CN111315491A - 用于气体-固体分离的设备和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种方法和气体‑固体分离器设备，其中顶盖跨过旋风分离器中旋流桨叶的上游端设置，以保护桨叶免受快速行进固体的侵蚀。顶盖可至少在整个旋流叶片的范围内径向延伸，并且径向延伸跨过所有旋流桨叶的上游端。
Description
优先权声明
本申请要求2017年9月30日提交的美国申请15/721,884的优先权，其引用的申请的内容据此全文以引用方式并入。
技术领域
本领域涉及非常适于在流体催化裂化单元内使用的气体-固体分离器。
相关技术的描述
流体催化裂化(FCC)是一种广泛利用的工艺，其中重烃进料与催化剂在升高的温度下于主反应器内接触以产生更轻烃产物。在裂化过程中，由于焦炭沉积在催化剂颗粒上，故催化剂活性逐渐降低。为了恢复催化剂活性，将废催化剂通过废催化剂竖管从主反应器连续地取出，并将该废催化剂供应到催化剂再生器中，在该催化剂再生器中发生燃烧以烧掉焦炭沉积物。然后将再生的催化剂再循环到主反应器的立管以再次接触重烃进料并重复裂化过程。因在催化剂再生器内燃烧而产生的烟道气体聚集在上游歧管内，并且依据烟道气体的温度，该烟道气体通常被供应到烟囱以用于排入大气，或者膨胀通过一个或多个涡轮以用于能量回收。
催化剂颗粒不可避免地被夹带在催化剂再生器内燃烧期间产生的烟道气体中。催化剂再生器通常配备有第一和第二级旋风分离器，它们共同能够相对容易地从烟道气体流中移除平均直径超过50微米以及通常接近或超过100微米的较大催化剂颗粒。然而，平均直径小于50微米的较小催化剂颗粒通常保持夹带在从催化剂再生器排放的烟道气体流中。这些较小催化剂颗粒类似于细小的沙粒，并且通常被称为“催化剂细粒”。如果不从烟道气体流移除，至少在很大程度上，粗糙催化剂细粒可逐渐侵蚀催化剂再生器下游的部件，诸如包含于能量回收单元内的涡轮的桨叶。因此，可能期望移除催化剂细粒以防止或至少最小化此类侵蚀和/或降低排入大气的颗粒物的量，以满足普遍的环境规制。
已开发了固体-气体分离器(通常被称为第三级分离器或“TSS”)以从催化剂再生器排放的烟道气体流移除催化剂细粒。最有效的TSS类型之一包括含有多个单流式旋风分离器的容器，其由总部设在伊利诺伊州德斯普兰斯(Des Plaines，Illinois)的UOP有限公司开发和商业销售。单个的单流式旋风分离器可能能够从引导穿过分离器的烟道气体流移除显著量的颗粒细粒。已观察到，在长时段连续操作大约几年的过程中，旋风分离器内可能发生相当大的侵蚀。如果足够严重，则此类侵蚀可能需要局部修复或替换整个旋风分离器，这可能需要关闭TSS，并且可能需要将FCC单元作为一个整体关闭。
因此，期望提供适用于流体催化剂裂化单元内的第三级分离器中的气体-固体分离器的实施方案，并且该气体-固体分离器与常规第三级分离器相比具有提高的耐溶蚀性和降低的维护要求。
发明内容
本发明提供了用于从气体流分离颗粒物的气体-固体分离器的实施方案。顶盖设在旋风分离器的上游以防止催化剂细粒直接接触分离器中的旋流桨叶。
附图说明
下面将结合以下附图来描述本发明，其中相似数字表示相似元件，并且其中：
图1为包括多个旋风分离器的气体-固体分离器的简化横剖面图，并且其根据本发明的示例性实施方案而示出；并且
图2为图1所示气体-固体分离器的一部分的横剖面图，从而更详细地示出了旋风分离器之一的示例性实施方案；并且
图3为图1所示气体-固体分离器的一部分的平面图。
具体实施方式
