CN101489644A - 气固分离器的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种气固分离器的设计方法，该气固分离器包括：沿铅直方向延伸的内筒(10)，其下端(11)被封闭并且上端(1)开口，和外筒(2)，其从外方以同轴状覆盖内筒(10)、并且在内筒的上端侧形成有与外部连通的排气口(6)，在内筒(10)的下端(11)侧的侧壁上沿圆周方向形成有多个沿轴向延伸的长孔(4)，在长孔(4)的各自的一长边缘部设有向外侧突出，并且向周向倾斜而覆盖各长孔(4)的引导叶片(5)，被设计成：在内筒内下降的气体和固体粒子的混合物的截面平均线速度为3～30m/s中的任一值时，从长孔排出的气体和固体粒子的混合物的截面平均线速度为20m/s以下，且在形成有长孔的部分，在外筒和内筒之间上升的气体的截面平均线速度为6m/s以下。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于将固体粒子和气体的混合物分离成固体粒子和气体的气固分离器。
背景技术
自古就公知有将粒子状的固体作为催化剂或热介质，使其与反应物接触的反应系统。在这样的反应系统一流化床式反应器中，有的使用浓厚流动层(气泡流动层)，有的使用高速移动层(高速流动层)等。需要缩短固体粒子和气体的接触时间的反应(短时间接触反应)使用高速移动层。现在，在以重油等为原料油制造汽油的流动接触分解装置中，被称为上升装置(riser)的上升流型高速移动层反应器成为主流。其理由在于随着催化剂性能的提高，能缩短接触时间，由此汽油等理想生成物的选择性上升，能抑制不理想的过分解反应。
在高速移动层反应器中，虽然生成物气体和粒子状固体催化剂的混合物从反应器出口流出，但在要求短时间接触反应的这种装置中，如何能迅速地从混合物中分离出粒子状的固体催化剂是重要的课题，成为分离器的重要性能。
作为这样的气固分离器，众所周知的是例如专利文献1～3所示的气固分离器。
专利文献1：日本特开平10-249122号公报
专利文献2：美国专利6146597号说明书
专利文献3：日本特开平10-249121号公报
发明内容
但是，人们弄清楚了现有的气固分离器分离效率并不充分。本发明是鉴于上述问题而提出的，提供一种与以前相比，气体和固体的分离效率更高的气固分离器的设计方法。
本发明的气固分离器的设计方法是一种气固分离器的设计方法，该气固分离器包括：沿铅直方向延伸的内筒，其下端被封闭并且上端开口；和外筒，其从外方以同轴状覆盖该内筒，并且在上端侧形成有与外部连通的排气口，在内筒的下端侧的侧壁上沿圆周方向形成有多个沿轴向延伸的长孔，在长孔的各自的一长边缘部设有向外侧突出并且向周向倾斜而覆盖各长孔的引导叶片。而且，在内筒内下降的气体和固体粒子的混合物的截面平均线速度为3～30m/s中的任一值时，从长孔排出的气体和固体粒子的混合物的截面平均线速度为20m/s以下，且在形成有长孔的部分，在外筒和内筒之间上升的气体的截面平均线速度为6m/s以下，优选为5m/s以下。
根据由本发明设计的气固分离器，从内筒的开口向下供给固体粒子和气体的混合物时，该混合物从内筒的各长孔向下、向外筒内排出。排出的气体沿引导叶片的内表面稍稍回旋，且进一步向下行进。在此，混合物中的一部分固体粒子冲撞到引导叶片的内面，冲撞的固体粒子仍然沿导向板的内面向下落下。由于在外筒的上部设有排气口，因此，其它包含有固体粒子的气体的方向向上翻转，沿设置在相邻的长孔的缘部上的引导叶片的外表面向上流动，然后从排气口排出。而且，在该气体的流动从向下翻转为向上时，伴随着气体的固体粒子由于其惯性或自重而与气体分离，向下方回旋着主要沿内壁下降。
