CN101912753A - 气固流化床复合内构件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于气固流化床的复合内构件，其包括多个竖直平行排布的构件组单元，每个构件组单元均包括一竖直构件，两侧分别设置有多片倾斜的导流叶片，同侧上下相邻的两个导流叶片的倾斜方向相反，使气固两相介质在通过竖直构件时形成“之”字形流动；同一高度上竖直构件两侧设置两片基本对称的导流叶片，其倾斜方向也相反，使气固两相介质在通过这两个叶片时形成交错流动。本发明的内构件可有效提高流化床中气固间的接触效果和抑制气固相的返混，且可适用于更宽的操作域，在实际工业流化床中布置更灵活，方便安装、检修和改造。本发明还提供了设置了所述内构件的气固流化床。

Description

气固流化床复合内构件

技术领域

本发明属于化工设备技术领域，特别涉及一种气固流化床复合内构件以及设置有该型内构件的气固流化床。

背景技术

气固流化床由于具有良好的传热、传质性能以及类似于流体的良好颗粒输送能力，在工业上得到了广泛的应用。但是，流化床中由于气泡的存在，容易造成气体短路，气固间的接触效率因此降低。同时，气泡的存在也造成固体颗粒的严重返混，进而引起气体的二次返混，造成气固两相在流化床中的停留时间分布很不均匀，严重偏离活塞流。对于连续操作的化学反应器，这些将会显著降低反应的转化率和反应产物的选择性。

为改善上述气固流化床中存在的一些固有缺点，添加内构件是通常采用的一种方式。合理添加内构件可以强化气泡破碎和抑制气泡聚并，提高流化质量，改善气固接触效果；同时，还可以有效抑制气体和固体颗粒的返混，改善气固相的停留时间分布。

目前国内外已报道的流化床内构件主要有水平构件、垂直构件以及复合构件三类形式。

常见的水平构件形式有多孔板、单旋或多旋导向内构件等，这类构件一般适于在气速较低的流化床中使用，当气速超过一定程度后，水平构件下方会出现大量仅含少量颗粒的“气垫”。“气垫”的出现会显著降低流化床的空间利用率，对传热和传质会产生不利影响。

垂直构件一般为垂直设置的管束、翅片管和平板等。采用垂直构件的流化床虽然不会出现“气垫”，但是有时会出现粘附在垂直构件上的“气节”，“气节”对传热传质多是不利的。另外，与水平构件相比，垂直构件对传质的改善以及对返混的抑制能力相差较大。

复合构件结合了水平和垂直构件的优点，通过合理的设计，可同时消除这两类构件存在的缺点。近些年来，复合构件已经获得了越来越广泛的应用。

CN 85100040A提出了一种复合内构件，有塔形和脊形两种型式，该型内构件据称是融合了水平挡板内构件和垂直内构件的优点，并可消除“气垫”和“气节”的出现，并可方便的进行工业放大。但根据该专利文件的描述可以看出，该型内构件由于结构过于复杂，不便于安装和制造。

CN 100534602C提出了一种多层格栅式内构件，包含至少两层水平格栅，每层格栅由多个平行流动区域组成，每个流动区域内设置一系列与水平方向呈同一角度的导流叶片，而相邻流动区域内的导流叶片的设置方向相反，从而使气固两相产生交错流动。而上下相邻两层水平格栅中相对应的流动区域内的导流叶片互为反向设置，使气固两相在垂直方向上形成“之”字形流动。该型构件具有更好的气固接触效果，可显著抑制气固相的返混，且很容易制造、组装和检修。但是，这种内构件在较高的操作气速下，尤其是在高气速的湍动流化床中，其下方仍可能产生“气垫”，对气固接触效果不利。另外，该型构件的设计和流化床的操作参数(如表观气速和颗粒质量流量)是严格匹配的，当装置操作条件变化时，尤其是表观气速和颗粒质量流率显著增大时，必须重新设计和制造新的格栅构件。另一方面，由于换热、颗粒捕集及其他原因，很多工业流化床装置中都存在许多换热管、料腿以及气体管路等辅件，这些辅件的存在往往会对这型格栅内构件的安装造成很多不便。例如，由于这些辅件的存在，格栅层往往不能安装在最理想的轴向位置上。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种可适用于更宽操作域、更方便安装和改造的新型结构的复合内构件，以在维持高效气固传质效率、低气固相返混率的基础上，使内构件可适用于更高的操作气速和颗粒质量流率，增加内构件的操作范围。