图1为根据本发明的示例性实施方案示出的气体-固体分离器10的简化横剖面图。在操作期间，气体-固体分离器10移除气体流中所夹带的颗粒物，以例如降低排入大气的颗粒物的量和/或使下游设备的侵蚀最小化，此一个或多个涡轮包含于能量回收膨胀器单元内。气体-固体分离器10尤其适合用作包含于流体催化裂化(“FCC”)单元内的分离器，并且具体地，用作第三级分离器(“TSS”)，该第三级分离器从FCC催化剂再生器接收烟道气体流，该烟道气体夹带有FCC工艺中所用催化剂的相对细小颗粒。US 6,673,133 B2中描述了FCC体系的示例，在该FCC体系中可将分离器10用作TSS。尽管如此，应当强调的是，分离器10可用于任何应用、体系或平台内，其中期望利用连续的低维护分离工艺从气体流移除颗粒物或碎屑。
参考图1所示的示例性实施方案，气体-固体分离器10包括具有烟道气体入口14、洁净气体出口16和夹带固体出口18的容器12。上游管板20和下游管板22安装在容器12的壳体内，并且它们一起限定烟道气体室24、洁净气体室26、和介于烟道气体室24与洁净气体室26之间的夹带固体室28。烟道气体室24、洁净气体室26和夹带固体室28分别流体地耦接到烟道气体入口14、洁净气体出口16和夹带固体出口18。上游管板20因此界定烟道气体室24的下游段；上游管板20和下游管板22分别界定夹带固体室28的上游段和下游段；并且下游管板22界定洁净气体室26的上游段。换句话说，上游管板20分隔烟道气体室24和夹带固体室28，而下游管板22分隔夹带固体室28和洁净气体室26。如图1所示，上游管板20和下游管板22可各自呈现大致锥形壁的形式，该壁从容器12的内周向表面径向向内延伸，以将容器12的内部划分成室24、26和28，如刚才所述。
多个旋风分离器30安装在容器12内，并且从上游管板20延伸到下游管板22。作为一个具体且非限制性示例，气体-固体分离器10可包括8至200个此类分离器30，它们围绕容器12的纵向轴线周向地分布以产生分离歧管。旋风分离器30的纵向轴线可与容器12的纵向轴线基本上平行；并且，在容器12竖直地取向的实施方案中，分离器30也可同样竖直地取向。因此，旋风分离器30在大致竖直方向上延伸跨过夹带固体室28，以允许烟道气体室24至洁净气体室26的流体连通。此外，每个旋风分离器30包括一个或多个单向流孔口(在本文中被称为“止回阀开口”)，它们将烟道气体室24流体地耦接到夹带固体室28，以允许从气体流移除夹带固体，如下文详细描述的。
在气体-固体分离器10的操作期间，通过例如分离器10上游的FCC再生器将烟道气体流32供应到烟道气体入口14。如上所示，烟道气体流32携带颗粒物；并且，具体就FCC体系而言，气体流32载有平均直径小于50微米的相对较小的催化剂颗粒(通常被称为“催化剂细粒”)。如图1所示，可将锥形穿孔分散器34安装在容器12的上游部分内，以使烟道气体流基本上均匀地分布在烟道气体室24的横剖面区域上，如图1中箭头36所示。详细描述于下文但未示于图1的顶盖阻挡烟道气体直接进入到旋风分离器30中。烟道气体流进入旋风分离器30的上游端，这给基本上平滑或层状气体流赋予以图1中箭头38表示的基本上旋流或涡流状流动模式。当气体流遵循这些旋流或螺旋形流动路径向下穿过旋风分离器30时，离心力迫使催化剂细粒径向向外且抵靠分离器30的内环形壁。如图1中箭头40进一步所示，大部分和(或可能绝大部分)催化剂细粒流过设在分离器30中的侧壁孔口或止回阀开口，为清楚起见，这些侧壁孔口或止回阀开口未示于图1中且详细描述于下文。穿过止回阀开口的细粒被相对较小量(例如，3-5体积％)的烟道气体(通常被称为“底流”)携带到夹带固体室28中。然后穿过夹带固体出口18从分离器10排放载有细粒的底流，如图1中箭头42所示，该夹带固体出口可借助中心固体排流管44而流体地耦接到夹带固体室28。根据其中采用分离器10的具体应用，可随后将载有细粒的底流供应到第四级过滤器，以用于进一步颗粒移除，或者将其重新注入到容器12下游的位置。
