专利名称：改善流化质量的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明属于在有流体和固体颗粒的情况下流态化的方法和装置，具体地说是一种改善流化质量的方法和装置。
气固流化床广泛应用于气相催化反应和固相加工等过程。但当气固流化床的操作线速高于最小鼓泡速度时，流化床中产生大量气泡，气泡在向上流动过程中由于压力降低，导致气体膨胀且气泡比例增大。并且对于体积增加的化学反应，增加的气体量也都以气泡形式通过床层。气泡在向上流动过程中不断聚并长大，大气泡甚至可以长大到与流化床直径相当。气泡在床层表面破裂，造成巨大的震动，对安全稳定的操作带来威胁。气泡的存在使得气固接触不良，部分气体以气泡形式短路流动通过床层，影响流化床的效率。气泡在流化床中迅速上升，加速了颗粒与乳化相气体的返混。其结果造成原料和产物在流化床反应器内的停留时间延长，给二次反应增加了时间，影响了反应的选择性，进而影响到反应效率，使得反应转化率和收率下降，副反应增加。随着流化床直径的放大，这种情况更加严重。
从理论上讲，流化床反应器在最小流化速度下操作可以消除气泡的不利影响，但实际上很难做到，因为流化床内存在压力梯度，气体会发生膨胀。对于床层较高的流化床，虽然在分布器处呈最小流化状态，但在向上流动过程中由于气体膨胀则会发生剧烈鼓泡现象。在流化床床层较高、固体颗粒直径和密度较大的情况下，这种现象尤为严重。
解决方法之一是采用锥形流化床，即床层截面积逐渐增大，以抵消气体膨胀的影响。该方法的不足之处是增加了设备投资以及操作的苛刻度。这种结构只能在新建装置上实现，无法利用已有装置进行改造。而且操作范围窄，容易出现失流化现象，致使装置无法正常运转。
解决方法之二是在流化床内加设内部构件，用内部构件来抑制和破碎气泡，增强气固接触效率，改善流化质量。内部构件有挡网、挡板、塔型构件和垂直管束等。但是内部构件的存在增加了气体在流化床内的流动阻力，并容易导致固体颗粒破碎，破坏床内颗粒的粒径分布，从而影响床层的流化和反应的进行。
本发明的目的是在现有技术的基础上提供一种改善流化质量的方法和装置。
本发明提供的方法是气体从流化床底部进入固体颗粒床层内，向上流动与固体颗粒接触发生反应，大部分气体穿过所有固体颗粒床层，进入扩大段和旋风分离器，部分气体在向上流动过程中进入位于固体颗粒床层中的气体引出管内，直接流向扩大段和旋风分离器，从旋风分离器出来的气体去下一工序处理，从旋风分离器出来的固体颗粒返回床层。
本发明提供的装置结构如下流化床由圆锥筒状的分布室、带孔的圆盘形分布器、圆筒形的床层、一根或数根气体引出管、直径较床层增加的扩大段和旋风分离器构成，其中分布器夹在分布室和床层之间，三者通过法兰相连，床层与扩大段之间通过圆台筒状的过渡部分连接，扩大段和旋风分离器通过管线相连，旋风分离器和床层之间通过料腿连接。一根或数根气体引出管竖直位于床层内，管壁开有若干小孔。气体引出管的上端通过流化床外且壁上无孔的管线、阀门与扩大段相连，气体引出管的下端连接一水平管，该水平管延伸到流化床外与阀门相连，该水平管壁上无孔。
分布器通常为密孔板或多孔板，开孔很均匀，保证气体均匀分布进整个床层。
气体引出管可以开有多个小孔，该管被称为开孔管，管外包覆一层金属丝网，金属丝网只允许气体通过小孔流进流出，阻挡固体颗粒进入管内。由于管内是空的，固体颗粒不能进入，其中的压力较低，床层中的气体可以透过管壁的小孔和包覆的金属丝网或密孔孔隙进入管内。
气体引出管也可以是陶瓷的烧结密孔管。管的开孔密度是变化的，即位于床层下部靠近分布器的部位开孔少，位于床层上部靠近床层表面的部位开孔多。通过开孔密度的变化调节不同床层高度进入管的气体量，也即床层下部进入管的气体量较少，随着床高增加，进入床层的气体量逐渐增多。
对于开孔管，每隔一段距离增大开孔面积；对于密孔管，每隔一段距离采用增大孔隙度的管子。
气体引出管的直径为流化床直径的1/50～1/5，通常为30～150毫米；气体引出管的下端在分布器之上200～500毫米处。管壁上的开孔按床层压力降低导致的气体膨胀量和发生化学反应导致的气体增加量计算。
设床层分布器处的压力为Pd，分布器处的气体流量为Vd，床高为Hi处的压力为Pi，床高为Hi处化学反应增加的气体量为Qi，则床高为Hi处的气体增加量ΔVi为ΔVi=(PdPi-1)·Vd+Qi]]>