本发明的另一目的在于提供设置了所述复合内构件的流化床。

本发明首先提供了一种用于气固流化床的复合内构件，该内构件由多个竖直平行排布的构件组单元构成，每个构件组单元均包括一个竖直构件(例如竖直的板条、杆或管等)，该竖直构件的两侧分别设置有多片与竖直构件呈一定倾斜角度的导流叶片。沿竖直构件高度方向，同侧上下相邻的两个导流叶片的倾斜方向相反，使气固两相介质在通过该内构件时形成“之”字形流动；并且，同一高度上竖直构件两侧设置两片基本对称的导流叶片，其倾斜方向也相反，使气固两相介质在通过这两个叶片时形成交错流动。

本发明的内构件不仅可以有效提高流化床中气固间的接触效果和抑制气固相的返混，而且可适用于更宽的操作域，在流化床中布置更灵活，更方便安装、检修和改造。

本发明中，“倾斜方向相反”是指两个导流叶片交叉设置，但与水平方向的锐角夹角都相等。

根据本发明的具体实施方案，本发明的内构件中，所述导流叶片与水平方向锐角夹角为30～75°，导流叶片的垂直高度为20～250mm，导流叶片自身的水平跨度20～200mm，导流叶片的厚度为3～20mm。上下相邻两对的导流叶片间距(上部叶片底边与下部叶片顶边的垂直距离)为0.5～10倍的导流叶片垂直高度。

根据本发明的具体实施方案，本发明的内构件中，所述竖直构件宽度等于或小于导流叶片水平跨度。

根据本发明的具体实施方案，本发明的内构件中，所述竖直构件同一高度上两侧的两个导流叶片的尺寸相同。

根据本发明的具体实施方案，本发明的内构件中，每一构件组单元的导流叶片与相邻构件组单元的最近的同向倾斜的导流叶片之间的间距为20～250mm。

根据本发明的具体实施方案，本发明的内构件中，所述多个构件组单元的同一高度位置上的导流叶片经过沿水平方向排布，在流化床内形成多层导流叶片层，每一导流叶片层包含多个平行的流动区域，每个流动区域中导流叶片的倾斜方向相同，而与相邻流动区域中导流叶片的倾斜方向则恰好相反，通过这样的内构件设置方法，使气固两相在流过导流叶片层时产生在多个平行区域间的交叉流动。更具体地，所述流动区域宽度可等于或略大于导流叶片自身的水平宽度，例如为20～300mm，同一流动区域内相邻叶片的垂直间距为20～250mm。

根据本发明的具体实施方案，本发明的内构件中，所述竖直构件为竖直支撑板、竖直支撑杆或竖直支撑管，所述多个导流叶片通过焊接或一体成型的方式与竖直构件固定在一起。

根据本发明的具体实施方案，本发明的内构件中，所述竖直构件为流化床内的竖直换热管，所述多个导流叶片是与该换热管直接焊接在一起。

本发明还提供了所述的内构件在气固流化床反应中提高气固接触效率和/或抑制颗粒返混中的应用。该内构件可有效提高流化床中气固间的接触效果和抑制气固相的返混。

本发明还提供了一种气固流化床，该流化床内设置有多个本发明所述的内构件。

根据本发明的具体实施方案，本发明的流化床中，所述内构件的固定方式可以是，在所述内构件竖直构件的顶部、底部或中部高度上设置有横跨整个流化床横截面的横梁层，通过螺栓连接件将内构件紧固在横梁上。

