CN1759930A - 同轴双锥两级气固快速分离装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种同轴双锥两级气固快速分离装置，其分离器上端两侧设气体导出管，下端连通颗粒导出管，入口处安装内缩喷嘴和将喷嘴包含其内的外扩挡板；以及依次安装在内缩喷嘴下方的一级离散锥、二级锥和支撑装置；一级锥由直径不等的等厚度薄圆盘叠砌而成的一圆锥台，和叠砌在圆锥台上端面的圆锥部分组成；二级锥为中空的上小下大的梯形圆台。本发明利用气固两相间惯性的差别，采取两级分离锥，并配合内缩喷嘴、外扩挡板以及环形挡板的导向、浓缩和分离作用，实现气固快速而高效的分离，具有可方便地调整其结构以适应不同规模不同操作条件的气固分离要求，且结构简单、紧凑、压降低，操作弹性大，磨损影响小的优点。

Description

同轴双锥两级气固快速分离装置

技术领域

本发明属于化工领域中的气固分离设备，特别涉及一种同轴双锥两级气固快速分离装置。

背景技术

近些年来，由于高活性、高选择性催化剂以及高温快速反应过程的不断出现，气固并流下行循环流化床(下行床)作为一种新型的超短接触反应器，在烃类化合物的流态化催化裂化、煤粉的快速热解和生物质的快速热解方面得到了越来越广泛的重视。对于这类超短接触反应器，反应器出口气体和颗粒的快速分离已显得越来越重要了。例如烃类的催化裂化反应，反应温度越来越高，因此反应一般在3到5秒内即可完成，甚至更短。反应时间的缩短，要求反应器末端油气和催化剂快速分离，以实现油气的短停留时间，防止高温下油气的深度裂化和焦炭的生成。对于这样一个快速反应过程，传统的气固分离器如旋风分离器由于停留时间较长，将不再适用。国内外科研机构针对下行床快速反应器的出口气固快速分离装置进行了开发和研究。

美国专利US4,556,541(1985年)，US5,391,289(1995年)，US5,976,355(1999年)提出了一种U形转折式气固快速分离装置。气体在分离装置中经过180°的转向，颗粒由于较大的惯性只发生了90°的转折，并在分离器底部堆积形成了大约90°的一个弯曲弧面。此颗粒堆积面的形成可以防止进入分离器内的颗粒直接与分离器碰撞，减少对分离器的磨损，但也增加了气流对堆积料层的冲击和夹带。该分离器结构简单，而且气相停留时间较短，但由于颗粒夹带较严重，分离效率不高。

中国专利CN1267564A提出了一种附壁切割式气固快速分离装置。该分离器主要是利用两相流中气固惯性的差别和空间位置上的切割实现气固的分离。该分离器类似于卧式旋风分离器，气体要在分离器圆筒中进行多次旋转，因此气体的停留时间相对较长。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的结构变化不灵活、分离效率不高、压降高、停留时间较长等问题。本发明利用气固两相间惯性的差别，采取两级分离锥，并配合内缩喷嘴、外扩挡板以及环形挡板的导向、浓缩和分离作用，实现气固快速而高效的分离，并利用离散锥和分离锥承台的特点，方便地利用已有的配件调整分离器的结构以适应不同规模不同操作条件的要求，同时该分离器还具有结构简单、紧凑、压降低，操作弹性大，磨损影响小的优点。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的同轴双锥两级气固快速分离装置，包括：

一分离容器；该分离容器包括一圆筒型分离容器上部100和与其下端相连通的圆锥型分离容器下部200；所述圆筒型分离容器100的上端面上设有与下行床快速反应器出口管相连通的进口管9，所述圆筒型分离容器100上端两侧分别设有一气体导出管10，所述圆锥型分离容器下部200下端连通一颗粒导出管11；

一安装在分离容器入口91处的入口内缩喷嘴2；

一安装在分离容器入口91处并将入口内缩喷嘴2包容其内的圆锥型外扩挡板1；以及

依次安装在入口内缩喷嘴2下方的一级离散锥3、二级锥4及一级离散锥3和二级锥4的支撑装置；所述一级离散锥3包括由直径不等的等厚度薄圆盘叠砌而成的一圆锥台，和叠砌在所述圆锥台上端面的圆锥部分21组成，所述圆锥台的锥面呈凹形弧面状，所述圆锥部分21的上端锥尖与入口内缩喷嘴2的下端面齐平；

