CN110215765A - 一种抑制升气管外壁结焦的旋风分离器及分离系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种抑制升气管外壁结焦的旋风分离器及分离系统，其中，旋风分离器包括：筒体；筒体上端设有进料部，筒体顶部设有顶板；至少部分设于筒体内的升气管；升气管位于筒体内的一端具有进气口；固定套设于升气管外的凸环；凸环沿升气管径向凸出，设于顶板下方，凸环位于筒体内壁和升气管外壁形成的环形空间中，并至少部分与进料部沿径向对齐；设于升气管管壁的连通部；连通部将升气管内外连通且位于进气口的上游，连通部位于凸环的下游。本申请所提供的旋风分离器及分离系统，能有效降低压降和能耗，在分离效率不下降的同时，破坏升气管外壁低速附面层，防止结焦、防止颗粒沉积，保证装置可长周期安全运行，且结构简单，容易实施。

Description

一种抑制升气管外壁结焦的旋风分离器及分离系统

技术领域

本申请涉及气体与固体颗粒/液滴多相分离技术领域，特别涉及一种抑制升气管外壁结焦的旋风分离器及分离系统。

背景技术

本部分的描述仅提供与本申请公开相关的背景信息，而不构成现有技术。

旋风分离器能利用具有一定流速的气固相物料旋转时产生的离心力，将固体颗粒物和液滴从气流中分离出来，达到使固体颗粒/液滴与气体分离的目的。在石油化工行业的流化催化裂化装置反应沉降器中，旋风分离器主要用于分离回收沉降器中的贵重催化剂颗粒，是降低反应后油气中固体催化剂含量、减少催化剂跑损、提高装置经济效益的关键设备之一。

旋风分离器一般由筒体、锥体及升气管组成，多相分离后的气体从升气管排出旋风分离器。当进入旋风分离器的颗粒很细(微米级或更小粒径)时，其中的微细颗粒会沉积粘附在旋风分离器的升气管外壁上，形成厚薄分布不均匀的沉积颗粒层。在石油催化裂化反应沉降器中，由于油气的高温，沉积在旋风分离器升气管外壁的微细催化剂和油气或油滴长期接触，会发生结焦反应，会生成焦块并粘附在升气管外壁上；随着时间的延长会在升气管外壁上形成很厚很大的环状焦块或月牙状焦块。而升气管外壁结焦的焦块一旦脱落便可能堵塞旋风分离器料腿排料系统，轻则使旋风分离器的分离效率下降，重则使旋风分离器失去分离催化剂颗粒的作用，迫使整个催化裂化装置非计划停工清焦，给催化装置的生产造成巨大经济损失。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

发明内容

申请人研究发现，升气管外壁的壁面流动特性对催化裂化装置沉降器内旋风分离器升气管结焦起到了至关重要的作用。一方面，通过对旋风分离器内升气管外壁的流场测量和分析，发现升气管壁附近存在一个低速附面层，为颗粒和液滴的沉积提供了基本条件。另一方面，单边切向入口的旋风分离器进口气流在升气管外壁绕流流动的特性，以入口位置为0°时，在升气管周向0°～90°～180°部位存在顺压力梯度区，180°～270°～0°部位存在逆压力梯度区，使得升气管外壁附近容易形成局部的低速滞留区及回流区，增加了颗粒和液滴在管壁附面层区的停留时间，部分细小颗粒及油雾在入口环形空间二次纵向涡流的作用下，被输送到升气管近壁面而沉积在该附面层内，具有结焦趋向的油气组分和催化剂细颗粒长期处于高温下容易发生结焦反应，一旦结焦形成就会逐渐长大，形成环状或月牙状焦块。因此，抑制升气管外壁结焦的关键之一是破坏升气管外壁低速附面层，减弱颗粒和液滴沉积条件。

而导致升气管外壁结焦的颗粒和液滴的来源主要有两个部分。

第一部分，湍流扩散。旋风分离器内属于强湍流场，颗粒受湍流扩散作用较强，尤其是细颗粒(数微米级或更小)受湍流扩散影响较大，容易运动到升气管外壁，为结焦提供催化剂颗粒和液滴来源。

第二部分，顶灰环。旋风分离器环形空间是气固两相流进入旋风分离器进行初始分离的部位。由于在旋风分离器的环形空间上部存在二次流，对颗粒的运动有很大的影响。颗粒除受到切向速度离心力的作用外，还受到二次流的作用。如图11所示，二次流中上行的轴向速度对颗粒的曳力与颗粒的重力平衡，颗粒向外的离心力与向内的二次流中的径向速度的曳力平衡。使颗粒悬浮在旋风分离器的环形空间的外角处，在环形空间形成一个旋转的顶灰环。如图11和图12所示，即颗粒聚集在旋风分离器环形空间的上部外角处形成旋转颗粒群的顶灰环10。

