一种气固流化床反应器气固分离方法与流程

本发明涉及气固分离技术领域，具体涉及一种气固流化床反应器气固分离方法，尤其是适用于甲醇制烃类产品等催化剂价格高、需要控制催化剂破碎少、催化剂排放少的反应过程的催化剂分离。

背景技术：

在气固流化床反应过程中，无论是环保对粉尘排放的限制还是降低催化剂消耗费用的需要，都需要气固分离器。尤其对像甲醇制烯烃等催化剂价格高的过程，催化剂跑损的经济性更加突出。

已有技术中，气固流化床反应器使用两级串联的旋风分离器完成气固分离，由于旋风分离器入口气体含催化剂较多，两级旋风分离器无法满足日益提高的对催化剂排放的限制要求，同时因催化剂的损失增加操作成本。

另外，已有技术中气固分离设备以分离效率高为目标，气固分离器设计也按效率最高的条件进行，没有考虑分离过程中造成的催化剂破碎问题。

通常把气固流化床反应再生过程催化剂排放消耗归结为气固分离设备的效率低，通过采用更“高效分离设备”，或再增加分离设备解决。当要求降低粉尘排放量时，已有技术中靠增加催化剂回收设备的方法提高气固分离效果。

尺寸越小的固体气固分离越难。气固分离效果与固体颗粒的尺寸，尤其是微小颗粒的数量有关。其实催化剂排放消耗更重要的原因可能是装置运行过程中造成催化剂破碎偏多；而气固分离设备本身是造成这些催化剂破碎、产生小颗粒的重要原因，增加了催化剂回收难度。已有气固分离设备，如旋风分离器、旋流快分等，气体流速在16m/s～23m/s，并且是旋转流动。在气固分离过程中离心力的作用使催化剂发生相互和与设备固体材料的碰撞，必然造成催化剂磨损破碎。并且旋风分离器、旋流快分等很难回收小于15微米以下的小颗粒。为了降低催化剂损耗，洛阳工程公司在dmto反应器外单独设置了通常在fcc再生器才使用的“第三级旋分器”，进一步回收10微米左右的小催化剂颗粒；另外还在产品气洗涤环节设置了洗涤水除尘设备，目的是进一步回收微小颗粒的催化剂，提高催化剂回收率，降低催化剂损耗。虽然提高了催化剂回收效果，但增加了投资和能耗。

对气固流化床反应器把催化剂破碎控制好自然就降低了气固分离难度，会明显降低催化剂跑损率，并且气固分离设备问题就变的简单了。控制和降低催化剂破碎是工程上应当考虑解决的问题，对甲醇制烯烃技术也有明显的效益。

技术实现要素：

发明目的：

本发明的目的是为气固流化床反应器(包括催化剂再生器)提供一种低固体破损率的气固分离方法，达到降低催化剂消耗和排放含尘量的目的。

本发明的气固流化床反应器气固分离方法如下：

该方法包括反应气体收集过程和气固分离过程，反应气体收集过程设有反应气聚集区，气固分离过程设置有气固预分离器、两级串联旋风分离器；所述反应气聚集区设置在气固流化床反应器的上方，气固流化床反应器物流(即气固流化床反应气和携带的催化剂)进入反应气聚集区实现反应气体收集；在反应气聚集区出口设置气固物流输送管，气固物流输送管与气固预分离器的入口管连接，气固流化床反应器物流先在气固预分离器进行预分离，气固预分离后的物流再进入上方两级串联旋风分离器进一步进行气固分离；气固预分离后的物流流出气固预分离器后直接输送到两级串联旋风分离器的第一级旋风分离器入口，或者先进入沉降空间进一步降低催化剂含量后再进入两级串联旋风分离器的第一级旋风分离器入口，进行气固分离。

上述气固流化床反应器气固分离方法，更进一步地，气固预分离器出口与两级串联旋风分离器的第一级旋风分离器入口用气体输送管和连接管密闭连接，气固预分离后的物流直接进入第一级旋风分离器。

上述气固流化床反应器气固分离方法，更进一步地，气固预分离器外气体物流通过引出管进入气体输送管，或者进入第一级旋风分离器入口或第二级旋风分离器入口，与气固预分离后的物流混合。