特别是，在本发明，构成为在内筒内下降的气体和固体粒子的混合物的截面平均线速度为3～30m/s中的任一值时，从长孔排出的气体和固体粒子的混合物的截面平均线速度为20m/s以下，在外筒和内筒之间上升的气体的截面平均线速度为6m/s以下，优选为5m/s以下。
由此，以3～30m/s中的任一截面平均速度供给混合物时，从长孔排出的气体和固体粒子的混合物的截面平均线速度为15m/s以下，在外筒和内筒之间上升的气体的截面平均线速度为6m/s以下。因此能得到良好的气固分离性能。
根据本发明，能提供一种与以前相比，气体和固体的分离效率更高的气固分离器的设计方法。
附图说明
图1是第一实施方式的气固分离器的局部剖立体图。
图2是图1的气固分离器的纵剖视图。
图3是图2的III-III的剖视图。
图4是图1的引导叶片附近的放大立体图。
图5是表示图3的引导叶片的变形例的剖视图，(a)是平板状的引导叶片，(b)是折板状的引导叶片。
图6是第2实施方式的气固分离器的纵剖视图。
图7是表示实施例以及比较例的条件和结果的表。
附图标记说明
2、外筒；2a、中央外筒；3、排气口；4、长孔；5、引导叶片；6、开口；10、内筒；100、102、气固分离器。
具体实施方式
第1实施方式
以下使用附图详细地对本发明进行说明。图1～4是表示第1实施方式的气固分离器的一种方式的图，图1是局部剖立体图，图2是图1的气固分离器的纵剖视图，图3是用III-III面剖切气固分离机的横截面图，图4是表示引导叶片附近的流动的立体图。
气固分离器100呈同轴状固定的内筒10以及兼作外围器的外筒2为主体，构成大致筒状的双层结构，以沿铅直方向延伸的姿态使用。
内筒
内筒10是沿铅直方向延伸的有底圆筒状，上端开口而形成导入口1，从该导入口1导入粒子和气体的混合物。下端由底板11封闭。
关于内筒10的尺寸，虽然优选其外径D3与直接连接于上游侧的未图示的混合物输送管相同，但为了获得通过内筒10的混合物的适度的线速度，既可以减小尺寸，也可以增加尺寸。具体地说，确定内筒的直径，使得内筒10的混合物的向下截面平均线速度U10为3～30m/s中的任一值。优选确定内筒的直径，使得混合物的向下截面平均线速度U10优选为10～20m/s中的任一值。在U10低于3m/s以下时，粒子下降速度降低，无法得到充分的惯性，难以分离。
在内筒10的朝底板11侧的侧面上，在其圆周等分部位上形成有多个(在图中是12个)沿轴向延伸的窄幅矩形状的长孔(狭缝)4。
长孔4的数量以及开口面积如下决定：在供给到内筒10的气体和固体粒子的混合物的向下的截面平均线速度被确定为3～30m/s的任一值的条件下，通过各长孔4的混合物的截面平均线速度为20m/s以下，优选为15m/s以下。通过各长孔4的混合物的线速度U4可以使用内筒10的内径D3’(≈D3)、在内筒10中下降的混合物的截面平均线速度U10、长孔4的开口面积S、长孔的数量n，由(π/4)(D3’)2·U10＝S·n·U4求出。确定长孔4的面积S时，可以据此确定长孔4的宽度W和长度L。在通过长孔4的混合物的线速度大于20m/s的情况下，由于付与粒子的横向的力变大，所以，固体粒子被从长孔4的较高的上侧排出，在如以后描述的那样气体的流动从向下翻转为向上时，固体粒子容易伴随气体，分离效率降低。另外，由于长孔4、引导叶片5、外筒2的侧壁的磨损剧烈，所以不理想。另一方面，虽然对下限没有特别的限制，但在通过长孔4的混合物的截面平均线速度小于3m/s的情况下，混合物的速度慢，存在离心力不充分而分离不充分的倾向。因此，在供给到内筒10的混合物的向下的截面平均线速度为3～30m/s中的任一值时，优选通过长孔4的混合物的截面平均线速度为3m/s以上。
在满足上述条件的范围内使用内筒10的圆周长L1例如可以用下式来表示适合于实用的长孔4的水平方向的宽度W。
