為基準表示。催化碳指在催化裂化反應過程中生成焦碳中的炭。當反應T為510時，反應熱9127kJ/kg催化碳。若反應T不在510，需乘以其它反應T下的校正系數(shù)。35第35頁，共137頁。4.3 烴類的催化裂化反應催化碳的計算： 催化碳總碳附加碳可汽提碳

16、式中：總碳再生時燒去焦碳中的總碳量； 附加碳原料中殘?zhí)嫁D(zhuǎn)化生成的焦碳中的碳，附加碳新鮮原料量新鮮原料的殘?zhí)?0.6%； 可汽提碳吸附在催化劑表面上沒有汽提干凈的油氣，可汽提碳催化劑循環(huán)量0.02%。目前國內(nèi)多采用計算催化碳的方法。36第36頁，共137頁。4.3 烴類的催化裂化反應五、催化裂化的幾個基本概念1、轉(zhuǎn)化率原料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的百分率，表示反應深度的指標。若原料油量為100，則在科研和生產(chǎn)中，轉(zhuǎn)化率表示如下：37第37頁，共137頁。4.3 烴類的催化裂化反應采用上式計算轉(zhuǎn)化率需注意：氣體：指干氣、液化氣和損失三者之和；汽油：以TBP220為汽油的切割點，當汽油干點205時，將柴油中TBP

17、220以前的部分折算到汽油；轉(zhuǎn)化率有單程轉(zhuǎn)化率和總轉(zhuǎn)化率之分。工業(yè)上為獲得較高的輕質(zhì)油收率，常采用回煉操作。(1)單程轉(zhuǎn)化率總進料(新鮮原料、回煉油、回煉油漿)一次通過反應器的轉(zhuǎn)化率。38第38頁，共137頁。4.3 烴類的催化裂化反應(2)總轉(zhuǎn)化率：以新鮮原料為基準計算的轉(zhuǎn)化率。2、回煉比和循環(huán)系數(shù)(1)回煉比：回煉油量與新鮮原料量的比值。39第39頁，共137頁。4.3 烴類的催化裂化反應(2)循環(huán)系數(shù)總進料量與新鮮原料量的比值。(3)總轉(zhuǎn)化率、單程轉(zhuǎn)化率、循環(huán)系數(shù)之間的關系3、空速和反應時間(1)空速(空間速度)每小時通過單位催化劑的原料油量。40第40頁，共137頁。4.3 烴類的催化

18、裂化反應式中，Mcat催化劑的質(zhì)量藏量，t； Vcat催化劑的體積藏量，m3。 藏量：在反應器和再生器內(nèi)經(jīng)常保持的催化劑的量。(2)假反應時間若空速，則單位Cat.上通過的原料油，原料油分子停留在Cat.上的時間就。41第41頁，共137頁。4.3 烴類的催化裂化反應空速的倒數(shù)稱為假反應時間：在提升管內(nèi)，反應時間以油氣在提升管內(nèi)的停留時間來表示：式中V出、V入為提升管出口和入口處的油氣體積流量。 42第42頁，共137頁。4.3 烴類的催化裂化反應例1：某分子篩提升管催化裂化裝置的總物料平衡是：新鮮原料總進料損失 0.26 t干氣液化氣 6.6 t汽油 26.4 t輕柴油 15.1 t焦炭 2

19、.64 t回煉油 29 t51 t80 t計算：(1)單程轉(zhuǎn)化率、總轉(zhuǎn)化率、回煉比和循環(huán)系數(shù)；(2)汽油、輕柴油單程產(chǎn)率、總產(chǎn)率，及輕質(zhì)油收率。43第43頁，共137頁。4.3 烴類的催化裂化反應解：(1)單程轉(zhuǎn)化率、總轉(zhuǎn)化率以及回煉比(2)汽油、輕柴油單程產(chǎn)率、總產(chǎn)率，及輕質(zhì)油收率44第44頁，共137頁。4.3 烴類的催化裂化反應輕質(zhì)油收率是汽油和輕柴油總產(chǎn)率之和： 輕質(zhì)油收率汽油總收率+柴油總產(chǎn)率 (51.76+29.61)%=81.37%45第45頁，共137頁。4.3 烴類的催化裂化反應六、催化裂化反應過程的影響因素對催化裂化生產(chǎn)的要求：較高的轉(zhuǎn)化率；希望干氣和焦炭的產(chǎn)率低些，液化氣

20、、汽油、柴油的產(chǎn)率高些；希望汽油辛烷值高，安定性好；柴油十六烷值和安定性也能滿足使用要求。上述要求相互之間往往是矛盾的。46第46頁，共137頁。4.3 烴類的催化裂化反應1、Catalyst Activity(催化劑活性)Cat.的活性有利于反應速度，可轉(zhuǎn)化率，從而反應器處理能力。Cat.的活性有利于促進氫轉(zhuǎn)移和異構化反應。Cat.的活性取決于組成和結(jié)構。2、再生劑含碳量若再生劑含C量，則轉(zhuǎn)化率，液化氣和汽油產(chǎn)率，氫轉(zhuǎn)移速度，烯烴含量。47第47頁，共137頁。4.3 烴類的催化裂化反應硅酸鋁催化劑：再生劑含C量0.7%；分子篩催化劑：再生劑含C量0.2%。3、原料油性質(zhì)(1)烷烴含量若原料