顶灰环是一个高浓度的颗粒悬浮旋转流态，受到切向速度、二次流、颗粒物性的影响，具有一定不稳定性。这种顶灰环的存在对旋风分离器的运行具有很大的危害，一方面加剧对旋风分离器器壁的冲蚀磨损，另一方面这种流动形式使已经被分离到器壁的颗粒存在向内部扩散和输送的机会，颗粒沿着外壁上行，在上盖附近径向向内流动，然后再沿着升气管器壁下行，最后从升气管入口逃逸，导致旋风分离器的效率降低。顶灰环中部分细颗粒在二次涡和下行轴向速度的作用下不断地向内被带到升气管外表面的低速附面层内，而且进入低速附面层内的颗粒一般比较细小，这些细小的颗粒是颗粒沉积的主要来源。部分粘附性的颗粒会粘附在升气管的外壁上，形成颗粒沉积层。这种粘附性颗粒若发生化学反应、固化，则会逐渐长成很厚的沉积层，导致旋风分离器的升气管外壁面发生结焦，这种结焦焦块当受到外部力或工况波动的作用时，就会脱落堵塞旋风分离器的下部料腿，造成旋风分离器的分离功能失效。

因此，破坏升气管外壁低速附面层，减弱湍流扩散，减少或抑制顶灰环，就能有效防止旋风分离器升气管外壁结焦。

鉴于现有技术的不足，本申请的目的是提供一种抑制升气管外壁结焦的旋风分离器及分离系统，可以用于石油催化裂化装置反应沉降器内，以能够至少解决以上问题之一。

为达到上述目的，本申请采用如下技术方案：

一种抑制升气管外壁结焦的旋风分离器，包括：

筒体；所述筒体上端设有用于沿切线方向进料的进料部，所述筒体顶部设有顶板；

至少部分设于所述筒体内的升气管；所述升气管位于所述筒体内的一端具有进气口，所述升气管的另一端具有出气口；

固定套设于所述升气管外的凸环；所述凸环沿所述升气管径向凸出，所述凸环设于所述顶板下方，所述凸环位于所述筒体内壁和所述升气管外壁形成的环形空间中，并至少部分与所述进料部沿径向对齐；

设于所述升气管管壁的连通部；所述连通部将所述升气管内外连通且位于所述进气口的上游，所述连通部位于所述凸环的下游。

作为一种优选的实施方式，所述凸环的上端面和所述顶板的底面相贴合，所述凸环呈圆环形。

作为一种优选的实施方式，所述凸环沿径向的厚度是所述筒体直径和所述升气管直径的差的0.2～0.35倍。

作为一种优选的实施方式，所述凸环的上端面和所述顶板的底面相贴合，所述凸环呈锥形。

作为一种优选的实施方式，所述凸环沿所述升气管长度方向的长度是所述进料部沿所述升气管长度方向的长度的0.2～0.35倍。

作为一种优选的实施方式，部分所述升气管的外壁沿所述升气管的长度方向将所述连通部和所述凸环间隔，所述连通部设有多个缝孔。

作为一种优选的实施方式，所述缝孔的长度沿所述升气管的长度方向延伸，所述缝孔沿开口朝向延伸将所述升气管管壁贯通；多个所述缝孔沿所述升气管周向分布。

作为一种优选的实施方式，所述缝孔的开口朝向与所述环形空间内气流流动方向的夹角呈锐角。

作为一种优选的实施方式，所述缝孔具有预定宽度，所述缝孔的长度大于所述预定宽度，所述预定宽度为1～30mm。

作为一种优选的实施方式，所述缝孔的开口朝向与此处升气管外壁的切向呈预定夹角；所述预定夹角为30°～60°，所述缝孔的数量为18～72条，所述预定宽度为3～8mm。

作为一种优选的实施方式，所述筒体内壁和所述升气管外壁之间设有旋流结构；所述旋流结构位于所述凸环和所述连通部之间，所述旋流结构用于使所述进料部输入的物料进一步形成螺旋流动。

作为一种优选的实施方式，所述旋流结构包括形成多个旋流通道的多叶旋流板，多个所述旋流通道沿所述升气管周向均匀分布。

作为一种优选的实施方式，所述旋流板是扇形平板，所述扇形平板的数量为2～50片。

作为一种优选的实施方式，所述旋流板为螺旋导流板，所述螺旋导流板的螺旋圈数为1～10圈。

作为一种优选的实施方式，所述旋流板的厚度为2mm～40mm，所述旋流板与水平方向的夹角为15°～45°。

作为一种优选的实施方式，所述旋流结构有一个或多个，在所述旋流结构有多个的情况下，多个所述旋流结构沿所述升气管的长度方向和/或垂直于所述升气管长度的方向设置。

作为一种优选的实施方式，所述旋风分离器还包括依次设于所述筒体下部的锥体、膨胀仓和料腿。

一种抑制升气管外壁结焦的分离系统，所述分离系统包括如上任一实施方式所述的抑制升气管外壁结焦的旋风分离器。

有益效果：

本申请实施方式提供的旋风分离器，将凸环和连通部相结合，凸环可以减少或抑制顶灰环，再通过升气管管壁的连通部，进一步防止油雾及催化剂细颗粒在升气管壁上粘附沉积并结焦。首先，通过在升气管外壁加凸环，能减少升气管外壁附近的空间，从而减少或抑制顶灰环。顶灰环减少，即此区域颗粒浓度减少，第一可以减轻颗粒对升气管外壁和筒体顶板的冲蚀磨损；第二可以减少已被分离到筒体内壁面的颗粒向内部扩散和输送的机会，抑制颗粒沿着筒体内壁上行，在筒体顶板附近径向向内流动，然后再沿着升气管外壁下行，最后从升气管的进气口逃逸，导致旋风分离器效率降低的情况；第三减少了顶灰环中细颗粒在二次涡和下行轴向速度的作用下，不断向内被带到升气管外壁的机会，减少升气管外壁颗粒沉积的催化剂颗粒和液滴的来源，抑制升气管外壁结焦。