狭缝的宽度W＝3mm～L×1/4，优选W＝L×1/16～L×1/64
在满足上述条件的范围内使用后述的中央外筒2a的高度La例如可以用下式表示实用的长孔4的铅直方向的长度L。
狭缝的长度L＝La×a，在此a为0.1～0.99，优选0.7～0.95。
在这些长孔4的各自一方的长边缘部上设有向外侧突出的长弯曲板状的引导叶片5。即，引导叶片5与长孔4数量相同，分别沿长孔4的一长边缘部设置。这些引导叶片5与内筒径向成恒定角度，即，各引导叶片5覆盖各长孔4地向恒定圆周方向倾斜设置。倾斜形状既可以如图1和图3所示那样弯曲，还可以如图5的(a)横截面图所示那样是平板状，再有，也可以如图5的(b)所示那样是在中途折曲的板状。在引导叶片是弯曲的情况下，如图3所示，面向长孔4的一侧最好是为凹面那样的曲面，特别优选截面为圆弧。在截面为圆弧的情况下，半径是r，顶角是70～120度，在内筒10的外径为D3，中央外筒2a的内径为D1时，优选0.4×(D1-D3)≤r≤0.5×(D1-D3)。
作为分离器整体，优选全部引导叶片5为同一形状，位于圆周等分点上地安装在其上，以便获得顺利的动作。另外，也可以与一个长孔4相对应，分别设置被分割为多个部分的结构的引导叶片5。
各引导叶片5的径向的突出长度P(参照图3)，即，((内筒10的中心C和引导叶片5的顶端F的距离R)-0.5×内筒10的外径D3)优选中央外筒2a的内径为D1而如下式那样设定。
引导叶片的突出长度P＝(R-0.5×D3)＝0.5×(D1-D3)×b，在此，b为0.2～0.99，优选0.7～0.95。
在b小于0.2，即在引导叶片5的径向突出长度P过小的情况下，从长孔4喷出的气流不能明确地进行翻转，不理想。在b大于0.99，即在引导叶片的径向突出长度P过大的情况下，外筒和引导叶片的间隙过小，引导叶片等和外筒接触，因此不理想。
另外，对于引导叶片5的铅直方向长度来说，虽然优选与长孔4的铅直方向长度L相同的程度，但可以如以下那样规定。
引导叶片5的最小高度＝长孔4的长度L/2
引导叶片5的最大高度＝外筒2的长度
优选引导叶片5的高度为长孔4的长度L以上且是0.8×外筒2的长度。
关于长孔4的数量，虽然在图示的例子中是12个，但并不限于此，长孔4的数量是2个以上即可。优选8～16个，更优选采用10～14个。若长孔4的数量为一个(少于2个)，则在内外筒的间隙中不能很好地形成分离所需要的气流翻转，不合适，而且，虽然也取决于内筒10的直径等尺寸，但一般情况下，即使设置超过16个长孔，也仅仅是分离器白白地变得复杂、价格昂贵，看不出更提高分离效率。
外筒
外筒2是从外方覆盖该内筒10的处于同轴状的筒状体。外筒2从上依次由气体引导筒2c、圆筒状的中央外筒2a、圆锥筒2d、以及粒子排出管2e构成。特别是，中央外筒2a形成为围着内筒10上形成有多个长孔4的部分10a。优选中央外筒2b比内筒10的底板11进一步向下延伸。
在本实施方式，在内筒10的外径为D3时，中央外筒2a的内径D1设定为在被供给到内筒10内的气体和固体粒子的混合物的向下的截面平均线速度被确定为3～30m/s中的任一值的条件下，使得在中央外筒2a和内筒10之间上升的气体的截面平均线速度Ud为6m/s以下，优选为5m/s以下。截面平均线速度Ud在内筒10的外径为D3以及内径为D3’(≈D3)、在内筒10中下降的混合物的线速度为U10、混合物中的气体的体积占有率为ε、中央外筒2a的内径为D1时，则可以用(π/4)(D3’)2·U10·ε＝(π/4)((D1)2-(D3)2)·Ud求出。另外，通常，ε几乎近似为1。
Ud超过6m/s时，固体粒子容易伴随气流上升，难以使固体分离。另外，特别是，虽然Ud的下限并不特别存在，但出于减少气体在分离器内的滞留时间的考虑，优选为大于2m/s。