本发明的内构件可适用于多种工业流化床装置，尤其适用于需要高效气固接触的流化床装置，既可以用在低气速的鼓泡流化床中，也可以用在高气速的湍动流化床中。本发明也适用于需要固体颗粒不断移出的连续型装置，用以抑制颗粒返混和改善颗粒在流化床中的停留时间分布。该型内构件不仅可以有效提高流化床中气固间的接触效果和抑制气固相的返混，而且可适用于更宽的操作域，在实际工业流化床中布置更灵活，更方便安装、检修和改造；即使在装置操作参数有较大改变时，也可通过简单调整内构件布置就可满足新的操作条件，而不需重新设计和制造新的内构件；另外，即使在流化床中具有很多辅件时，本发明的内构件也可以灵活设置在最理想的位置，从而以达到最佳的使用效果。

附图说明

图1为本发明的复合内构件的一种具体形式的结构示意图；

图2显示图1中所示的内构件的一构件组单元的结构示意图；

图3为图1所示的内构件布置在圆形容器中的的示意图(俯视图)；

图4为沿图3A-A向的剖面图(局部正视图)；

图5显示图2所示构件组单元的一种固定方法；

图6A和图6B为本发明的复合内构件的一构件组单元的再一种具体形式的结构示意图；

图7为本发明的复合内构件的一构件组单元的另一种具体形式的结构示意图；

图8为带有本发明内构件和CN 100534602C中所述内构件的流化床中平均床层空隙率的对比；

图9为加入本发明内构件和CN 100534602C中所述内构件后床层颗粒内循环流率的对比。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明所提供的流化床复合内构件及采用该内构件的流化床的特点，但本发明并不因此而受到任何限制。

实施例一

请参见图1所示，显示了本实施例的流化床复合内构件的具体结构，该内构件由多个竖直平行排布的构件组单元1(请结合参见图2所示)构成，每个构件组单元1由一个竖直支撑板10和多个导流叶片11、12、13…组成，所述多个导流叶片通过适当连接方式，如焊接等，与支撑板连接在一起，且分布在导流叶片两侧上，与竖直支撑板高度方向呈倾斜角度设置。如图2所示，其中导流叶片11和13为同侧上下相邻的两片导流叶片，这两片导流叶片与竖直支撑板10的倾斜方向相反，使气固两相在通过竖直支撑板同一侧的导流叶片时形成“之”字形流动，以提高气固接触效率。

本实施例的内构件中，竖直支撑板10两侧的导流叶片在支撑板10高度方向的位置上是成对设置，例如，图2中的导流叶片11和导流叶片12为一对，其尺寸相同，设置高度也相同，但叶片的设置方向则相互交叉(即“相反”)，使气固两相介质在通过这两个叶片时形成交错流动。

本实施例中，请结合参见图4所示，导流叶片与水平方向锐角倾角θ_v为30～75°，叶片的垂直高度H_v为20-250mm，导流叶片的厚度δ_v一般为3～20mm，可以是钢板，以满足强度和耐磨要求为宜。竖直支撑板宽度W_p(导流叶片是设置在竖直支撑板的宽面上，叶片的宽面与支撑板宽面垂直)应等于或小于导流叶片水平跨度H_v/tan(θ_v)，以满足强度要求为宜。

本实施例的内构件在应用时，是将多个所述的带有导流叶片的竖直内构件排列于流化床内。请参见图1所示，多个内构件的同一高度位置上的导流叶片对经过沿水平方向排布，从而形成了多层导流叶片层。

图3为图1所示构件布置在圆形容器2中的示意图，为其中一个导流叶片层的俯视图，显示了构件组在水平方向上的布置方法。图中每一个带倾斜剖面线的方块代表一个倾斜的导流叶片，水平方向上的粗线条代表导流叶片的顶边，细线条代表底边。如图所示，布置后所形成的导流叶片层上包含了多个平行的流动区域，如流动区域I和II。流动区域宽度W_h优选为20～300mm，等于或略大于导流叶片自身的水平宽度(20～200mm)。每个流动区域中导流叶片的倾斜方向相同，而与相邻流动区域中导流叶片的倾斜方向则恰好相反。例如，图中所示的流动区域I和II中的导流叶片方向就恰好相反。

图4为沿图3A-A向(即正视方向)的局部剖面图，本实施例中，同一层水平方向上，同一流动区域内相邻叶片的垂直间距d_v为20～250mm。即，多个带有导流叶片的竖直内构件在排列时，相邻内构件的同向倾斜导流叶片之间的垂直间距为20～250mm。

