一种排气管不均匀开缝的卧式气固超短快分装置

摘要

一种排气管不均匀开缝的卧式气固超短快分装置，包括气固混合物入口段、分离器腔体、颗粒相出口段及中心排气管。分离器腔体由一个拱门形分离器外壳、底板、前端板和后端板围成，圆弧的两端分别与气固混合物入口段和颗粒相出口段相连；气固混合物入口段和颗粒出口段分别连接至分离器腔体两侧；中心排气管一端在分离器腔体内与前端板连接，另一端伸出分离器腔体连接后续分离系统，中心排气管在分离器腔体内的部分管壁上不均匀地开设3-5条开缝，供气体排出。本发明的装置可用于提升管出口和流化床稀相的气固混合物分离，其结构简单紧凑、效率高、压降低、操作弹性大，且实际操作过程中耐高温、耐磨损。

权利要求

1.一种排气管不均匀开缝的卧式气固超短快分装置，其特征在于：一种排气管不均匀开缝的卧式气固超短快分装置包括气固混合物入口段(1)、分离器腔体(2)、颗粒相出口段(3)、中心排气管(4)，其中：分离器腔体由拱门形外壳(6)、前端板(7)、后端板(8)、底板(9)围成；气固混合物入口段(1)和颗粒相出口段(3)分别连接至分离器腔体(2)两侧；中心排气管(4)上设有3-5条开缝(5)，使气体经由开缝流入中心排气管，中心排气管(4)与前端板(7)和后端板(8)垂直，中心排气管的一端插入分离器腔体(2)并与前端板(7)连接，另一端伸出分离器腔体(2)连接后续分离系统；

中心排气管只有在分离器腔体(2)内的部分，管壁上开设3-5条开缝(5)，位于分离器腔体以外的部分不开缝；开缝宽度a为0.2-0.7R，R为分离器拱门形外壳(6)的半径，开缝方向与中心排气管轴线方向平行，各条缝宽度不同，各条缝的长度b为0.7-0.9R，中心排气管上开缝沿中心排气管周向不均匀分布，中心排气管(4)上第一条开缝中心线与入口侧水平方向上的夹角，即定位角α不小于

20°，中心排气管(4)上最后一条开缝中心线与入口侧水平方向所构成的夹角β不大于

240°，每相邻两个开缝(5)中心线在中心排气管截面上所构成的圆心角γ为15-90°，各开缝间隔不相等；所述的开缝(5)方向垂直于管壁。

2.如权利要求1所述的一种排气管不均匀开缝的卧式气固超短快分装置，其特征在于：根据工业实施方案的不同，卧式气固超短快分装置应用于内提升管装置、外提升管装置和流化床装置，排布方式采用多个并联卧式气固超短快分装置。

说明书

一种排气管不均匀开缝的卧式气固超短快分装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种在排气管设有不均匀开缝的卧式气固超短快分装置，属于化工分离设备技术领域，尤其适用于石油化工中的气固分离技术。

背景技术

[0002] 催化裂化是重质油轻质化的核心加工手段，随着反应原料变重、变劣及掺渣比的增大、裂化反应的深度不断增加，反应温度逐步提高，沉降器无选择性二次裂化和热裂化反应也显著增加，不仅导致轻油收率降低、干气和焦炭产率增加，还会引起反应、分馏系统严重结焦，在有些炼厂这已成为影响重油催化裂化装置(RFCCU)长周期安全运行的制约因素。为抑制二次裂化和热裂化反应的发生，要求尽可能缩短油气和催化剂在后反应系统的接触时间和油气在沉降器内的停留时间，即要求在同一设备中实现“三快”——油剂间的快速高效分离(效率等于或高于99％)、分离催化剂的高效预汽提(尽量减少高温油气在沉降器内的返混和降低待生剂中的H/C比)、油气的快速引出(平均停留时间小于4s)，以达到降低干气和焦炭收率、改善产品分布，提高轻收和液收、抑制沉降器结焦、延长装置开工周期的目的。在具备以上优势的同时，也要求气固分离装置具备结构简单紧凑、高分离效率、压降低、弹性大、操作性能稳定的特点。

[0003] 国内外气固分离装置的专利很多，按照分离机理可分为：惯性分离、离心分离、惯性与离心协同作用的分离。

[0004] 伞帽式、倒L式、T型、弹射式和三叶型快分均是利用气体和固体惯性力的差异达到气固分离的目的，这些分离器结构简单，但分离效率只能达到70-80％左右，且油气返混率高，油气在沉降器中停留时间长达10-20s，很容易发生高温热裂化，使轻质油收率降低，并造成沉降器内严重结焦。