当气体流被强迫穿过每个旋风分离器30时，离心力迫使催化剂细粒径向向外且远离分离器的中心线，如上所述。这样，将催化剂细粒从引导穿过旋风分离器30的径向中心的最内核心气体流移除。该核心气体流(其基本上不含颗粒，并且因此在本文中被称为“洁净气体流”)从旋风分离器30的下游端排放到洁净气体室26中，并且最终以图1中箭头46所示穿过洁净气体出口16离开容器12。在其中烟道气体流的温度高于760℃(通常被称为“热TSS应用”)的实施方案中，可将洁净气体供应到包含于能量回收膨胀器单元内的涡轮。在这种情况下，从气体流移除细粒使涡轮桨叶的侵蚀最小化，并且因此延长涡轮的操作寿命。另选地，可将来自高于340℃但低于760℃(通常被称为“低温TSS应用”)的烟道气体的洁净气体供应到烟囱，以用于排入大气。在这种情况下，移除细粒降低了废气中颗粒物的量，这可能是满足环境规制所必需的，所述环境规制取决于特定地理区域以及管理FCC单元或其中采用固体-气体分离器10的其他体系的操作的监管机构。
图2为固体-气体分离器10的一部分的横剖面图，其截取一个旋风分离器30并且根据示例性实施方案而示出。在其他部件中，旋风分离器30包括分离器流通主体50，其延伸跨过夹带固体室28，以将烟道气体室24流体地耦接到洁净气体室26。在所示示例中，分离器流通主体50由三个部件构成，即旋风器筒52、筒端板54和气体出口管56。如图2所示，旋风器筒52方便地呈现细长管的形式，该细长管具有：上端或上游端，该上端或上游端延伸穿过设在上游管板20中的开口并且从其向上突出；以及下端或下游端，该下端或下游端向下突出到夹带固体室28中。旋风器筒流体地耦接到烟道气体入口14。类似地，气体出口管56可呈现细长管的形式，该细长管具有的外径小于旋风器筒52的内径；例如，在一个实施方案中，出口管56的内径可为旋风器筒52内径的约二分之一至三分之一。气体出口管56流体地耦接到旋风器筒52的下游端，并且从其向下穿过设在下游管板22中的开口延伸到洁净气体室26中。气体出口管56居中地设置在旋风器筒52中，并且在下游端处流体地耦接到洁净气体室26。气体出口管56可延伸穿过设在筒端板54中的中心开口并延伸到旋风器筒52的下游端部分中。最后，筒端板54呈现环形板或盘的形式，其至少在很大程度上包封旋风器筒52的下游端。在低温TSS应用中，筒端板54可刚性地接合在旋风器筒和气体出口管56之间；例如，可接合筒端板54的外周向边缘；例如，焊接到旋风器筒52的下游端，并且可接合端板54的内周向边缘；例如，焊接到气体出口管56的外周向表面。然而，在热TSS应用中，筒端板54可接合到旋风器筒52和气体出口管56中的仅一者，而在端板54与筒52和出口管56中的另一者之间设有小的环形间隙以适应热膨胀的差异。
旋流叶片68于和/或跨过旋风器筒52的上端或上游端定位。多个旋流桨叶72从毂70径向向外延伸并且围绕旋风分离器30的纵向轴线切向缠绕或扭曲。旋流桨叶72具有围绕毂70周向地设置的上游端。旋流桨叶72设置在限定在毂70的外表面与旋风器筒52的内表面之间的环形空间66中。当气体流被强迫穿过旋风器筒52时，旋流叶片68给气体流赋予旋流或涡流型流动模式，如图2中由虚线74一般表示。如前所示，这种旋流或螺旋型流动模式产生离心力，该离心力迫使气体流内所夹带的催化剂细粒从旋风器筒52的中心线径向向外且抵靠筒52的内壁，从而有利于使细粒穿过一个或多个固体出口76(诸如下文所述的止回阀开口)而移除。具有旋流桨叶72的旋流叶片68可为单个铸件。
