專利名稱：改善流化質(zhì)量的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于在有流體和固體顆粒的情況下流態(tài)化的方法和裝置，具體地說是一種改善流化質(zhì)量的方法和裝置。
氣固流化床廣泛應(yīng)用于氣相催化反應(yīng)和固相加工等過程。但當(dāng)氣固流化床的操作線速高于最小鼓泡速度時，流化床中產(chǎn)生大量氣泡，氣泡在向上流動過程中由于壓力降低，導(dǎo)致氣體膨脹且氣泡比例增大。并且對于體積增加的化學(xué)反應(yīng)，增加的氣體量也都以氣泡形式通過床層。氣泡在向上流動過程中不斷聚并長大，大氣泡甚至可以長大到與流化床直徑相當(dāng)。氣泡在床層表面破裂，造成巨大的震動，對安全穩(wěn)定的操作帶來威脅。氣泡的存在使得氣固接觸不良，部分氣體以氣泡形式短路流動通過床層，影響流化床的效率。氣泡在流化床中迅速上升，加速了顆粒與乳化相氣體的返混。其結(jié)果造成原料和產(chǎn)物在流化床反應(yīng)器內(nèi)的停留時間延長，給二次反應(yīng)增加了時間，影響了反應(yīng)的選擇性，進而影響到反應(yīng)效率，使得反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和收率下降，副反應(yīng)增加。隨著流化床直徑的放大，這種情況更加嚴(yán)重。
從理論上講，流化床反應(yīng)器在最小流化速度下操作可以消除氣泡的不利影響，但實際上很難做到，因為流化床內(nèi)存在壓力梯度，氣體會發(fā)生膨脹。對于床層較高的流化床，雖然在分布器處呈最小流化狀態(tài)，但在向上流動過程中由于氣體膨脹則會發(fā)生劇烈鼓泡現(xiàn)象。在流化床床層較高、固體顆粒直徑和密度較大的情況下，這種現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。
解決方法之一是采用錐形流化床，即床層截面積逐漸增大，以抵消氣體膨脹的影響。該方法的不足之處是增加了設(shè)備投資以及操作的苛刻度。這種結(jié)構(gòu)只能在新建裝置上實現(xiàn)，無法利用已有裝置進行改造。而且操作范圍窄，容易出現(xiàn)失流化現(xiàn)象，致使裝置無法正常運轉(zhuǎn)。
解決方法之二是在流化床內(nèi)加設(shè)內(nèi)部構(gòu)件，用內(nèi)部構(gòu)件來抑制和破碎氣泡，增強氣固接觸效率，改善流化質(zhì)量。內(nèi)部構(gòu)件有擋網(wǎng)、擋板、塔型構(gòu)件和垂直管束等。但是內(nèi)部構(gòu)件的存在增加了氣體在流化床內(nèi)的流動阻力，并容易導(dǎo)致固體顆粒破碎，破壞床內(nèi)顆粒的粒徑分布，從而影響床層的流化和反應(yīng)的進行。
本發(fā)明的目的是在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上提供一種改善流化質(zhì)量的方法和裝置。
本發(fā)明提供的方法是氣體從流化床底部進入固體顆粒床層內(nèi)，向上流動與固體顆粒接觸發(fā)生反應(yīng)，大部分氣體穿過所有固體顆粒床層，進入擴大段和旋風(fēng)分離器，部分氣體在向上流動過程中進入位于固體顆粒床層中的氣體引出管內(nèi)，直接流向擴大段和旋風(fēng)分離器，從旋風(fēng)分離器出來的氣體去下一工序處理，從旋風(fēng)分離器出來的固體顆粒返回床層。
本發(fā)明提供的裝置結(jié)構(gòu)如下流化床由圓錐筒狀的分布室、帶孔的圓盤形分布器、圓筒形的床層、一根或數(shù)根氣體引出管、直徑較床層增加的擴大段和旋風(fēng)分離器構(gòu)成，其中分布器夾在分布室和床層之間，三者通過法蘭相連，床層與擴大段之間通過圓臺筒狀的過渡部分連接，擴大段和旋風(fēng)分離器通過管線相連，旋風(fēng)分離器和床層之間通過料腿連接。一根或數(shù)根氣體引出管豎直位于床層內(nèi)，管壁開有若干小孔。氣體引出管的上端通過流化床外且壁上無孔的管線、閥門與擴大段相連，氣體引出管的下端連接一水平管，該水平管延伸到流化床外與閥門相連，該水平管壁上無孔。
