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固定流化床FCC試驗裝置設計方案
（供稿：江蘇分析儀器 王新軍 固定流化床FCC試驗裝置詳情請詢 ）
*章 設計基礎
2.1設計依據
本設計是根據海南省 xx大學XX學院提供的試驗裝置技術指標要求的基礎上，提出的正式設計方案。
2.2裝置性質
本裝置是用來評價催化裂化催化劑性能，以高水平的自動化和多通道的反應模式來提高研究開發催化劑新產品的效率，同時能高質量地滿足工業試驗以及催化劑市場服務的更高要求。
反應裝置催化劑裝量為150-250克，反應溫度為350-670℃，再生溫度為600-720℃，劑油比為1.5-10，重時空速為1-30，反應壓力為常壓，原料油為汽油、柴油、蠟油、摻渣油等。
裝置反應系統都可以自動進行催化裂化反應、汽提、吹掃、催化劑再生及產品收集，進而進行物料平衡計算。
整套裝置關鍵設備材質采用316SS不銹鋼，反應器采用耐高溫的0520SS不銹鋼（性能優于316SSS不銹鋼），其他采用321SS不銹鋼。裝置采用計算機實行自控、監控操作，裝置儀表控制系統采用DCS集散控制系統，主要機泵、儀表及管閥件均采用進口品牌產品。
裝置要求達到以下主要目標：
2 能夠高度自動化地完成準備、吹掃、反應、汽提、再生等五個工藝階段的操作
3 能在線完成催化劑的再生全過程
4 能分別自動收集重組份油和輕組份油
5 裂化氣收集計量，滿足真空操作條件要求
6 配置計算機失效CFR自動連鎖保護邏輯，達到無人值守的要求
7 所有溫度控制點均配有獨立于計算機之外的TSS超溫報警，自動聯鎖保護
8 尾氣氣量和水蒸汽量自動計量
9 能進行物料衡算
10 自動控制采用高可靠性DCS系統，保證控制精度和操作平穩
第二章 工藝流程概述
工藝流程控制圖詳見附圖：固定流化床FCC試驗裝置PID流程圖。
整個裝置分五個階段操作：準備階段、吹掃階段、反應階段、汽提階段和再生階段。
準備階段主要操作是將裝置系統復位到初始狀態，裂化氣收集氣袋抽真空，氮氣吹掃，預熱器和反應器升溫，原料油罐和其進料管線升溫，轉換爐和初產品接收器升溫等。
吹掃階段主要操作是氮氣吹掃預熱器和反應器，原料油打循環等。
反應階段主要操作是控制原料油和水蒸氣進反應器，調節流化氮氣量，記錄原料油重量和氣表的初始值等。
汽提階段主要操作是調節氮氣和水蒸氣至汽提流速，記錄原料油重量和氣表的結束值等。
再生階段主要操作是反應器升溫，調節空氣至再生流速等。
2.1準備2.2階段
首先，裝好一定量的催化劑，原料是臘油或摻渣油時，原油罐V-51，進料計量泵P-51及氣管線都升至一定的溫度，其他溫度控制點都切換至手動，輸出為零；所有泵都關閉；所有質量流量計輸出為零；進油流路通過三通閥HV-51三通閥打至回流循環狀態，進油泵P-51泵量輸出為零；通過三通閥HV-81將反應器及產品收集器切至大氣。然后，啟動P-81真空泵將裂解氣收集氣袋抽真空，連續三分鐘后停泵。按一定的進氣速率控制氮氣質量流量計FT/FV-31通氮氣。啟動水泵P-41，控制進水泵量。設定預熱爐FRN-121、反應爐FRN-101的目標值，切換至自動控制狀態。原料為重油時，還需要將原料罐溫控回路TIC-51、泵頭溫控回路TIC-52、進油管線溫控回路TIC-53切換至自動控制狀態升溫。等待反應器下端的溫度穩定。
2.3吹掃階段
啟動進油泵P-51，通過HV-51閥將原料油打循環，用氮氣吹掃預熱器R-121和反應器R-101一定的時間，并等待反應爐各段穩定達到設定目標值。
2.4反應階段
設置進油泵P-51的進油速率SC-51，自動記錄電子天平WT-51的平均讀數。調節流化氮氣量，通入反應器。自動記錄尾氣表WTM-81的讀數，通過HV-81三通閥將裂解氣通入氣袋。通過HV-41和HV-51三通閥將水蒸氣和原料油打入反應器。等待反應結束時間，再將原料油切換至循環狀態。
2.5汽提階段