21、油中烷烴含量，則氣體、汽油產(chǎn)率，焦炭產(chǎn)率，選擇性好。生焦率，要原料預熱才能維持兩器熱平衡。(2)芳烴含量48第48頁，共137頁。4.3 烴類的催化裂化反應若原料油中芳烴含量，則選擇性差，干氣和焦炭產(chǎn)率，汽油產(chǎn)率。反應溫度和劑油比應，原料油預熱溫度應。(3)其它性質(zhì)殘?zhí)恐怠⒔饘俸考昂?、含氮量等?、原料油預熱溫度原料油預熱溫度的高低主要取決于焦碳產(chǎn)率的高低。(1)焦碳產(chǎn)率低49第49頁，共137頁。4.3 烴類的催化裂化反應再生器提供熱量，再生溫度和反應溫度會，為維持兩器熱平衡，需原料油預熱溫度來補充熱量。但預熱溫度不宜超過400，因此焦碳產(chǎn)率不宜過低，一般不宜小于45%(質(zhì))。(2)焦碳

22、產(chǎn)率高再生器提供熱量，兩器溫度會，為維持熱平衡可原料油預熱溫度，甚至可不用加熱爐預熱。原料油預熱溫度不宜過低(如160)，為什么？50第50頁，共137頁。4.3 烴類的催化裂化反應由此可見：原料油預熱溫度是調(diào)節(jié)兩器熱平衡，控制反應溫度的手段之一。5、反應溫度反應溫度對反應速度、產(chǎn)品產(chǎn)率分布及產(chǎn)品質(zhì)量影響顯著。(1)反應速度常數(shù)與溫度的變化關系：表明：51第51頁，共137頁。4.3 烴類的催化裂化反應lnK隨T的變化率與活化能E成正比；若E，則隨T，反應速度越快；E，則反應速度對T越敏感。催化裂化E42125kj/mol熱裂化E210290kj/mol反應T，熱裂化反應漸趨重要，故催化裂化反

23、應T不宜過高。(2)溫度對產(chǎn)品的分布和質(zhì)量的影響52第52頁，共137頁。4.3 烴類的催化裂化反應一般情況下E2E1E3，若同時存在多個反應，溫度有利于活化能大的反應：汽油氣體的反應速度加快最多；原料汽油反應次之；原料焦炭的反應速度加快最少；原料油焦炭氣體汽油E1E2E353第53頁，共137頁。4.3 烴類的催化裂化反應若需達到的轉(zhuǎn)化率不變，則汽油和焦炭產(chǎn)率，氣體產(chǎn)率。分解反應和芳構化反應E比氫轉(zhuǎn)移反應的E值大。汽油中烯烴和芳烴含量，烷烴含量，環(huán)烷烴含量變化不大，汽油的辛烷值，而柴油的十六烷值。在生產(chǎn)實踐中，反應溫度是調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)化率的主要變量。6、反應壓力反應壓力，可轉(zhuǎn)化率，但焦炭產(chǎn)率。為什么

24、？54第54頁，共137頁。4.3 烴類的催化裂化反應油氣分壓，反應物濃度也，反應速度。同時，了原料中重質(zhì)組分和產(chǎn)物在Cat.劑上的吸附量。操作壓力不是由反應系統(tǒng)決定，而由壓力平衡決定。反應壓力和再生壓力之間保持一定的壓力差，不能任意改變。7、反應時間(1)對汽油方案55第55頁，共137頁。4.3 烴類的催化裂化反應從汽油收率和質(zhì)量來看：采用高溫短接觸時間有利，反應時間一般為23s。 (2)對柴油方案適當反應時間，采用較低的反應溫度和較大的回煉比，對柴油的收率和十六烷值有利。柴油方案的反應時間一般為34 s。(3)對渣油催化裂化采用高溫短接觸時間有利，反應時間一般為23s。56第56頁，共1

25、37頁。4.3 烴類的催化裂化反應8、Catalyst-oil Ratio(劑油比C/O)Cat.上的積炭量與C/O有關，C/O是Cat.循環(huán)量與總進料之比：Cat.循環(huán)量：單位時間內(nèi)進入反應器的Cat.量，也是離開反應器的Cat.量。(1)C/O對催化裂化過程的影響C/O，單位Cat.上的積炭量，轉(zhuǎn)化率。57第57頁，共137頁。4.3 烴類的催化裂化反應8、Catalyst-oil Ratio(劑油比C/O)Cat.上的積炭量與C/O有關，C/O是Cat.循環(huán)量與總進料之比：Cat.循環(huán)量：單位時間內(nèi)進入反應器的Cat.量，也是離開反應器的Cat.量。(1)C/O對催化裂化過程的影響C/O

26、，單位Cat.上的積炭量，轉(zhuǎn)化率。58第58頁，共137頁。4.3 烴類的催化裂化反應9、Recycle Ratio(回煉比)回煉油與原料油的性質(zhì)不同，改變回煉比就是改變進料油的性質(zhì)。(1)回煉比對催化裂化的影響若回煉比，進料中芳烴含量就會 ，則生焦量 ，單程轉(zhuǎn)化率，二次反應；裝置處理能力；輕柴油和輕質(zhì)油收率，柴油十六烷值、凝固點；59第59頁，共137頁。4.3 烴類的催化裂化反應裝置能耗；反應所需的熱量大大 ，原料油預熱爐、反應器和分餾塔等的負荷都會隨之。(2)回煉比確定原則追求高輕質(zhì)油收率：高的回煉比，0.81.5。追求高汽油產(chǎn)率：回煉比0.5。(3)渣油催化裂化的回煉比回煉比0.10.

