CN1200457A

CN1200457A - 用于流化床反应器的多孔气体分配器

Info

Publication number: CN1200457A
Application number: CN 98114908
Authority: CN
Inventors: 池田米一
Original assignee: Nippon Oil Corp
Current assignee: Eneos Corp
Priority date: 1997-05-23
Filing date: 1998-05-23
Publication date: 1998-12-02
Also published as: JPH10323553A

Abstract

一种气体分配器,用来把一种气体引入到颗粒材料床中以对其进行流化。该分配器包括一个多孔板,它具有中心和圆周及许多贯穿所说板的开孔,并且支撑着其上的所说床,和一个风箱,用来接收压缩气体并通过所说板上的开孔将所说气体注入到所说床中,所说的板构成了所说风箱的上表面,其特征在于:所说的板从所说圆周至所说中心向下凹曲,并且所说开孔的有效面积与所说板的面积之比在板的中心处大些而在板的圆周上则小些,以便在颗粒材料被流化时,使颗粒材料的循环流动在板的中心上行而在板的圆周下行。

Description

用于流化床反应器的多孔气体分配器

本发明涉及一种用于流化床反应器的多孔气体分配器，更确切地说是涉及一种布置在反应塔下部的流化床反应器的多孔气体分配器，用来对反应塔中的待处理颗粒材料进行支撑和流化。

流化床反应器通过向反应塔中的材料床中注入气体使其流化的方式来改善颗粒材料和气体之间的接触效率。这些反应器广泛应用于石油提炼、氧化、还原、或对颗粒材料进行干燥、造粒、或气体的催化反应。在这种反应器中，对材料进行流化的气体从一个通常布置在反应塔下部的气体分配器注入。该分配器通常具有一个风箱，以特定压力将一种气体加入到该风箱中，一个多孔板构成该风箱的上表面。该板具有许多单一直径且间距相等的开孔，该板支撑着其上的颗粒材料。风箱中的气体穿过所说板上的开孔向上注入到床中以使颗粒材料流化。

然而，使用这样的气体分配器，很难使气流穿过所说板的上表面。因此颗粒材料在开孔之间的板面上的有聚集的趋势。这种微粒的聚集降低了颗粒材料和气体之间的接触效率，如果聚集过份增长，甚至会阻碍流化的进行。

为了减小这种微粒的聚集，提出了一种曲面多孔板，该板从其圆周至其中心向下凹曲。这种形状使得颗粒材料在所说板上向中心的滑动变得很容易，由此减少了在所说板上的微粒聚集。

然而，使用上述的板还没有足以阻止这种聚集的出现。特别是在粘稠颗粒材料床情况下，所说材料在所说板上仍然有聚集的趋势。

为了更加有效地阻止颗粒材料的聚集，还进一步提出，让穿过所说板上开孔的气体注入压力根据开孔的位置而有所改变，从而借助压力差在所说板的上表面产生一股加压气流。利用这一构想，结合所说板的上述凹曲形状，在穿过所说板的上表面的气流作用下，所说颗粒材料在该板上移动，这就抑制了在该板上出现微粒的聚集。

然而，为了在各开孔中以不同的压力注入气体，所说风箱需要分隔成许多腔室，这些腔室中将加入不同压力的气体。这使得所说风箱的结构变得很复杂，而且这样也使得制造该系统的成本增加过多，并且系统的结构耐久性也较低。

因此，本发明的目的在于提出一种用于流化床反应器的气体分配器，它具有一个多孔板，其特征在于，用简单的结构就可以阻止颗粒材料在所说板的表面上的聚集现象，并且改善颗粒材料和气体之间的接触效率。

根据本发明，提出一种气体分配器，用来把一种气体引入到颗粒材料床中以对所说床进行流化，它包括：

一个多孔板，它具有中心和圆周及许多贯穿所说板的开孔，并且支撑着其上的所说床，和

一个风箱，用来接收压缩气体并通过所说板上的开孔将所说气体注入到所说床中，所说的板构成了所说风箱的上表面，

其中所说的板从所说圆周至所说中心向下凹曲，并且

其中所说开孔的有效面积与所说板的面积之比在板的所说中心处大些而在板的所说圆周上则小些，以便在颗粒材料被流化时，使颗粒材料的循环流动在板的中心上行而在板的圆周下行。

所说多孔板从其圆周至其中心向下凹曲，使得颗粒材料径向向内的移动变得很容易，在相反的情况下，所说材料在所说板上则有聚集的趋势。只要能得到这种效果，所说板可以是任何形状的，例如可以是半球形、球面体的一个扇区、倒圆锥、棱锥或其组合。

