CN1111077C - 附壁切割式气固快速分离装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种附壁切割式气固快速分离装置，包括过渡段、气固混合相入口、分离器主体、气体导出管及颗粒出口。过渡段与反应器主体相联，颗粒出口与汽提装置相联，气体导出管与后继气固分离系统相联。本装置可作为提升管反应器或下行床反应器出口气固混合相的初级分离装置。经实验测量，其在各种操作条件下的分离效率均可达97%以上。由于颗粒顺着弧形轨道运动而非直接与壁面碰撞，颗粒与设备的磨损较小。
Description
本发明涉及一种附壁切割式气固快速分离装置，属化工设备中的气固分离设备技术领域。
催化裂化与催化裂解是炼油工业中重要的加工装置。近年来，新型高活性催化剂的采用使得烃类的裂化反应在2～4秒内即可完成。反应时间的缩短与反应温度的提高，要求其提升管反应器末端油气与催化剂的快速高效分离，实现油气在高温下的短停留，减少轻质油的损失。
与提升管反应器相比，下行床反应器的停留时间更短，通常小于1秒。因此，其出口更需要快速高效的气固分离装置。其目的是严格控制油气与催化剂的接触时间，减少不必要的深度裂化，提高目的产品收率。同时也可降低旋风分离器入口处的催化剂浓度，减少催化剂的损失。
旋风作为最普遍的气固分离手段，其颗粒停留时间在0.5s左右，显然不能满足气固快速分离的需要。国内外的石油公司及科研结构都对新型气固快速分离装置展开了研究。Stone & Webster Engineering Corp.公司的专利(图1，专利号US5976355)在其气固快速分离装置中采用了U型管的设计。气相在该分离装置中经过180°的转向，而颗粒则经过两个90°的转向，从而利用气固相惯性力的差别实现气固的分离。其优点是结构简单，但是也不可避免地带有颗粒夹带严重、分离效率不高、操作弹性小及设备、颗粒磨损严重等缺点。从上面的说明可以看出，单纯利用惯性分离不足以实现快速高效的气固分离。
本发明的目的是设计一种附壁切割式气固快速分离装置，克服现有技术的不足，将两相流中气固两相惯性力的差别、颗粒运动的附壁效应及空间位置上的切割分离相结合，实现快速高效的气固分离。同时，作为提升管反应器或下行床反应器系统的一部分，兼备了操作弹性大、压降小、结构简单及设备与颗粒磨损小等要求。
本发明设计的附壁切割式气固快速分离装置，包括过渡段、气固混合相入口、分离器主体、气体导出管及颗粒出口。过渡段与反应器主体相联，颗粒出口与汽提装置相联，气体导出管与后继气固分离系统相联；分离器主体的直径D与反应器主体的直径Dr的比例D/Dr为2.5～3.5。气固混合相入口为矩形，矩形长L1为0.35～0.6D，宽W1为0.8～1.2Dr，矩形的一侧与分离器主体相切成一垂直防护板，与垂直防护板相对的另一侧与分离器主体相割，相割处的夹角α为50°～70°。分离器主体内设有气体导出管，其直径D1保持在0.4～0.6D之间；气体导出管是一段与壳体同轴安装，插入到壳体内部的开口直管，其开口端面与分离器主体的挡板的距离W3为0.1D～0.35D。在气固混合相入口与分离器主体相割处，设有入口导流挡板，其与垂直线所处的角度β为10°～25°。导流挡板的末端与垂直防护板之间的距离W2为0.07～0.25D。颗粒出口为一矩形，其一侧与分离器主体相切成另一垂直防护板，高度H3为0.8～1.2D。在颗粒出口与分离器主体的相切处设有弧形切割板，其半径为D/2。弧形切割板与分离器主体外壳的垂直距离H2为0.05D～0.15D，与主体中心垂线的夹角γ为5°～15°。颗粒出口的另外两侧为圆弧型挡板，其圆弧半径R1、R2分别为0.2～0.3D与0.4～0.6D。切割板上下设有加强筋板，该筋板与反应器主体相对固定，切割板上设有气压平衡孔。
在上述装置中的颗粒出口处，在切割板下方设有颗粒导流挡板，其结构与所述切割板相对称，其一端与切割板的末端相对固定，另一端与垂直防护板相对固定。上述的气体导出管还可以与分离器主体成偏心安装，其偏心角θ为30°～60°，与分离器主体中心的距离W5为0.1～0.2D。上述的颗粒出口也可以为对称结构，其圆弧型挡板的半径R3为0.2～0.4D。上述的分离器主体及颗粒出口外侧还可以各安装加强板。上述的颗粒出口可以安装汽提蒸汽分布器，以通入汽提蒸汽。