27、3。因渣油中環(huán)狀烴分子的側(cè)鏈較長，一般為78個碳原子，容易裂解，基本上是一次通過。60第60頁，共137頁。4.3 烴類的催化裂化反應 七、催化裂化反應動力學模型（1）反應動力學模型的任務、意義1）、優(yōu)化工程設計方案，使反應器的設計更加合理；2)、優(yōu)化FCC裝置的操作條件，生產(chǎn)控制擇優(yōu)的目的性更加明確；3)、縮短新工藝過程開發(fā)研究的周期，并可做到有針對性的加工研究。（2）FCC反應動力學的研究的特點： 原料組成的復雜性 化學反應的復雜性 多種操作條件影響的復雜性 催化劑活性、選擇性及失活的影響 某些不確定因素的影響61第61頁，共137頁。4.3 烴類的催化裂化反應（3）催化裂化反應模型的兩種

28、典型方法： 經(jīng)驗圖表及經(jīng)驗公式動力學模型法關聯(lián)模型:是以某種動力學方程為基礎，利用各種試驗數(shù)據(jù)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)用數(shù)學回歸等方法歸納出計算各種產(chǎn)品產(chǎn)率和有關性質(zhì)的關聯(lián)式 集總動力學模型研究法。流化床反應器轉(zhuǎn)化率X關聯(lián)式如下形式：X = FPFswFTFAFcFF式中：X轉(zhuǎn)化率函數(shù);FP 反應壓力因素;Fsw 劑油比、空速因索;FT 反應溫度因素;FA 催化劑相對活性;Fc 再生催化劑含碳因素;FF 進料物質(zhì)因素。集總動力學模型研究法所謂“集總”是將一個復雜反應體系按照動力學特性相似的原則，把各類分子劃分成若干個集總組分，并當做虛擬的多組分體系進行動力學處理。1959年R.B.Smith提出了催化重整的

29、三集總動力學模型。1960年Weekman開發(fā)了FCC的三集總動力學模型。(P337)，70年代提出了十集總模型：62第62頁，共137頁。4.4 催化裂化的原料和產(chǎn)品一、催化裂化原料催化裂化原料分為餾分油和渣油兩大類。1、Distillate Oil(餾分油)(1)直餾重餾分油(350500)大多數(shù)直餾重餾分含芳烴較少，容易裂化，輕油收率較高，是理想的催化裂化原料。(2)熱加工產(chǎn)物：焦化蠟油、減粘裂化餾出油等。其中烯烴、芳烴含量較多，轉(zhuǎn)化率低、生焦率高。不單獨使用，與直餾餾分油摻合作為混合進料。63第63頁，共137頁。4.4 催化裂化的原料和產(chǎn)品(3)潤滑油溶劑精制的抽出油含大量難以裂化的

30、芳烴，尤其是稠環(huán)化合物，極易生焦。(4)加氫裂化尾油含飽和烴多，含雜質(zhì)少，是催化裂化的理想原料。2、Residue(渣油)易于裂解的是高沸點烴類，最難裂解的是稠環(huán)芳烴、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)。為充分利用石油資源和原油加工的經(jīng)濟效益，必須對原油進行深度加工。64第64頁，共137頁。4.4 催化裂化的原料和產(chǎn)品二、衡量原料性質(zhì)的指標餾分組成化學組成殘?zhí)亢蚧衔镏亟饘偃?、催化裂化產(chǎn)品特點1、產(chǎn)品分布65第65頁，共137頁。4.4 催化裂化的原料和產(chǎn)品氣體：1020%；汽油：4060%；柴油：2040%；焦炭：510%。2、產(chǎn)品特點(1)氣體產(chǎn)品大量的是C3、C4，約占90(重)，液化氣主要成分，烯烴

31、比烷烴多，為石油化工的寶貴原料。66第66頁，共137頁。4.4 催化裂化的原料和產(chǎn)品(2)液體產(chǎn)品汽油的辛烷值較高含有較多烯烴(一般50%以上)、異構烷烴和芳烴，故辛烷值較高，一般為90左右(RON)。柴油的十六烷值低含有較多的芳烴約為4050，故十六烷值較直餾柴油低很多，只有2030。需要與直餾柴油等調(diào)合后才能使用。67第67頁，共137頁。4.4 催化裂化的原料和產(chǎn)品(3) Coke(焦炭)焦炭沉積在Cat.上，不能作產(chǎn)品。由此可見：催化裂化是重油輕質(zhì)化過程；主要目的：生產(chǎn)高辛烷值汽油，同時柴油產(chǎn)率。68第68頁，共137頁。4.4 催化裂化的原料和產(chǎn)品產(chǎn)品名稱主要成分含量性質(zhì)及用途干氣