所述二级锥4为一中空的上小下大的梯形圆台，固定在一个二级锥托盘5上，所述二级锥托盘5的形状与汽车方向盘的形状相同；

所述支撑装置包括固定在圆筒型分离容器上部100和圆锥型分离容器下部200连接处的呈十字交叉叠砌固定的支撑架300，该支撑架300的中心处垂向固定一承台8，所述承台8的中心孔内安装一支柱7；所述支柱7上端依次穿入二级锥4和一级离散锥3的中心孔，所述分离锥支柱7的垂向设有定位孔，穿入定位孔的螺钉将二级锥托盘5及位于其上的二级锥4和一级离散锥3固定。

所述分离容器入口91直径为D，分离容器的圆筒型分离容器上部100直径为5.4～6.5D，高度为5.0～6.0D；内缩喷嘴上部直径为D，下部直径与高度均为0.6～0.8D。所述外圆锥型外扩挡板1的下端直径为3～4D，高度为2.2～2.4D。所述一级离散锥3凹形锥面的曲率半径R为1.5D～2.5D，圆锥部份21锥尖的水平线与一级离散锥3的锥底之间的夹角θ为45°～65°。所述二级锥4的上底直径为2.0D～3.5D，下底直径为3.0～3.5D，高为0.5～0.65D，上底面与一级离散锥3底部的垂直距离为0～0.2D，所述二级锥4上底的边缘与一一级离散锥3底部边缘的水平距离为0.15～0.25D。所述二级锥托盘5下端固定安装一环形挡板6，该环形挡板6的直径为3.0～3.5D，高度为0.02～0.06D。

所述气体出口导管10的直径为0.3～0.4D，呈对称分布。

本发明的同轴双锥两级气固快速分离装置具有以下优点：

本发明的同轴双锥两级气固快速分离装置，克服了已有技术中分离装置的结构变化不灵活、分离效率不高、压降高、停留时间较长等问题；利用气固两相间惯性的差别，采取两级分离锥，并配合内缩喷嘴、外扩挡板以及环形挡板的导向、浓缩和分离作用，实现气固快速而高效的分离，并利用离散锥和分离锥承台的特点，方便地利用已有的配件调整分离器的结构以适应不同规模不同操作条件的要求，同时该分离器还具有结构简单、紧凑、压降低，操作弹性大，磨损影响小的优点。

附图说明

附图1为本发明的结构示意图；

附图2为物料在本发明的分离装置中气固分离的示意图；

附图3为一级离散锥3的结构示意图；

附图4A为二级锥4的外形示意图；

附图4B为附图4A的俯视图；

附图5为二级锥托盘5的结构示意图；

附图6A为环形挡板6的外形示意图；

附图6B为附图6A的俯视图；

其中：圆锥型分离容器下部200               圆筒型分离容器100

      进口管9                             气体导出管10

导出管11                       分离容器入口91

入口内缩喷嘴2                  一级离散锥3

二级锥4                        圆锥部分21

支撑架300                      离散锥承台8

二级锥托盘5                    分离锥支柱7

环形挡板6                      分离容器入口91直径为D

一级离散锥3凹形锥面的曲率半径R

圆锥部份21锥尖的水平线与一级离散锥3的锥底之间的夹角θ

具体实施方式

下面结合图2介绍本发明的工作流程。如图2所示，实箭头表示固体颗粒，虚箭头表示气体，箭头的粗细表示流量的大小。气固混合物离开反应器进入分离器主体后，经由入口内缩喷嘴2的收口，气固两相有向中心聚集的趋势，同时获得一个短暂的加速，使固体颗粒的浓度向中心集中；随后，气固两相首先接触一级离散锥3，而离散锥则由于固体颗粒在导流圆盘上的堆积形成一接近理想的弧形锥面，在一级离散锥3的导流作用下，气固两相的运动方向在锥面上改变，由于气固两相惯性的差异，气固两相经过一级离散锥3的导流作用，在离开锥面时，大部分固体沿着图2实箭头所示的方向进入二级锥4的内部，而大部分气体则沿着虚箭头的方向从二级锥外部与外扩口里侧之间的空隙运动，由此实现第一级的分离。少部分气体与大部分固体颗粒沿着二级锥的内部运动，在二级锥4的导向与环形挡板6的作用下，固体颗粒基本上沿着垂直方向落到分离器下方，从颗粒出口排出，少部分气体绕过环形挡板6向上运动，与经过第一级分离出来的气体一道从气体导出管10排出。经过一级分离后的气体仍夹带一部分固体颗粒，在经过二级锥4后，大部分固体颗粒由于其惯性依然往下运动，最后从颗粒出口排出，进入气提系统或后续设备，少部分被向上气流夹带由气体导出管10排出。经过一级离散锥3和二级分离锥4的作用，气固两相已基本分离开来。

