旋风分离器是催化裂化装置的再生器的关键设备，其主要作用是将烟气中携带的催化剂回收至再生器密相床层中，同时将再生器出口烟气中催化剂浓度控制在0.4-1.5g/Nm3之间，使其下游的三级旋风分离器更好的进行烟气和催化剂细分的分离[1]。料腿和翼阀则是旋分器下部连接的重要设备，料腿把旋风分离器收集的催化剂颗粒用送至料腿下部，料腿末端的翼阀通过间歇开启，将催化剂颗粒输送至再生器密相床层中。如料腿长度、直径设计不合理或翼阀工作不正常均会影响装置的长周期运行。
再生器的旋风分离器通常采用两级串联组合方式，即一级、二级旋风分离器串联。两级串联的旋风分离器，一级旋风分离器料腿一般埋入密相床层中，二级旋风分离器的料腿出口安装形式有两种情况，一种是埋入密相床层中，另一种是悬挂在稀相床层中。第一种情况二级旋风分离器料腿的出口压力与第一级旋风分离器料腿的出口压力一致，第二种情况的出口压力不一致[2]。本装置属于第一种情况。
本文取本装置最近一次标定数据进行计算。
1.再生器旋风分离器入口浓度实测值校正
计算翼阀的工作状态时需使用旋分入口浓度，催化裂化装置旋分器入口浓度一般用差压法测定。测定时，一方面应扣除器内气体所占的密度，另一方面应加上反吹风本身的空气柱产生的静压差[3]。需要注意的是，反吹风自身密度产生的静压差，该密度应按测量点处的实际压力进行换算，因再生器一级旋分入口密度的两个测量点高差很小，不考虑仪表变送器安装位置的影响，取再生器稀相压力作为空气柱的计算压力。
因此，催化剂密度的实际值应为：
式中：
——旋分器入口浓度的实际值，kg/m3 ；
——旋分器入口浓度的测量值，kg/m3 ；
——反吹风在测压点的操作压力和反吹风本身温度下的密度，kg/m3 ；
——旋分器内烟气或油气在测压点操作条件下的密度，kg/m3 。
再生器一级旋分入口密度测量值为-0.4kg/m3，已知反吹风温度20℃即293.15K，测压点压力287.525kPa（绝），空气的平均分子质量为28.959，则
=3.41kg/m3，可计算得烟气密度为1.08kg/m3，则一级旋分实际入口催化剂浓度=1.94kg/m3。
已知标定期间自然跑损量约0.5kg/t，两器总跑损量=0.5×233.89=166.9kg/h。
标定期间油浆固体含量为5g/L，油浆密度为1035.5kg/m3，油浆外甩携带的催化剂量=12.2÷1.0355×5×1000=58.9kg/h，则再生器催化剂跑损量=166.9-58.9=58kg/h。
一般认为两级旋分的总效率为99.99%，可计算得到再生器稀相烟气实际流量101.7m3/s，则反推再生器旋分入口催化剂浓度=58÷3600÷101.7÷（1-0.9999）=1.58kg/m3，与实测校正值较为接近。
需要指出的是，测量旋分入口浓度的仪表为微差压表，管嘴的磨损和堵塞均会影响测量结果，测量值准确与否可通过气相饱和夹带量的计算进行对比判断。
2.计算输送分离高度TDH和气相饱和夹带量
再生器通常由密相区和稀相区组成。稀相区是从密相床层表面到再生器烟气出口或旋风分离器入口间的一段区域，该区域高度称为稀相高度。
密相床中的气泡上升到床层表面破裂时，将大量催化剂抛向稀相空间，且流化床中存在不均匀的气流，使大量催化剂带出。密相床的气速越高，催化剂的夹带量越多。随着高度的增加，床层中的气流逐渐变得均匀，催化剂的夹带量也越来越小。随着高度继续增加，稀相空间的催化剂颗粒夹带量基本保持不变，此时的高度就叫输送分离高度TDH，对应的稀相中催化剂颗粒浓度就称为气相饱和夹带量[3]。
理论上，在再生器沉降高度足够的情况下，旋分入口浓度与饱和夹带量相同。所以，先计算旋分入口高度是否满足TDH的要求，满足后在计算气相饱和夹带量数值与实测值进行对比。