上述气固流化床反应器气固分离方法，进一步地，气固预分离器由外罩、入口管、物流分配管、气固分离元件、气体出口管组成，竖直安装的入口管圆周设置两个以上横截面为矩形的物流分配管，物流分配管上侧为物流分配管上板，下侧为物流分配管下板，物流分配管下板和物流分配管上板为平板或圆弧板；物流分配管水平两侧分别为物流分配管前板和物流分配管后板，物流分配管前板和物流分配管后板为平板或圆弧板；物流分配管出口分别连接气固分离元件，气固分离元件外周竖直设置外罩，外罩上端设置气体出口管；外罩下端与入口管之间为催化剂流出口。

上述气固流化床反应器气固分离方法，更进一步地，入口管为半倾角θ的锥体；入口管底部与气固流化床反应器的气固物流输送管连接，入口管顶部设有封头。优选地，入口管的半倾角θ小于15°。

上述气固流化床反应器气固分离方法，更进一步地，气固分离元件采用旋风分离器或旋流分离器；采用旋流分离器时，旋流分离器设计为在入口管外沿入口管轴线周向旋转结构，靠近入口管的内侧曲率半径为r1，外侧曲率半径为r2，气固分离元件出口横截面为圆形或矩形。

上述气固流化床反应器气固分离方法，更进一步地，在外罩和入口管之间设置气体引出管，气固分离元件出口在气体引出管外部，在气体引出管和外罩间形成气固分离区，在气体引出管和入口管间形成气体引出区，气体引出管上端与气体出口管连通，气体出口管直径≤气体引出管直径。

上述气固流化床反应器气固分离方法，更进一步地，物流分配管入口气体流速小于12m/s；物流分配管出口气体流速小于12m/s。优选地，物流分配管入口气体流速小于9m/s；物流分配管出口气体流速小于10m/s。本发明中，预分离器外罩直径按对应横截面积的气体流速小于5m/s确定。

上述气固流化床反应器气固分离方法，更进一步地，所述物流分配管下板和物流分配管上板为平板，物流分配管下板的倾角和物流分配管上板的倾角小于45°；或者物流分配管下板和物流分配管上板为圆弧板，物流分配管下板的圆心角和物流分配管上板的圆心角小于90°；或者物流分配管前板和物流分配管后板为平板，物流分配管前板的倾角和物流分配管后板的倾角小于30°；或者物流分配管前板和物流分配管后板为圆弧板，物流分配管前板的圆心角和物流分配管后板的圆心角小于90°。

具体实施时，设备各部件材料表面设置耐磨层。

本发明中，所述气固流化床反应器是指反应器内气体表观流速小于湍流流化床到循环流化床转变点的流速或者固体、催化剂循环量小于反应再生过程循环量的流化床反应过程。本发明方法所述气固流化床反应器在学术上细分为鼓泡流化床、湍流流化床和循环流化床反应过程。

发明的效果

本发明为气固流化床反应器提供了一种低催化剂破损率、低催化剂排放量的气固分离方法，该分离方法既有利于气固流化床反应的快速终止，也降低流化床反应器气体的催化剂携带量，减少催化剂排放消耗。