分布器通常為密孔板或多孔板，開孔很均勻，保證氣體均勻分布進整個床層。
氣體引出管可以開有多個小孔，該管被稱為開孔管，管外包覆一層金屬絲網(wǎng)，金屬絲網(wǎng)只允許氣體通過小孔流進流出，阻擋固體顆粒進入管內(nèi)。由于管內(nèi)是空的，固體顆粒不能進入，其中的壓力較低，床層中的氣體可以透過管壁的小孔和包覆的金屬絲網(wǎng)或密孔孔隙進入管內(nèi)。
氣體引出管也可以是陶瓷的燒結(jié)密孔管。管的開孔密度是變化的，即位于床層下部靠近分布器的部位開孔少，位于床層上部靠近床層表面的部位開孔多。通過開孔密度的變化調(diào)節(jié)不同床層高度進入管的氣體量，也即床層下部進入管的氣體量較少，隨著床高增加，進入床層的氣體量逐漸增多。
對于開孔管，每隔一段距離增大開孔面積；對于密孔管，每隔一段距離采用增大孔隙度的管子。
氣體引出管的直徑為流化床直徑的1/50～1/5，通常為30～150毫米；氣體引出管的下端在分布器之上200～500毫米處。管壁上的開孔按床層壓力降低導(dǎo)致的氣體膨脹量和發(fā)生化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的氣體增加量計算。
設(shè)床層分布器處的壓力為Pd，分布器處的氣體流量為Vd，床高為Hi處的壓力為Pi，床高為Hi處化學(xué)反應(yīng)增加的氣體量為Qi，則床高為Hi處的氣體增加量ΔVi為ΔVi=(PdPi-1)·Vd+Qi]]>
以此類推，床高為Hi+l處的氣體增加量ΔVi+l為ΔVi+l=(PiPi+l-1)·Vi+Qi+l]]>計算時氣體引出量等于氣體增加量，根據(jù)氣體引出量計算氣體引出管在該高度段的的開孔面積。A=ΔV·(2·ΔPξ·ρg)-12]]>其中A為開孔面積，ΔV為氣體增加量，ΔP為透過管壁的氣體壓降，計算時取1～3KPa，ξ為阻力系數(shù)，開孔管為1.5，密孔管由制造商提供或?qū)崪y，ρg為氣體密度。
根據(jù)開孔面積和選用的氣體引出管的直徑確定氣體引出管的根數(shù)。通常直徑較小或氣體增加量不多的流化床僅需一根氣體引出管，對于直徑較大或氣體增加量較多的流化床，可在床層內(nèi)均勻排列數(shù)根氣體引出管。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明所提供的方法和裝置予以進一步的說明。


圖1示意出本發(fā)明所提供的裝置和方法流程，設(shè)備和管線的形狀和尺寸不受附圖的限制，而是根據(jù)具體情況確定。
本發(fā)明提供的改善流化床流化質(zhì)量的裝置結(jié)構(gòu)如下流化床由分布室2、分布器3、床層4、氣體引出管12、擴大段5、一級旋風(fēng)分離器7和二級旋風(fēng)分離器9組成，其中分布器夾3在分布室2和床層4之間，三者通過法蘭相連，床層4與擴大段5之間通過圓臺筒狀的過渡部分連接，擴大段5和旋風(fēng)分離器7通過管線6相連，旋風(fēng)分離器7和旋風(fēng)分離器9通過管線17相連，旋風(fēng)分離器7的料腿8伸入床層4中，旋風(fēng)分離器9的料腿10伸入床層4中。
氣體引出管12位于床層4的中心部位，大部分埋沒在固體顆粒床層之中，其下端與管13、閥門14相連，上端通過管15、閥門16、管18與擴大段5相連，管13、15、18的壁上無孔。氣體引出管12上開有多個小孔，管外包覆一層金屬絲網(wǎng)。金屬絲網(wǎng)只允許氣體通過小孔流進流出，阻擋固體顆粒進入管12內(nèi)。管12也可以是陶瓷的燒結(jié)密孔管。
本發(fā)明提供的改善流化床流化質(zhì)量的方法流程如下流化氣體由管1引入分布室2，在分布室2中完成氣體預(yù)分布或氣體混合，氣體向上流動穿過分布器3進入床層4，床層4內(nèi)為固體顆粒(如對反應(yīng)起催化作用的催化劑)。氣體向上流動穿過固體顆粒床層，與其接觸完成反應(yīng)，氣體離開床層4進入擴大段5，由于擴大段5的流通截面積加大，氣體流速減慢，被氣流攜帶的部分固體顆粒沉降下來并返回床層4。未沉降的固體顆粒由氣流攜帶先經(jīng)管6進入一級旋風(fēng)分離器7后，再經(jīng)管17進入二級旋風(fēng)分離器9，在旋風(fēng)分離器中氣體與固體顆粒得到分離，分離出的氣體由管11輸送至下一工序處理，分離出的固體顆粒分別經(jīng)料腿8和料腿10返回床層4。