2.1输送分离高度TDH
随床层气速和床层直径的提高，所需的TDH也会增加。TDH的关联式多与床层气速uR和床层直径DR有关。
1）Horio等将Zenz的经验算图关联为：
查图得DR为14m，已知主风量、再生器内温度等参数可计算得uR为0.66m/s，，代入数据得TDH=6.19m。
2）曹汉昌的关联式：
代入数据得TDH=11.65m。
通过再生器的料位、密度的测量值及其引压点标高，可知再生器料位标高为43.02m，一级旋分入口标高为61.29m，沉降高度为18.27m，满足上述两式TDH计算结果的要求，即再生器内沉降高度足够，旋分入口浓度理论上应与饱和夹带量相同。
2.2气相饱和夹带量
气相饱和夹带量与床层气速、气体的粘度和密度、催化剂的直径和颗粒密度等因素有关。其中，气体速度和催化剂颗粒密度影响最大。
表1 计算再生器气相饱和夹带量参数
项目 | 单位 | 数值 | 项目 | 单位 | 数值 |
稀相烟气密度 | kg/m3 | 1.08 | 催化剂平均直径 | μm | 45.65 |
再生器床层线速 | m/s | 0.66 | 催化剂颗粒密度 | kg/m3 | 1384.1 |
烟气粘度 | Pa·s | 0.0000368 |
|
|
|
1）Giuricich式：
式中：
——催化剂颗粒密度，kg/m3 ；
——查图1。
图1 饱和夹带量关联曲线
已知再生器稀相高度/TDH=18.27÷11.79=1.54≥1，则
/
=1，
流体表观速度即再生器床层线速，即得
=0.66m/s。
代入数据得
=4.78kg/m3。
2）曹汉昌式：
式中：
——烟气密度，kg/m3 ；
——床层线速，m/s ；
——烟气粘度，Pa·s；；
——催化剂平均直径，μm ；
——催化剂颗粒密度，kg/m3 。
代入数据得
=13.29kg/m3。
3）卢春喜恒定夹带量公式
式中：
——烟气密度，kg/m3 ；
——床层线速，m/s ；
——催化剂平均直径，μm ；
——催化剂颗粒密度，kg/m3 。
代入数据得
=2.93kg/m3。
对密相床顶以上3m内的平均密度=10×一级旋分入口催化剂密度，则稀相段最下部3m处平均密度=10
=29.34kg/m3。
由密相床顶3m以上到旋风分离器入口的平均密度=1.5×一级旋分入口催化剂密度，则稀相段3m以上至旋分入口平均密度=1.5
=4.41kg/m3。
表2 气相饱和夹带量计算结果与旋分入口浓度实测校正值
方法 | 单位 | 结果 |
Giuricich式 | kg/m3 | 4.78 |
曹汉昌式 | kg/m3 | 13.29 |
卢春喜公式 | kg/m3 | 2.93 |
实测校正值 | kg/m3 | 1.94 |
本装置再生器采用烧焦管和再生器两段再生形式，通常再生器旋分器入口浓度为2-3kg/m3[4]，曹汉昌式计算结果与其他三种误差较大，需在后续计算中继续验证该数值的准确性。
3.再生器料腿长度计算
一般情况下，除提升管出口的粗旋属正压排料外，其它各部位旋分器内的压力均比稀相低，比密相床层更低，所以料腿排料是一个负压差排料过程，料腿内部的颗粒需要从高处的低压区流向下部的高压区，这就需要从旋风分离器分离下来的催化剂颗粒所形成的密相料柱的产生的静压，去平衡与料腿外部的压力差，保证料腿排料。若料腿长度不能满足料封高度的要求，将使气流经料腿倒窜，降低旋风分离器的分离效率。计算旋风分离器压力平衡的目的就是求所需料腿长度，以便建立料封，避免气流倒窜。
图3 一二级旋分计算符号图示
3.1一级料腿
推动力（料腿顶部压力+料腿内料柱压力）=阻力（再生器顶压力+稀相静压+密相静压+放倒锥压降）。