附图说明：

图1为本发明实施方式一装置结构示意图；

图2为图1中气固预分离器结构示意图；

图3为图2中物流分配管结构示意图；

图4为图3中a向视图即物流分配管横截面示意图；

图5为图1中连接管横截面结构示意图；

图6为本发明实施方式二装置结构示意图；

图7为图6中气固预分离器结构示意图；

图8为图7中b-b向视图；

图9为图6中气固预分离器另一种形式的结构示意图；

图10为图9中c-c向视图；

图11为本发明实施方式三装置结构示意图；

图12为图11中气固预分离器结构示意图；

图13为图12中物流分配管局部结构放大图。

图中编号说明：

0气固流化床反应器；20反应气聚集区；1壳体，11气固流化床反应器物流，11c气固预分离后的物流，11b气固预分离器外气体物流，11d催化剂，12反应器排出气体，13沉降空间，14催化剂出口，15反应器产品气出口，2气固预分离器，21入口管，21a气固物流输送管，22气固预分离器旋风分离器入口，22a物流分配管(即第一级旋风分离器入口连接管)，22a-1物流分配管下板，22a-3物流分配管上板，22a-2物流分配管前板，22a-4物流分配管后板，23气固分离元件，23b旋风分离器气体出口管，23c分离催化剂下降管，24气流引出区，25气体出口管，26气体输送管，27外罩，28气体引出管，α1物流分配管下板角度，α2物流分配管上板角度，α3物流分配管下板圆心角，α4物流分配管上板圆心角，θ入口管半锥角，β1物流分配管前板角度，β2物流分配管后板角度，β3物流分配管前板圆心角，β4物流分配管后板圆心角，r1内侧曲率半径，r2外侧曲率半径，r3物流分配管下板曲率半径，r4物流分配管上板曲率半径，d1入口管物流入口直径，d2入口管顶端直径，d3气体引出管直径，d4气体出口管直径，d5外罩直径，3第一级旋风分离器，31第一级旋风分离器固体或催化剂出口管，32第一级旋风分离器入口，32a连接管，32a-1连接管下板，32a-3连接管上板，32a-2连接管后板，32a-4连接管前板，33第一级旋风分离器气体出口，34引出管；4第二级旋风分离器，41第二级旋风分离器固体或催化剂出口管，42第二级旋风分离器入口，43第二级旋风分离器气体出口；44第一级旋风分离器气体出口和第二级旋风分离器入口的集合连接管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明，旨在帮助读者理解本发明的特点和实质，但附图和具体实施方式内容并不限制本发明的可实施范围。

实施方式一：

如图1-4所示，本发明的气固流化床反应器气固分离方法，包括反应气体收集过程和气固分离过程，设有壳体1，其中反应气体收集过程设有反应气聚集区20，气固分离过程设置有气固预分离器2、两级串联旋风分离器；反应气聚集区20设置在气固流化床反应器0的上方，气固流化床反应器物流11即气固流化床反应气和携带的催化剂进入反应气聚集区20实现反应气体收集；

如图2所示，气固预分离器2由外罩27、入口管21、物流分配管22a、气固分离元件23、气体出口管25组成，竖直安装的入口管21圆周设置两个以上横截面为矩形的物流分配管22a；物流分配管出口分别连接气固分离元件23，气固分离元件23外周竖直设置外罩27，外罩27上端设置气体出口管25；外罩27下端与入口管21之间为催化剂流出口；本实施方式中，入口管21为直筒，入口管物流入口直径d1等于入口管顶端直径d2；

如图3-4所示，物流分配管22a上侧为物流分配管上板22a-3，下侧为物流分配管下板22a-1，物流分配管水平两侧分别为物流分配管前板22a-2和物流分配管后板22a-4。具体实施时，物流分配管下板22a-1和物流分配管上板22a-3可以为平板，物流分配管下板22a-1的倾角和物流分配管上板22a-3的倾角小于45°；或者物流分配管下板22a-1和物流分配管上板22a-3为圆弧板，物流分配管下板22a-1圆弧板的圆心角和物流分配管上板22a-3圆弧板的圆心角小于90°；或者物流分配管前板22a-2和物流分配管后板22a-4为平板，物流分配管前板22a-2的倾角和物流分配管后板22a-4的倾角小于30°；或者物流分配管前板22a-2和物流分配管后板22a-4为圆弧板，物流分配管前板22a-2的圆心角和物流分配管后板22a-4的圆心角小于90°；本实施方式中，物流分配管下板22a-1、物流分配管上板22a-3、物流分配管前板22a-2和物流分配管后板22a-4均为平板，物流分配管下板22a-1的倾角为α1，物流分配管上板22a-3的倾角为α2，α1和α2小于45°，物流分配管前板22a-2的倾角和物流分配管后板22a-4的倾角小于30°；

具体实施时，两级串联旋风分离器设有第一级旋风分离器3和第二级旋风分离器4，第一级旋风分离器3设有第一级旋风分离器入口32、第一级旋风分离器气体出口33和第一级旋风分离器固体或催化剂出口管31，第二级旋风分离器4设有第二级旋风分离器入口42、第二级旋风分离器气体出口43和第二级旋风分离器固体或催化剂出口管41；

