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摘要：旋风分离器系统在催化裂化装置中用于分离催化剂与油气或催化剂与烟气，是决定催化剂跑损程度的关键设备。旋风分离器系统主要由旋风分离器、料腿和翼阀等组成，其操作条件比较苛刻，主要是操作温度比较高、入口颗粒浓度比较大。旋风分离器在长时间的运行过程中会发生各种各样的故障，是FCCU中出现故障频率相对比较高的设备，也是影响装置长周期运行的主要因素之一。
关键词：催化裂化装置；旋风分离器；机械故障；原因
1 工艺故障的参数分析
1.1 入口速度
旋风分离器是利用气流旋转对颗粒产生的离心力进行气、固两相分离的。颗粒的离心力大小与旋风分离器的入口速度有直接关系。通常入口速度越大，切向速度越高，离心力越大，分离能力越强，分离效率也越高。入口速度很大时，内部旋转气流的湍流强度增大，造成颗粒的激烈扩散和反弹，细小颗粒易发生逃逸，使得分离效率下降，所以旋风分离器的性能曲线是个驼峰曲线，存在一个最佳入口速度范围。
若旋风分离器入口速度过高，不仅颗粒的扩散和反弹加剧，同时入口速度过高还会造成催化剂与器壁的激烈撞击导致催化剂的冲击破碎，细小催化剂含量增大，最后导致颗粒的逃逸量增大，旋风分离器的分离效率降低。某催化裂化装置再生器一级旋风分离器入口速度上限为21 m/s，实际达到25～26 m/s;二级旋风分离器入口速度上限为24 m/s，实际达到28～30 m/s。此时催化剂的扩散、碰撞、返混、弹跳急剧增大，同时受到较大的冲击破碎，跑损催化剂中粒径为0～40μm颗粒的质量分数超过30%，催化剂耗损达1.2 kg/t。在旋风分离器存在冲击破碎时，这种跑损催化剂的粒径分布特点是催化剂细粉含量增大，在催化剂粒径>5μm处出现峰值，颗粒粒径呈双峰分布[1,5]。
因旋风分离器的入口速度原因产生的催化剂跑损可以通过装置的操作工艺参数进行校核，如加工处理量、再生烟气量等参数的计算，另一方面旋风分离器的入口速度变化直接影响到其压降变化。由于旋风分离器压降与入口速度的2次方成比例，压降小则入口速度小，压降大则入口速度大，因此通过旋风分离器的压降值可以直接判断入口速度变化，进而对旋风分离器的操作气量负荷进行校核。
1.2 入口浓度
虽然旋风分离器的入口浓度增大后旋风分离器的分离效率提高，但出口浓度也随之增大，结果跑损催化剂的绝对量和中位粒径是随着入口浓度的增加而增加的。由于催化裂化装置旋风分离器的入口质量浓度比较高，例如再生器一级旋风分离器的入口质量浓度一般在1～5 kg/m3之间甚至更高，处理气量也比较大，因此要求分离效率在99.99%以上才能控制催化剂耗损<1 kg/t。
旋风分离器的入口浓度主要受流化床流化速度和密相床层料面高度波动的影响。流化床流化速度对催化剂有夹带和扬析作用。当流化床流化速度增加后，密相料面上升，催化剂的扬析量增大，使得旋风分离器入口浓度增大。另一方面流化床气体分布器的布气均匀性对催化剂的扬析量也有很大的影响。
例如再生器内气体分布器的局部区域磨损损坏，造成布气不均匀，出现严重的短路偏流，局部射流状上升气体夹带催化剂量增大，均可以导致旋风分离器入口浓度增大，出口浓度也随之增大，跑损催化剂的颗粒粒径分布的粗颗粒部分增加。
通过控制流化床的流化速度和密相床层料面的波动是减小旋风分离器入口浓度的有效方法。旋风分离器的入口浓度可以通过压降变化进行诊断。通常旋风分离器压降随着入口浓度增加开始是减小的，当入口浓度增加达到某一值时，压降随入口浓度升高转变为增加，因此存在一个转折点，压降与入口浓度的关系是一个勺形曲线。旋风分离器的压降除摩擦损失和进出口损失原因外，主要是通过旋转切向速度的变化影响压降的。旋风分离器的入口浓度增加后切向速度减小，升气管内压力增加，旋风分离器压降减小。当入口浓度超过一定值后，摩擦损失起主导作用，旋风分离器压降与入口浓度近似呈线性关系，最后旋风分离器压降形成了特有的勺形曲线。这样通过这种压降变化可以监测旋风分离器的入口浓度的变化和故障，尤其是两级串联旋风分离器各自的压降变化。
1.3 料腿结焦堵塞
沉降器内旋风分离器升气管外壁由于有重油油滴和催化剂的沉积会形成结焦，这种结焦会逐渐增长形成较大的焦块。当催化裂化装置操作波动时会致使升气管处焦块脱落堵塞下面的料腿入口，致使旋风分离器分离功能失效催化剂大量跑损。这种故障在国内外催化裂化装置上均有发生。料腿堵塞后，催化剂堆集在料腿和旋风分离器的分离空间内，旋风分离器已无分离催化剂的功能，进出口的催化剂浓度和颗粒粒径分布一致。在压降方面，由于旋转气流消失，压降仅是管道的压降，旋风分离器压降远低于正常工作时压降值。这种催化剂跑损故障具有突发性的特点，导致油浆固含量短时急速上升，只能非计划停工处理。
1.4 料腿出口排料不畅
旋风分离器料腿的出口或设置在流化床的稀相区，或插入到流化床的密相床层内。当料腿出口的防倒锥或翼阀安装在流化床床层流化不稳定区，就会导致料腿出口排料不畅，造成旋风分离器的分离性能下降。某催化裂化装置再生器一级旋风分离器的防倒锥和二级旋风分离器的翼阀均聚集在二密床的环形空间内。二密床高料位时，跑剂高达2.0～2.5 kg/t。通过二密床分布器的改造让出再生斜管、循环斜管、外取热器上斜管的下料口位置，重新设计防倒锥和翼阀的位置，二级旋风分离器料腿下料口移至稀相，避免了气体分布器对料腿排料的影响，跑剂降低到1.0 kg/t以下。
2 结论
催化裂化反应是一个多相催化快速反应体系，剂油比率比较大，导致FCCU催化剂循环量非常之大。在高负荷的催化剂循环流动中，旋风分离器的分离作用至关重要，任何影响催化剂分离操作的工艺参数的异常变化均可导致旋风分离器系统发生故障而失效，造成催化剂的大量跑损。
目前旋风分离器故障分析很大程度上依赖于经验积累，但催化裂化工艺的反应、流化和催化剂的物性与分离过程与存在一定的必然联系。通过校核旋风分离器的入口速度、入口质量浓度、压降变化、系统的压力波动、跑损催化剂的浓度、粒径分布等可以有效地判断旋风分离器的故障原因和位置，为后续采取必要的措施提供帮助。
参考文献
[1]宋健斐，王迪，孙立强，等.基于颗粒谱的FCC旋风分离器故障诊断技术的初步探索[J].石油学报(石油加工)，2017,33(3):588-594.