以此类推，床高为Hi+l处的气体增加量ΔVi+l为ΔVi+l=(PiPi+l-1)·Vi+Qi+l]]>计算时气体引出量等于气体增加量，根据气体引出量计算气体引出管在该高度段的的开孔面积。A=ΔV·(2·ΔPξ·ρg)-12]]>其中A为开孔面积，ΔV为气体增加量，ΔP为透过管壁的气体压降，计算时取1～3KPa，ξ为阻力系数，开孔管为1.5，密孔管由制造商提供或实测，ρg为气体密度。
根据开孔面积和选用的气体引出管的直径确定气体引出管的根数。通常直径较小或气体增加量不多的流化床仅需一根气体引出管，对于直径较大或气体增加量较多的流化床，可在床层内均匀排列数根气体引出管。
下面结合附图对本发明所提供的方法和装置予以进一步的说明。
图1示意出本发明所提供的装置和方法流程，设备和管线的形状和尺寸不受附图的限制，而是根据具体情况确定。
本发明提供的改善流化床流化质量的装置结构如下流化床由分布室2、分布器3、床层4、气体引出管12、扩大段5、一级旋风分离器7和二级旋风分离器9组成，其中分布器夹3在分布室2和床层4之间，三者通过法兰相连，床层4与扩大段5之间通过圆台筒状的过渡部分连接，扩大段5和旋风分离器7通过管线6相连，旋风分离器7和旋风分离器9通过管线17相连，旋风分离器7的料腿8伸入床层4中，旋风分离器9的料腿10伸入床层4中。
气体引出管12位于床层4的中心部位，大部分埋没在固体颗粒床层之中，其下端与管13、阀门14相连，上端通过管15、阀门16、管18与扩大段5相连，管13、15、18的壁上无孔。气体引出管12上开有多个小孔，管外包覆一层金属丝网。金属丝网只允许气体通过小孔流进流出，阻挡固体颗粒进入管12内。管12也可以是陶瓷的烧结密孔管。
本发明提供的改善流化床流化质量的方法流程如下流化气体由管1引入分布室2，在分布室2中完成气体预分布或气体混合，气体向上流动穿过分布器3进入床层4，床层4内为固体颗粒(如对反应起催化作用的催化剂)。气体向上流动穿过固体颗粒床层，与其接触完成反应，气体离开床层4进入扩大段5，由于扩大段5的流通截面积加大，气体流速减慢，被气流携带的部分固体颗粒沉降下来并返回床层4。未沉降的固体颗粒由气流携带先经管6进入一级旋风分离器7后，再经管17进入二级旋风分离器9，在旋风分离器中气体与固体颗粒得到分离，分离出的气体由管11输送至下一工序处理，分离出的固体颗粒分别经料腿8和料腿10返回床层4。
由于气体引出管12内是空的，固体颗粒不能进入，其中的压力较低，床层中的气体可以透过气体引出管12的小孔和包覆的金属丝网或密孔孔隙进入气体引出管12中。气体引出管12的开孔密度是变化的，即位于床层下部靠近分布器的部位开孔少，位于床层上部靠近床层表面的部位开孔多。通过开孔密度的变化调节不同床层高度进入气体引出管12的气体量，也即床层下部进入气体引出管12的气体量较少，随着床层高度增加，进入床层的气体量逐渐增多。所产生的气体依次经气体引出管12、管15、阀16和管18进入扩大段5。阀16用于控制从床层4中引出气体量的多少，因为透过气体引出管12管壁的气体量取决于管壁两侧的压差，当关小阀16时，流经阀16的气体受阻，导致气体引出管12内部压力提高，减少了其与床层之间的压差，因此也减少了从床层进入气体引出管12的气体量。当操作条件变化不需要从床层中引出气体时，只需关闭阀16即可。另外，阀16也能用于疏通气体引出管12周围的金属丝网或密孔孔隙。气体引出管12下端连接的管13为一水平管，该管延伸到流化床外，与阀14相连。正常操作时阀14关闭，当需向气体引出管12中引入反吹气体时打开阀14。
当长时间使用后，固体颗粒中的细粉有可能附着在气体引出管12外金属丝网上或烧结管外表面上，使由床层4进入气体引出管12的气体流动受阻，此时需要除去这一层细粉。本发明采用反吹的方法，即打开阀14，由管13引入与流化床中所进行反应无关的惰性气体进入气体引出管12，同时关闭阀16，引入的惰性气体只能从气体引出管12的小孔和金属丝网或密孔孔隙中流出，吹掉气体引出管12外表面附着的细粉，保证床层中的气体能够顺利进入气体引出管12中。
本发明采用气体引出管将气体逐渐引出流化床，从而避免出现剧烈鼓泡现象。由于只在传统的流化床中加一根或数根气体引出管，方便易行，非常适合对已有流化床装置的改造。不存在增加流动阻力、破碎固体颗粒等问题，从根本上解决了气泡所引发的一系列问题，能够真正维持气固流化床在散式流化状态下操作。