实施时，气固分离元件23可以采用旋风分离器或旋流分离器，采用旋流分离器时，旋流分离器设计为在入口管外沿入口管轴线周向旋转结构；气固分离元件23出口横截面为圆形或矩形；本实施方式气固分离元件23采用旋风分离器，设有旋风分离器气体出口管23b和分离催化剂下降管23c；

本发明中，在反应气聚集区20出口设置气固物流输送管21a，气固物流输送管21a与气固预分离器2的入口管21连接，气固流化床反应器物流11先在气固预分离器2进行预分离，气固预分离后的物流11c再进入上方两级串联旋风分离器进一步进行气固分离；气固预分离后的物流11c流出气固预分离器2后直接输送到两级串联旋风分离器的第一级旋风分离器入口32，或者先进入沉降空间13进一步降低催化剂含量后再进入两级串联旋风分离器的第一级旋风分离器入口32，进行气固分离；本实施方式中，气固预分离器2与两级串联旋风分离器的第一级旋风分离器入口32用气体输送管26和连接管32a密闭连接，气固预分离后的物流11c直接进入第一级旋风分离器3；第一级旋风分离器气体出口33通过第一级旋风分离器气体出口和第二级旋风分离器入口的集合连接管44与第二级旋风分离器入口42连通；反应器排出气体12从反应器产品气出口15排出，分离的催化剂11d则由催化剂出口14引出装置；

具体实施时，如图5所示，连接管32a上侧为连接管上板32a-3，下侧为连接管下板32a-1，左右两侧分别为连接管前板32a-4和连接管后板32a-2；连接管上板32a-3、连接管下板32a-1、连接管前板32a-4和连接管后板32a-2可根据工程需要设计成平板或圆弧板；

关于物流分配管22a、两级串联旋风分离器、气固分离元件23及连接管32a的具体结构，以下实施方式类同，不再一一详述；

实施时，气固预分离器外气体物流11b可通过引出管34进入气体输送管26，或者进入第一级旋风分离器入口32或第二级旋风分离器入口42，与气固预分离后的物流11c混合后，再一并进入两级串联旋风分离器；具体实施时，引出管34可设在进入气体输送管26上，也可设在第一级旋风分离器入口32或第二级旋风分离器入口42的管道或连接管上；本实施方式中，气固预分离器外气体物流11b是通过引出管34直接进入第一级旋风分离器入口32，与气固预分离后的物流11c混合。

以甲醇制取烃类反应为例说明本实施方式的实施过程：

气固流化床反应器0的气体和携带催化剂即气固流化床反应器物流11进入反应气聚集区20进行反应气体收集；收集的气体经气固物流输送管21a先进入气固预分离器2进行预分离，从圆周分布的物流分配管22a进入气固分离元件23，在气固分离元件23中通过旋转产生的离心力，使气体和固体分离，固体在重力作用下沿分离催化剂下降管23c向下降落，气固预分离后的物流11c自气体出口管25流出，沿气体输送管26、第一级旋风分离器入口32直接进入第一级旋风分离器3内，此时，气固预分离器外气体物流11b通过引出管34直接进入第一级旋风分离器入口32，与气固预分离后的物流11c混合，进行第一级旋风分离；固体和催化剂从第一级旋风分离器固体或催化剂出口管31向下降落，气体则进入第二级旋风分离器4内进行第二级旋风分离，反应器排出气体12从反应器产品气出口15排出，分离的催化剂11d则由催化剂出口14引出装置。

实施方式二：

如图6所示，本发明的气固流化床反应器气固分离方法，包括反应气体收集过程和气固分离过程，反应气体收集过程设有反应气聚集区，气固分离过程设置有气固预分离器2、两级串联旋风分离器；气固预分离器2的入口管21通过气固物流输送管21a与反应气聚集区出口连接；