由于氣體引出管12內(nèi)是空的，固體顆粒不能進入，其中的壓力較低，床層中的氣體可以透過氣體引出管12的小孔和包覆的金屬絲網(wǎng)或密孔孔隙進入氣體引出管12中。氣體引出管12的開孔密度是變化的，即位于床層下部靠近分布器的部位開孔少，位于床層上部靠近床層表面的部位開孔多。通過開孔密度的變化調(diào)節(jié)不同床層高度進入氣體引出管12的氣體量，也即床層下部進入氣體引出管12的氣體量較少，隨著床層高度增加，進入床層的氣體量逐漸增多。所產(chǎn)生的氣體依次經(jīng)氣體引出管12、管15、閥16和管18進入擴大段5。閥16用于控制從床層4中引出氣體量的多少，因為透過氣體引出管12管壁的氣體量取決于管壁兩側(cè)的壓差，當(dāng)關(guān)小閥16時，流經(jīng)閥16的氣體受阻，導(dǎo)致氣體引出管12內(nèi)部壓力提高，減少了其與床層之間的壓差，因此也減少了從床層進入氣體引出管12的氣體量。當(dāng)操作條件變化不需要從床層中引出氣體時，只需關(guān)閉閥16即可。另外，閥16也能用于疏通氣體引出管12周圍的金屬絲網(wǎng)或密孔孔隙。氣體引出管12下端連接的管13為一水平管，該管延伸到流化床外，與閥14相連。正常操作時閥14關(guān)閉，當(dāng)需向氣體引出管12中引入反吹氣體時打開閥14。
當(dāng)長時間使用后，固體顆粒中的細(xì)粉有可能附著在氣體引出管12外金屬絲網(wǎng)上或燒結(jié)管外表面上，使由床層4進入氣體引出管12的氣體流動受阻，此時需要除去這一層細(xì)粉。本發(fā)明采用反吹的方法，即打開閥14，由管13引入與流化床中所進行反應(yīng)無關(guān)的惰性氣體進入氣體引出管12，同時關(guān)閉閥16，引入的惰性氣體只能從氣體引出管12的小孔和金屬絲網(wǎng)或密孔孔隙中流出，吹掉氣體引出管12外表面附著的細(xì)粉，保證床層中的氣體能夠順利進入氣體引出管12中。
本發(fā)明采用氣體引出管將氣體逐漸引出流化床，從而避免出現(xiàn)劇烈鼓泡現(xiàn)象。由于只在傳統(tǒng)的流化床中加一根或數(shù)根氣體引出管，方便易行，非常適合對已有流化床裝置的改造。不存在增加流動阻力、破碎固體顆粒等問題，從根本上解決了氣泡所引發(fā)的一系列問題，能夠真正維持氣固流化床在散式流化狀態(tài)下操作。
下面的實施例將對本發(fā)明提供的方法予以進一步的說明，但并不因此而限制本發(fā)明。試驗所用的流化床內(nèi)徑為300毫米，床層高度為4米，采用多孔分布器，分布器開孔直徑為1毫米，板上覆蓋兩層金屬絲網(wǎng)。固體顆粒為催化裂化平衡催化劑，平均粒徑為70.6微米，其中小于45微米的細(xì)粉含量為4.6％，在最小流化速度下操作。流化床中催化裂化平衡催化劑的密度采用光導(dǎo)纖維測量儀測量，該測量儀為中國科學(xué)院化工冶金研究所研制，型號為PC4。流化質(zhì)量用床密度變化情況來衡量，即床層密度波動越小，流化越均勻，流化床內(nèi)趨于散式流化；床層密度波動越大，流化越不均勻，流化床內(nèi)趨于聚式流化。
對比例本對比例說明在流化床中未加入氣體引出管的流化情況。
實測結(jié)果表明距離分布器上3.5米高的床層中心處密度波動如圖2所示。從圖2可以看出，密度隨時間變化較大，密度突降處為有氣泡通過，這一明顯的氣泡特征說明是呈鼓泡流化狀態(tài)，操作時能觀察到氣泡在床層表面破裂的情況，也能感覺出氣泡破裂時床層發(fā)生震動。