下面再结合附图进一步描述本发明：

附图1为本发明的结构示意图；附图3为一级离散锥3的结构示意图；附图4A为二级锥4的外形示意图；附图4B为附图4A的俯视图；附图5为二级锥托盘5的结构示意图；附图6A为环形挡板6的外形示意图；附图6B为附图6A的俯视图；由图可知，本发明的同轴双锥两级气固快速分离装置，包括：

一分离容器；该分离容器包括一圆筒型分离容器上部100和与其下端相连通的圆锥型分离容器下部200；所述圆筒型分离容器100的上端面上设有与下行床快速反应器出口管相连通的进口管9，所述圆筒型分离容器100上端两侧分别设有一气体导出管10，所述圆锥型分离容器下部200下端连通一颗粒导出管11；一安装在分离容器入口91处的入口内缩喷嘴2；

一安装在分离容器入口91处并将入口内缩喷嘴2包容其内的圆锥型外扩挡板1；以及

依次安装在入口内缩喷嘴2下方的一级离散锥3、二级锥4及其该一级离散锥3和二级锥4的支撑装置；所述一级离散锥3包括由直径不等的等厚度薄圆盘叠砌而成的一圆锥台，和叠砌在所述圆锥台上端面的圆锥部分21组成，所述圆锥台的锥面呈凹形弧面状，所述圆锥部分21的上端锥尖与入口内缩喷嘴2的下端面齐平；

所述二级锥4为一中空的上小下大的梯形圆台，固定在一二级锥托盘5上，所述二级锥托盘5的形状与汽车方向盘的形状相同；

所述支撑装置包括固定在圆筒型分离容器上部100和圆锥型分离容器下部200连接处的呈十字交叉叠砌固定的支撑架300，该支撑架300的中心处垂向固定一离散锥承台8，所述离散锥承台8的中心孔内安装一分离锥支柱7；所述分离锥支柱7上端依次穿入二级锥4和一级离散锥3的中心孔，所述分离锥支柱7的垂向设有定位孔，穿入定位孔的螺钉将二级锥托盘5及位于其上的二级锥4和一级离散锥3固定。

本分离器的入口91为圆形，入口大小与下行床快速反应器出口大小相一致，并以此尺寸作为分离器的特征尺寸，以便于根据反应器的规模设计合适大小的分离器。入口处连接入口内缩喷嘴2，以利于气固两相向一级离散锥3的锥顶聚集，同时由于气固两相离开入口内缩喷嘴2后有一个突扩的空间，便于部分气体从混合相分离出去。在这突扩的初次分离中，气体会夹带相当多的固体颗粒，外扩挡板的存在则阻挡了这部分气固混合物直接从气体导出管10排出。

在离散锥面上，固体颗粒很快就在各个导流圆盘之间的地方堆积，使得离散锥面成为一个连续的锥面，后续的固体颗粒将直接与堆积在导流盘上的固体颗粒发生碰撞，从而离散锥的磨损得到相应的减小，而另一方面，导流圆盘边缘的磨损也有利于连续锥面的形成，因此，对于该形式的离散锥面，可完全不必考虑其磨损情况。

经过一级离散锥3的导流作用，气固两相由于惯性大小不一样而分离开来，适当调整二级锥4的位置，使得固体颗粒沿着向下的斜抛线进入二级锥4的内侧，气相则大部分沿着二级锥的外测运动，并夹带小部分固体颗粒。此时，由于气相的横向速度增加，若无外扩挡板的存在，则有相当一部分的固体颗粒会被直接夹带出去。本发明的外扩挡板1则是为了强迫初级分离与经离散锥分离出来的气体沿着二级锥4外侧与外扩挡板1内侧之间的空隙运动，在空隙出口处，气体转向从气体导出管10排出，夹带的大部分固体颗粒则被分离出来。

在二级锥4内侧运动的大部分固体颗粒和少部分气体则由于二级锥的导向和环形挡板6的阻挡，颗粒最终沿竖直方向直接落入颗粒气体导出管10进入汽提装置或后续装置，气相部分则绕过环形挡板6向上运动，并从气体导出管10排出。