旋风分离器30包括一个或多个固体出口76，它们包括周边地设置在旋风器筒52的下游端中并穿过该下游端的止回阀开口，该止回阀开口径向邻近气体出口管56的穿透段。如本文出现的术语“止回阀开口”被定义为如下开口或孔口，其允许载有固体的气体在气体-固体分离器的正常操作条件下在基本上一个方向上流动，并且因此防止不期望的回流以类似于止回阀方式进入旋风器筒52。通过选择一个或多个止回阀开口的总横剖面流动区域以及其它参数(诸如旋风器筒52和出口管56之间的内径差值)来防止或至少基本上阻碍穿过一个或多个止回阀开口的回流，以确保当从旋风器筒52的内部过渡到夹带固体室28时的压降相对较高。固体出口76流体地连接到夹带固体出口18(图1)。因此，在旋风分离器30的操作期间，允许底流夹带细粒离开筒52的下游端，流过末端固体出口76，并进入夹带固体室28，以便随后经由固体排流管44和夹带固体出口18而移除(图1)。相比之下，相对洁净核心气体流穿过气体出口管56流入到洁净气体室26中，并且最终经由洁净气体出口16而从固体-气体分离器10排放(图1)。
已发现，在长时段连续操作期间，可发生旋流桨叶72与毂70之间的连接的严重侵蚀。为了防止催化剂细粒直接冲击旋流桨叶72，在旋流叶片68的上游安装顶盖80。顶盖80至少在整个旋流叶片68的范围内径向延伸，并且径向延伸跨过所有旋流桨叶72的上游端。顶盖80径向延伸超过毂但跨过毂与旋风器筒52之间的环形空间66。因此，来自旋风分离器30上游的载有固体的气体可能不直接进入旋风器筒，而是围绕顶盖80间接前进，如图2中箭头36所示。顶盖80具有可为半球形的不透固体的封闭顶82以及在顶82下游延伸的柱形侧壁84。顶盖80的直径，优选地外壁84的内径大于旋风器筒52的外径，以确保接触环形空间66中旋流叶片68之前，使载有进入颗粒的烟道气体的流改为径向方向。
凸耳71将顶盖80保持在旋流叶片68上方的适当位置。凸耳71可诸如通过在其内下游端处焊接到在旋流叶片68上游延伸的毂70的延伸部86来固定。延伸部86附接到毂70。凸耳71也诸如通过在下游外端处焊接到旋风器筒52并且在上游外端处焊接到顶盖80的侧壁84来固定。侧壁84的下游端延伸到限定在处于旋风器筒52上游且处于各凸耳71之间的侧壁84下游的窗口60。窗口60允许通向旋流桨叶72并且将烟道气体入口14流体地耦接到环形空间66中的旋流叶片68。毂70具有设在延伸部86上的处于顶盖80下游的封闭平坦上游端。窗口60的尺寸被设定成使得侧壁84的下游端与旋风器筒52的上游端之间的间距限定柱形区域，该柱形区域为处于毂70和旋风器筒52之间的限定环形空间66的横剖面区域的至少两倍。
图3为图2的旋风分离器30的顶部平面图，其示出了顶盖80径向延伸跨过旋流叶片68的上游端。顶盖80具有的外径Dco一直延伸到旋流桨叶72所限定的外径Ds以防止烟道气体直接冲击旋流桨叶72的上游边缘。进入到旋风器筒52与毂70之间的环形空间66中不能直接实现，而是围绕顶盖80并在凸耳71之间前进。实际上，顶盖80的外径Dco大于旋风器筒52的外径Db。优选地，顶盖80的内径Dci大于旋风器筒52的外径Db。
毂70与旋风器筒52之间的环形空间66的横剖面区域可见于图3中。窗口60的尺寸被设定成使得侧壁84的下游端与旋风器筒52(图2)的上游端之间的间距限定柱形区域，该柱形区域为环形空间66的横剖面区域的至少两倍。
在操作中，由箭头36表示的载有固体的烟道气体流进入烟道气体入口14到容器12并穿过烟道气体室24行进到特定旋风分离器30。顶盖80保护旋风分离器30免于烟道气体直接进入到旋流叶片68中，但限制了载有固体的气体通向旋流叶片68而是围绕顶盖80的下游端。载有固体的气体接触旋流桨叶72，这诱使载有固体的气体在旋风器中打旋，并且通过离心加速度从气体分离固体。固体42穿过夹带固体出口18离开容器12，并且洁净气体46穿过洁净气体出口16离开容器。