在多孔板上的开孔，只要它们贯穿所说的板，便可以是简单形式的开口、喷口或任何其他形式。开孔的横截面可以是任何形状，但最好是圆形。

所说的开孔可以以相等的间距或不规则的间距排列，只要所探讨的情况是下面遇到的。例如，所说开孔可以排列成一般的栅格图形、一般的交错图形、一般的同心图形、一般的辐射状图形或任何其他的几何图形。

在本发明中的有效面积比表示在所说板的上表面上总的开口面积与在所说板的上表面上单位面积之比。根据本发明，在所说板上的有效面积比在其中心处高些而在其圆周上则低一些。该有效面积比至其中心可以是逐渐增高而至其圆周则逐渐降低。换句话说，所说板的表面可以分成许多同心区域，而在各区域上的有效面积比则可以不同，在外部区域有效面积比低一些，而在内部区域有效面积比则高些。特别是当开孔以相等间距排列时，最好将板面分成许多同心区域，并让有效面积比在各区域上有所不同，在外部区域有效面积比低一些，而在内部区域有效面积比则高些。

可以通过任一方式对有效面积比进行调整，例如，通过改变相邻开孔的中心距，通过改变各开孔的尺寸或通过这些形式的组合。开孔的排列和大小应该设计成这样，即在颗粒材料床中产生循环流动，它在所说板的中心上行而在所说板的圆周则下行。

根据本发明，径向位于平均有效面积比为αd的参考单位区域内部的某一单位区域的有效面积比αdx最好由下面的公式(I)来确定：

αdx/αd＞{1-2·ρf/(K·ρg)·gH/Ud²}^-1/2 (I)，

而径向位于平均有效面积比为αd的参考单位区域外部的某一单位区域的有效面积比αdx则由下面的公式(II)来确定：

αdx/αd＜{1-2·ρf/(K·ρg)·gH/Ud²}^-1/2 (II)。

在公式(I)和(II)中，ρf表示流化床的密度，ρg表示气体的密度，K表示一个代表所说开孔的系数，g表示重力加速度，H表示与参考单位区域相距的向下垂直距离(如果该单位区域位于参考单位区域之上，则其值为负值)，而Ud则表示在参考单位区域中的气体注入速度。

上述公式(I)和(II)是通过下列步骤得出的。首先，在多孔板下方某一位置上的压力Pb由下面的公式(1)表示：

Pb＝ΔPd+Pt+ΔPf (1)

其中ΔPd表示穿过多孔板的压力损失，Pt表示净空压力，而ΔPf则表示流化床的静压力。

流化床的静压力由下面的公式(2)表示：

ΔPf＝ρf·Lf (2)

其中ρf表示流化床的密度，而Lf则表示流化床的高度。在上述公式中，由于ΔPd、ΔPf和Lf都随着在所说板上的位置而发生变化，因此被赋予平均值。

其次，让ΔPdx表示在单位区域x穿过所说板的压力损失，该单位区域径向向外与所说的压力损失为ΔPd的单位区域(参考单位区域)相距的水平距离为X，而让Lfx表示在同一单位区域x的流化床的高度。于是，从上面的公式(1)和(2)，得出下面的公式(3)：

Pb＝ΔPdx+Pt+ρf·Lfx (3)

如用H代表单位区域x向下与所说参考单位区域相距的垂直距离，则得出下面的公式(4)：

ΔPd-ΔPdx＝ρf·(Lfx-Lf)＝ρf·H (4)

假如所有的开孔大小都一样，并且让Ud和Udx分别表示在参考单位区域上和在单位区域x上的气体注入速度，于是得出下面的公式(5)和(6)：

ΔPd＝K·ρg·Ud²/2g (5)

ΔPdx＝K·ρg·Udx²/2g (6)

其中g表示重力加速度，ρg表示气体密度，而K则表示一个代表所说开孔的系数。例如，当所说开孔为圆形孔时，该系数K为大约1.5。

从上面的公式(4)和(6)，得出下面的公式(7)：

Ud²-Udx²＝2g(ρf·H/(K·ρg)) (7)

为了在流化床的整个横截面上都形成均匀气流，应该满足下面的公式(8)：

Udx/Ud＝αd/αdx (8)

其中αd表示在参考单位区域上的有效面积比，而αdx则表示单位区域x上的有效面积比：

换句话说，公式(7)可变换成公式(9)：

Udx/Ud＝{1-2·ρf/(K·ρg)·gH/Ud²}^1/2 (9)

因此，从公式(8)和(9)出发，形成均匀气流的上述条件由下面的公式(10)表示：

αdx/αd＝{1-2·ρf/(K·ρg)·gH/Ud²}^-1/2 (10)

通过改变等式(10)上的有效面积比的比值，便使实际形成的循环流动在流化床的中心上行而在圆周下行。因此，径向向内与平均有效面积比为αd的参考单位区域相距水平距离为X的单位区域x的有效面积比αdx的最佳状态由下面的公式(I)来表示：