本装置可作为提升管反应器或下行床反应器出口气固混合相的初级分离装置。经实验测量，其在各种操作条件下的分离效率均可达97％以上。其颗粒停留时间在100ms以下，气相停留时间在2s以下。而分离器的总压降在100～250Pa之间。其气相导出管可以与二次气固系统，如旋风系统相连。而催化剂颗粒则通过颗粒出口直接进入汽提器。同时由于颗粒顺着弧形轨道运动而非直接与壁面碰撞，颗粒与设备的磨损也比较小。
附图说明：
图1为已有技术中专利US5976355公开的气固快速分离装置的结构示意图。
图2为气固两相在本发明设计的附壁切割式气固快速分离装置中的运动轨迹示意图。
图3为本发明设计的附壁切割式气固快速分离装置的侧视图。
图4为本发明设计的附壁切割式气固快速分离装置的正视图。
图5为图2所示气固分离装置构型的一个实施例，主要变化是在切割板下方增加一块弧形的颗粒导流挡板。
图6为图2中所示气固分离装置构型的一个实施例，主要变化是气相导出管的偏心安装。
图7为图2中所示气固分离装置构型的一个实施例，主要变化是颗粒出口结构由非对称结构变为对称结构。
图8为图2中所示气固分离装置构型的一个实施例，主要变化是在易磨损部位加上加强板。
图9为图2中所示气固分离装置构型的一个实施例，主要变化是颗粒出口结构中的弧形导流板安装汽提蒸汽分布器，通入汽提蒸汽。
下面介绍本发明的内容和实施例。
图1-图9中，1为反应器主体，2为过渡段，3为气固混合相入口，4为气固混合相入口中的垂直防护板，5为入口导流挡板，6为环隙，7为颗粒出口结构的弧型挡板，8为分离器主体，9为气相导出管，10为加强筋板，11为气压平衡孔，12为切割板，13为加强筋条，14为颗粒出口结构中的垂直防护板，15为颗粒出口，16为颗粒出口对称结构的弧型挡板，17为弧形颗粒导流挡板，18为加强板，19为汽提蒸汽分布器。图中的尺寸分别是：D为分离装置圆形壳体的直径，L为壳体的长度，Dr为反应器主体的直径，L1为气固混合相入口长度，W1为气固混合相入口宽度，H1为入口结构的垂直防护板的高度，W2为入口导流挡板末端与入口结构的垂直防护板之间的距离，D1为气体导出管直径，W3为气体导出管在壳体内的开口末端与壳体右侧挡板的距离，H2为切割板下端切口与壳体的距离，L2为颗粒出口结构长度，W4为颗粒出口结构宽度，H3为颗粒出口结构垂直防护板的高度，R1为颗粒出口结构1/4圆弧弧型挡板7的半径，R2为颗粒出口结构1/4圆弧弧型挡板16的半径，R3为颗粒出口为对称结构时，其1/4圆弧弧型挡板16的半径，W5为气体导出管偏心安装时的偏心距离，α为气固混合相入口斜挡板与壳体相割处所对应的角度，β为入口导流挡板与垂直线的角度γ为颗粒出口结构1/4圆弧弧型挡板与壳体相切处的角度，θ为气体导出管偏心安装时的角度。
下面结合图2、图3介绍本发明的工作流程。气固混合相离开提升管反应器或下行床反应器主体1后，进入本气固分离装置的气固混合相入口结构3。由于入口导流挡板5对气固混合相的导流作用，使得颗粒在入口处具有一个向边壁运动的趋势。气固混合相进入本气固分离装置的主体8后，在位于分离器主体的壳体与气相导出管9之间的环隙6中作旋转运动。由于两相流中气固相惯性力的差别及颗粒运动的附壁效应，绝大部分颗粒在环隙中经过1/4圆弧的运动后，聚集在距边壁很近的一个边界层中。此时切割板12利用颗粒的边壁聚集现象实现气固的高效快速分离。经过切割后，气体从切割板的上方继续其环隙中的旋转运动。而颗粒则下落至颗粒出口结构16，进入管道后被输运至汽提器。初次切割后的气体中仍夹带一部分颗粒，在气体的后继旋转运动中可经过二次、三次切割而完成两相的进一步分离。分离后的气体在经过1-3周的旋转运动后由气相导出管排出输运到后继的气固分离系统，如旋风系统。
如图3、图4所示，附壁切割式气固快速分离装置的特征尺寸为分离器主体8圆形壳体的直径D。壳体的长度L保持在0.9D～1.2D之间。D与提升管反应器或下行床反应器主体1的直径Dr的比例D/Dr保持在2.5～3.5之间。
