CN101489645B - 气固分离器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种气固分离器。其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)侧的侧面，沿圆周方向形成有多个沿轴向延伸的长孔(4)，在各长孔(4)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)，在外筒(2)的围着内筒(10)的长孔(4)的部分，下部的内径(D1)大于上部的内径(D2)。

Description

气固分离器 
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-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。 
再有，最近提出了一种下降流型高速移动层反应器。下降流反应器能获得均匀的气固流，由于反应时间短，很理想。 
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。 
本发明的气固分离器，包括：沿铅直方向延伸的内筒，其下端被封闭并且上端开口；以及外筒，其从外方以同轴状覆盖该内筒，在内筒的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，在各长孔的一侧的长边缘部设有引导叶片，该引导叶片向外侧突出，并且向周向倾斜而覆盖各长孔。而且，在外筒的围着内筒的多个长孔的部分，外筒下部的内径D1大于外筒上部的内径D2。 
根据本发明，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表面，冲撞的固体粒子仍然沿引导叶片的内表面向下落下。由于在外筒的上部设有排气口，所以包含其它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，在本发明中，在外筒的围着多个长孔的部分，外筒下部的内径D1大于外筒上部的内径D2。因此，气体的流动翻转而上升时的气体的上升速度慢，能有效地阻碍固体粒子随之上升，因此，能显著地提高分离效率。 
在此，出于在气体的流动翻转时有效地抑制固体粒子伴随气体的考虑，优选满足1.01≤(D1/D2)≤1.3。(D1/D2)为1.01以下，效果难以显现，若(D1/D2)超过1.3则气体的滞留时间变长。这对于有意在短时间内反应的工艺来说不理想。 
另外，优选在内筒的外径为D3时，各引导叶片的径向突出长度P满足(D2-D3)×0.1≤P≤(D2-D3)×0.5。由此，能有效地形成翻转流，很理想。若低于下限，则有难以产生翻转流的倾向。 
另外，优选外筒由内径为D2的上部外筒和内径为D1的下部外筒上下连接而形成，下部外筒围着长孔下部且围着该长孔的铅直方向长度L的5～50％。若下部外筒围着长孔的高度过低，则抑制翻转后的固体粒子伴随气体的效果差，另一方面，即使高度过高，气体的滞留时间也变长。这对于有意在短时间内反应的工艺来说不理想。 
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。 
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是表示图2的气固分离器的第1变形例的纵剖视图。 
图7是表示图2的气固分离器的第2变形例的纵剖视图。 
图8是第2实施方式的气固分离器的纵剖视图。 
图9是表示实施例1-6以及比较例1的条件和结果的表。 
图10是表示实施例7-11的条件和结果的表。 
图11是表示实施例12-16的条件和结果的表。 
附图标记说明 
2、外筒；2a、上部外筒；2b、下部外筒；3、粒子排出口；5、引导叶片；6、排气口；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面剖切气固分离器的横截面图，图4是表示引导叶片附近的流动的立体图。 
气固分离器100以固定成同轴状的内筒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。 
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的开口面积根据混合物的供给量确定，以使通过长孔4的混合物的线速度为1～40m/s、优选3～25m/s、最优选3～15m/s。若确定了长孔4的面积，则可以据此确定长孔4的宽度W和长度L。在通过长孔4的混合物的线速度小于1m/s的情况下，由于混合物的速度慢，分离不充分，所以不理想。另外，在线速度大于40m/s的情况下，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。 
使用内筒10的圆周长L1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＝1mm～L×1/4，优选W＝L×1/16～L×1/64 
另外，使用后述的上部外筒2a的高度La以及下部外筒2b的高度Lb用下式表示实用的长孔4的铅直方向长度L。 
狭缝的长度L＝(La+Lb)×a，在此，a是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与内筒径向成一定角度，即，各引导叶片5覆盖各长孔4地向恒定的圆周方向倾斜设置。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，上部外筒2a的内径为D2时，优选0.4×(D2-D3)≤r≤0.5×(D2-D3)。 
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)优选上部外筒2a的内径为D2而如下式那样设定。 
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于其上，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。 
引导叶片的突出长度P＝(R-0.5×D3)＝(D2-D3)×b，在此，b为0.5以下，优选0.1～0.5，更优选0.35～0.495。 
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0.495，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，有时引导叶片和外筒接触。 
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。长孔4的数量为一个(少于2个)，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。上述长孔4的数量是对用以重油等为原料油制造汽油的流动接触分解装置所使用的混合物的实验结果进行分析而综合判断的结果。本结构中的长孔的数量直接影响所要求的分离效率，一般情况下，优选最终也考虑了开口面积等而根据实验确认。 