另外，在升气管管壁设置连通部，气流通过时会破坏升气管外壁低速附面层，使附面层厚度变薄，贴壁气流增加，近壁面区气流的切向速度增大，升气管外壁附近及沉积于管壁的颗粒被冲刷。同时，由于部分气流通过连通部进入升气管，筒体内壁和升气管外壁的环形空间内气流切向速度降低，则湍流扩散强度减弱，从而由湍流扩散作用运动到升气管外壁的细颗粒减少，因此可以防止油雾及催化剂细颗粒在升气管壁上粘附沉积并结焦。并且，在升气管管壁设置连通部可以使一部分气流从连通部提前进入升气管而离开旋风分离器，从而降低压降。气流在进入连通部之前急剧变向，从而气流中原来夹带的颗粒就会因惯性被分离而难以进入连通部。升气管内旋流具有较大的旋转动能，因此会把夹带进入升气管的尘粒从连通部中二次离心分离出去，从而确保在压降降低的同时，分离效率不下降。

还有，由于设有具有对称多入口的旋流结构，旋风分离器内气流的流动对称性和稳定性好，有利于消除升气管外壁附近的顺压力梯度区和逆压力梯度区，避免气流贴壁回流，减小升气管壁附近颗粒停留时间，抑制结焦条件，保证装置可长周期安全运行。

参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施方式中所提供的一种抑制升气管外壁结焦的旋风分离器的结构示意图；

图2为本申请实施方式中所提供的具有另一种凸环的旋风分离器的结构示意图；

图3为图1中A-A处的截面图；

图4为本申请实施方式中所提供的另一种旋风分离器的结构示意图；

图5为本申请实施方式中所提供的具有另一种旋流结构的旋风分离器的结构示意图；

图6为本申请实施方式中所提供的一种圆锥形升气管的结构示意图；

图7为本申请实施方式中所提供的一种缝孔沿升气管长度方向间断设置的示意图；

图8为本申请实施方式中所提供的另一种缝孔沿升气管长度方向间断设置的示意图；

图9为本申请实施方式中所提供的一种抑制升气管外壁结焦的轴向进气的旋风分离器的结构示意图，其B-B处的截面图与图3相同；

图10为本申请实施方式中所提供的具有另一种旋流结构的轴向进气的旋风分离器的结构示意图；

图11为顶灰环的形成机理示意图；

图12为普通旋风分离器形成顶灰环的示意图；

图13为设有凸环和不设有凸环的旋风分离器的压降随入口气速的变化曲线图；

图14为设有凸环和不设有凸环的旋风分离器的分离效率随入口气速的变化曲线图；

图15为普通旋风分离器、设有缝孔的旋风分离器、图1所示旋风分离器的压降随入口气速的变化曲线图；

图16为普通旋风分离器、设有缝孔的旋风分离器、图1所示旋风分离器的分离效率随入口气速的变化曲线图；

图17为设有旋流板和不设有旋流板的旋风分离器的压降随入口气速的变化曲线图；

图18为设有旋流板和不设有旋流板的旋风分离器的分离效率随入口气速的变化曲线图；

图19为设有螺旋导流板和不设有螺旋导流板的旋风分离器的压降随入口气速的变化曲线图；

图20为设有螺旋导流板和不设有螺旋导流板的旋风分离器的分离效率随入口气速的变化曲线图；

图21为各结构旋风分离器的压降随入口气速的变化曲线图；

图22为各结构旋风分离器的分离效率随入口气速的变化曲线图。

附图标记说明：

1、进料部；2、凸环；3、升气管；4、筒体；5、缝孔；6、锥体；7、膨胀仓；8、料腿；9、旋流结构；α、预定夹角；10、顶灰环。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的另一个元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中另一个元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1至图5。本申请实施方式中提供一种抑制升气管外壁结焦的旋风分离器，包括：筒体4、升气管3、凸环2和连通部。

其中，所述筒体4上端设有用于沿切线方向进料的进料部1，所述筒体4顶部设有顶板。所述进料部1与所述筒体4外壁相切，所述进料部1能通入待分离的气流和固体颗粒/液滴。本申请实施方式对于进料部1的形状不做限制，可以是圆形、四边形等，在本实施方式中，所述进料部1为矩形。优选的，筒体4在径向上的截面积是进料部1面积的4.5～7.5倍。