已知再生器料位标43.02m，一级旋分入口标高为61.29m，防倒锥标高38.27m。则
+
=61.29-38.27=23.36m，
=61.29-43.02=18.61m，
=23.36-18.61=4.75m。
一级料腿埋入深度
的选定应使料腿出口（在考虑膨胀后）到分布器的距离大于hj（分布器区高度）。工业上可取 hj =0.6 m。已知再生器大小环的标高=36.227m，则料腿出口应该不低于36.827m。已知不考虑膨胀时料腿出口的标高为38.27m，膨胀量=23.36×（700-20）×19×10-6=0.3m，则考虑膨胀后料腿出口的标高=37.97m，符合要求。
已知一二级旋分总压降=6.2kPa，单级旋分的压降按总压降的一半计算即
=3.1kPa。经推导得：
式中，
=8.2kg/m3，一级料腿内密度取经验值=400kg/m3，
≈0，带入数据得
=0.63m，
+
+1=6.38m。
计算出的
+
+1的数值远小于
+
，说明料腿有足够的长度。
为安全起见，采用的料腿长度应为料腿当量长度的1.5倍，或从旋风分离器锥底到料腿内计算料面之间的距离保持2.2m。此外，旋风分离器的具体安装高度还要考虑输送沉降高度TDH。
3.2二级料腿
二级料腿埋入深度
建议在1～2m[5]，这里距离分布管影响区和密相床层表 面都较远，流化比较平稳。能否进一步将二级料腿向下延伸则根据具体情况决定。 再生器床层下部的密度往往超过二级料腿内的催化剂密度，料腿向下延伸对料腿的压力平衡不利。这就需要对密相床高进行准确计算，尽可能避开床层不稳定区。
已知翼阀标高为38.936m，二级旋分入口标高为62.828m，则
+
=62.82-38.936=23.89m，
=62.82-43.02=19.81m，
=23.89-19.81=4.08m。考虑膨胀后二级料腿埋入深度=4.08+0.3=4.38m，距床层不稳定区较远。
同理可推导得二级料腿内高于料位的催化剂高度：
式中，二级料腿内密度取经验值=350kg/m3，
=6.2kPa，
取经验值350Pa。
带入数据得
=2.56m，可知二级料腿内的料面高度与二级旋分入口距离足够。
4. 再生器翼阀工作状态和料腿循环强度核算
在再生器内，二级料腿末端安装的翼阀位于激烈的湍流区域，一般采用全覆盖翼阀。当料腿内的催化剂积攒到能使翼阀开启的料封高度时，翼阀阀板能及时打开，排出催化剂后又能迅速关上。翼阀的作用是避免开工装催化剂时催化剂的大量跑损，同时还可以减缓料腿节涌作用，使料腿中催化剂的密度和藏量保持稳定，保证旋风分离器正常工作[5]。
翼阀的工作状态主要通过料腿的密度和料面的测压情况来反映，也可根据旋分器出口烟气中催化剂的筛分组成来判断。由于翼阀的故障而造成的催化剂跑损往往很高，多套装置曾因翼阀故障引起催化剂大量跑损，被迫停工检修。
4.1翼阀开启间隔时间计算
一级旋分入口的烟气量=6101.99m3/min=101.7m3/s，一级旋分入口催化剂浓度去测量校正值1.94kg/m3，一级旋分入口催化剂量=101.7×1.94=197.06g/s。
按一级旋分效率99.4%，二级旋分效率98.3%。总效率=1-（1-99.4%）×（1-0.98.3%）=99.99%[1]。
进入二级旋分入口的催化剂量=197.06×（1-99.4%）=1.18kg/s，二级旋分进入料腿的催化剂流量=1.18×98.3%=1.16kg/s。
与沉降器顶旋的翼阀不同，再生器二级料腿的翼阀是埋在密相床中的，所以料腿内部与外部的压力差除了旋分压降和翼阀本身的压降外，理论上还需考虑密相床层与料腿内的密度差产生的压降。已知密相床层密度为371.7kg/m3，料腿内密度经验值350kg/m3，前文已计算翼阀埋入深度4.38m，则密度差产生的压降=21.7×4.38÷1000=0.095kPa，所以忽略此影响。