將質量流量計FT/FV-31設置到相應的流化進氣量。設置進水泵P-41泵量至汽提蒸汽量，等待汽提結束。自動記錄電子天平WT-51的平均讀數，減去原先記錄的讀數，自動計算出進油量，之后調節進油泵量為零、停泵；自動記錄尾氣表WTM-81的讀數，同樣減去原先記錄的讀數，自動計算出產氣量（體積）。將HV-81三通閥打至放空，保持氣袋的氣量不變。調節進水泵量為零、停水泵。
2.6再生階段
按恒定的升溫速率將反應器至再生溫度。等待反應器溫度穩定以后，將FT/FV-21質量流量計調至再生氣量。待再生結束后，通過HV-81三通閥將再生氣通入氣袋，送進一步分析。
第三章 主要設備設計
3.1 主要設備設計
本裝置所有設備一覽表的設計描述詳見“附表1 設備匯總表”和“附表2 器件匯總表”。裝置設備組裝圖詳見“裝置布局圖”章節內容。下面對一些主要設備結構設計描述如下：
1、反應器R-101
R-101為固定流化床反應器，上部98mm×220mm×4 mm,下部為錐體長320mm，錐形底。有1/4"進油管和1/8"測溫套管插入考近底部，上側部有1/4"加劑口，出口配有3/8"管線，并加裝陶瓷過濾器，法郎連接。
2、反應爐FRN-101
FRN-101為三段桶式反應爐，*段爐瓦長200 mm，第二、三段爐瓦長均為150 mm，溫度控制誤差小于±1.0℃，反應爐總長為800mm，功率5KW。配有三個獨立于計算機之外的TSS安全保護邏輯作為超溫保護。
3、預熱器R-121
60mm×300mm，裝不銹鋼填料。
4、預熱爐FRN-121
FRN-121為單段管式反應爐，爐瓦長300 mm，溫度控制誤差小于±1℃，反應爐總長為400mm。配有獨立于計算機之外的TSS安全保護邏輯作為超溫保護。
5、真空泵P-81
真空度450mmHg，流量100NL/min，zui大入口溫度70℃，220VAC,50 HZ。
附表1 設備匯總表
序號 | 位 號 | 設備名稱 | 產地 | 數量 | 操作條件 | 型號或規格 | 材質 | 備注 | |
溫度℃ | 壓力MPa | ||||||||
1. | P-41 | 計量泵 | 合資 | 1 | 常溫 | 常壓 | 0-40ml/min | 316SS | 水泵 |
2.1 | P-51 | 計量泵 | 美國 | 3 | 常溫 | 常壓 | 0-200ml/min | 316SS | SSI |
3.3 | WT-51 | 電子天平 | 德國 |
|
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| 0-6kg,精度 0.1g |
| 廠家SATORIUS |
4.5 | R-101 | 反應器 | 自制 | 1 | 720 | 常壓 | 固定流化床反應器 | 0520SS | TORCH，裝填量250g,內插1/4”熱偶套管 |
5.6 | R-121 | 預熱器 | 自制 | 1 | 500 | 常壓 | 原料預熱器 | 316SS | TORCH |
6.8 | FRN-101 | 反應爐 | 自制 | 1 | 550 |
| 三段桶式爐，5KW zui高溫度：1200℃， 爐瓦長度：200/ 150 / 150 mm | 碳化硅，陶瓷纖維 | TORCH |
7.9 | FRN-121 | 預熱爐 | 自制 | 1 | 500 |
| 單段管式爐，1.5KW zui高溫度：500℃， 爐瓦長度：300 mm | 碳化硅，陶瓷纖維 | TORCH |
8.11 | V-41 | 計量罐 | 自制 | 1 | 常溫 | 常壓 | V=10L | 玻璃 | TORCH |
9.12 | V-51 | 計量罐 | 自制 | 3 | 180 | 常壓 | V=5L | 玻璃 | TORCH |
10.18 | V-71 | 重餾份罐 | 自制 | 1 | 150 | 常壓 | V=1L | 321SS | TORCH |
11.19 | HTR-71 | 加熱套 | 自制 | 1 | 150 |
| 300W | 碳化硅，陶瓷纖維 | TORCH |