下面的实施例将对本发明提供的方法予以进一步的说明，但并不因此而限制本发明。试验所用的流化床内径为300毫米，床层高度为4米，采用多孔分布器，分布器开孔直径为1毫米，板上覆盖两层金属丝网。固体颗粒为催化裂化平衡催化剂，平均粒径为70.6微米，其中小于45微米的细粉含量为4.6％，在最小流化速度下操作。流化床中催化裂化平衡催化剂的密度采用光导纤维测量仪测量，该测量仪为中国科学院化工冶金研究所研制，型号为PC4。流化质量用床密度变化情况来衡量，即床层密度波动越小，流化越均匀，流化床内趋于散式流化；床层密度波动越大，流化越不均匀，流化床内趋于聚式流化。
对比例本对比例说明在流化床中未加入气体引出管的流化情况。
实测结果表明距离分布器上3.5米高的床层中心处密度波动如图2所示。从图2可以看出，密度随时间变化较大，密度突降处为有气泡通过，这一明显的气泡特征说明是呈鼓泡流化状态，操作时能观察到气泡在床层表面破裂的情况，也能感觉出气泡破裂时床层发生震动。
实施例为验证本发明的效果，在该流化床中加入一根内径为50毫米、长度为3.5毫米的气体引出管，该引出管下端离分布器300毫米，管上的开孔率随距离分布器的高度变化，变化范围为1～5％。加入气体引出管后，距离分布器上3.5米高的床层中心处密度波动如图3所示。从图3可以看出，密度随时间变化较小，接近无气泡的散式流化状态，操作时未观察到床层表面发生气泡破裂的现象，也未感觉到床层的明显震动。
权利要求
1.一种改善流化质量的方法，气体从流化床底部进入固体颗粒床层内，向上流动与固体颗粒接触发生反应，大部分气体穿过所有固体颗粒床层，进入扩大段和旋风分离器，其特征为部分气体在向上流动过程中进入位于固体颗粒床层中的气体引出管内，直接流向扩大段和旋风分离器。
2.权利要求1的方法所用的装置，其特征在于流化床由圆锥筒状的分布室、带孔的圆盘形分布器、圆筒形的床层、一根或数根气体引出管、直径较床层增加的扩大段和旋风分离器构成，其中分布器夹在分布室和床层之间，三者通过法兰相连，床层与扩大段之间通过圆台筒状的过渡部分连接，扩大段和旋风分离器通过管线相连，旋风分离器和床层之间通过料腿连接。
3.按照权利要求2的装置，其特征在于所述的气体引出管竖直位于床层内，管壁开有若干小孔，气体引出管的上端通过流化床外且壁上无孔的管线、阀门与扩大段相连，气体引出管的下端连接一水平管，该水平管延伸到流化床外与阀门相连，该水平管壁上无孔。
4.按照权利要求2或3的装置，其特征在于所述的气体引出管可以是开有多个小孔的开孔管，管外包覆一层金属丝网。
5.按照权利要求2或3的装置，其特征在于所述的气体引出管也可以是陶瓷的烧结密孔管，管的开孔密度是变化的，即位于床层下部靠近分布器的部位开孔少，位于床层上部靠近床层表面的部位开孔多。
6.按照权利要求2的装置，其特征在于所述的气体引出管直径为床层直径的1/50～1/5，其下端在分布器之上200～500毫米处。
7.按照权利要求4或5的装置，其特征在于所述的气体引出管管壁上的开孔按床层压力降低导致的气体膨胀量和发生化学反应导致的气体增加量计算，计算方法如下设床层分布器处的压力为Pd，分布器处的气体流量为Vd，床高为Hi处的压力为Pi，床高为Hi处化学反应增加的气体量为Qi，则床高为Hi处的气体增加量ΔVi为ΔVi=(PdPi-1)·Vd+Qi]]>以此类推，床高为Hi+l处的气体增加量ΔVi+l为ΔVi+i=(PiPi+l-1)·Vi+Qi+l]]>计算时气体引出量等于气体增加量，根据气体引出量计算气体引出管在该高度段的的开孔面积A=ΔV·(2·ΔPξ·ρg)-12]]>其中A为开孔面积，ΔV为气体增加量，ΔP为透过管壁的气体压降，计算时取1～3KPa，ξ为阻力系数，开孔管为1.5，密孔管由制造商提供或实测，ρg为气体密度。
全文摘要
一种改善流化质量的方法和装置,气体从流化床底部进入固体颗粒床层内,向上流动与固体颗粒接触发生反应,大部分气体穿过所有固体颗粒床层,进入扩大段和旋风分离器,部分气体在向上流动过程中进入位于固体颗粒床层中的气体引出管内,直接流向扩大段和旋风分离器;流化床由圆锥筒状的分布室、带孔的圆盘形分布器、圆筒形的床层、一根或数根气体引出管、直径较床层增加的扩大段和旋风分离器构成。本发明提供的方法方便易行,装置结构简单,适合于对现有流化床改造。
文档编号B01J8/24GK1323652SQ0010741
公开日2001年11月28日 申请日期2000年5月12日 优先权日2000年5月12日
发明者鲁维民, 汪燮卿, 钟孝湘, 李松年 申请人:中国石油化工集团公司, 中国石化集团石油化工科学研究院