本实施例中，所述内构件在流化床中的固定方式可采用如图5所示的方式，即在内构件支撑板顶部、底部或中部几个高度上设置几层横跨整个流化横截面的固定横梁3，通过螺栓连接件31将构件组单元1紧固在横梁上。水平横梁间也可适当连接一些与之垂直的固定梁，以满足横梁对刚度的要求。这种固定方式十分方便内构件的安装，检修和改造。本发明的内构件可制成一定标准件，使用的时候仅需按照装置的需要截取适当的高度即可。当内构件使用一段时间后，某些构件出现损坏时，可以很方便地更换。另外，当操作条件改变时，需要调整构件组在水平面的排布密度时，可以通过增加或减少内构件的数量来达到所需的排布密度。

实施例二

本实施例提供了另一种形式的构件组单元，其结构请参见图6A所示，与图1所示实施例的构件组单元不同，本实施例的构件组单元由一块钢板直接加工而成，从而可以消除由于焊接缺陷而导致操作时导流叶片脱落的问题。本实施例的这种形式的构件组单元在加工时，需要首先冲压或切割一块如图6B所示的钢板，该块钢板上已初步形成了支撑杆、导流叶片以及连接支撑杆与导流叶片的连接筋等部件，通过钣金方式，将叶片倾斜成所需的角度后，就形了如图6A所示的构件组单元。

实施例三

本实施例提供了另一种形式的构件组单元，其结构请参见图7所示，该构件组单元的总体结构与实施例一及实施例二的构件组单元基本相同，但支撑结构为一管状的支撑杆，所述导流叶片是直接焊接在支撑杆上。由本实施例的多个构件组单元组成的复合内构件特别适用于一些需要设置换热管的流化床中，利用换热管作为本发明内构件的支撑杆，这样既不影响流化床中的换热，又可以达到改善气固相传质效果、抑制气固相返混的目的。

应用实例一

本发明中，在800mm内径的大型冷模实验流化床中，对比了本发明内构件和CN 100534602C中所述内构件在气固接触效率和颗粒返混抑制两方面的性能。

本发明的内构件采用34个如图2所示的构件组单元，每个构件组单元上焊接4对相互交错的导流叶片(竖直支撑构件两侧各四片导流叶片)，导流叶片与水平方向锐角倾角θ_v为50～60°，叶片的垂直高度H_v为70mm，导流叶片的厚度δ_v为3mm，宽度100mm，竖直构件为长1m、宽40～50mm、厚8mm的钢板板条。34个构件组按图1和图3所示的排布方式排列，其中流动区域宽度W_h为100mm。上下相邻导流叶片层之间的间距(同一竖直构件同侧的上部叶片底边与相邻的下部叶片顶边的垂直距离)H_L为120mm。

为了保证可比性，CN 100534602C中所述内构件采用尽可能相同的结构参数，如保证相同个数的导流叶片，导流叶片的倾角和垂直高度也相同。水平隔板的厚度同样为8mm，每层格栅的平行流动区域宽度同样为100mm，相邻两层格栅垂直高度为120mm。

图8对比了带有本发明内构件或CN 100534602C中所述内构件的流化床中的平均床层空隙率，可以看出，增设内构件后，床层空隙率明显高于无内构件床。床层空隙率主要取决于床层内气泡的停留时间，气泡停留时间越长，气泡相的分率越高，反之则越低，床层空隙率则越小。大气泡和沟流是流化床中造成气体停留时间过短的主要原因，可以看出，内构件的引入对床层气泡产生强烈的破碎作用，同时也有助于气体在床截面上的均匀分布，这也是其空隙率显著高于自由床的原因。当表观气速低于1.0m/s以下时，两种挡板床空隙率相差不大，带有本发明内构件的流化床空隙率略大于带有CN 100534602C中所述内构件的流化床，这说明本发明内构件对气固接触的改善效果比CN 100534602C略好一些。当表观气速高于1.0m/s以下时，带有CN 100534602C中所述内构件的流化床的空隙率呈现加速增大的趋势，这主要是因为床层挡板下方出现气垫的原因，而带有本发明内构件的流化床的空隙率则稳步增大，说明其中并没有出现降低床层空间有效利用率的气垫，也同时说明在此操作范围中，本发明内构件在改善气固接触效果方面要优于CN 100534602C。