32、C1、C2、H2、H2S101020燃料氣或化工液化氣C3、 C490用于化工汽油C5C113060研究法辛烷值8090，安定性好。柴油C10 C20040含有較多的芳烴，十六烷值低，安定性較差，特別是渣油催化裂化。油漿以稠環(huán)芳烴為主57不等化工利用焦炭縮合產(chǎn)物510摻渣油高再生過程燒掉了69第69頁，共137頁。4.5 催化裂化催化劑 催化劑是一種能使在該條件下，從熱力學角度判斷有可能發(fā)生的化學反應改變其反應速度的物質(zhì)。它可以加快某些反應的速度，也可以抑制另一些反應的進行。而對那些熱力學上沒有可能進行的反應則不起作用。同時對可逆反應它相等地加速正向和逆向反應，也就是不改變反應的平衡。例如，在

33、通常的反應條件下，從熱力學角度來判斷，烴類可以進行分解、異構化、芳構化、氫轉(zhuǎn)移、疊合、烴化等多種反應，但反應速皮各異，這樣就可以利用催化劑選擇性地加速這些反應中所希望的反應，而抑制那些不希望發(fā)生的反應，從而達到提高產(chǎn)品質(zhì)量改善產(chǎn)品分布的目的 ，這是熱裂化過程所達不到的。例如為了提高汽油辛烷值，設法使催化劑能選擇性加速異構化反應而抑制氫轉(zhuǎn)移反應和不飽和烴進一步脫氫生焦的反應。70第70頁，共137頁。4.5 催化裂化催化劑 催化劑的作用是提高反應速度，其根本原因是改變了化學反應歷程，降低了分子的活化能。由阿累尼烏斯方程分析： K=Aexp(-E/RT)式中：K反應速度常數(shù)；A頻率因子；E活化能，

34、KJ.mol-1；T一反應溫度。 K分析：1）當E一定時，T，k，轉(zhuǎn)化率；2) 溫度變化時，各反應的K變化不一樣：FCC反應 E = 42125 KJ.mol-1 kt = 1.1一1.2熱裂化反應 E = 210293 KJ.mlo-1 kt = 1.61.8由于E的大小不同，催化裂化比熱裂化容易進行。71第71頁，共137頁。4.5 催化裂化催化劑利用Cat.選擇性地加速所希望的反應，而抑制不希望發(fā)生的反應，達到產(chǎn)品質(zhì)量改善產(chǎn)品分布的目的 。一、催化裂化劑的種類、組成和結(jié)構工業(yè)上使用的裂化Cat.歸納起來有三大類：1、天然白土催化劑催化裂化裝置最初使用的經(jīng)處理的天然白土，其主要活性組分是硅

35、酸鋁。2、無定型合成催化劑天然白土被人工合成硅酸鋁所取代。72第72頁，共137頁。4.5 催化裂化催化劑(1)特點具有許多微孔，平均孔徑為47 nm，比表面積達500700m2/g。硅酸鋁的催化活性來源于其表面的酸性。(2)結(jié)構Lewis acidBronsted acid73第73頁，共137頁。4.5 催化裂化催化劑3、分子篩催化劑分子篩Cat. 的應用是催化裂化技術的重大發(fā)展。(1)特點與無定型硅酸鋁相比具有的特點：選擇性、活性和穩(wěn)定性更高，比表面600800m2/g；穩(wěn)定、均一的微孔結(jié)構。其大小為分子大小數(shù)量級；(2)結(jié)構是由人工合成、具有微孔型立方晶格的硅鋁酸鹽。74第74頁，共1

36、37頁。4.5 催化裂化催化劑依據(jù)其晶體內(nèi)部孔穴大小而吸附或排斥不同物質(zhì)的分子，故又稱為“分子篩”。目前，應用于催化裂化的主要Y型分子篩，由AlO4和SiO4四面體組成。主要有四種Y型分子篩：REY：稀土-Y型分子篩HY：HY型分子篩，以氫離子置換Na+RE-HY：兼用氫離子和稀土金屬離子置換Na+。超穩(wěn)Y型：HY型分子篩經(jīng)脫鋁得到的更高Si/Al。一般催化裂化催化劑含分子篩為1035%。75第75頁，共137頁。4.5 催化裂化催化劑4、催化劑載體的作用 有較大表面和一定的孔分布，有一定的粘結(jié)性，通過噴霧干燥制成合適的篩分分布，提供較好的磨損強度，減少催化劑的跑損，減少對環(huán)境的污染；對沸石的

37、活性起相輔助相承作用，降低分子篩催化劑的生產(chǎn)成本(載體活性見下表)作為熱載體，在兩器的循環(huán)過程中完成熱量的儲存與傳送。對重油催化裂化載體還是大分子反應的場所，因為大分子不能進入分子篩的孔內(nèi)。載體是催化劑組成的重要部分，其性能對催化劑有較大的影響。 載體要有適當?shù)幕钚?，與沸石起相輔相成的作用。載體主要的作用是提供良好的物理性能。良好的孔分布，有良好的汽提性能；適當?shù)谋砻娣e及在水熱條件下結(jié)構穩(wěn)定性；良好的再生燒焦性(機械強度高和流化性能好。76第76頁，共137頁。4.5 催化裂化催化劑二、催化劑的使用性能物理性質(zhì)(1)密度(2)篩分組成和機械強度(3)結(jié)構特性(比表面、孔體積、孔徑)化學性質(zhì)(1

