专利名称：快速流化床空隙率再分配工艺及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于快速流态化领域，主要是对快速流化床中空隙率的径向和轴向分布进行改进的工艺和装置。应用领域为石油、化工、冶金、能源和环境等。
快速流化床以其无气泡、返混小和温度均匀等特征，一直被认为是一种比较理想的气固接触设备，在工业生产中已有广泛的应用。但近年来对快速流态化流动现象的研究表明，在快速流化床中不仅存在着空隙率轴向分布的不均匀性，还存在径向分布的不均匀性。在轴向，空隙率呈“S-型”分布，即床层上部为稀相，下部为浓相，浓稀相之间通过一个转折点逐步过渡(Y.Li and M.Kwauk，1980，in FLUIDIZATION，J.Grace & J.M.Matson(Eds.)，Plenum Press，p.537);在径向，空隙率为中心稀、边壁浓的抛物型分布(Y.Tung，J.Li and M.Kwauk，1988，in FLUIDIZATION-Science & Technology，M.Kwauk & D.Kunii(Eds.)，Science Press，p.139)。其中，边壁低速区颗粒以团聚物的形态向下运动，返混是不可忽视的(J.Li and H.Weinstein，1989，Chem.Eng.Sci.，Vol.44，No.8，p.1697)。因此，这种不均匀分布会对化学反应产生不可忽视的影响，工业界对此也有所认识。
虽已知道，稀、浓界面的相际颗粒交换远小于稀相或浓相内部的颗粒交换(郭慕孙，1979，流态化浸取与洗涤，科学出版社)。但一方面由于对快速床的不均匀性，尤其对径向不均匀性，在1988年于法国召开的第二届国际循环流化床会议上才有统一的认识(Basu and Large，1988，in CIRCULATING FLUIDIZED BED TECHNOLOGY Ⅱ，P.Basu & J.F.Large(Eds.)，Pergamon Press，p.6)，因而，对不均匀性改善的工作起步不久;另一方面，由于人们的研究一开始就注重改善径向空隙率分布，没有将轴向空隙率分布的改善作为一个整体联系起来，更不具备实施快速床多段化的前提条件，没有人提出过这一方案。
对径向分布改善的研究(郑传根、董元吉，1990，化工冶金，11(4)，p.296)表明，在内部构件的作用下，伴随空隙率径向分布曲线变平的结果却是截面平均浓度下降，这将使设备效率降低，是不希望的。因此，目前还没有一种比较理想的方法解决这种不均匀性问题。
本发明的目的是利用内部构件使截面平均浓度下降和浓相区扩展的特点，发明一种多段快速床工艺及设备，使快速床内的空隙率重新分布，以实现高浓度、低返混的多段快速流态化操作。
本发明首次提出“快速流化床多段化”这一技术方案。其前提条件是多孔板、锥斗、横向园环、锥子和纵向园环等构件使构件处的截面平均颗粒浓度下降，更重要的是将壁区刮下的颗粒转向上部的稀相区。这样，不但我们没有损失这部分颗粒(它们仍然保留在整体快速床内)，而实现了快速床的多段化。
本发明提出的快速流化床空隙率再分配工艺，其特征在于在快速床浓相区设置能抑制床层边壁区颗粒回流，使截面平均浓度下降、浓相区扩展的内部构件，从而使稀、浓相多次重复，形成以稀、浓为单元的分段;稀、浓界面的相际颗粒交换远小于稀相或浓相内部的颗粒交换。因此，其装置的特征在于在快速床浓相区设置内部构件，构件可用螺杆、焊接或法兰等形式固定在床内，或作为预置构件吊装在床内，形成稀、浓相间的多段快速床。各种构件的设计要点如下(1)多孔板构件-这种构件起到均布气体的作用，关键要提高边壁低速区气体的速度，本发明采取的辅助措施是让多空板的直径略小于快速床的直径，在它们之间留出一圈狭缝。