另外，D1在满足上述条件的范围内，可以为1.1×D3～5×D3，还可以为1.1×D3～3×D3。
另外，在中央外筒2a的高度为La时，若使La为内筒10的内径D3的0.8～10倍，最恰当。如果重视缩短滞留时间这方面，优选与长孔4的铅直方向长度相应地缩短La。具体地说，优选La是D3的1～5倍。
在中央外筒2a的上面配置有直径小于中央外筒2a的直径的圆筒状的气体引导筒2c，在气体引导筒2c的侧面的对峙位置的2处形成有排气口6。在排气口6上分别连接有与外部连通并且向半径方向延伸的抽气管7。抽气管7也可以向上方或向下方倾斜。
另一方面，在中央外筒2a的下端向下方依次连接有直径缩小的圆锥部2d、以及小直径的粒子排出管2e。粒子从粒子排出管2e下端的粒子排出口3排出。从粒子排出管2e的粒子排出口3并不稳定地排放气体，仅通过抽气管7稳定地排出气体。另外，外筒2和内筒10仅通过长孔4连通。粒子排出管2e的粒子排出口3的开口直径优选是内筒10的外径D3的0.6～2倍。
上述各部用耐化学反应的适当的原材料形成。例如，不锈钢加工性优异、耐药性也好，因此可以说是合适的材料。除此之外，也可以适当地组合不同的原材料构成各部。主要是能获得必要的刚性和耐性就足够了。
接着对本实施方式的作用进行说明。从气固分离器的上方的混合物导入口1以规定速度、向下例如以截面平均线速度3～30m/s中的确定的任一速度向内筒10导入由气体和固体粒子构成的混合物。固体粒子虽然没有特别的限定，但例如可以举出平均粒径是1～500μm左右、粒子体积密度ρP是0.6～0.9g/cm3左右的流动接触催化剂(FCC)等。
内筒10的下端部被底板11封闭，虽然仅在刚刚开始导入后，固体粒子的一部分直接冲击该底板，但会渐渐形成固体粒子层(催化剂床)，保护底板以免其受到固体粒子的冲撞或冲击。
稳定地从图的上方朝向下方的混合物的流动被底板以及粒子层所遮挡，产生向横向(水平方向)的速度，从设置在内筒10的侧面的多个长孔(狭缝：5)，如图2和图4所示的那样，向侧下方飞出。在此，实线箭头表示气体的流动，虚线箭头表示固体粒子的流动。
然后，如图4所示，在气体从长孔4向下流出后，被引导叶片5的内表面5a引导，从上方看气体绕铅直轴线稍微向图示的顺时针方向回旋，然后，沿顺时针，沿相邻的引导叶片5的外表面5b上升，然后从排气口6排出。
另一方面，固体粒子的一部分与引导叶片5的内表面5a冲撞，仍然沿着内表面向下移动。另外，其它粒子的大部分在气体的流动从向下翻转为向上时，由于粒子的惯性或自重，速度并不与气体一起翻转，而是脱离气体的流动，仍然向下方行进，如图2所示，沿圆锥部2d的内表面回旋，从粒子排出口3排出。
这样一来，气体和固体粒子的混合物被分离成气体和固体粒子。
而且，在本发明，特别是在内筒10内的混合物的向下的截面平均线速度被确定为3～30m/s中的任一速度的情况下，从长孔4排出的混合物的截面平均线速度、气体在内筒10和中央外筒2a之间的上升的截面平均线速度都被设计为规定速度以下。因此，在将内筒4内的混合物的向下的截面平均线速度被确定为3～30m/s中的速度时，充分提高固体粒子的分离效率。即，来自长孔4的混合物的截面平均线速度不太大，因此付与固体粒子的水平方向速度不太大，固体粒子从长孔4的较低的下部排出，因此固体粒子易于分离。在内筒10和中央外筒2a之间的气体的截面平均上升速度也不太大，因此能够抑制伴随上升的气体的固体粒子的数量。
这样一来，能以更高的下降速度将混合物供给到内筒10内，能保持气固分离性能并提高处理能力。
另外，除此之外，影响分离效率的因素还有粒子直径、粒子密度、气体和粒子的密度差等。这些因素，任意一个大，都会提高分离效率。