38、)活性和選擇性(2)穩(wěn)定性(3)抗金屬污染能力(污染指數(shù))77第77頁，共137頁。4.5 催化裂化催化劑 1、 活性、穩(wěn)定性 （1）活性 活性：催化劑的活性即促進化學反應的能力。 活性的表示方法：在實驗室用微反活性法（MAT）測定。 在微型固定床反應器中裝入5g催化劑，采用標準原料，在460，重量空速16h-1,劑油比3.2的條件下反應70s ,所得產(chǎn)物質(zhì)量占總進料的百分數(shù)即為微反活性。 平衡活性：在實際生產(chǎn)中，催化劑受高溫和水蒸汽的作用，其活性逐漸下降，另一方面，由于催化劑或損失而需要定期補充一些新鮮催化劑，因此，在生產(chǎn)裝置中的催化劑活性可能持續(xù)在一個穩(wěn)定的水平上，此時的活性稱為“平衡催化

39、劑活性”78第78頁，共137頁。4.5 催化裂化催化劑 （2） 穩(wěn)定性 穩(wěn)定性：在使用條件下保持活性的能力。 催化劑的老化： 生產(chǎn)過程由于高溫及水蒸汽的連續(xù)沖刷作用，催化劑小孔徑的微孔結(jié)構遭到破壞，平均孔徑變大，比表面減小，導致活性下降。 一般穩(wěn)定性高低的順序為：超穩(wěn)Y型分子篩 Y型分子篩 X型分子篩 REY型沸石分子篩催化劑的晶體崩潰溫度為870880； 超穩(wěn)Y型(USY)分子篩催化劑的晶體崩潰溫度高至為1010 105079第79頁，共137頁。4.5 催化裂化催化劑2、 選擇性 選擇性：表示催化劑增加目的產(chǎn)品.(汽油、柴油)和減少副產(chǎn)品(氣體和焦炭)的選擇反應能力。 高活性的催化劑選擇

40、性不一定好，所以選擇催化劑時必須考慮它的選擇性。 FCC催化裂化反應通常用“汽油產(chǎn)率/焦炭產(chǎn)率”或“汽油產(chǎn)率/轉(zhuǎn)化率”.來表示催化劑的選擇性好壞。 催化劑受重金屬污染，表現(xiàn)出選擇性下降，一般用H2/CH4比值表示。80第80頁，共137頁。4.5 催化裂化催化劑3、 密度 密度的不同表示方法： 真實密度：顆粒的質(zhì)量與骨架實際所占體積之比，22.2 g/cm3 顆粒密度：把孔體積計算在內(nèi)的單個顆粒的密度，0.91.2 g/cm3 堆積密度：催化劑堆積時包括孔體積和顆粒之間的空隙體積的密度，0.50.8 g/cm。 催化劑的顆粒密度對催化劑的流花有重要影響。81第81頁，共137頁。4.5 催化裂

41、化催化劑4、 篩分組成、機械強度（1） 篩分組成 為了保證良好的硫化狀態(tài)，要求催化劑有適宜的顆粒直徑分布，即有一定的篩分組成催化裂化催化劑的粒徑分布在20100m。一般情況下，新鮮催化劑中，粒徑在4080m的約占50。由于在裝置中催化劑的相互碰撞，有的達顆粒會變成小顆粒，所以篩分組成式變化的。（2） 機械強度 為了避免催化劑在使用粉碎以減少耗損和保證良好的流化質(zhì)量，要求催化劑有一定的機械強度。我國用“耐磨指數(shù)評價催化劑的機械強度” 。82第82頁，共137頁。4.6 催化裂化催化劑失活與再生1、催化劑的失活催化劑的失活：在反應-再生過程中，Cat.的活性和選擇性不斷下降的現(xiàn)象。(1)催化裂化C

42、ar.失活性的原因水熱失活在高溫和水蒸氣作用下，裂化Cat.的比表面積、孔容，分子篩晶體結(jié)構破壞。83第83頁，共137頁。4.6 催化裂化催化劑失活與再生結(jié)焦失活焦炭沉積在Cat.的表面上，覆蓋在Cat.的活性中心，使其活性和選擇性。工業(yè)催化裂化所產(chǎn)生的焦炭包括：焦化焦附加焦可汽提焦污染焦84第84頁，共137頁。4.6 催化裂化催化劑失活與再生毒物引起的失活裂化Cat.的毒物主要是重金屬(Fe、Ni、Cu、V)和堿性氮化合物。(2)Cat.的平衡活性新鮮Cat.的活性不能反映裝置中實際的Cat.活性。在實際生產(chǎn)中，用“平衡活性”來表示裝置中Cat.活性。影響Cat.平衡活性的因素主要有：C

43、at.的水熱失活速度85第85頁，共137頁。4.6催化裂化催化劑失活與再生Cat.的置換速率Cat.的重金屬污染其它因素：原油油的性質(zhì)、Cat.的流失率、新鮮Cat.的活性及穩(wěn)定性等。2、裂化Cat.的再生(1)再生方法燒去Cat.上所沉積的焦炭?；謴虲at.的活性和選擇性，為反應過程提供熱量。86第86頁，共137頁。4.6催化裂化催化劑失活與再生待生劑：在工業(yè)上把經(jīng)反應沉積了焦炭的催化劑。再生劑：再生除去部分焦炭的催化劑。(2)再生要求無定型的硅酸鋁Cat.：再生后含碳量為0.30.5%；分子篩Cat.：再生后含碳量0.2%以下。(3)再生反應和反應熱焦炭分子式焦炭是一種縮合產(chǎn)物，主要成