所述升气管3至少部分设于所述筒体4内。需要说明的是，本申请对升气管3在筒体4内部的长度不做限定，根据申请人的研究和经验，该长度与筒体4直径的比值可以取0.7～2。所述升气管3的位于所述筒体4内的一端具有进气口，所述升气管3的另一端具有出气口。分离后的气流从进气口进入升气管3，再从出气口离开升气管3。本申请对升气管3的形状不做限定，所述升气管3可以为直管，也可以为如图6所示的圆锥形管，圆锥形管具有更好的导向作用。

所述凸环2固定套设于所述升气管3外，所述凸环2沿所述升气管3径向凸出，所述凸环2设于所述顶板下方，所述凸环2位于所述筒体4内壁和所述升气管3外壁形成的环形空间中，并至少部分与所述进料部1沿径向对齐。优选的，凸环2的上表面和进料部1的上表面对齐，使凸环2减少或抑制顶灰环的效果更好。

所述连通部设于所述升气管3的管壁且将所述升气管3内外连通，以破坏升气管3外壁的低速附面层。连通部位于所述进气口的上游，不和进气口连通，是为了阻止气流中的颗粒从进气口进入升气管3从而使分离效率下降。所述连通部位于所述凸环2的下游，以破坏螺旋流动的气流在升气管3外壁的低速附面层。

本申请实施方式对连通部的形状不做限制，可以是矩形、圆形或其他不规则形状。但为了不使分离效率下降，所述连通部设有多个小孔。优选的，所述连通部设有多个缝孔5。所述缝孔5的长度沿所述升气管3的长度方向延伸，所述缝孔5沿所述开口朝向延伸将所述升气管3管壁贯通。缝孔5沿其长度方向的宽度可以不同，本申请实施方式中，缝孔5具有预定宽度。如图1所示，从读者正对纸面的方向看去，缝孔5呈长度较长、宽度较窄的矩形。

在另一种实施方式中，如图7和图8所示，所述缝孔5沿所述升气管的长度方向可以是不连续的，即间断的，以改善设置缝孔5后升气管3的整体机械强度。

本申请所提供的旋风分离器可以通过串联和/或并联的方式应用于分离系统，分离系统通过所述旋风分离器实现固体颗粒/液滴与气体分离。本申请实施方式通过提供一种抑制升气管外壁结焦的旋风分离器，防止升气管3外壁结焦，且该旋风分离器结构简单，容易实施，成本较低。本申请实施例中，将凸环2和连通部相结合，凸环2可以减少或抑制顶灰环，再通过升气管3管壁的连通部，进一步防止油雾及易沉积催化剂细颗粒在升气管3壁上粘附沉积并结焦。

首先，通过在升气管3外壁加凸环2，能减少升气管3外壁附近的空间，从而减少或抑制顶灰环。顶灰环减少，即此区域颗粒浓度减少，第一可以减轻颗粒对升气管3外壁和筒体4顶板的冲蚀磨损；第二可以减少已被分离到筒体4内壁的颗粒向内部扩散和输送的机会，抑制颗粒沿着筒体4的内壁上行，在筒体4顶板附近径向向内流动，然后再沿着升气管3外壁下行，最后从升气管3的进气口逃逸，导致旋风分离器效率降低的情况；第三减少了顶灰环中细颗粒在二次涡和下行轴向速度的作用下，不断向内被带到升气管3外壁的机会，减少升气管3外壁颗粒沉积的催化剂颗粒和液滴的来源，抑制升气管3外壁结焦。

如图13、图14所示，分别为设有凸环和不设有凸环的旋风分离器的压降、分离效率随入口气速的变化曲线图。从图13可以看出，设有凸环的旋风分离器压降更低。从图14可以看出，设有凸环的旋风分离器分离效率更高，可比未设有凸环的旋风分离器高0.22～1.6个百分点。

另外，在升气管3管壁设置连通部，气流通过时会破坏升气管3外壁低速附面层，使附面层厚度变薄，贴壁气流增加，近壁面区气流的切向速度增大，升气管3外壁附近及沉积于管壁的颗粒被冲刷。同时，由于部分气流通过连通部进入升气管3，筒体4内壁和升气管3外壁的环形空间内气流切向速度降低，则湍流扩散强度减弱，从而由湍流扩散作用运动到升气管3外壁的细颗粒减少，因此可以防止油雾及易沉积催化剂细颗粒在升气管3壁上粘附沉积并结焦。并且，在升气管3管壁设置连通部可以使一部分气流从连通部提前进入升气管3而离开旋风分离器，从而降低压降。气流在进入连通部之前急剧变向，从而气流中原来夹带的颗粒就会因惯性再次被分离而难以进入连通部。升气管3内旋流具有较大的旋转动能，因此会把夹带进入升气管3的尘粒从连通部中二次离心分离出去，从而确保在压降降低的同时，分离效率不致下降。