第2实施方式
以下，参照图8对第2实施方式进行说明。当在以重油为原料油制造汽油的流动接触催化装置上使用本气固分离器时，从粒子排出口3排出的催化剂在粒子群的间隙中含有气体，同时，粒子上吸附有重油。因此，来自粒子排出口3的催化剂通常供给到未图示的汽提(stripping)装置，由蒸汽等的惰性气体将其除去。
而且，在短时间接触反应中，有时上述汽提装置成为问题。即，由于在汽提装置内的催化剂的滞留时间一般较长，因此，问题是到汽提结束之前的时间，反应仍然在继续。因此，为了避免这样的多余的反应，还有，为了消除出现气体的一部分从粒子排出口被导入到汽提装置之类的不理想的现象的情况下的影响，有时优选设置滞留时间短(装置容积小)的预汽提装置。
本实施方式的固气分离器与第一实施方式不同之处是在气固分离器的下部组装预汽提机构13而能在外筒2的下方进行预汽提。
具体地说，在下部外筒2b的下部还设有外筒2g，同时，在内表面设置多级挡板14。另外，内筒10g还延伸到内筒10的底板11的下方，在内筒10g的周面上也设有多级挡板14。还在外筒2g内且在内筒10g的下方设有环状的蒸汽供给部件12。而且，粒子排出口3与外筒2g的预汽提装置13的下方连接。从粒子排出口3排出的固体粒子被导入到未图示的汽提装置中。
在这样的固气分离器中，在外筒2的上部被分离出的固体粒子被挡板14分散开且落下，由从蒸汽供给部件12供给的蒸汽进行预汽提。从该预汽提机构13产生的气体以及油纸、汽提蒸汽等并不从预汽提装置排出到系统外部，而是直接被导入到该气固分离器。由此提高了预汽提效果，而且能节省设备。另外，即使使用预汽提机构，分离效率的降低也几乎看不出来。
另外，在本实施方式，虽然使用由设在外筒2g和内筒10的表面上的挡板14使固体粒子分散开这种方式的预汽提机构(装置)，但并限于此，也可以采用使用多孔盘(有孔盘)或浓厚流动层方式的相当于预汽提装置的机构等。
实施例
实施例1～3、比较例1
使用图1～图4那样的形式的气固分离器，进行以下条件的、含有粒径60μm的、粒子体积密度0.7g/cm3的固体粒子的、温度度20℃的空气分离实验。气固分离器的尺寸包括内筒的内径D3’(≈D3)，如图7所示。即，确定装置的大小，使得内筒内的向下气体速度恒定为12m/s并且外筒和内筒间的气体的向上速度恒定为4.7m/s，通过改变长孔宽度W使通过长孔的线速度分别变化为11.7、13.8、15.6、23.4。催化剂收集率(单位：％)＝(从固体排出口排出的固体的重量)/(供给到分离器的催化剂的重量)示于图7。
实施例1、实施例4、比较例2、比较例3
确定装置的大小，使得内筒内的向下气体速度恒定为12m/s并且长孔气体线速度恒定为11.7m/s，通过改变外筒的直径使外筒和内筒间的气体的向上速度分别变化为4.7、5.9、6.6、10。
Claims (1)
1.一种气固分离器的设计方法，该气固分离器包括：
沿铅直方向延伸的内筒，其下端被封闭并且上端开口；
和外筒，其从外方以同轴状覆盖上述内筒，并且在上述上端侧形成有与外部连通的排气口，
在上述内筒的上述下端侧的侧壁上沿圆周方向形成有多个沿轴向延伸的长度的长孔，
在上述长孔的各自的一长边缘部，设有向外侧突出并且向周向倾斜而覆盖上述各长孔的引导叶片，
该气固分离器的设计方法的特征在于，
在上述内筒内下降的气体和固体粒子的混合物的截面平均线速度为3～30m/s中的任一值时，
从上述长孔排出的气体和固体粒子的混合物的截面平均线速度为20m/s以下，且
在形成有上述长孔的部分，在上述外筒和上述内筒之间上升的气体的截面平均线速度为6m/s以下。
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