[0005] 专利CN01218480.2提出了一种下行床弧面锥体气固分离装置，利用气固惯性的差异和挡板的限制，实现气固分离，在实验装置上分离效率可以达到97.5％以上，但由于其分离效率随分离器直径与下行管直径的比值增大而升高，为保证较好的分离效果，工业装置中分离器的尺寸必然很大，造成设备投资的急剧增加。

[0006] 专利CN00105781.2提出了一种附壁切割式气固快速分离装置，用于提升管或下行床反应器出口，结合了气固两相的惯性差、颗粒运动的附壁效应、及空间位置上的切割分离作用，实现气固间的分离，分离效率为97％左右。其优势在于颗粒在该装置中为顺重力场流动，因而由颗粒相产生的静压非常小，在实验范围内压降不超过100Pa，但切割板等辅助设施的加入，增加了设备的复杂程度，在实际操作过程中动力消耗很大，而且切割板等辅助设施极易被磨损，使分离效率急剧下降。

[0007] 离心分离器是依靠气固两相混合物急速旋转形成的强离心力场来实现气固分离的，旋风分离器是一种典型的离心分离器。专利CN96103420.3是一种用于提升管反应器的旋流式气固快速分离器，催化剂与油气混合物从提升管向上进入旋流式气固快速分离器，经分离器周围的多个切向喷出口，以一定速度沿切向喷出，大部分催化剂在离心力场的作用下被甩到旋流头外气提罩的内壁上下落，实现与反应后油气的分离，其分离效率能达到约99％以上。

[0008] 专利US5662868的“羊角”(Rams horn)的旋流快分系统是在惯性与离心协同作用下实现气固分离的。油气和催化剂从提升管中向上流动，到达末端时分成两部分进入快分系统。在每部分中，催化剂和油气绕水平轴线旋转180°左右，在旋转过程中，根据气固之间惯性的巨大差异，实现气固分离。由于仅在半周旋转范围内大部分油气便引出，因而油气的停留时间较短，只有0.1-0.2s，在不同操作参数下分离效率保持在95-99％之间。

[0009] 专利CN200510077578.8的具有中心排气管的气固分离装置，借助惯性与离心的协同作用实现气固的快速高效分离。该装置通过在中心排气管均匀设置多条开缝，气流均匀的沿开缝排出，流场分布均匀，从而实现较低的分离器的压降和较高的分离效率。但是沿中心管圆周均匀设置多条开缝也带来了诸多缺点：(1)在惯性和离心作用较小的区域(如中心管和底部水平挡板间的区域)，其流通面积较小，且颗粒有向中心管扩散的趋势，颗粒容易被气体携带经开缝进入中心排气管，使分离效率下降。(2)目前80万吨/年规模催化裂化装置提升管出口直径约为2000mm，若采用分离器长度为2400mm，中心排气管直径为800mm的结构尺寸，按照该专利要求开缝宽度为1-20mm，则需要在中心排气管上开40-800条缝，这将给制造施工带来巨大的难度；(3)在圆管上开这么多条缝，加工时排气管极易产生变形，考虑到排气管上需要做衬里，每一个缝的四周都需要做衬里挡圈，焊接工作极其繁琐，这些都给制造、施工带来了巨大的难度。(4)经历了装置开停工时低温、高温间的反复转换，窄缝极易发生变形，即使开停工时窄缝不变形，在正常操作时也会由于开缝过多造成中心排气管强度低、磨损严重，难以长周期运转。(5)该专利对中心管开缝长度未做出明确定义，实际操作中缝长过短导致的颗粒在端板附近堆积，缝长过大导致施工难度增加、结构强度降低等问题。因此，这种“宽度小、数量多、均匀分布”的中心管开缝方式不能很好的满足实际生产的需要。

[0010] 针对专利CN200510077578.8提出的分离器的多开缝、窄缝宽、均匀布置在工业化中所遇到的问题，本专利提出了一种少开缝、大缝宽、不均匀布置的超短卧式快分，不但提高了快分的分离性能，而且使施工难度大大降低。