αdx/αd＞{1-2·ρf/(K·ρg)·gH/Ud²}^-1/2 (I)，

而径向向外与平均有效面积比为αd的参考单位区域相距水平距离为X的单位区域x的有效面积比αdx的最佳状态由下面的公式(II)来表示：

αdx/αd＜{1-2·ρf/(K·ρg)·gH/Ud²}^-1/2 (II)。

顺便说说，获得平均有效面积比αd是通过把穿过多孔板的压力损失ΔPd带入上面的公式(5)而得到气体注入速度Ud，并且随后推倒出下面的公式(13)实现的，该公式表示了表面气体速度U₀与气体注入速度Ud之间的关系：

αd＝(Td/Tr)·(Pr/Pd)·U₀/Ud (13)

其中Td表示在所说多孔板入口处的温度，Tr表示流化床的温度，Pr表示在所说多孔板入口处的压力，而Pd表示流化床的压力。

根据处理目的，本发明的气体分配器可以对任何通常在流化床反应器中处理的颗粒材料进行流化。此外，本发明的分配器还可以用于那些用通常的气体分配器很难进行流化的粘稠颗粒材料。根据处理目的，用本发明分配器所注入的气体可以是任何通常用于流化床反应器的气体。例如，空气、氧气、氮气、氢气、烃类、水蒸气或其混合物均可用作流化气体。还可以把所说气体与雾化水或重烃任意地混合起来。

图1是带有本发明气体分配器的流化床煅烧装置的示意剖面图。

图2是用在本发明气体分配器中的多孔板的一个实施例的平面图。

图3是用在本发明气体分配器中的多孔板的另一个实施例的平面图。

图4是用在本发明气体分配器中的多孔板的另一个实施例的平面图。

现在结合相关的附图参考优选的实施例对本发明进行阐述。

图1是带有本发明气体分配器1的流化床煅烧装置A的示意剖面图。流化床煅烧装置A具有气体分配器1、布置在该气体分配器1上的反应塔2、反应塔2下部的气体分配器1上所支撑的颗粒材料的流化床3、和布置在反应塔2中的热交换器4，该热交换器用来吸收因床3中的颗粒材料的燃烧而产生的热。

气体分配器1包括用来接收压缩气体的风箱5和多孔板6，该多孔板构成了风箱5的上表面，把风箱5和反应塔2分隔开。

多孔板6的形状为通常的半球形，并且从其圆周至其中心向下凹曲。许多气体注入开孔7贯穿于板6，并且以相等的间距排列成栅格图形，即各相邻开孔的中心距相等。板6分成三个同心区域6a、6b和6c，以板6的中心为同心的中心。开孔7的直径在各区域中不相同，在外部区域要小些，而在内部区域要大些。特别如图2所示，该图是多孔板6的平面图，在最外部区域6a上的开孔7的直径是一致的并且是最小的，在中间区域6b上的开孔7的直径是一致的并且尺寸居中，而在中心区域6c上的开孔7的直径是一致的并且是最大的。

风箱5中所接收的气体穿过板6上的开孔7向上注入到在反应塔2内的颗粒材料床3中以使其流化。由于在中心区域6c上的开孔7的直径大于在最外部圆周区域6a上的开孔7的直径，所以在板6的中心区域6c上穿过开孔7的气流流量大一些，而在板6最外部的圆周区域6a，该气流流量则逐渐下降。由此，在流化床3中产生了循环流动，它在中心上行而在圆周则下行。该循环流动在所说板6上径向向内流动，这使得颗粒材料在所说板6上移动以阻止在其上出现微粒的聚集。

图3显示的是用在本发明气体分配器中的多孔板的另一个实施例。多孔板16具有许多单一尺寸的气体注入开孔17。开孔17以径向相等的间距排列成栅格图形。这样，在板16圆周上相邻开孔的中心距大一些而在板16中心上则小一些。因此，在中心处的有效面积比高些而在板16的圆周上则低一些。

图4显示的是用在本发明气体分配器中的多孔板的另一个实施例。多孔板26具有许多排列成同心图形的气体注入开孔27。在每圈图形上相邻开孔的中心距相等，但在板26圆周上要大一些而在板26中心上则小一些。此外，在板26中心部分的开孔27的尺寸大于在板26圆周部分的开孔27的尺寸。因此，在中心处的有效面积比高一些而在板26的圆周上则低一些。

根据本发明，由于在多孔板上开孔的有效面积与板的面积之比在板的中心大些而在板的圆周则小些，因此所注入的气体从所说风箱经过所说开孔的流量在板的中心要大些而在板的圆周则小些。因此在流化床中产生了一种颗粒材料的循环流动，该循环流动在床的中心上行，在床的顶部径向向外散开，在床的圆周下行，在板的上表面上径向向内流动，并且在床的中心再度上行。从而通过循环流动迫使颗粒材料在所说板上流动，由此阻止在板上出现微粒的聚集。