12.20 | V-72 | 換熱器 | 自制 | 1 | 260 | 常壓 | 40×300 | 321SS | TORCH |
13.21 | HTR-72 | 加熱帶 | 合資 | 1 | 260 |
| 200W，1200mm長 |
|
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14.22 | V-74 | 輕餾份罐 | 自制 | 1 | 常溫 | 常壓 | V=2L | 321SS | TORCH |
15.23 | V-73 | 水冷器 | 自制 | 1 | 100 | 常壓 | 內管：10，夾套：50，350mm長 |
| TORCH |
16.24 | V-75 | 深冷器 | 自制 | 1 | 60 | 常壓 | 內管：10，夾套：50，350mm長 |
| TORCH |
17.27 | P-81 | 真空泵 | 合資 | 1 | 常溫 |
| 450 mmHg, 流量100NL/min |
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18.29 | WMT-81 | 濕式氣表 （帶遠傳） | 國產 | 1 | 常溫 | 常壓 | 每轉5L |
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附表2 器件匯總表
序號 | 名稱 | 產地 | 生產廠家 | 數量 | 備注 |
1. | 質量流量計 | USA | BROOKS | 2 |
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2. | 減壓閥 | USA | TESCOM | 3 |
|
3. | 壓力傳感器 | USA | SAILSORS | 1 |
|
4. | 針形閥 | USA | SWAGELOK | 3 |
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5. | 兩通球閥 | USA | SWAGELOK | 12 |
|
6. | 三通球閥 | USA | SWAGELOK | 4 |
|
7. | 兩通電磁閥 | USA | ASCO | 4 |
|
8. | 單向閥 | USA | SWAGELOK | 4 |
|
9. | 安全閥 | USA | SWAGELOK | 2 |
|
10. | 氣體過濾器 | USA | SWAGELOK | 2 |
|
11. | 液體過濾器 | USA | SWAGELOK | 1 |
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12. | 工藝管線 | USA | PARKER | 100 |
|
13. | 各種連接件 | USA | HYLOK | 120 |
|
14. | K型熱偶 | 合資 | 出口型 | 20 |
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15. | 壓力表 | USA | MARSH | 10 |
|
16. | K型測溫模塊 | USA | OPTO | 15 |
|
17. | 模擬量輸入、輸出模塊 | USA | OPTO | 6 |
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18. | 數字量輸入、輸出模塊 | USA | OPTO | 22 |
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19. | 模擬量主板及底板 | USA | OPTO | 2套 |
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20. | 數字量主板及底板 | USA | OPTO | 2套 |
|