44、分是C和H。87第87頁，共137頁。4.6催化裂化催化劑失活與再生焦炭的經(jīng)驗分子式為CHn，n0.51.0。再生燒掉的碳催化碳：催化裂化的縮合產(chǎn)物附加碳：原料本身固有的殘?zhí)靠善崽迹何皆诖呋瘎┥系挠蜌庠偕磻固恐械腃和H被空氣中的O2燃燒的氧化反應：88第88頁，共137頁。4.6催化裂化催化劑失活與再生再生反應熱再生反應是放熱反應，熱效應相當大，足以提供本裝置熱平衡所需的熱量。把焦炭看作是C和H單質(zhì)的混合物，分別計算燃燒熱，再計算總和。89第89頁，共137頁。4.6催化裂化催化劑失活與再生 燒焦放熱中有11.5%消耗在焦炭脫附過程中，故可利用熱總熱焦炭脫附熱或Q用Q總Q脫Q總(100

45、11.5)% 影響再生反應熱的主要因素反應熱的數(shù)值與焦炭中的H/C和煙氣中CO2/CO有關。若H/C比值，放熱；CO2/CO比值，放熱。90第90頁，共137頁。4.6催化裂化催化劑失活與再生提高再生反應熱的手段：高溫再生或采用CO助燃劑。(4)再生反應動力學再生反應速率直接影響Cat.的活性、選擇性和裝置生產(chǎn)能力。再生反應速率決定于焦炭中碳的燃燒速率。燒C速率影響燒碳反應速率的主要因素：再生溫度、氧分壓、Cat.含C量、Cat.的組成與結(jié)構，以及流化狀況等。91第91頁，共137頁。4.6催化裂化催化劑失活與再生國內(nèi)有學者提出了如下動力學方程：Cat.不同，kc不同，如對REY分子篩載于高嶺

46、土，有：燒氫速率同樣Cat.不同，kH不同，對REY分子篩載于高嶺土，有：92第92頁，共137頁。4.6催化裂化催化劑失活與再生(5)再生反應器動力學模型對流化床再生器，國內(nèi)外使用如下動力學模型：條件：假設再生器內(nèi)氣體流動是平推流、固體顆粒是完全返混流。理想和實際情況不完全一致，式中引入V(修正系數(shù))。93第93頁，共137頁。4.6催化裂化催化劑失活與再生(6)再生內(nèi)的經(jīng)驗動力學模型目前，國內(nèi)常用的一種燒碳速率的計算公式如下： 分子篩Cat：n1；硅酸鋁：n0.7式中：PF壓力因數(shù)； T0再生器密相床溫度因數(shù)； CBRC燃燒速率，kg/h； WCat.藏量，t； V再生器效率因數(shù)，與流化狀

47、態(tài)有關； CR再生劑的含C量，%(質(zhì))。94第94頁，共137頁。4.6催化裂化催化劑失活與再生PFPTPo； PTP/129式中：P再生器頂部壓力，kPa(abs)； PO氧分壓因數(shù)。式中：O2再生器出口煙氣過剩氧含量(%V)； Tbase基準溫度，593；E活化能，1.114105J/mol； R8.314kPa.m3/(kmol.K)； T 再生器密相溫度。95第95頁，共137頁。4.6催化裂化催化劑失活與再生應用：評價再生器效率對正在生產(chǎn)的裝置，利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)計算裝置因數(shù)。設計新裝置根據(jù)經(jīng)驗選取V值，計算催化劑藏量和再生器尺寸。96第96頁，共137頁。4.6催化裂化催化劑失活與再生例

48、2：某分子篩提升管催化裂化裝置處理能力為75t/h，生焦量為3933kg/h，焦碳中H含量為6.4%(質(zhì))，再生器頂部壓力為176.5kPa(表)，密相溫度680，Cat.藏量為25t，采用CO助燃劑完全再生，再生煙氣中氧含量為2.0%(體)，再生劑含碳量為0.1%(質(zhì))。試計算： 燒焦強度 再生器效率因數(shù)。97第97頁，共137頁。4.6催化裂化催化劑失活與再生解：燒焦強度再生器效率因數(shù) 式中：CBR3933(100-6.4)%3681kg/hW25.0 t98第98頁，共137頁。4.6催化裂化催化劑失活與再生所以： PF2.15312.153因此99第99頁，共137頁。4.6催化裂化催

49、化劑失活與再生3、焦炭產(chǎn)率1）、再生煙氣組成CO2、CO(完全燃燒時甚微)；N2(空氣中所含的N2，為惰性氣體，再生過程中不反應，數(shù)量不變)；O2(燃燒時沒有用完的過剩部分)；H2O(包括燃燒生成的水、空氣帶入水和操作需要噴入的水等各部分之和)。100第100頁，共137頁。4.6催化裂化催化劑失活與再生2）、濕煙氣和干煙氣濕煙氣含有水蒸氣的煙氣。干煙氣煙氣組成數(shù)據(jù)不包括水汽，如采樣分析時水蒸氣已被冷凝分出。3、計算過程通過例題來說明由再生煙氣計算焦炭產(chǎn)率的過程。101第101頁，共137頁。4.6催化裂化催化劑失活與再生例3：某再生煙氣分析數(shù)據(jù)如下：組成CO2COO2含量，%mol9.67.