使用这种结构的分离装置，固相由始至终都不发生与分离器壁面的直接碰撞，一方面既防止了因碰撞反弹所造成的颗粒夹带，使分离效率降低，另一方面亦避免了壁面的磨损。

图3是一级离散锥3的立面图，固体颗粒在离散锥上堆积后形成的连续锥面的角度为θ，弧面半径为R，圆盘的厚度可根据所需的弧面精度进行选择，厚度越小则形成的弧面越精确，但所需的圆盘数量也越多，厚度越大则所需的圆盘数越小，但是厚度太大不利于形成理想的弧面，同时颗粒与圆盘的碰撞也将越激烈，夹带越多。经实验测试，离散锥弧面角度的大小对分离效率的影响明显，角度越小分离效率越高，但随着角度的进一步减小，分离效率反而降低，而且不利于气体快速地排出。因此弧面角度θ一般在45°～65°较适宜。弧面半径对分离效率的影响不明显。

图4是二级锥4的立面和平面图，二级锥一方面将经由一级离散锥分离开的气固两相隔开，另一方面还阻止落入二级锥内侧的固体颗粒被夹带走，还与外扩挡板1一道使分离开的大部分气体与其夹带的少量固体颗粒做二次分离。

图5是二级锥托盘4的平面图，其主要作用是承托二级锥4。托盘中心开一孔，让分离锥支柱穿过，并用一根梢钉将其固定在分离锥支柱7上。

图6是环形挡板6立面和平面图，固定在二级锥托盘下，其作用是改变固体颗粒的运动轨道，迫使颗粒向下运动，直接落到出料管里，同时也防止了固体颗粒与分离器壁的碰撞与夹带。二级锥4内侧的气相则绕过环形挡板180度，向上从导气管10排出。

根据不同的操作参数和要求，只要适当改变本发明装置的结构尺寸，则本装置可满足下行床反应器出口气固混合相的快速分离需要，亦可作为气固混合相的初级分离装置。经实验测量，该型装置在各种操作条件下对混合粒径在10～100μm之间的颗粒分离效率可达98％以上，气相停留时间在1s以下，分离器的总压降在100Pa左右。其气体导出管10可与二次气固分离系统，如旋风分离器相连，或者直接进入后续的气相处理装置，固体颗粒则通过颗粒出口直接排出分离器主体。由于固体颗粒在分离器内并不直接与器壁碰撞，颗粒与器壁的磨损极小，而固体颗粒虽然直接与一级离散锥碰撞，但随着连续弧面的形成，磨损情况也很小，而且离散锥的适当磨损还更有利于连续弧面的形成，由此进入良性运作。另一方面，由于一级离散锥3采取离散的形式，拆装，更换，改变弧面角度就变得极为方便，用过的导流圆盘还能在以后的操作参数下继续使用，大大节省了材料和加工量。

本发明可应用于下行循环流化床系统：

1.将生物质或煤粉等固体物料经粉碎、筛分成粉状物料，并进行干燥处理后，送入一个常压的固固混合器，并与来自循环流化床锅炉的热灰迅速混合，进入下行管，经过快速热解反应后，生成的高温热解气与半焦物料进入本发明的气固快速分离装置，分离后的高温热解气迅速进入一快速冷凝器，而固相半焦和循环热灰则进入循环流化床锅炉燃烧。

2.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发明的气固快速分离装置。分离后的油气通过气相导出管10进入下一级分离系统，固体颗粒则进入用于气提的湍动流化床设备，气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。

实施例1

本实施例的分离器的几何结构尺寸分别为：圆锥型分离容器下部200的直径为5.4D，高度为6.0D，分离器入口直径为D；内缩喷嘴2上部直径为D，下部直径与高度均为0.8D，外扩挡板1底部半径为1.8D，上部直径为1.1D，高度为2.2D，一级离散锥3的曲率半径为1.5D，弧面角度为65度，二级锥4上底为2.0D，下底为3.0D，高为0.6D，上底面与一级离散锥3底部的垂直距离为0.1D，环形挡板6高度为0.02D，直径为3D，气体导管10直径为0.6D。入口内缩喷嘴2平均气速4.4m/s，采用平均粒径60微米、表观密度1500kg/m³的FCC物料，颗粒循环速率20kg/(m²s)。分离效率为99.0％，气体平均停留约为1s，分离器的压降约为100Pa。

实施例2

本实施例的分离器的入口内缩喷嘴2下部直径与高度改为0.6D，外扩挡板高度改为2.4D，一级离散锥3曲率半径为2.0D，弧面角度55度，二级锥4上底直径为2.2D，下底3.3D，颗粒循环速率30kg/(m²s)外，其余均与实施例1相同，此时分离器分离效率为99.2％，气体平均停留时间约为1s，静压降约为100Pa。