如图15、图16所示，分别为普通旋风分离器、设有缝孔的旋风分离器、设有凸环和缝孔的旋风分离器(即图1所示旋风分离器)的压降、分离效率随入口气速的变化曲线图。可以看出，设有凸环和缝孔的旋风分离器和仅设有缝孔的旋风分离器相比，压降虽然略有升高，但依然低于普通旋风分离器的压降，降幅可达17.8％～23.5％。设有凸环和缝孔的旋风分离器分离效率有所提升，比仅设有缝孔的旋风分离器最大约提升0.4个百分点。在入口气速大于17m/s后，设有凸环和缝孔的旋风分离器的分离效率大于普通旋风分离器，且随着气速持续增大，分离效率最大相差1.5个百分点。

实验表明，对于设有凸环和缝孔的旋风分离器，仅在凸环下端位置存在少量颗粒薄层，颗粒沉积状态比未加凸台结构有较大改善。这主要是因为凸环减小了分离器顶部空间，增加顶部气流速度，削弱了顶灰环的存在条件，并减少由顶灰环输送细颗粒，造成升气管外壁颗粒沉积的现象。

还有，如下文所述，由于设有具有对称多入口的旋流结构9，旋风分离器内气流的流动对称性和稳定性好，有利于消除升气管外壁附近的顺压力梯度区和逆压力梯度区，避免气流贴壁回流，减小升气管3壁附近颗粒停留时间，抑制结焦条件，保证装置可长周期安全运行。

在使用本申请实施方式所提供的旋风分离器时，气流(内含催化剂颗粒和油气)从切向进料部1进入旋风分离器内，在所述筒体4内壁和所述升气管3外壁之间的环形空间进行固体颗粒/液滴与气体分离。由于设有凸环2，顶灰环减少，作为灰源输送至升气管3外壁的颗粒减少，抑制了沉积颗粒的来源。旋转气流的绝大部分沿筒体4内壁呈螺旋形向下流动。催化剂颗粒和油气在旋转过程中产生离心力，密度大于气体密度的催化剂颗粒被甩向筒体4内壁。催化剂颗粒一旦与筒体4内壁接触，便失去惯性力而靠外旋流向下的动量和向下的重力沿壁面下落，排出旋风分离器。旋转下降的外旋气流在到达某个位置时，即以同样的旋转方向由下而上继续做螺旋形流动，最后气流经由升气管3排出旋风分离器外，一部分未被捕集的催化剂颗粒也同时被夹带而逃逸。

在本申请实施方式中，所述凸环2的上端面和所述顶板的底面相贴合，使结构更紧凑且凸环2减少或抑制顶灰环的效果更好。需要说明的是，本申请实施方式对于凸环2的形状、大小不作限制。具体的，可以是如图1所示的圆环形，也可以是如图2所示的锥形。

根据申请人多年的研究和经验，在凸环2为圆环形的情况下，所述凸环2沿径向的厚度是所述筒体4直径和所述升气管3直径的差的0.2～0.35倍。

在一个较优的实施方式下，所述凸环2沿所述升气管3长度方向的长度是所述进料部1沿所述升气管3长度方向的长度的0.2～0.35倍。

在本申请实施方式中，部分所述升气管3的外壁沿所述升气管3的长度方向将所述连通部和所述凸环2间隔。这是因为从切向进料部1进入旋风分离器内的气流，由于二次涡的存在，向内径向速度对颗粒的曳力与颗粒受到的离心力平衡，向上轴向速度对细颗粒的曳力与颗粒的重力平衡，使颗粒悬浮在环形空间的外角处，在环形空间形成一个旋转的顶灰环。即紧靠凸环2的下方气流中，颗粒浓度较高，若在此处设置连通部，会有大量颗粒从连通部中逃逸，造成分离效率过低。因此，将所述连通部和所述凸环2间隔，能保证分离效率不致下降。具体的，所述间隔距离为进料部1沿所述升气管3长度方向的长度的0.2～0.35倍。

如图1所示，多个所述缝孔5沿所述升气管3的长度方向延伸，多个所述缝孔5沿所述升气管3周向均匀分布，可以优化旋风分离器的结构。当然，缝孔5也可以沿水平方向分布，沿水平方向分布或者沿升气管3周向分布时也可以不均匀分布，本申请不做特别的限定。缝孔5不仅能增加出流面积，降低旋风分离器内的压降，降低能耗，而且可以减少升气管3下口短路流率，抑制颗粒跟随气流经下口短路流逃逸，使分离效率不致下降。最重要的是，气流通过缝孔5时会破坏升气管3外壁低速附面层，从而防止甚至根除油雾及易沉积催化剂细颗粒在升气管3壁上粘附沉积并结焦。需要说明的是，可以根据升气管3和筒体4的规格来对缝孔5的数量及大小进行设计，本申请实施方式不做特别的限制。较优的，所述缝孔具有预定宽度，所述缝孔的长度大于所述预定宽度，所述预定宽度为1～30mm。更优的，所述缝孔5的数量为18～72条，所述缝孔5的宽度为3～8mm。