50、01.8已知：新鮮原料處理量110.0 t/hr，主風(濕空氣)流量780 Nm3/min。大氣溫度為30，大氣相對溫度為70%，絕對濕度為0.0306 mol水/(mol干空氣)。計算：(1)焦炭中的C/H比； (2)焦炭產(chǎn)率。102第102頁，共137頁。4.6催化裂化催化劑失活與再生解：(1)焦炭中的C/H比：以100 kmol煙氣為基準煙氣中的N2含量煙氣分析所得數(shù)據(jù)是CO2、CO、O2在干煙氣中的摩爾百分數(shù)，因此N2含量應為： N2100(CO2COO2)81.6進入再生器的總O2量空氣中的N2在再生過程中數(shù)量保持不變，根據(jù)N平衡進入再生器的O2量為(%mol，對干煙氣)：103第1

51、03頁，共137頁。4.6催化裂化催化劑失活與再生 O2(21/79)N221.69H耗氧量進入再生器的總氧量除去碳燃燒生成CO2、CO用氧以及過剩的氧以外，即H燃燒所消耗的氧： (O2)H( O2)totalCO2CO/2(O2)surplus 21.69(9.67.0/21.8)6.79焦炭中的H和C含量1個氧分子可燒掉4個H原子，由氫的耗氧量可計算出焦炭中含H量：104第104頁，共137頁。4.6催化裂化催化劑失活與再生 H4(O2)H46.7927.16由煙氣CO2和CO含量計算出焦炭中C含量： C(CO2CO)16.6故焦炭中H/C比為：105第105頁，共137頁。4.6催化裂化

52、催化劑失活與再生(2)焦炭產(chǎn)率耗干風指標：燃燒1kg焦炭所需的干空氣量。由以上計算得生成100kmol的煙氣所燒掉的焦炭量為： coke量27.161+16.612226.36 kg產(chǎn)生100kmol煙氣的空氣耗量為： air量O2N221.69+81.6 103.29 kmol2313.7 Nm3耗干風指標2313.7/226.3610.2Nm3/(kg coke)106第106頁，共137頁。4.6催化裂化催化劑失活與再生實際上主風總是含有一定水分的，不可能是干空氣。因空氣濕度為0.0306mol(H2O)/(mol干空氣)，則 耗濕風指標10.21.030610.5Nm3/kg coke

53、根據(jù)主風用量則可求出每小時的焦炭產(chǎn)量107第107頁，共137頁。4.7 流態(tài)化基本原理 一、流化床的形成與流化域1、流化床的形成108第108頁，共137頁。4.7流態(tài)化基本原理109第109頁，共137頁。4.7流態(tài)化基本原理110第110頁，共137頁。4.7流態(tài)化基本原理 實驗將發(fā)生如下現(xiàn)象：當氣速U較小時，床層內(nèi)的催化劑顆粒不活動，處于堆緊狀態(tài)，即處于固定床，只是隨氣體流速的增大，床層壓將增加圖AB段。 氣速增大到一定程度時，床層開始膨脹，一些細粒在有限的范圍內(nèi)運動。當層速再增高時，固體粒子被氣流懸浮起來，并做不規(guī)則的運動，即固體顆粒開始流化，此后繼續(xù)增大氣速，床層繼續(xù)膨脹，固體運動

54、也愈激烈，但床層壓基本不變。（如圖BC段） 氣速再增大到某個數(shù)值，如C點 固體顆粒被氣流帶走，床層壓降下降，氣體再繼續(xù)增大，被帶出的粒子越多。最后被全部帶出，壓降為0。111第111頁，共137頁。4.7流態(tài)化基本原理 臨界流化速度umf。(又叫起始流化速度);相當于B點的氣速； 終端速度ut(速度)； 相當于C點的氣速 uumf 為固體床 umfuut 稀相輸送 在固體床階段,粒子之間的空隙形成了許多曲曲彎彎的小通道。氣體流過這些小通道時固摩擦阻力而產(chǎn)生壓降摩擦阻力與氣體的流速的平方成正比,固此氣體流速越大,產(chǎn)生的床層壓力降越大。112第112頁，共137頁。4.7流態(tài)化基本原理 2、 氣固

55、流態(tài)化域 我們把床層的不同流化狀態(tài)叫流態(tài)化域。 固定床固體顆粒相互緊密接觸,呈堆積狀態(tài)。 散式流化床固體顆粒脫離接觸,但均勻地分散在流化介質(zhì)中,床層界面比較清晰而穩(wěn)定,已具有流體特性。 鼓泡流化床隨著uf的增大,流化床中出現(xiàn)了氣體的聚集相-氣泡.在氣泡上升至床層表面時,氣泡破裂將部分形成了稀相區(qū),在床面以下則是密相區(qū)。 113第113頁，共137頁。4.7流態(tài)化基本原理 湍動床氣體uf增大到一定程度時,由于氣泡不穩(wěn)定而使氣泡分裂成更多的小氣泡,床層內(nèi)循環(huán)加劇,氣泡分布較為均勻.此時氣體夾帶固體顆粒量增大,使稀相區(qū)的固體濃度增大,稀密相的界面變得模糊不清?？焖俅矚馑賣f再增大至一定程度時，氣體夾