发明内容

[0011] 本发明提出一种排气管不均匀开缝的卧式气固超短快分装置，通过在中心排气管设有不均匀开缝，实现气固的快速高效分离，其结构更加简单紧凑，且具有更好的强度、易于加工，尤其适用于提升管反应器出口。

[0012] 本发明提出的一种排气管不均匀开缝的卧式气固超短快分装置，如附图1、附图2所示，该气固分离装置包括气固混合物入口段1、分离器腔体2、颗粒相出口段3、中心排气管4，其中：分离器腔体由拱门形外壳6、前端板7、后端板8、底板9围成；气固混合物入口段1和颗粒相出口段3分别连接至分离器腔体2两侧；中心排气管4上设有3-5条开缝5，使气体经由开缝流入中心排气管4；中心排气管4与前端板7和后端板8垂直，中心排气管4的一端插入分离器腔体2并与前端板7连接，另一端伸出分离器腔体连接后续分离系统。
中心管4开缝具有“宽度大、数量少、不均匀分布”的特点。

[0013] 本发明提出的一种排气管不均匀开缝的卧式气固超短快分装置，通过惯性分离与离心分离作用协同作用进行分离。气固混合物经过气固混合物入口段垂直向上进入分离器腔体内，由于气固两相流中颗粒相的惯性远大于气相，颗粒以较大的切向速度沿分离器壁转向，从而实现惯性作用下的气固分离，从气固混合物入口到气固混合物碰撞的区域称为惯性分离区，之后的区域内主要是离心分离起主要作用，称为离心分离区。碰撞后的颗粒在离心作用下沿拱门形外壳的圆弧段经180°圆周运动，从颗粒相出口排出，而大部分气体流经开缝时由于扩散作用从开缝进入中心排气管中。综合考虑分离效率、压降和结构强度，本发明提出的一种不均匀开缝的卧式气固超短快分装置要求中心排气管在分离器腔体内的部分，管壁上开设3-5条开缝，分离器腔体以外的部分不开缝。以目前催化裂化装置规模估算，开缝宽度约为200-1600mm。

[0014] 在中心排气管开设3-5条不均匀开缝是本发明的关键特征之一。气固混合物在分离器内，大部分颗粒沿分离器拱形壳壁做圆周运动，大部分气体沿中心排气管运动并从开缝进入排气管，实现气固两相的分离。但过多的开缝对结构的耐热、耐磨及强度造成较大影响，且增加了固体颗粒从开缝进入中心管的几率，从而降低了分离效率；而过少的开缝使大部分气体快速从中心排气管排出，从而降低效率导致效率降低、停留时间延长，此外开缝面积较小还会引起压降增加。

[0015] 根据各条开缝位置对分离效率和压降的贡献不同，规定中心管开缝的定位角是本发明的关键特征之一。若中心排气管上第一条开缝中心线与入口侧水平方向上的夹角，即定位角α过小，固体颗粒与气体尚未在其惯性差异下完全分离，此时颗粒易被气体携带进入中心排气管，从而降低分离效率。由分析分离器内速度场得，在拱门形外壳内，切向速度由气固混合物入口向颗粒相出口逐渐减小，如果中心排气管上最后一条开缝中心线与入口侧水平方向所构成的夹角β太大，则切向速度很小的颗粒相易被气体携带进入最后一条缝，导致分离效率降低。第一条开缝和最后一条开缝对分离效率和压降均有显著的影响。优选定位角α不小于20°，中心排气管上最后一条开缝中心线与入口侧水平方向所构成的夹角β不大于240°，中心排气管上每相邻两个开缝中心线在中心排气管界面上所构成的圆心角γ为15-90°。

[0016] 由于开缝宽度和长度对分离效率和压降的影响，对开缝宽度和长度的规定是本发明的关键特点之一。在开缝面积一样的情况下，颗粒容易从缝宽较大的开缝进入中心排气管引起分离效率降低，而过小的缝宽易产生变形、磨损，加工难度也很大，通过分析开设3-5条等缝结构的压力场、速度场及分离效率发现，采用开缝条数、开缝位置和开缝宽度的合理匹配，可使分离器内流量、压力分布更均匀，从而进一步降低分离器压降。优选出开缝宽度a与分离器圆弧段外壳的半径R比值为0.2-0.7，开缝方向与排气管轴线方向平行。各条缝的长度b为0.7-0.9R，避免了缝长过短导致的颗粒在端板附近堆积和缝长过长导致的施工难度增加、结构强度降低的问题。