如图3所示，所述缝孔5的开口朝向与所述螺旋流动的方向的夹角呈锐角，这是为了不使分离效率下降。所述缝孔5的开口朝向与该位置升气管3外壁的切向呈预定夹角α。所述预定夹角α可以是0°～90°。优选的，所述预定夹角α为30°～60°。在图2中，外圈的大箭头表示环形空间的气流旋向，内圈的箭头表示升气管3内的气流旋向，环形空间的气流旋向和升气管3内的气流旋向一致，且缝孔5的开口朝向和该位置气流方向(即该处升气管3外壁的切向)呈锐角。气流经过缝孔5时，部分气体急剧变向，通过缝孔5进入升气管3，气流中夹带的颗粒因惯性被分离而难以进入缝孔5，在压降降低的同时，分离效率不致下降。

在本实施方式中，所述筒体4内壁和所述升气管3外壁之间设有旋流结构9；所述旋流结构9位于所述凸环2和所述缝孔5之间，所述旋流结构9用于使所述进料部1输入的物料进一步形成螺旋流动。筒体4和升气管3可以直接通过旋流结构9连接，也可以采取别的连接方式，本申请不做特别的限定。旋流结构9可以焊接在筒体4和升气管3之间，也可以采用一体成型的工艺实现连接，本申请对此也不做唯一的限定。旋流结构9使气流螺旋流动的方向和进入旋风分离器内的气流旋流方向一致。

如图21、图22所示，分别为普通旋风分离器、组合设有或单独设有凸环、缝孔、旋流结构的旋风分离器的压降、分离效率随入口气速的变化曲线图。

从图13至图20可以看出，对于单独设有凸环、缝孔、旋流结构其中之一结构的旋风分离器，在一定操作范围内，和普通旋风分离器相比压降更低、分离效率更高。

从图15和图16可以看出对于组合设有凸环和缝孔的旋风分离器，分离性能得到了进一步优化。

从图21和图22可以看出，同时设有凸环、缝孔及旋流结构(即图中的螺旋板)的旋风分离器，和其他旋风分离器相比，压降最低、分离效率最高。即，同时设有凸环、缝孔及旋流结构的旋风分离器性能最优。

在本实施方式中，所述旋流结构9有一个或多个，在所述旋流结构9有多个的情况下，多个所述旋流结构9沿所述升气管3的长度方向和/或垂直于所述升气管3长度的方向设置。旋流结构9可以进一步使气流螺旋流动，可以内外多程设置，即在同一水平面，在筒体4内壁和升气管3外壁形成的环形空间设置一圈或多圈筒壁，筒壁之间、筒壁和筒体4内壁之间、筒壁和升气管3外壁之间均由旋流结构9连接，如此设置，同一水平面具有多圈旋流结构9；也可以上下多程设置，即在竖直方向，在筒体4内壁和升气管3外壁之间设置多层旋流结构9，使竖直平面内具有多圈旋流结构9。以上设置可以提高旋流结构9的造旋能力，进而提高分离效率。同时有利于减小升气管外壁附近的顺压力梯度区和逆压力梯度区的尺寸，避免气流贴壁回流，减小升气管3壁附近颗粒停留时间，抑制结焦条件。

具体的，所述旋流结构9包括形成多个旋流通道的多叶旋流板，多个所述旋流通道沿所述升气管3周向均匀分布，使旋流结构9具有对称多入口，从而进入旋风分离器的油气和催化剂颗粒流动对称性和稳定性好，有利于避免气流贴壁回流，减小升气管3壁附近颗粒停留时间，抑制结焦条件，保证装置可长周期安全运行。旋流板之间的空隙在筒体4附近一般大于升气管3附近。旋流板可以是扇形平板或弯板，或者是螺旋导流板等，本申请实施方式对旋流板的形状和规格不作唯一的限制。根据申请人多年的经验，所述旋流板的厚度为2mm～40mm，优选为10～30mm；所述旋流板与水平方向的夹角为15°～45°，优选为18°～30°，更优选的，为22°～27°。旋流板顶部可以和进料部1的下表面在同一水平面上。旋流板底部和缝孔5顶部的距离可以是进料部1沿升气管3长度方向的长度的0.2～0.35倍。旋流板穿孔面积与切向进料部1面积相当，最大误差建议不超过±20％，控制在±5％内效果更好。

如图4所示，所述旋流板是扇形平板，无弯曲与折叠，制作简单方便，节约成本。优选的，所述扇形平板的数量为2～50片。更优的，扇形平板的数量为4～24片。进一步的，扇形平板的数量为6～12片。

如图17、图18所示，分别为设有旋流板和不设有旋流板的旋风分离器的压降、分离效率随入口气速的变化曲线图。两图中旋流板为扇形平板。从图17可以看出，在入口气速12.1m/s～28m/s变化过程中，相比于普通旋风分离器，设有旋流板的旋风分离器可实现2.7％～15.6％的压降降幅。

从图18可以看出，随着入口气速的增加，两种分离器分离效率呈现不同的变化趋势。普通旋风分离器分离效率随着入口气速的增加呈先增加后降低的趋势，存在一最大效率气速点。对于设有旋流板的旋风分离器而言，分离效率随入口气速增加始终增大，且相同入口气速下，设有旋流板的旋风分离器的分离效率始终大于普通旋风分离器的分离效率。在入口气速12.1m/s～28m/s变化过程中，相比于普通旋风分离器，设有旋流板的旋风分离器效率的增幅分别为7.5％、6.8％、4.6％、6.3％和8.9％。