例如，考虑通过内筒的混合物的线速度为恒定的场合。该 场合，a)如果长孔的数量是相同的，则减小长孔的开口面积、增大通过长孔的混合物的线速度，由于气流的翻转而引起的速度变化会变大，分离效率提高。但是，作为相反效果，有加重腐蚀的倾向。b)如果来自长孔的线速度是相同的，则减小每个长孔的开口面积，增加长孔4的数量，能获得在整个分离器的稳定的翻转速度，分离效率提高。但是，作为相反效果，分离器变得复杂。根据以上事实，长孔的数量要综合地判断所要求的分离效率或腐蚀的程度、分离器的复杂度等，最终根据使用各种各样的混合物的实验结果来决定。 
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或反应管相同，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，优选确定内筒的直径，使得内筒10的混合物线速度为1～100m/s，优选3～30m/s，更优选10～20m/s。 
外筒
外筒2从外侧覆盖该内筒10，是处于同轴状的筒状体。外筒2从上依次由气体引导筒2c、上部外筒2a、下部外筒2b、圆锥筒2d、以及粒子排出管2e构成。特别是，上部外筒2a以及下部外筒2b形成为围着内筒10上形成有多个长孔4的部分10a。即，上部外筒2a形成为主要围着形成有各长孔4的部分10a的上部。下部外筒2b被配置成主要围着形成有各长孔4的部分10a的下部。优选下部外筒2b比内筒10的底板11进一步向下延伸。 
在本实施方式，特别是，下部外筒2b的内径D1比上部外筒2a的内径D2大。特别是，优选满足1.01≤(D1/D2)≤1.3。另外，在内筒10的外径为D3时，上部外筒2a的内径D2为1.1×D3～20×D3最恰当。具体地说，优选D2是1.1×D3～3×D3。如果重视缩短滞留时间这方面，优选与引导叶片5的径向突出 长度P相对应，尽可能减小D2。另外，在上部外筒2a的高度为La、下部外筒2b的长度为Lb时，使(La+Lb)为内筒10的内径D3的0.8～10倍较佳。如果重视缩短滞留时间这方面，优选与长孔4的铅直方向长度相对应地缩短(La+Lb)。具体地说，优选(La+Lb)为D3的1～5倍。 
另外，优选Lb/(La+Lb)是0.05～0.6。并且，虽然下部外筒2b的至少一部分需要围着长孔4的下部，但优选下部外筒2b围着长孔4下部且围着该长孔4的铅直方向长度L的5～50％。在此，下部外筒2b中的面向内筒10的长孔4的部分的高度为套口(pocket)高度LC。 
另外，在本实施方式，上部外筒2a和下部外筒2b分别为恒定内径的圆筒，上部外筒2a以及下部外筒2b由内缘和外缘配置在同一平面上的圆环2f连接，使得内径在上下方向上急剧变化，但如图6所示，上部外筒2a和下部外筒2b也可以由圆锥状的圆环2f连接，另外，如图7所示，上部外筒2a以及下部外筒2b作为整体也可以为越是朝向下方内径越大的圆锥状，主要是在外筒2的围着多个长孔4的部分，下部的直径D1比上部的直径D2大即可。 
在上部外筒2a之上配置有直径小于上部外筒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向径向延伸的抽气管7。抽气管7也可以向上方或向下方倾斜。 
另一方面，在下部外筒2b的下端依次连接有直径向下方缩小的圆锥筒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0.8～2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、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，但例如可以列举出平均直径是1～500μm左右、粒子体积密度是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去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：4)，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，沿邻接的引导叶片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，沿圆锥筒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，在本发明中，特别是，使下部外筒2b的内径D1大于上部外筒2a的内径D2。由此，气体的速度从向下翻转为向上的部分的内筒10和外筒2的间隙变大了，因此翻转部分的气体的上升速度变小。因此，容易减少伴随上升气流的固体粒子，提高分离效率。 
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。 
本实施方式的气固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。 
在这样的气固分离器中，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1～6
使用图1～图4那样方式的气固分离器，进行了以下条件的、含有平均粒径60μm、粒子体积密度0.7g/cm3的固体粒子的温度20℃的空气分离实验。气固分离器的尺寸以及条件示于图9。长孔(引导叶片)数量为12。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)。 
比较例1
除了使下部外筒2b的内径D 1与上部外筒2a的内径D2相同之外，与实施例1相同。 
实施例7-11
除了如图10所示改变引导叶片的径向突出长度P之外，其它与实施例1相同。 
实施例12-16
除了改变套口高度之外，其它与实施例1相同。 

Claims (4)

1.一种气固分离器，其包括：
沿铅直方向延伸的内筒，其下端被封闭并且上端开口；
以及外筒，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沿轴向延伸的多个长孔，
在上述多个长孔中的各长孔的一长边缘部设有引导叶片，该引导叶片向外侧突出，并且向周向倾斜而覆盖上述各长孔，
在上述外筒的围着上述内筒的多个长孔的部分，下部的内径D 1大于上部的内径D2。
2.根据权利要求1所述的气固分离器，满足1.01≤(D1/D2)≤1.3。
3.根据权利要求1或2所述的气固分离器，在内筒的外径为D3时，上述引导叶片的径向突出长度P满足(D2-D3)×0.1≤P≤(D2-D3)×0.5。
4.根据权利要求1或2所述的气固分离器，上述外筒由内径为D2的上部外筒和内径为D1的下部外筒上下连接而形成，上述下部外筒围着上述长孔下部且围着上述长孔的铅直方向长度L的5～50％。
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