21. | 固態繼電器 | USA | OPTO | 16 |
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22. | TSS溫度控制表 | ENGLAND | WEST | 6 |
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23. | 計算機 | USA | DELL,2.4G，80G | 1 |
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24. | 顯示器 | USA | HP,17”液晶 | 1 |
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25. | 標準軟件包 | USA | Inlution iFix3.5 | 1套 |
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第四章 技術指標要求
1、催化劑裝填量：150 – 300 g
2、流 量：
原料油：10 – 120 g
水 量：0 – 40 ml / min
氮 氣：0 – 8 NL / min
再生空氣：0 – 8 NL / min
3、壓 力：
反應壓力：常壓
汽提壓力：常壓
再生壓力：常壓 – 2 Kg / cm2
吹掃壓力：常壓
4、溫 度：
原料罐及管線：zui大70℃ ±1℃
反應溫度：350 – 670℃ ±0.5℃
再生溫度：600 – 720℃ ±1℃
一級冷卻溫度：120℃
二級冷卻溫度：60℃
三級冷卻溫度：30℃
5、容 積：
原料油罐：5L
水 罐：10L
重組份接收罐：1L
輕組份接收罐：3L
6、物料平衡：100 ± 2%
7、循環時間：
催化裂化反應時間：20 – 600 秒 ± 0.1秒
汽提時間：20 – 50 分鐘
再生時間：5 – 30 分鐘
吹掃時間：1 – 10 分鐘
再生冷卻到再次反應時間：大于60 分鐘
5 控制系統設計
5.1控制系統概述
采用的控制系統是美國OPTO公司的DCS控制系統，其控制硬件支持現場信號與邏輯之間、通道與通道之間4000V光電隔離，I/O硬件模塊全部采用陶瓷封裝，可靠性高。現場一次儀表采用進口的測量、控制精度高的品牌產品。主機采用DELL計算機，并配19”液晶顯示器和激光打印機。
主要一次儀表采用進口品牌配置：質量流量計采用BROOKS，調節閥采用BADGER，精密計量泵采用SSI，壓力傳感器采用SAILSOR，電子天平采用SARITORIUS，固態繼電器采用OPTO。
本套裝置共有檢、測控點253個，其中 106個檢測點，147 個控制點，包括：
溫度檢測點：21個
壓力檢測點：1個
流量檢測點：2個
電子天平檢測點：1個
脈沖計數點：1 個
電源檢測點：1 個
溫度控制回路：17 個
TSS溫度保護控制回路：6個
流量控制點：2 個
泵啟停控制：1 個
泵流量計控制點：1 個
兩通電磁閥控制點：4 個
計算機失效（CFR）控制： 1個
總報警（ALM）控制：1 個
總電源控制：1 個
在設計控制點、檢測點時還在上述基礎上留有5 ％余量，具體描述參見本章附表：裝置控制點、檢測點數據表。
5.2軟件配置組態
采用美國INLUTION的DMACS-FIX 7.0或 iFIX 3.5標準軟件包，實際上是增加了軟件的可靠性，符合同類裝置的標準，同時操作培訓也較為簡便。它功能齊全，適用于各類試驗裝置過程控制，目前國內引進的小型試驗裝置配置的軟件都是DMACS-FIX標準軟件包。計算機操作畫面包括：總目錄畫面，報警畫面，流程控制畫面，壓力、液位控制畫面，溫度、壓力、液位PID調節畫面，數字量總覽畫面，模擬量總覽畫面，聯鎖控制畫面，實時曲線畫面，歷史曲線畫面，門限設置畫面等。能很好實現：
·過程監視控制。
·數據的采集、處理、分析。
·報表提供周期工況記錄、指令記錄、報警記錄，實現自動化。
·CRT實時顯示：工藝流程及工藝參數及反應器床層的軸向溫度分布。