实验表明，设有旋流板的旋风分离器升气管外壁的颗粒沉积比不设有旋流板的旋风分离器明显减少，且周向分布较为均匀。

如图5所示，所述旋流板为螺旋导流板，所述螺旋导流板的螺旋圈数为1～10圈。优选的，螺旋圈数为2～5圈。更优选的，螺旋圈数为3～4圈。筒体4面积与螺旋导流板的螺旋通道面积比值在5～8较优。

沿切线方向进料的进料部1的造旋方式具有造旋能力强、流场旋流强、分离效率高等优点，分离精度高等特点。但因其特殊的入口形式，分离器内流场存在难以避免的对称性差等问题。加入螺旋导流板，能够通过几何形状强制气流更有效的进行更多的螺旋流动，同时防止气流过早、过大的轴向运动，延长有效分离时间，是增强旋风分离效果的有效方法。

螺旋导流板对分离效率的影响随圈数的改变而不同。一圈的螺旋导流板导致分离效率下降，其原因在于并没有形成完整的导流通道，导致旋流减弱，分离能力明显下降。随着螺旋圈数的增加，形成旋流的能力增强。当圈数为两圈时，效率基本与无螺旋导流板时效率相当。继续增加导流板圈数，效率继续提升1～2％。随着圈数的增加，螺旋导流板的过度延长增加了流周面积，必然引起压降增大，经济性下降。

如图19、图20所示，分别为设有螺旋导流板和不设有螺旋导流板的旋风分离器的压降、分离效率随入口气速的变化曲线图。其中螺旋导流板的螺旋圈数为3圈。从图19可以看出，设有螺旋导流板的旋风分离器压降更低。从图20可以看出，设有螺旋导流板的旋风分离器分离效率更高。

实验表明，对于未设置螺旋导流板的旋风分离器，积灰量主要集中在升气管外壁的上半部分，随着位置下移，升气管外壁积灰量迅速减小，积灰呈现出轴向和周向双重的不均匀性。对于设有螺旋导流板的旋风分离器，沿螺旋导流叶片出现颗粒沉积，叶片之间升气管外壁基本无颗粒沉积。在旋风分离器的升气管外壁局部区域设置螺旋导流板，用以分割结焦区域，固定住焦块，可防止焦块脱落堵塞料腿。

需要说明的是，本申请实施方式对于筒体4下部的结构不做限制。在本实施方式中，所述旋风分离器还包括依次设于所述筒体4下部的锥体6、膨胀仓7和料腿8。锥体6可以使气流集中，便于气固分离后的气流通过升气管3排出旋风分离器。膨胀仓7可以使需要排出的带有大量颗粒的气流减速，便于将其从料腿8排出。

如图9所示，本申请实施方式还提供一种抑制升气管外壁结焦的轴向进气的旋风分离器。所述旋风分离器包括：筒体4、升气管3、旋流结构9和连通部。

和图1所示旋风分离器不同的是，图9所示的旋风分离器在所述筒体4的顶部设有进料部1，所述进料部1能通入待分离的气流和固体颗粒/液滴。

所述旋流结构9设于所述筒体4内壁和所述升气管3外壁之间；所述旋流结构9用于使所述进料口输入的待分离的气流形成螺旋流动。在本实施例中，将旋流结构9与连通部相结合，在旋流结构9造旋后，由于升气管3管壁设有连通部，气流通过时会破坏升气管3外壁低速附面层，使附面层厚度变薄，贴壁气流增加，近壁面区气流的切向速度增大，升气管3外壁附近及沉积于管壁的颗粒被冲刷。同时，由于部分气流通过连通部进入升气管3，筒体4内壁和升气管3外壁的环形空间内气流切向速度降低，则湍流扩散强度减弱，从而由湍流扩散作用运动到升气管3外壁的细颗粒减少，因此可以防止油雾及易沉积催化剂细颗粒在升气管3壁上粘附沉积并结焦。还有，本申请实施例的旋风分离器具有对称多入口的旋流结构9，进入旋风分离器的油气和催化剂颗粒流动对称性和稳定性好，有利于避免气流贴壁回流，减小升气管3壁附近颗粒停留时间，抑制结焦条件，保证装置可长周期安全运行。

在使用图9所提供的旋风分离器时，沿竖直方向进入旋风分离器的气流(内含催化剂颗粒和油气)经旋流结构9造旋后形成初始旋流场，在所述筒体4内壁和所述升气管3外壁之间的环形空间进行固体颗粒/液滴与气体分离。旋转气流的绝大部分沿筒体4内壁呈螺旋形向下流动。催化剂颗粒和油气在旋转过程中产生离心力，密度大于气体密度的催化剂颗粒被甩向筒体4内壁。催化剂颗粒一旦与筒体4内壁接触，便失去惯性力而靠外旋流向下的动量和向下的重力沿壁面下落，排出旋风分离器。旋转下降的外旋气流在到达某个位置时，即以同样的旋转方向由下而上继续做螺旋形流动，最后气流经由升气管3排出旋风分离器外，一部分未被捕集的催化剂颗粒也同时被夹带而逃逸。