图9比较了加入本发明内构件和CN 100534602C中所述内构件后床层颗粒内循环流率的变化，其中G_s，BFB/G_s，FFB是指挡板流化床中颗粒内循环流率与无挡板床中的比值。可以看出，无论加入哪种内构件，床层内的颗粒内循环流率均有显著的降低。颗粒内循环流率大小和床内颗粒返混程度直接相关，颗粒内循环流率越大，说明床内颗粒返混程度越强，颗粒在床内越接近全返混流动。两种内构件流化床中颗粒返混流率相近说明它们对颗粒返混的抑制能力比较接近，相比之下，本发明内构件对颗粒返混的抑制能力略弱于CN 100534602C。但是，并不是说挡板对颗粒返混的抑制能力越大越好，很多情况下，过强的颗粒返混抑制能力会导致装置不能正常操作，因此必须控制适当的颗粒返混抑制能力。

本发明实施例一、二、三的三种构件组单元即可单独使用，又可组合使用，并不互相排斥，可使用于需要高效传质效率的气固、气液固流化床中，尤其适用于气固流化床催化反应中，如催化裂化、烯烃生产、甲醇合成等非均相气固催化反应器中。

Claims (10)

1.一种用于气固流化床的复合内构件，该内构件由多个竖直平行排布的构件组单元构成，每个构件组单元均包括一个竖直构件，该竖直构件的两侧分别设置有多片与竖直构件呈倾斜角度的导流叶片，沿竖直构件高度方向，同侧上下相邻的两个导流叶片的倾斜方向相反，使气固两相介质在通过该竖直构件同一侧的多片导流叶片时形成“之”字形流动；并且，同一高度上竖直构件两侧设置两片基本对称的导流叶片，其倾斜方向也相反，使气固两相介质在通过这两个叶片时形成交错流动。

2.根据权利要求1所述的内构件，其中，所述导流叶片与水平方向锐角夹角为30～75°，导流叶片的垂直高度为20～250mm，导流叶片自身的水平跨度20～200mm，导流叶片的厚度为3～20mm；竖直构件同一侧的上下相邻的导流叶片间距为0.5～10倍的导流叶片垂直高度。

3.根据权利要求1或2所述的内构件，其中，所述竖直构件宽度等于或小于导流叶片水平跨度。

4.根据权利要求1所述的内构件，其中，所述竖直构件同一高度上两侧的两个导流叶片的尺寸相同。

5.根据权利要求1所述的内构件，其中，每一构件组单元的导流叶片与相邻构件组单元的最近的同向倾斜导流叶片之间的间距为20～250mm。

6.根据权利要求1所述的内构件，其中，所述多个构件组单元的同一高度位置上的导流叶片经过沿水平方向排布，在流化床内形成多层导流叶片层，每一导流叶片层包含多个平行的流动区域，每个流动区域中导流叶片的倾斜方向相同，而与相邻流动区域中导流叶片的倾斜方向则恰好相反，流动区域宽度为20～300mm，同一流动区域内相邻叶片的垂直间距为20～250mm。

7.根据权利要求1所述的内构件，其中，所述竖直构件为竖直支撑板、竖直支撑杆或竖直支撑管，所述多个导流叶片通过焊接或一体成型的方式与竖直构件固定在一起；或者，所述竖直构件为流化床内的竖直换热管，所述多个导流叶片是与该换热管直接焊接在一起。

8.权利要求1～7任一项所述的内构件在气固流化床反应中提高气固接触效率、抑制颗粒返混中的应用。

9.一种气固流化床，该流化床内设置有多个权利要求1～7任一项所述的内构件。

10.根据权利要求9所述的流化床，其中，在所述内构件竖直构件的顶部、底部或中部高度上设置有横跨整个流化床横截面的横梁层，通过螺栓连接件将内构件紧固在横梁上。

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