[0017] 中心排气管上开缝可以与气固混合物流动方向呈正切向、反切向或与中心管壁垂直开设是本发明的另一关键特征。由于气体沿中心管运动时可能夹带少量固体颗粒进入开缝，影响分离效率。反切向的开缝增加了颗粒进入开缝时与壁面发生碰撞反弹回分离器腔体内的几率，从而提高分离效率，但反切向开缝的结构施工难度较大。而垂直开缝的结构更易于施工，且通过改变开缝宽度和位置可达到与切向开缝的相同的分离效率。

[0018] 本发明的气固超短快分装置尤其适用于提升管反应器出口的气固混合物的初级分离装置。经过实验测量，入口气速在13-22m/s条件下，分离效率可达99.6％以上，分离器的总压降不大于3700Pa，气体在分离器内的停留时间不超过0.5s。中心排气管伸出分离器腔体的一端可以与二次气固分离系统，如旋风系统连接，而催化剂颗粒则通过颗粒出口返回常规再生器或者进入汽提装置。气固混合物入口段下端口与提升管反应器相适应，颗粒相出口段的下端口可与催化剂再生器或汽提器的端口相适应。

[0019] 可以看出，本发明提出的一种排气管不均匀开缝的卧式气固超短快分装置与现有的气固分离装置相比，装置更加简单紧凑、耐高温、耐磨损、易于加工，其性能优于现有的气固分离装置。拱门形的外壳和设有不均匀切向开缝的中心管结构设计，有利于气固两相在惯性力与离心力协同作用分离，整个分离过程颗粒停留时间短、分离效率高、分离器压降小，且操作弹性大。

附图说明

[0020] 图1为本发明的一种排气管不均匀开缝的卧式气固超短快分装置主视结构示意图。

[0021] 图2为本发明的一种排气管不均匀开缝的卧式气固超短快分装置左视结构示意图。

[0022] 图3为本发明的一种排气管不均匀开缝的卧式气固超短快分装置中心排气管结构局部示意图。

[0023] 图3A为图3的A-A截面示意图(反切向开缝结构)。

[0024] 图3B为图3的A-A截面示意图(正切向开缝结构)。

[0025] 图3C为图3的A-A截面示意图(垂直于管壁开缝结构)。

[0026] 图4A为本发明用于普通流化床装置的实施例示意图。

[0027] 图4B为本发明用于外置提升管循环流化床的实施例示意图。

[0028] 图4C为本发明用于内置提升管循环流化床的实施例示意图。

[0029] 图5为分别利用本发明的一种排气管不均匀开缝的卧式气固超短快分装置和专利CN200510077578.8的具有中心排气管的气固分离装置的分离效率曲线。

具体实施方式

[0030] 以下结合附图对本发明的实施和产生的有益效果作进一步的说明，旨在帮助阅读者更好的理解本发明的设计实质所在，但不应理解为对本发明实施范围的限定。

[0031] 说明附图图1、图2、图3、图3A、图3B和图3C为本发明优选的一种排气管不均匀开缝的卧式气固超短快分装置(开缝方向为反切、正切和垂直于管壁)示意图，包括气固混合物入口段1、由拱门形外壳6、前端板7、后端板8、底板9围成分离器腔体2、颗粒相出口段3、带有中心管开缝5的中心排气管4。气固混合物入口段和颗粒相出口段分别连接至分离器腔体两侧；中心排气管上设有3-5条开缝，使气体经由开缝流入中心排气管；中心排气管与前端板和后端板垂直，中心排气管的一端插入分离器腔体并与前端板连接，另一端伸出分离器腔体连接后续分离系统。其中气固混合物入口段1与提升管反应器主体相连，颗粒相出口段7可与再生器或汽提装置相连，中心排气管4与后续气固分离系统相连。

[0032] 在实际应用中，来自提升管反应器的气固混合物从气固混合物入口段1垂直向上进入卧式气固超短快分装置内，由于气固两相流中颗粒相的惯性远大于气相，颗粒以较大的速度撞击分离器壁，而后在离心作用下沿拱门形外壳的圆弧段经180°圆周运动，从颗粒相出口3排出，而大部分气体流经中心管开缝5时由于扩散作用从开缝进入中心排气管4中，使气固两相借助惯性力和离心力的协同作用而被分离。该过程中，会有少量小颗粒易跟随气体，有向中心管开缝5内运动的趋势，而优选的反切向开缝结构增大了颗粒与壁面碰撞反弹回分离器外壳空间的几率，有利于分离效率的提高。此外，也会有部分气体随颗粒一起经过180°圆周运动，并夹带少量颗粒绕中心排气管4从中心排气管4下方空间返回到气固混合物入口段1一侧重新参加分离，返回的气固两相流对入口段1的气固混合物有一个向入口段外壳的推动作用，使颗粒相趋于沿外壳运动，有助于气固两相的分离。