已知再生器旋分器总压降=6.2kPa，上下引压点高差7m，计入空气柱产生的压差=6.2+3.41×7×9.8÷1000=6.43kPa，一般翼阀的压降为0.35kPa，则料腿内部与密相床的压力差=6.43+0.3=6.78kPa，这部分压力差由料腿内的料高来平衡，料腿内密度取经验值350kg/m3。
二级料腿内随翼阀开启关闭的活动料位高度差=6.78×1000÷350÷9.8=1.97m。
已知二级旋分料腿内径312mm，料腿截面积=3.14×0.312×0.312÷4=0.0765m2。
二级料腿内随翼阀开启关闭的活动料位体积=0.0765×1.97×12（组）=1.81m3。
二级料腿内随翼阀开启关闭的活动料位质量=1.81×350=635kg。
翼阀开启间隔时间=635÷1.16=687s=9.11min。
同理三个饱和夹带量的计算结果按上述过程计算，结果见表3。
表3 不同气相饱和夹带量的翼阀打开间隔时间
方法 | 单位 | 结果 |
Giuricich式 | min | 3.69 |
曹汉昌式 | min | 1.33 |
卢春喜公式 | min | 4.01 |
实测校正值 | min | 9.11 |
从计算结果看，曹汉昌式的饱和夹带量计算的翼阀打开间隔时间最短。
沉降器的翼阀一般要求打开间隔时间在3-8s之间，因再生器翼阀所处的环境没有油气存在，翼阀阀板无结焦风险，打开间隔时间较沉降器的翼阀长是相对合理的，也可减少翼阀阀板的磨损。
翼阀的失常是较难判断的，一般旋分器压降只有一组总测压点，各组旋分器没有单独的测压点，也就无法判断其工作情况。判断料腿和翼阀工作状况正常与否，最主要的是从催化剂损自然跑损量来判断，也可从平衡剂的筛分组成作出判断。如果催化剂的粒度变粗，和料腿、翼阀的失常有关。
4.2再生器料腿循环强度计算
一级料腿循环强度=197.06×99.4%÷3.14÷0.8÷0.8×4÷12=32.49kg/m2·s。
二级料腿循环强度=1.16÷0.0962÷12=1.0kg/m2·s。
同理将6其他三个饱和夹带量的计算结果按上述过程计算，结果见表4。
表4 不同气相饱和夹带量的料腿循环强度
方法 | 单位 | 一级料腿 | 二级料腿 |
Giuricich式 | kg/m2·s | 80.21 | 3.12 |
曹汉昌式 | kg/m2·s | 222.86 | 8.69 |
卢春喜公式 | kg/m2·s | 73.79 | 2.88 |
实测 | kg/m2·s | 32.49 | 1.2 |
一般一级料腿质量流速范围250~600kg/m2·s，二级料腿质量流速范围≤336kg/m2·s。从计算结果看，曹汉昌式的饱和夹带量较为合理，装置的实测值可能偏小。
5.结论
(1) 通过对再生器旋分器入口浓度测量值的校正，饱和夹带量的计算，可得出再生器旋分器入口浓度的大致范围，再通过料腿和翼阀的工作状态的计算，对比判断再生器旋分器入口浓度的真实值。
(2) 通过计算，本装置的再生器的旋分入口高度远大于输送分离高度，料腿内的料面高度也与旋分入口有足够的距离，一级料腿满足料腿出口到分布器的距离大于0.6m，二级料腿的埋入深度可避开床层的不稳定区。
(3) 通过计算，翼阀的打开间隔时间和料腿的循环强度基本在合理的范围内。综合料腿和翼阀的计算结果，装置的旋分器入口浓度实测值可能偏小，真实值趋近于曹汉昌式的计算结果。
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