實施例為驗證本發(fā)明的效果，在該流化床中加入一根內(nèi)徑為50毫米、長度為3.5毫米的氣體引出管，該引出管下端離分布器300毫米，管上的開孔率隨距離分布器的高度變化，變化范圍為1～5％。加入氣體引出管后，距離分布器上3.5米高的床層中心處密度波動如圖3所示。從圖3可以看出，密度隨時間變化較小，接近無氣泡的散式流化狀態(tài)，操作時未觀察到床層表面發(fā)生氣泡破裂的現(xiàn)象，也未感覺到床層的明顯震動。
權(quán)利要求
1.一種改善流化質(zhì)量的方法，氣體從流化床底部進入固體顆粒床層內(nèi)，向上流動與固體顆粒接觸發(fā)生反應(yīng)，大部分氣體穿過所有固體顆粒床層，進入擴大段和旋風(fēng)分離器，其特征為部分氣體在向上流動過程中進入位于固體顆粒床層中的氣體引出管內(nèi)，直接流向擴大段和旋風(fēng)分離器。
2.權(quán)利要求1的方法所用的裝置，其特征在于流化床由圓錐筒狀的分布室、帶孔的圓盤形分布器、圓筒形的床層、一根或數(shù)根氣體引出管、直徑較床層增加的擴大段和旋風(fēng)分離器構(gòu)成，其中分布器夾在分布室和床層之間，三者通過法蘭相連，床層與擴大段之間通過圓臺筒狀的過渡部分連接，擴大段和旋風(fēng)分離器通過管線相連，旋風(fēng)分離器和床層之間通過料腿連接。
3.按照權(quán)利要求2的裝置，其特征在于所述的氣體引出管豎直位于床層內(nèi)，管壁開有若干小孔，氣體引出管的上端通過流化床外且壁上無孔的管線、閥門與擴大段相連，氣體引出管的下端連接一水平管，該水平管延伸到流化床外與閥門相連，該水平管壁上無孔。
4.按照權(quán)利要求2或3的裝置，其特征在于所述的氣體引出管可以是開有多個小孔的開孔管，管外包覆一層金屬絲網(wǎng)。
5.按照權(quán)利要求2或3的裝置，其特征在于所述的氣體引出管也可以是陶瓷的燒結(jié)密孔管，管的開孔密度是變化的，即位于床層下部靠近分布器的部位開孔少，位于床層上部靠近床層表面的部位開孔多。
6.按照權(quán)利要求2的裝置，其特征在于所述的氣體引出管直徑為床層直徑的1/50～1/5，其下端在分布器之上200～500毫米處。
7.按照權(quán)利要求4或5的裝置，其特征在于所述的氣體引出管管壁上的開孔按床層壓力降低導(dǎo)致的氣體膨脹量和發(fā)生化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的氣體增加量計算，計算方法如下設(shè)床層分布器處的壓力為Pd，分布器處的氣體流量為Vd，床高為Hi處的壓力為Pi，床高為Hi處化學(xué)反應(yīng)增加的氣體量為Qi，則床高為Hi處的氣體增加量ΔVi為ΔVi=(PdPi-1)·Vd+Qi]]>以此類推，床高為Hi+l處的氣體增加量ΔVi+l為ΔVi+i=(PiPi+l-1)·Vi+Qi+l]]>計算時氣體引出量等于氣體增加量，根據(jù)氣體引出量計算氣體引出管在該高度段的的開孔面積A=ΔV·(2·ΔPξ·ρg)-12]]>其中A為開孔面積，ΔV為氣體增加量，ΔP為透過管壁的氣體壓降，計算時取1～3KPa，ξ為阻力系數(shù)，開孔管為1.5，密孔管由制造商提供或?qū)崪y，ρg為氣體密度。
全文摘要
一種改善流化質(zhì)量的方法和裝置,氣體從流化床底部進入固體顆粒床層內(nèi),向上流動與固體顆粒接觸發(fā)生反應(yīng),大部分氣體穿過所有固體顆粒床層,進入擴大段和旋風(fēng)分離器,部分氣體在向上流動過程中進入位于固體顆粒床層中的氣體引出管內(nèi),直接流向擴大段和旋風(fēng)分離器;流化床由圓錐筒狀的分布室、帶孔的圓盤形分布器、圓筒形的床層、一根或數(shù)根氣體引出管、直徑較床層增加的擴大段和旋風(fēng)分離器構(gòu)成。本發(fā)明提供的方法方便易行,裝置結(jié)構(gòu)簡單,適合于對現(xiàn)有流化床改造。
文檔編號B01J8/24GK1323652SQ0010741
公開日2001年11月28日 申請日期2000年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月12日
發(fā)明者魯維民, 汪燮卿, 鐘孝湘, 李松年 申請人:中國石油化工集團公司, 中國石化集團石油化工科學(xué)研究院