(2)倒锥斗构件-这种构件是上面的多空板构件的改型。因为出现颗粒回流的区域主要在径向位置75%以外的环区，为减轻颗粒与构件之间的磨擦及构件的阻力，本发明着眼于对边壁气流分布的改善，同样在锥斗上园与管壁之间留出一圈狭缝。
(3)横向园环构件Ⅰ-这种构件着眼于阻挡边壁颗粒倒流，因此在紧贴管壁处设置横向园环型挡圈。
(4)横向园环构件Ⅱ-这种构件是上面的横向园环构件Ⅰ的改型，目的是减轻颗粒与构件之间的磨擦。
(5)横向园环构件Ⅲ-目的同上。
(6)锥子构件-目的是将中心的气流向壁区集中，从而吹走壁区回流的颗粒。
(7)纵向园环构件-这种构件由一组一定高度的同心园环组成。由于造成径向空隙率分布不均的根本原因是湍流不均匀因素，将中心区的颗粒推向边壁环区。根据这一机理，本发明提出了这种构件，通过设置边壁，阻止颗粒向管壁运动。
以上各种内部构件的尺寸主要决定于快速床的直径，构件可用螺杆、焊接或法兰等形式固定在床内，或作为预置构件吊装在床内，每组构件的数量与构件的组数由化学反应的需要决定。在以上构件的作用下，整体快速床可分隔成稀、浓相间的多段快速床。由于浓相区向上部稀相区扩展，因而相当于将上部部分稀相分配于构件处，而不损失整体快速床内颗粒的数量，达到发明的目的。
图1是内部构件结构的剖面示意图，其中1(a)-多孔板构件，1(b)-倒锥斗构件，1(c)-横向园环构件Ⅰ，1(d)-横向园环构件Ⅱ，1(e)-横向园环构件Ⅲ，1(f)-锥子构件，1(g)-纵向园环构件。图中符号D-直径，h-高，Φ-多孔板开孔率，a-孔间距，T-开孔方式(通常有正三角形和正方形等)，θ-角度，R-横向园环构件球面的半径，B-构件壁厚;下表符号h-上，L-下，in-内园，out-外园，c-孔，1-第1，2-第2，i-第i。
图2是多段快速流化床装置实施示意图，其中1-快速床，2-浓相段，3-稀相段，4-构件，5-上部稀相区，6-压力平衡管，7-扩大段，8-气体出口，9-旋风分离器，10-脉冲阀，11-流量计，12-气体入口，13-蝶阀，14-副床，15-沉降式分离器。
图3和图4分别是构件造成的空隙率轴向再分布和径向再分布。图3中g-截面平均空隙率，H-床层高度，gin-构件处截面平均空隙率，ga-浓相区空隙率，g-稀相区空隙率;图4中r/R-径向位置，g-局部空隙率。
现结合附图进一步说明本发明的实施例。实验的主体设备多段快速流化床由用有机玻璃材料制做的直径为90mm的快速床和120mm的副床组成，有效床高为10m，图2为其结构示意图。气体[12]经流量计[11]进入快速床[1]，被气流带出快速床[1]的颗粒大部分在沉降式分离器[15]中分离，少部分颗粒随气流进入第一、二级旋风除尘器[9]分离，气流[8]又经布袋过滤后放入大气。被分离的颗粒经过副床[14]循环回到快速床[1]底部。副床[14]气速维持在0.1m/s左右，以确保颗粒在副床内自由下流，为快速床供料。固体循环量由副床存料高度和两床底部连接斜管上的蝶阀[13]控制。
全部实验以空气为流化介质，FCC(Fluid Catalytic Cracking)催化剂为流化颗粒物料，粒径46.7μm，密度0.9295g/cm3。全部操作维持在稀浓两相共存的范围内。
图2、图3和图4所示为在快速床中加置两组倒锥斗构件的情况，系统内颗粒储量约为30kg，气速1.75m/s，颗粒循环速度18.6kg/m2s，两组构件分别置于2.25m和4.25m处，每组构件含四个，尺寸为Dh＝87mm，DL＝66mm，h＝10mm，每个间距180mm。由图3可见，在构件处，截面平均空隙率gin(＝0.95)大于浓相区的空隙率ga(＝0.81)，趋近稀相区的空隙率g(＝0.96)。图3和图4中实线代表加构件后的分布，虚线代表没有构件时的分布。可见，加构件后浓相区向上部稀相区扩展，其扩展的高度接近被构件置换的浓相区的高度，因而整个浓相区被两组构件分隔成三段。另外，用多孔板构件(D＝87mm，Φ＝40%，Dc＝6.5mm，正三角形开孔)，重复了以上结果。同样，用本发明提出的其它几种构件也有相同的效果。依次类推，当在浓相区设置m组构件时，整个浓相区可被分隔成(m+1)段。具体应用时可根据需要，利用上部稀相空间在浓相区放置任意需要数量的构件，将浓相区分隔成任意需要的层数。