图7-8示出用于本实施方式的气固预分离器2一种结构形式，由外罩27、入口管21、物流分配管22a、气固分离元件23、气体出口管25组成；本实施方式中，入口管21为锥体，入口管物流入口直径d1小于入口管顶端直径d2，入口管21的半倾角θ小于15°；在入口管21顶部设封头；竖直安装的入口管21圆周设置两个以上横截面为矩形的物流分配管22a，本实施方式设置为三个物流分配管22a，物流分配管22a下侧为物流分配管下板22a-1，上侧为物流分配管上板22a-3，物流分配管水平两侧分别为物流分配管前板22a-2和物流分配管后板22a-4；本实施方式中，如图7-8所示，物流分配管下板22a-1、物流分配管上板22a-3、物流分配管前板22a-2和物流分配管后板22a-4均为平板，物流分配管下板22a-1的倾角为α1，物流分配管上板22a-3的倾角为α2(图中未示出)，α1和α2小于45°，物流分配管前板22a-2的倾角为β1，物流分配管后板22a-4的倾角为β2，β1和β2小于30°；物流分配管出口分别连接气固分离元件23，气固分离元件23外周竖直设置外罩27，外罩27上端设置气体出口管25；本实施方式中，气固分离元件23采用旋流分离器，旋流分离器设计为在入口管外沿入口管轴线周向旋转结构；如图8所示，靠近入口管21的内侧曲率半径为r1，外侧曲率半径为r2，气固分离元件23出口横截面为圆形或矩形；

图9-10为本实施方式气固预分离器2的另一种形式结构示意图；本实施方式中，物流分配管下板22a-1和物流分配管上板22a-3为平板，物流分配管下板22a-1的倾角为α1，物流分配管上板22a-3的倾角为α2，α1和α2小于45°，物流分配管前板22a-2和物流分配管后板22a-4为圆弧板，如图10所示，物流分配管前板22a-2的圆心角为β3，物流分配管后板22a-4的圆心角为β4，β3和β4小于90°；其他结构形式同图7所示的气固预分离器；

本实施方式中，在外罩27和入口管21之间设置气体引出管28，气固分离元件23出口在气体引出管28外部，在气体引出管28和外罩27间形成气固分离区，在气体引出管28和入口管21间形成气体引出区24，气体引出管28上端与气体出口管25连通，气体出口管直径d4≤气体引出管直径d3；在外罩27下端与入口管21之间为催化剂流出口；

本实施方式中，两级串联旋风分离器设有第一级旋风分离器3和第二级旋风分离器4，第一级旋风分离器3和第二级旋风分离器4一一对应连接，即第一级旋风分离器气体出口33和第二级旋风分离器入口42直接对应连接；第一级旋风分离器入口32与气体出口管25直接连接；气固预分离后的物流11c流出气固预分离器2后直接输送到两级串联旋风分离器的第一级旋风分离器入口32，气固预分离器外气体物流11b通过引出管34直接进入第一级旋风分离器入口32，与气固预分离后的物流11c混合。

本实施方式其他部分结构同实施方式一。

本实施方式的实施过程如下：

气固流化床反应器物流11在反应气聚集区进行反应气体收集后，收集的气体经气固物流输送管21a先进入气固预分离器2进行预分离，从圆周分布的物流分配管22a进入气固分离元件23，在气固分离元件23中通过旋转产生的离心力，使气体和固体分离，固体在重力作用下向下降落，气固预分离后的物流11c从气体引出区24引出后自气体出口管25流出，直接进入第一级旋风分离器3内，此时，气固预分离器外气体物流11b通过引出管34直接进入第一级旋风分离器入口32，与气固预分离后的物流11c混合，进行第一级旋风分离；固体和催化剂向下降落，气体则进入第二级旋风分离器4内进行第二级旋风分离，反应器排出气体12排出装置。

实施方式三：

如图11所示，本发明的气固流化床反应器气固分离方法，包括反应气体收集过程和气固分离过程，反应气体收集过程设有反应气聚集区，气固分离过程设置有气固预分离器2、两级串联旋风分离器；气固预分离器2的入口管21通过气固物流输送管21a与反应气聚集区出口连接；