56、帶固體量已經(jīng)達到飽和夾帶量，密相床已不能繼續(xù)維持而被氣流帶走，此時必須靠一定的固體循環(huán)量來維持，密相床層的密度與固體循環(huán)量密切相關。燒焦也是此類。輸送床當氣速增大至即便靠固體循環(huán)量也無法維持床層時，就進入氣力輸送狀態(tài)，提升管反應器屬此類。114第114頁，共137頁。4.7流態(tài)化基本原理二、流化床的基本特征1、散式流化床(1)、散式流化 當氣流速度超過臨界流化速度不多時，流化 床內(nèi)沒有聚集現(xiàn)象，固體顆粒均勻地分散在流化介質(zhì)壓降平穩(wěn)變化。(2)聚式流化 床層中固體顆粒不是以單個而是以集團進行運動，氣體的氣泡形式通過床層，床層不是均勻的而是分為兩相：氣泡相，主要是氣泡，其中夾帶有少量固體；顆粒相，

57、是流化的固體顆粒，其間有接近于臨界流化速度的氣體通過，它的床層界面起伏不穩(wěn)，流化裂化一般屬于此類。（3） 流化床的膨脹比 床層的流化床的體積與起始流化時的床層體積比叫膨脹比。115第115頁，共137頁。4.7流態(tài)化基本原理2、鼓泡床的基本現(xiàn)象 如果床層的直徑足夠大，而且氣體的流速不太大時，即器壁的影響和個氣池的影響可以忽略不計，我們可以觀察到一個氣泡的運動情況。 (1) 氣泡的發(fā)生與形狀 氣體以高速通過分布器時形成氣泡。 正常氣泡的形狀下圖。 氣泡的上半部分呈半環(huán)形，氣泡的尾部則有一個凹入的部分，稱為尾波區(qū)，體積占球形體積的20-30%。尾波區(qū)夾帶有固體顆粒，而氣泡相對則基本不含固體顆粒。

58、氣泡116第116頁，共137頁。4.7流態(tài)化基本原理(2) 氣泡運動與返混 氣泡上升過程中，尾波區(qū)的壓力較低，氣泡周圍的固體顆粒被引至尾波區(qū)并隨氣泡向上運動。當尾波區(qū)夾帶的固體顆粒較多時，它變得不穩(wěn)定，于是上升的過程中會甩下一部分夾帶的顆粒，而其余的仍被帶上去。當氣泡升至床層界面時，氣泡破裂，尾波區(qū)的顆粒散落下來。這是固體顆粒的返混。 117第117頁，共137頁。4.7流態(tài)化基本原理 (3)氣泡對流化和反應的影響 氣泡的長大，使得氣泡內(nèi)的氣體量增大，這些氣體不能和催化劑很好地接觸，所以沒有經(jīng)過反應就離開床層，對反應是不利的。下面我們看一下流化床的特殊現(xiàn)象。 氣節(jié)（騰涌） 在直徑較小的流化床

59、中，有時氣泡能長大到和床層直徑大小一樣，形成了一層氣泡相，一層固體顆粒相，這種現(xiàn)象稱為氣節(jié)。 在氣節(jié)狀態(tài)時，氣體與催化劑的接觸情況與一般鼓泡床不一樣，操作壓力波動甚至會發(fā)生反應器振動。 溝流 在大型鼓泡床中，氣泡經(jīng)常不是在整個床截面中均勻分布而是形成幾個鼓泡中心，氣泡聚合后沿幾條“捷徑”上升。當氣速增大及床高增加時，鼓泡趨于集中，甚至幾乎只集中與床層中央部分。嚴重的鼓泡集中使氣泡連續(xù)沿著“捷徑”上升而形成短路，這種現(xiàn)象叫溝流。發(fā)生溝流時，局部床層的壓降下降。顯然溝流對催化裂化反應是不利的。118第118頁，共137頁。4.7流態(tài)化基本原理鼓泡床頂上的稀密相密相床 鼓泡床層的頂部有一個波動的界面

60、，當氣速增大時，界面起浮動的度就大，在界面以下的叫密相床。 對于催化裂化反應器和再生器，密相床層的密度隨氣體速度等因素而變化，一般在100-150kg/m3 稀相段 密相段以上的空間叫稀相段。由于氣速減小，稀相段含有固體顆粒少，密度小。 當氣速較低時，稀密相的差別大，兩相間的界面明顯，而氣速增大的則界面不明顯。119第119頁，共137頁。4.7流態(tài)化基本原理 （4） 夾帶和揚析 氣體離開床層界面時，床層中的某些固體顆粒也被氣體攜帶至稀相段，這些顆粒分為兩類：一是終端速度低于表面速度，二是終端速度高于表面速度而低于氣池速度。 對于終端速度大于表面速度的顆粒，由于氣池的速度大于床層的表面速度，所