[0033] 下面结合附图4A、4B和4C说明本发明的一种不均匀开缝的卧式气固超短快分装置的应用实例。

[0034] 实施例1

[0035] 参见附图4A，该实例中将本发明的卧式超短快分用于普通流化床装置。在流化床12上方稀相区13内设置有卧式超短快分15，根据操作气速的不同和设备尺寸的大小，可以采用一个或多个卧式超短快分。卧式超短快分颗粒相出口与料腿20相连，并伸入密相区
16，中心排气管17可直接将分离出的气体导出流化床，若固体中存在细粉，可将中心排气管与二旋18相连，进一步将细粉分离掉。由于本发明的卧式超短快分与旋风分离器相比，垂直高度较小，可大大缩短沉降器35稀相空间高度，从而降低了设备投资成本。

[0036] 气体从输气管10引入，经气体分布器11进入流化床12，使固体颗粒流化，部分细小的颗粒被气体夹带进入稀相区13。稀相区13中的气固混合物由气固混合相入口段14进入卧式超短快分15进行分离。分离出的固体颗粒经料腿20返回到密相区16，分离出的气体和未被分离的小颗粒和细粉经中心排气管17进入旋风分离器18进一步分离。分离出的小颗粒和粉末经料腿19返回到密相区16，分离出的气体由排气管21排出。

[0037] 实施例2

[0038] 参见附图4B，本发明所提出的的卧式超短快分可用于外置提升管循环流化床，如炼油工业中的外置提升管催化裂化装置。卧式超短快分15的入口与外置提升管反应器22的出口连接，卧式超短快分15的颗粒相出口通过料腿20与汽提器23连接，气相出口17与二级旋风分离器入口连接。位于提升管反应器22出口的卧式超短快分15可以为单独的卧式超短快分，也可将两个卧式超短快分组合使用对气固进行分离。

[0039] 油气和催化剂颗粒经外提升管反应器22进入卧式超短快分15，在惯性力与离心力协同作用下，实现催化剂与油气的快速高效分离。分离出来的油气夹带着未被分离的催化剂从中心排气管17经二级旋风分离器分离后进入后续工艺，分离出来的催化剂颗粒通过料腿20进入汽提器23的密相床层24进行汽提。汽提后的催化剂经循环管线25进入再生器。

[0040] 实施例3

[0041] 参见附图4C，该实例是将两个本发明的卧式超短快分组合应用于内置提升管循环流化床，如炼油工业中的内置提升管催化裂化装置。组合式卧式超短快分32安装于沉降器31上部的稀相区内，入口与内置提升管反应器26出口相连，颗粒相出口与料腿20相连，伸入密相床30，中心排气管17通过承插结构33与二旋18入口相连。在应用中，也可选用一个卧式超短快分对气固进行分离。

[0042] 油气和催化剂经内置提升管反应器26进入组合式卧式超短快分32进行分离。分离出来的催化剂颗粒经料腿20进入沉降器31下部的密相床30。分离后的油气夹带着未被分离的催化剂颗粒通过中心排气管17经承插结构33或者直接进入二旋18，进一步分离。油气、烃类和蒸汽经二旋18后从气相管线21进入后续工艺。被二旋18分离出的催化剂粉末经料腿19进入密相床30。在汽提段29中，催化剂沿挡板34向下运动，与来自气体分布器27的向上运动的蒸汽充分接触后，通过斜管28排出进行再生。

[0043] 为考察本发明提出的不均匀开缝的卧式气固超短快分装置，在大型冷模实验装置中进行了分离效率的测量。实验采用催化裂化平衡剂(FCC平衡剂)作为实验颗粒，颗粒平3 3
均粒径为68μm，堆积密度916.7kg/m，颗粒密度1500kg/m。所得到的效率曲线如图5所示。从该曲线图中可以看出，采用本发明的气固分离装置的分离效率可达到99.96％以上，在大大简化设备结构的同时，实现了比专利CN200510077578.8分离装置略高分离效率(约
0.1％)。