气固混合相离开反应器主体后，通过一短暂的过渡段2进入气固混合相入口3。气固混合相入口为一矩形，其长度L1保持在0.35～0.6D左右，宽W1保持在0.3D左右。由侧视图可以看出，其垂直防护板4与壳体相切，高度H1约为0.35～0.75D。另一斜挡板与壳体相割，相割处所对应的角度α保持在50°～70°之间。在其正视图图4的位置布置上，气固混合相入口3有一边与分离器主体8壳体气体出口侧挡板相齐。为了使颗粒具有向壳体边壁运动的初速度，在气固混合相入口后引入了入口导流挡板5。在侧视图上，入口导流挡板与垂直线的角度β大约保持在10°～25°左右。其末端与入口结构的垂直防护板4之间距离W2保持在0.07D～0.25D左右。挡板的长度与入口结构的长度L1保持一致。
气固混合相在通过入口结构3后，就进入气固快速分离装置主体8壳体与气体导出管9所包围的环隙6中。气体导出管9是一段与壳体同轴，插入到壳体内部的开口直管。在壳体外，气体导出管通过管道与后继分离装置，如旋风系统相连。气体导出管9的直径D1约为0.5D，其壳体内的开口末端与分离器主体8壳体右侧挡板的距离W3保持在0.1D～0.35D之间。混合相在进入环隙6后，由原来在反应器主体内的顺重力场直线运动变为围绕气体导出管的旋转运动。由于两相流中气固相惯性力的差别及颗粒运动的附壁效应，颗粒在环隙中经过1/4圆弧的运动后，基本聚集在距边壁不足0.05D的边界层中。
切割板12利用颗粒在边壁的聚集效应实现气固的分离。切割板12是一直径、长度与壳体直径D、长度L保持一致的1/4圆弧柱面。其上端固定在壳体上，下端切口与水平线相切，与分离器主体8壳体的垂直距离H2保持在0.05D～0.15D之间。切割板对气固两相进行“切割”。大部分气体直接从切割板的上方继续其在环隙中的旋转运动，而小部分气体随颗粒一起进入切割板下方，再由切割板上的气压平衡孔11返回气相主体。初次切割后的气体中仍夹带一部分颗粒，在气体的后继旋转运动中仍可经过二次、三次切割而完成两相的进一步分离。分离后的气体在经过几周的旋转运动后由气相导出管9排出输运到后继的气固分离系统，如旋风系统。
分离后的颗粒由于惯性在水平方向将保持一定的速度。其中一部分颗粒将与对面的垂直防护板14碰撞。由于有切割板12的存在，这部分碰撞颗粒将不会被气体主流所夹带，与其他颗粒一起下落至颗粒出口15，进而进入管道被输运至汽提器。为了加强切割板的强度，可以在切割板上安装加强筋板10或加强筋条13。
颗粒出口结构15也为一矩形。其长度L2约为0.35～0.6D，宽W4约为0.25D。在侧视图上，其结构基本与入口结构对称。其垂直防护板14与另一侧的壳体相切，高度H3约为D。与垂直防护板相对的是一半径R1为0.2～0.3D的1/4圆弧弧型挡板7，与壳体外相切。切点处对应角度γ为5°～7°。在正视图图4中，与壳体右侧挡板相接的是一半径R2为0.4～0.6D的1/4圆弧弧型挡板16。颗粒沿着这些弧型挡板下落至颗粒出口15。弧型挡板有效地防止了颗粒的堆积，减少气体对颗粒的二次夹带。
以上就是本气固快速分离装置一种优化构型的说明。
下面介绍本气固快速分离装置几种可能的实施例构型与适用条件。
1、为了减少分离后的颗粒与对面的颗粒出口结构垂直防护板14的碰撞，减少颗粒的夹带及颗粒与该垂直板的磨损，可以如图5所示，在切割板下方增加一块弧形的颗粒导流板17。
2、图6是图3中的气固分离装置构型的一种变型。主要变化是气相导出管9在分离器主体8壳体中的偏心安装。偏心安装的好处在于减少切割前的空隙，驱使颗粒向边壁的进一步聚集；同时增加切割后的空隙，减少颗粒的夹带。
3、图7是图4中的气固分离装置构型的一种变型。主要变化是颗粒出口结构中的弧型挡板16由非对称结构变为对称结构。这种布置可能会带来安装及管道配线上′的方便。
4、图8是图3中的气固分离装置构型的一种变型。主要变化是在1/4圆弧环隙6外侧的分离器主体8壳体及切割板下的垂直防护板14外侧加上加强板18。
5、图9是图4中的气固分离装置构型的一种变型。主要变化是在弧型导流板上安装汽提蒸汽分布器19，通入汽提蒸汽。在减少颗粒对油气的夹带的同时，防止颗粒在弧形导流板的堆积。
以下是本发明设计的附壁切割式气固快速分离装置的应用实例。
1.应用于下行床反应器系统
催化剂经两段式提升管再生装置再生后，与原料油及蒸汽共同通过多管道式流化床高效混合分配器进入下行床反应器主体。经过超短接触反应后，油气与催化剂进入本专利所涉及的气固快速分离装置。分离后的油气通过气相导出管进入下一级分离系统，如旋风系统。分离后的颗粒进入用于汽提的湍床流化床设备，内有流化床反应器的新型复合内构件。汽提后的颗粒进入两段式提升管再生设备进行再生，实现催化剂颗粒的循环操作。