具体的实施方案
虽然结合具体的实施方案描述了以下内容，但应当理解，该描述旨在说明而不是限制前述描述和所附权利要求书的范围。
本发明的第一实施方案为一种旋风分离器，包括：旋风器筒；旋流叶片，所述旋流叶片定位在所述旋风器筒的上游端中；气体出口，所述气体出口居中地设置在所述旋风器筒的下游端中；固体出口，所述固体出口周边地设置在所述旋风器筒的下游端中；以及顶盖，所述顶盖径向延伸跨过所述旋流叶片的上游端。本发明的一个实施方案为本段的先前实施方案至本段的第一实施方案中的一个、任一个或所有实施方案，还包括围绕定位在所述旋风器筒的上游端中的毂缠绕的多个旋流桨叶，并且所述顶盖径向延伸跨过所有旋流叶片的上游端。本发明的一个实施方案为本段的先前实施方案至本段的第一实施方案中的一个、任一个或所有实施方案，其中所述旋流桨叶具有围绕所述毂周向地设置的上游端。本发明的一个实施方案为本段的先前实施方案至本段的第一实施方案中的一个、任一个或所有实施方案，其中所述顶盖具有延伸到允许通向所述旋流桨叶的窗口的侧壁。本发明的一个实施方案为本段的先前实施方案至本段的第一实施方案中的一个、任一个或所有实施方案，其中所述侧壁的下游端定位在所述旋流叶片的上游以限定所述窗口。本发明的一个实施方案为本段的先前实施方案至本段的第一实施方案中的一个、任一个或所有实施方案，其中所述旋流桨叶设置在所述毂与所述旋风器筒之间的环形空间中。本发明的一个实施方案为本段的先前实施方案至本段的第一实施方案中的一个、任一个或所有实施方案，还包括凸耳，所述凸耳被固定到所述毂和所述顶盖以将所述顶盖保持在所述毂上方的适当位置。本发明的一个实施方案为本段的先前实施方案至本段的第一实施方案中的一个、任一个或所有实施方案，其中所述毂具有处于所述顶盖下游的封闭端。本发明的一个实施方案为本段的先前实施方案至本段的第一实施方案中的一个、任一个或所有实施方案，其中所述毂具有平坦顶端。本发明的一个实施方案为本段的先前实施方案至本段的第一实施方案中的一个、任一个或所有实施方案，其中所述毂在所述旋流桨叶的上游端上方延伸。本发明的一个实施方案为本段的先前实施方案至本段的第一实施方案中的一个、任一个或所有实施方案，其中所述顶盖具有半球形顶。
本发明的第二实施方案为一种气体-固体分离器，包括：容器，所述容器具有烟道气体入口、夹带固体出口和洁净气体出口；上游管板和下游管板，所述上游管板和所述下游管板处于所述容器内，并且它们一起限定流体地耦接到所述烟道气体入口的气体入口室、流体地耦接到所述夹带固体出口的夹带固体室、和流体地耦接到所述洁净气体出口的洁净气体室；以及旋风分离器，所述旋风分离器包括：旋风器筒，所述旋风器筒延伸到所述夹带固体室中并且流体地耦接到所述烟道气体入口；旋流叶片，所述旋流叶片定位在所述旋风器筒的上游端中；气体出口，所述气体出口居中地设置在所述旋风器筒的下游端中，并且将所述气体入口室流体地耦接到所述洁净气体室；固体出口，所述固体出口周边地设置在所述旋风器筒的下游端中，并且流体地连接到所述夹带固体出口；以及顶盖，所述顶盖在所述旋流叶片的上游端上方径向延伸。本发明的一个实施方案为本段的先前实施方案至本段的第二实施方案中的一个、任一个或所有实施方案，其中所述旋风分离器还包括围绕定位在所述旋风器筒的上游端中的毂缠绕的多个旋流桨叶，并且所述顶盖在所有旋流桨叶的围绕所述毂周向地设置的上游端上方径向延伸。本发明的一个实施方案为本段的先前实施方案至本段的第二实施方案中的一个、任一个或所有实施方案，其中所述旋风分离器的顶盖具有侧壁，所述侧壁具有与旋流桨叶间隔开的下游端以提供将烟道气体入口流体地耦接到旋流桨叶的窗口。