发明效果快速流化床的多段化，达到了空隙率在径向和轴向再分配的目的，这种再分配从整体上对快速流化床的不均匀性进行了改进，从而有效地减低固体的轴向返混。
综上所述，本发明具有以下特点快速流化床空隙率再分配工艺及装置是通过在快速床中设置构件来实现的。加入构件后，快速床内的空隙率轴向和径向重新进行了分布，稀、浓相的多次重复，形成以稀、浓为单元的分段。与常规多层流化床相比较，它不需要任何外加机械设备、控制仪表或其它辅助设备，最根本的区别还在于多层床中的层有自然的浓相和稀相，而快速流化床空隙率再分配工艺所实施的多段快速床，每段中除浓相是自然存在外，稀相是靠构件形成的，而且出现在构件处。另外，在构件处出现稀相的同时，整个浓相区向上部稀相区扩展，相当于将壁区刮下的颗粒上移，也就是将上部部分稀相区移位到构件处，因此不减少整体快速床内的颗粒，没有化任何代价。而且，各种内部构件结构简单，与不加构件的快速床同样操作，不改变原来的操作弹性。
参资考料1.Y.Li and M.Kwauk，1980，in FLUIDIZATION，J.Grace & J.M.Matson(Eds.)，Plenum Press，p.5372.Y.Tung，J.Li and M.Kwauk，1988，in FLUIDIZATION-Science & Technology，M.Kwauk & D.Kunii(Eds.)，Science Press，p.1393.J.Li and H.Weinstein，1989，Chem.Eng.Sci.，Vol.44，No.8，p.16974.郭慕孙，1979，流态化浸取与洗涤，科学出版社5.Basu and Large，1988，in CIRCULATING FLUIDIZED BED TECHNOLOGYⅡ，P.Basu & J.F.Large(Eds.)，Pergamon Press，p.66.郑传根、董元吉，1990，化工冶金，11(4)，p.29权利要求
1.一种快速流化床空隙率分配工艺，其特征在于在快速床浓相区设置能抑制床层边壁区颗粒回流，使截面平均浓度下降、浓相区扩展的内部构件，从而使稀、浓相多次重复，形成以稀、浓为单元的分段；稀、浓界面的相际颗粒交换远小于稀相或浓相内部的颗粒交换。
2.按权利要求1所述工艺的装置，其特征在于在快速流化床浓相区设置内部构件，构件可用螺杆、焊接或法兰等形式固定在床内，或作为予制构件吊装在床内，形成稀、浓相间的多段快速床。
3.按权利要求1所述的流化床，其特征在于所设置的构件可以是多孔板构件[1(a)]、倒锥斗构件[1(b)]、横向园环构件Ⅰ[1(c)]、横向园环构件Ⅱ[1(d)]、横向园环构件Ⅲ[1(e)]、锥子构件[1(f)]和纵向园环构件[1(g)]等。
全文摘要
本发明属于快速流态化领域，主要是对快速流化床中空隙的径向和轴向分布进行改进的工艺和装置。其要点是在快速床浓相区设置能抑制床层边壁区颗粒回流，使截面平均浓度下降、浓相区扩展的内部构件，从而使稀、浓相多次重复，形成以稀、浓为单元的分段，抑制颗粒的返混。由于构件将边壁区刮下的颗粒转移到上部稀相区，因而不损失整体快速床内的颗粒。本发明提出的装置，其构件结构简单，实施方便，操作方式及弹性不受影响。可应用于石油、化工、冶金、能源和环境等领域。
文档编号B01J8/34GK1051129SQ9010854
公开日1991年5月8日 申请日期1990年10月26日 优先权日1990年10月26日
发明者郑传根, 郭慕孙, 董元吉, 夏亚沈 申请人:中国科学院化工冶金研究所