下行床反应器利用气固顺重力场向下运动的特点，能够适应催化裂化/裂解快速反应的要求。通常，其气固混合、气固两相下行接触反应、气固快速分离三项操作的总过程在1秒之内完成。由于在超短时间内完成气固接触及反应，且反应器中气固两相浓度、速度径向分布均匀，停留时间分布近似为平推流，催化剂与油气的返混小，有利于反应选择性的提高，减少催化剂和干气产量。
2.应用于提升管反应器系统
催化剂与原料油在提升管反应器中接触反应后，进入本专利所涉及的气固快速分离装置。分离后的油气通过出气相导出管进入下一步的分离系统，如旋风。分离后的颗粒进入汽提装置。这一布置使油气的停留时间大大缩短，减少了提升管后非选择性的热裂化，将大大提高汽油等轻质油的产率。
由于催化剂技术以及由此得到的原料、产品分布技术的进步，催化裂化领域，特别是流化催化裂化，得到了巨大的发展。通常，在催化裂化流化床反应器中，油气与催化剂的接触时间在0.5～10秒之间。近年来，新型高活性催化剂的采用使得烃类的裂化反应在2～4秒内即可完成。反应时间的缩短与反应温度的提高，要求反应器末端油气与催化剂的快速高效分离，实现油气在高温下的短停留，减少轻质油的损失。
Claims (6)
1、一种附壁切割式气固快速分离装置，其特征在于该分离装置包括过渡段(2)、气固混合相入口(3)、分离器主体(8)、气体导出管(9)及颗粒出口(15)；所述的过渡段(2)与反应器主体(1)相联，颗粒出口(15)与汽提蒸汽分布器(19)相联，气体导出管(9)与后继气固分离系统相联；所述的分离器主体(8)的直径D与反应器主体(1)的直径Dr的比例D/Dr为2.5～3.5；所述的气固混合相入口(3)为矩形，矩形长L1为0.35～0.6D，宽W1为0.8～1.2Dr，矩形的一侧与分离器主体(8)相切成一垂直防护板(4)，与垂直防护板(4)相对的另一侧与分离器主体(8)相割，相割处的夹角α为50°～70°；所述的分离器主体(8)内设有气体导出管(9)，其直径D1为0.4～0.6D，气体导出管(9)是一段与壳体同轴安装并插入到壳体内部的开口直管，其开口端面与分离器主体(8)的挡板的距离W3为0.1D～0.35D；在气固混合相入口(3)与分离器主体(8)相割处，设有入口导流挡板(5)，其与垂直线所处的角度β为10°～25°，导流挡板(5)的末端与垂直防护板(4)之间的距离W2为0.07～0.25D；所述的颗粒出口(15)为一矩形；其一侧与分离器主体(8)相切成另一垂直防护板(14)，该垂直防护板(14)的高度H3为0.8～1.2D，在颗粒出口(15)与分离器主体(8)的相切处设有弧形切割板(12)，其半径为D/2，弧形切割板(12)与分离器主体(8)外壳的垂直距离H2为0.05D～0.15D，与主体中心垂线的夹角γ为5°～15°，颗粒出口(15)的另外两侧为圆弧型挡板(7)，其圆弧半径R1、R2分别为0.2～0.3D与0.4～0.6D；在所述的切割板(12)的上、下设有加强筋板(10)和(13)，该筋板与分离器主体(8)相对固定，切割板(12)上设有气压平衡孔(11)。
2、如权利要求1所述的装置，其特征在于，其中所述的颗粒出口(15)处，在切割板(12)下方设有颗粒导流挡板(17)，所述颗粒导流挡板(17)与所述切割板(12)对称设置，其一端与切割板(12)的末端相对固定，另一端与垂直防护板(14)相对固定。
3、如权利要求1所述的装置，其特征在于，其中所述的气体导出管(9)与分离器主体(8)成偏心安装，其偏心角θ为30°～60°，与分离器主体(8)中心的距离W5为0.1～0.2D。
4、如权利要求1所述的装置，其特征在于，其中所述的颗粒出口(15)为对称结构，其圆弧型挡板(16)的半径R3为0.2～0.4D。
5、如权利要求1所述的装置，其特征在于，其中所述的分离器主体(8)及颗粒出口(15)外侧各安装有加强板(18)。
6、如权利要求1所述的装置，其特征在于，其中所述的颗粒出口(15)处安装有汽提蒸汽分布器(19)，通入汽提蒸汽。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CX01 | Expiry of patent term | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20030611 |