在本实施方式中，部分所述升气管3的外壁沿所述升气管3的长度方向将所述连通部和所述旋流结构9间隔。这是因为经过旋流结构9造旋后形成的螺旋流动的气流，由于二次涡的存在，向内径向速度对颗粒的曳力与颗粒受到的离心力平衡，向上轴向速度对细颗粒的曳力与颗粒的重力平衡，使颗粒悬浮在环形空间的外角处，在环形空间形成一个旋转的顶灰环。即紧靠旋流结构9的下方气流中，颗粒浓度较高，若在此处设置连通部，会有大量颗粒从连通部中逃逸，造成分离效率过低。因此，将所述连通部和所述旋流结构9间隔，能保证分离效率不致下降。

在本实施方式中，旋流结构9和缝孔5的相关设置如前文所述，在此不再赘述。图10为本申请实施方式中所提供的具有另一种旋流结构9的轴向进气的旋风分离器的结构示意图。

本申请实施方式中还提供一种抑制升气管外壁结焦的分离系统，所述分离系统具有如上任一实施例或实施方式所述的旋风分离器。

本文引用的任何数字值都包括从下限值到上限值之间以一个单位递增的下值和上值的所有值，在任何下值和任何更高值之间存在至少两个单位的间隔即可。举例来说，如果阐述了一个部件的数量或过程变量(例如温度、压力、时间等)的值是从1到90，优选从20到80，更优选从30到70，则目的是为了说明该说明书中也明确地列举了诸如15到85、22到68、43到51、30到32等值。对于小于1的值，适当地认为一个单位是0.0001、0.001、0.01、0.1。这些仅仅是想要明确表达的示例，可以认为在最低值和最高值之间列举的数值的所有可能组合都是以类似方式在该说明书明确地阐述了的。

除非另有说明，所有范围都包括端点以及端点之间的所有数字。与范围一起使用的“大约”或“近似”适合于该范围的两个端点。因而，“大约20到30”旨在覆盖“大约20到大约30”，至少包括指明的端点。

披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。

多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。

应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照所附权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。

Claims (10)

1.一种抑制升气管外壁结焦的旋风分离器，其特征在于，包括：

筒体；所述筒体上端设有用于沿切线方向进料的进料部，所述筒体顶部设有顶板；

至少部分设于所述筒体内的升气管；所述升气管位于所述筒体内的一端具有进气口，所述升气管的另一端具有出气口；

固定套设于所述升气管外的凸环；所述凸环沿所述升气管径向凸出，所述凸环设于所述顶板下方，所述凸环位于所述筒体内壁和所述升气管外壁形成的环形空间中，并至少部分与所述进料部沿径向对齐；

设于所述升气管管壁的连通部；所述连通部将所述升气管内外连通且位于所述进气口的上游，所述连通部位于所述凸环的下游。

2.根据权利要求1所述的旋风分离器，其特征在于，所述凸环的上端面和所述顶板的底面相贴合，所述凸环呈圆环形。

3.根据权利要求1所述的旋风分离器，其特征在于，所述凸环的上端面和所述顶板的底面相贴合，所述凸环呈锥形。

4.根据权利要求2或3所述的旋风分离器，其特征在于，所述凸环沿所述升气管长度方向的长度是所述进料部沿所述升气管长度方向的长度的0.2～0.35倍。

5.根据权利要求1所述的旋风分离器，其特征在于，部分所述升气管的外壁沿所述升气管的长度方向将所述连通部和所述凸环间隔，所述连通部设有多个缝孔。

6.根据权利要求5所述的旋风分离器，其特征在于，所述缝孔的长度沿所述升气管的长度方向延伸，所述缝孔沿开口朝向延伸将所述升气管管壁贯通；多个所述缝孔沿所述升气管周向分布。

7.根据权利要求6所述的旋风分离器，其特征在于，所述缝孔具有预定宽度，所述缝孔的长度大于所述预定宽度，所述预定宽度为1～30mm；所述缝孔的开口朝向与所述环形空间内气流流动方向的夹角呈锐角，所述缝孔的开口朝向与此处升气管外壁的切向呈预定夹角；所述预定夹角为30°～60°。

8.根据权利要求1所述的旋风分离器，其特征在于，所述筒体内壁和所述升气管外壁之间设有旋流结构；所述旋流结构位于所述凸环和所述连通部之间，所述旋流结构用于使所述进料部输入的物料进一步形成螺旋流动。

9.根据权利要求8所述的旋风分离器，其特征在于，所述旋流结构包括形成多个旋流通道的多叶旋流板，多个所述旋流通道沿所述升气管周向均匀分布。

10.一种抑制升气管外壁结焦的分离系统，其特征在于，所述分离系统包括如权利要求1-9任一所述的抑制升气管外壁结焦的旋风分离器。