此外，由于通过简单地调整所说板上气体注入开孔的有效面积比就能形成这样的循环流动，因此借助简单的结构便可使阻止微粒聚集的效果得到改善，与传统的气体分配器相比还提高了寿命。

此外，颗粒材料和气体在床中的恒定流动改善了材料与气体之间的接触效率，并且降低了颗粒材料在塔壁和板上的碰撞，从而抑制结构的磨损和损坏。

实施例

一个气体分配器包括一个多孔板，该板的曲率半径为70cm，该气体分配器布置在一个流化床反应器的下部，反应塔的直径为120cm。在所说板上的开孔以6cm的规则纵向和横向间距均匀地排列成栅格图形。所说的板根据距该板中心的距离(由r表示)被分成三个区域，与图2中的板6相似。圆周区域r＞48cm，中间区域32cm＜r＜48cm，而中心区域r＜32cm。所说开孔的直径在各区域中不相同，在圆周区域其直径为6.5mm，在中间区域其直径为6.8mm，而在中心区域其直径为7.5mm。上述直径是根据上面的公式(I)和(II)确定的。

把容积密度为1.00kg/m³的FCC微粒作为颗粒材料加入到流化床煅烧装置中，并且通过让常温下的空气以60cm/s的表面气体速度穿过所说开孔对其进行流化。

因此，在流化床中产生一种循环流动，该循环流动在所说板的中心区域上方的床的中心处上行，而在所说板的圆周区域上方的床的圆周部分则上行。颗粒材料在多孔板的上表面上没有出现聚集。

Claims

1.一种气体分配器，用来把一种气体引入到颗粒材料床中以对所说床进行流化，它包括：

其特征在于：所说的板从所说圆周至所说中心向下凹曲，并且

所说开孔的有效面积与所说板的面积之比在板的所说中心处大些而在板的所说圆周上则小些，以便在颗粒材料被流化时，使颗粒材料的循环流动在板的中心上行而在板的圆周下行。

2.根据权利要求1的气体分配器，其特征在于：所说的板有一个平均有效面积比为αd的参考单位区域，且其中所说开孔的有效面积与所说板的面积之比应这样确定，以使在所说板上径向位于所说参考单位区域内的第一单位区域的有效面积比αdx满足下面的公式(I)：

αdx/αd＞{1-2·ρf/(K·ρg)·gH/Ud²}^-1/2 (I)

而在所说板上径向位于所说参考单位区域外的第二单位区域的有效面积比αdx则满足下面的公式(II)：

αdx/αd＜{1-2·ρf/(K·ρg)·gH/Ud²}^-1/2 (II)

其中，ρf表示流化床的密度，ρg表示气体的密度，K表示一个代表所说开孔的系数，g表示重力加速度，H表示与参考单位区域相距的向下垂直距离，而Ud则表示在参考单位区域中的气体注入速度。

3.根据权利要求1的气体分配器，其特征在于：从改变各开孔的尺寸、改变所说开孔的中心距或这些形式的组合中选择出一种方式对所说开孔的有效面积与所说板的面积之比进行调整。

4.根据权利要求3的气体分配器，其特征在于：通过改变各开孔的尺寸可以对所说开孔的有效面积与所说板的面积之比进行调整，当开孔以基本相等的间距排列时，所说的尺寸靠近中心大些而靠近板的圆周则小些。

5.根据权利要求3的气体分配器，其特征在于：改变所说开孔的中心距可以对所说开孔的有效面积与所说板的面积之比进行调整，当开孔大小基本相等时，所说中心距靠近中心小些而靠近板的圆周则大些。

6.根据权利要求1的气体分配器，其特征在于：所说开孔的有效面积与所说板的面积之比在中心逐渐增高而在板的圆周则逐渐降低。

7.根据权利要求1的气体分配器，其特征在于：所说板具有许多同心区域，而所说开孔的有效面积与所说板的面积之比在各区域上则有所不同，径向向外的区域有效面积比低一些，而径向向内的区域有效面积比则高一些。

8.根据权利要求1的气体分配器，其特征在于：从栅格图形、交错图形、同心图形、辐射状图形或任何其他的几何图形中选择出一种图形对所说开孔进行排列。

9.根据权利要求1的气体分配器，其特征在于：所说开孔由一个喷口构成。

10.根据权利要求1的气体分配器，其特征在于：所说板的形状可以选择成圆锥形、棱锥形、半球形、球面体的一个扇区及其组合。

11.根据权利要求1的气体分配器，其特征在于：所说颗粒材料是粘稠的。

12.根据权利要求1的气体分配器，其特征在于：所说分配器布置在流化床反应器的下部。

13.根据权利要求1的气体分配器，其特征在于：所说开孔具有圆形横截面。