实施例3

本实施例将分离器的一级离散锥3曲率半径改为2.5D，弧面角度改为45度，入口内缩喷嘴2下部直径与高度均改为0.7D，外扩挡板1高度改为2.4D，底部半径为2.0D，操作气速为5m/s，颗粒循环速率26kg/(m²s)外，其余均与实施例1相同，此时分离器效率为98.6％，气体平均停留时间900ms，分离器压降约为80Pa。

下行床反应器利用气固两相顺重力场向下运动的特点，特别适应以中间产物为目的产物的快速反应过程。在通常情况下，气固两相的混合，在下行管内的反应，反应后气固两相的快速分离等过程在1秒之内完成，因此使用高效快速的气固分离器就显得相当重要。

Claims (7)

1、一种同轴双锥两级气固快速分离装置，包括：

一分离容器；该分离容器包括一圆筒型分离容器上部(100)和与其下端相连通的圆锥型分离容器下部(200)；所述圆筒型分离容器(100)的上端面上设有与下行床快速反应器出口管相连通的进口管(9)，所述圆筒型分离容器(100)上端两侧分别设有气体导出管(10)，所述圆锥型分离容器下部(200)下端连通一颗粒导出管(11)；

一安装在分离容器入口(91)处的入口内缩喷嘴(2)；

一安装在分离容器入口(91)处并将入口内缩喷嘴(2)包容其内的圆锥型外扩挡板(1)；以及

依次安装在入口内缩喷嘴(2)下方的一级离散锥(3)、二级锥(4)及其所述一级离散锥(3)、二级锥(4)的支撑装置；

所述一级离散锥(3)包括由直径不等的等厚度薄圆盘叠砌而成的一圆锥台，和叠砌在所述圆锥台上端面的圆锥部分(21)组成，所述圆锥台的锥面呈凹形弧面状，所述圆锥部分(21)的上端锥尖与入口内缩喷嘴(2)的下端面齐平；

所述二级锥(4)为一中空的上小下大的梯形圆台，固定在一二级锥托盘(5)上，所述二级锥托盘(5)的形状与汽车方向盘的形状相同；

所述支撑装置包括固定在圆筒型分离容器上部(100)和圆锥型分离容器下部(200)连接处的呈十字交叉叠砌固定的支撑架(300)，该支撑架(300)的中心处垂向固定一分离锥承台(8)，所述分离锥承台(8)的中心孔内安装一分离锥支柱(7)；所述分离锥支柱(7)上端依次穿入二级锥(4)和一级离散锥(3)的中心孔，所述分离锥支柱(7)的垂向设有定位孔，通过穿入定位孔的螺钉将二级锥托盘(5)及位于其上的二级锥(4)和一级离散锥(3)固定。

2、按权利要求1所述的同轴双锥两级气固快速分离装置，其特征在于，所述分离容器入口(91)直径为D，分离容器的圆筒型分离容器上部(100)直径为5.4～6.5D，高度为5.0～6.0D；内缩喷嘴上部直径为D，下部直径与高度均为0.6～0.8D。

3、按权利要求1所述的同轴双锥两级气固快速分离装置，其特征在于，所述外圆锥型外扩挡板(1)的下端直径为3～4D，高度为2.2～2.4D。

4、按权利要求1所述的同轴双锥两级气固快速分离装置，其特征在于，所述一级离散锥(3)凹形锥面的曲率半径R为1.5D～2.5D，圆锥部份(21)锥尖的水平线与一级离散锥(3)的锥底之间的夹角θ为45°～65°。

5、按权利要求1所述的同轴双锥两级气固快速分离装置，其特征在于，所述二级锥(4)的上底直径为2.0D～3.5D，下底直径为3.0～3.5D，高h为0.5～0.65D，上底面与一级离散锥(3)底部的垂直距离为0～0.2D，所述二级锥(4)上底的边缘与一一级离散锥(3)底部边缘的水平距离为0.15～0.25D。

6、按权利要求1所述的同轴双锥两级气固快速分离装置，其特征在于，所述二级锥托盘(5)下端固定安装一环形挡板(6)，该上述环形挡板(6)的直径为3.0～3.5D，高度为0.02～0.06D。

7、按权利要求1所述的同轴双锥两级气固快速分离装置，其特征在于，所述气体导出管(10)的直径为0.6～0.8D，呈对称分布。

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