·歷史數據的存儲和歷史趨勢顯示。
·當溫度或壓力超過預定上限，及時發生聲光報警信號。
·用戶能編制和修改多段自動升溫程序、開車程序、停車程序、緊急關斷程序。
·用戶可方便設置和修改設定和修改工藝參數及報警限。
5.3聯鎖保護系統
自動控制系統*采用國外設計和制造標準，整個系統有多達五級的安全保護設計和配置，*達到引進水平。
由于系統在高溫，以及易燃易爆氣體條件下工作，其安全可靠性要求*。自控系統采用上通行的多重嚴格安全控制邏輯：反應爐的每一個溫控點都配有獨立于計算機之外的TSS安全溫度保護，確保系統超溫情況下的自動關斷；IBX不間斷地接受來自計算機的心跳脈沖，如果由于任何原因導致計算機故障而心跳停止，系統會根據計算機失效信號（CFR）自動啟動保護邏輯；當溫度或壓力達到高高限（HiHi）時，計算機會發出指令，自動啟動相關保護邏輯；主要氣體進料模塊和每一個反應單元都配有安全泄壓閥，以防系統超壓；精密進料泵配有安全泄壓閥，以防泵憋壓損壞；對工藝過程動態監視，在相關工藝參數達到低限（Lo）或高限（Hi）時，系統產生聲光報警，提醒操作員提前處理。
6 裝置工藝自控特點
北京拓川石化技術公司承建本裝置的總目標是要為石化研究院煉所按引進標準和水平設計建造一套具有*的、自動控制水平高的多通道固定流化床FCC試驗裝置。
（1）工藝裝置部分，（2）IBX控制箱柜部分，（3）控制軟件部分按國外引進標（4）準和水平設計建造，（5）確保整個系統的高質量、次。
（6）所有關鍵設備（7）器件采用國外品牌產品，（8）詳細內容參見“主要設備（9）設計”章節的“表1 設備（10）匯總表”和“表2 器件匯總表”。
（11）確保器件數量符合標（12）準規范的P&ID工藝流程圖，而（13）不（14）簡化流程，（15）這些是決定系統價格的主要因素。詳細內容參見 “附圖 固定流化床FCC試驗裝置PID流程圖”。
（16）系統緊急關斷時，（17）自動切（18）斷各進料氣體，（19）并自動啟動氮氣吹掃置換管路和反應系統。
（20）自動控制采用美國OPTO公司的DCS 集散控制系統，（21）確保系統的可靠性、控制精度和易操作性。
（22）按照設計標（23）準，（24）預熱爐和反應爐的各個溫控點都配有獨立于計算機之外的TSS安全溫度保護，（25）確保系統超溫情況下的自動關斷保護。
（26）IBX配有心跳脈沖邏輯，（27）由于任何原因導致計算機故障而（28）心跳停止，（29）系統會根據計算機失效信號（CFR）自動啟動保護邏輯，（30）確保裝置達到無人值守之要求。
（31）提供尾氣流量在線自動計量功能。
（32）采用美國INLUTION公司的 IFIX 3.5標（33）準軟件包，（34）并達到引進裝置系統應用軟件開發水平。
7 公用工程及接口
1、各種氣源
采用1/4”管線。
2、儀表風系統
裝置連接的儀表風接口為1/4”管線。
3、冷卻水（自來水）
廠房總水管采用1”管線，與裝置各冷卻設備（水冷）接口為3/8”管線。
4、尾氣
裝置排出的尾氣接口為3/8”管線。
5、緊急放空
廠房緊急放空總匯管采用3/8”管線。
6、總電源
裝置主體需要配置電源10KW（四芯，三相，220VAC），其它設備需要6KW，包括：通風等。裝置要求穩壓電源和不間斷電源（UPS）保護。
7、接地
裝置要求規范接地，要求埋入大地至少1米，其電阻小于4歐姆。
8 裝置布局
裝置本體面積為3.0平方米（1.0M × 3.0M），實際使用操作面積不少于15平方米（3.0M × 5.0M），另需考慮鋼瓶等所占空間。
9 安全保護
反應產物裂解氣屬易燃易爆氣體，廠房和試裝置需要在防爆、通風安全保護等方面有嚴格要求。
1、通風
裝置所在的廠房，按一般性要求大約每小時換氣6次。
2、監測
需配置便攜移動式可燃氣體報警器。
3、緊急放空
緊急放空用3/8”管子，并配有5L留液罐，緊急放空時，常帶有液體。
4、TSS溫控保護
所有的電加熱溫度控制點，都采用TSS安全保護措施。
5、計算機系統
計算機系統采用CFR連鎖安全保護措施。