本实施方式的气固预分离器2具体结构如图12-13所示，由外罩27、入口管21、物流分配管22a、气固分离元件23、气体出口管25组成；本实施方式中，入口管21为锥体，入口管物流入口直径d1小于入口管顶端直径d2，入口管21的半倾角θ小于15°；在入口管21顶部设封头；竖直安装的入口管21圆周设置两个以上横截面为矩形的物流分配管22a，物流分配管22a下侧为物流分配管下板22a-1，上侧为物流分配管上板22a-3，物流分配管水平两侧分别为物流分配管前板22a-2和物流分配管后板22a-4；

本实施方式中，本实施方式中，物流分配管下板22a-1、物流分配管上板22a-3为圆弧板，物流分配管前板和物流分配管后板为平板，物流分配管下板22a-1的圆心角为α3，物流分配管上板22a-3的圆心角为α4，α3和α4小于90°，物流分配管下板曲率半径为r3，物流分配管上板曲率半径为r4；物流分配管前板的倾角和物流分配管后板倾角小于30°；物流分配管出口分别连接气固分离元件23，气固分离元件23外周竖直设置外罩27，外罩27上端设置气体出口管25；具体实施时，气固分离元件23采用旋流分离器，旋流分离器设计为在入口管外沿入口管轴线周向旋转结构；

本实施方式中，在外罩27和入口管21之间设置气体引出管28，气固分离元件23出口在气体引出管28外部，在气体引出管28和外罩27间形成气固分离区，在气体引出管28和入口管21间形成气体引出区24，气体引出管28上端与气体出口管25连通，气体出口管直径d4≤气体引出管直径d3；在外罩27下端与入口管21之间为催化剂流出口；

本实施方式中，在气固预分离器2和两级串联旋风分离器间设置有沉降空间13，两级串联旋风分离器设有第一级旋风分离器3和第二级旋风分离器4，第一级旋风分离器气体出口33和第二级旋风分离器入口42直接对应连接；第一级旋风分离器入口32、气体出口管25均与沉降空间连通；气固预分离后的物流11c经气体出口管25流出气固预分离器2后先进入沉降空间13，进一步降低催化剂含量后再进入第一级旋风分离器入口32，气固预分离器外气体物流11b在沉降空间13内初步沉降后，进入第一级旋风分离器入口32，与气固预分离后的物流11c混合。

本实施方式其他部分结构同实施方式一。

本实施方式的实施过程如下：

气固流化床反应器物流11在反应气聚集区进行反应气体收集后，收集的气体经气固物流输送管21a先进入气固预分离器2进行预分离，从圆周分布的物流分配管22a进入气固分离元件23，在气固分离元件23中通过旋转产生的离心力，使气体和固体分离，固体在重力作用下向下降落，气固预分离后的物流11c从气体引出区24引出后自气体出口管25流出，先进入沉降空间13分离出部分催化剂，再进入第一级旋风分离器入口32，此时，气固预分离器外气体物流11b也由沉降空间13进入第一级旋风分离器入口32，与气固预分离后的物流11c混合，进行第一级旋风分离；固体和催化剂向下降落，气体则进入第二级旋风分离器4内进行第二级旋风分离，反应器排出气体12排出装置。

实施例：

以下以甲醇制烯烃反应为例，甲醇进料180万吨/年，产品为乙烯和丙烯：

壳体直径12000mm，设1个气固预分离器和18组两级串联旋风分离器，其中第一级旋风分离器入口气体流速15m/s，第二级旋风分离器入口气体流速20m/s；气体出口管经过气体输送管和连接管直接与第一级旋风分离器入口直接连接；在气体输送管上设置气体引出管，作为气固预分离器外气体物流流出通道。

气固预分离器参数：

入口管21入口直径d1＝3200mm，θ＝10°；设旋流器和物流分配器各6个，物流分配器入口截面积2.0㎡，物流分配器出口面积1.6㎡，旋流器出口面积1.5㎡，气固预分离器外罩d5＝6500mm，气体引出管d3＝4500mm，气体出口d4＝3200mm；气体输送管直径3200mm，物流分配器和旋流器横截面为矩形，高宽比＝2.2，物流分配器上下板采用圆弧板，α3＝20°，α4＝15°。