本发明的一个实施方案为本段的先前实施方案至本段的第二实施方案中的一个、任一个或所有实施方案，其中所述旋风分离器的旋流桨叶设置在所述毂与所述旋风器筒之间的环形空间中。本发明的一个实施方案为本段的先前实施方案至本段的第二实施方案中的一个、任一个或所有实施方案，其中所述旋风分离器还包括凸耳，所述凸耳被固定到所述毂和所述顶盖以将所述顶盖保持在所述毂上游的适当位置。本发明的一个实施方案为本段的先前实施方案至本段的第二实施方案中的一个、任一个或所有实施方案，其中所述旋风分离器的顶盖具有半球形顶部。
本发明的第三实施方案为一种用于从气体分离固体的方法，包括：将载有固体的气体引导到旋风分离器；使用顶盖来阻挡直接进入到所述旋风分离器中，所述旋风分离器包括旋流叶片；限制所述载有固体的气体通向所述旋流桨叶而是围绕所述顶盖的下游端；使所述载有固体的气体与旋流桨叶接触，这诱使所述载有固体的气体在旋风器中打旋；以及通过向心加速度从所述气体分离固体。本发明的一个实施方案为本段的先前实施方案至本段的第三实施方案中的一个、任一个或所有实施方案，还包括将所述载有固体的气体从烟道气体入口引导到容器再引导到容器中的旋风分离器，并且其中固体穿过夹带固体出口离开容器，并且气体穿过洁净气体出口离开容器。
尽管没有进一步的详细说明，但据信，本领域的技术人员通过使用前面的描述可最大程度利用本发明并且可容易地确定本发明的基本特征而不脱离本发明的实质和范围以作出本发明的各种变化和修改，并且使其适合各种使用和状况。因此，前述优选的具体的实施方案应理解为仅例示性的，而不以无论任何方式限制本公开的其余部分，并且旨在涵盖包括在所附权利要求书的范围内的各种修改和等效布置。
在前述内容中，所有温度均以摄氏度示出，并且所有份数和百分比均按重量计，除非另外指明。
Claims (10)
1.一种旋风分离器，包括：
旋风器筒；
旋流叶片，所述旋流叶片定位在所述旋风器筒的上游端中；
气体出口，所述气体出口居中地设置在所述旋风器筒的下游端中；
固体出口，所述固体出口周边地设置在所述旋风器筒的所述下游端中；和
顶盖，所述顶盖径向延伸跨过所述旋流叶片的上游端。
2.根据权利要求1所述的旋风分离器，还包括围绕定位在所述旋风器筒的所述上游端中的毂缠绕的多个旋流桨叶，并且所述顶盖径向延伸跨过所有旋流叶片的上游端。
3.根据权利要求1所述的旋风分离器，其中所述旋流桨叶具有围绕所述毂周向地设置的上游端。
4.根据权利要求2所述的旋风分离器，其中所述顶盖具有延伸到允许通向所述旋流桨叶的窗口的侧壁。
5.根据权利要求4所述的旋风分离器，其中所述侧壁的下游端定位在所述旋流叶片的上游以限定所述窗口。
6.根据权利要求2所述的旋风分离器，其中所述旋流桨叶设置在所述毂与所述旋风器筒之间的环形空间中。
7.根据权利要求2所述的旋风分离器，还包括凸耳，所述凸耳被固定到所述毂和所述顶盖以将所述顶盖保持在所述毂上方的适当位置。
8.根据权利要求2所述的旋风分离器，其中所述毂具有处于所述顶盖下游的封闭端。
9.根据权利要求7所述的旋风分离器，其中所述毂具有平坦顶端。
10.一种用于从气体分离固体的方法，包括：
将载有固体的气体引导到旋风分离器；
使用顶盖来阻挡直接进入到所述旋风分离器中，所述旋风分离器包括旋流叶片；
限制所述载有固体的气体通向所述旋流桨叶而是围绕所述顶盖的下游端；
使所述载有固体的气体与旋流桨叶接触，这诱使所述载有固体的气体在旋风器中打旋；以及
通过向心加速度从所述气体分离固体。
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