CN1235865A - 一种采用管壁补气与排气实现循环流化床多段化操作的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及循环流化床提升管内气固流动不均匀性改进的方法和装置。本发明的一种高浓度、低返混、无内构件的循环床多段化操作装置,由提升管、下行管和气固分离部分组成;其特征在于提升管中至少有一段出一外管套装在提升管上,并在该段提升管壁面均匀开制多个小孔的多孔管段。从该多孔管段人为地向提升管内注入或向外排泄部分气体,主动地弥补气固流动在管壁附近的能量损失,使流动重新分布,从而改善提升管轴向和径向颗粒浓度的不均匀分布。该装置无尺寸放大效应,能有效地抑制气固返混,提高气固接触效果。

Description

一种采用管壁补气与排气实现循环流化床多段化操作的方法及其装置

本发明涉及循环流态化领域，特别是涉及循环流化床提升管内气固流动的整体轴向和径向分布不均匀性进行改进的工艺和装置。

循环流化床提升管反应器系统(附图1)是70年代以后迅速发展起来的一种气固两相流反应器，和传统的鼓泡床、湍动床反应器相比，它具有无气泡、温度分布均匀、处理量大、操作弹性好等优点，曾被认为是一种较理想的气固接触反应器，广泛应用于许多工业部门。80年代以来对循环流化床流体动力学行为的深入研究发现，在循环流化床提升管内存在显著的流动不均匀性。它在整体上表现为：颗粒浓度分布轴向顶稀底密(如呈S型分布)，径向中心稀边壁浓(如环核结构)，同时部分颗粒沿提升管边壁向下滑落、返混。提升管中心区与边壁的颗粒浓度差有时可达一、两个数量级之多。在局部则表现为颗粒团聚、局部稀相与密相共存并不断变化。出于流动的不均匀性，使得循环流化床提升管内产生相当的气固返混，造成气固停留时间分布不均，从而影响气固接触效果；尤其是对象石油催化裂化等选择性快速反应的反应转化性能有着不可忽视的影响。

为改善循环床提升管内气固流动的这种不均匀性，人们现已尝试过多种措施，如在CN1051129A,1990；JP04314831,1991中介绍的是在流化床的提升管内设置各式内构件，或者是在CN2093031U,1991；US5622677A,1991文献中介绍的，将提升管横截面交替渐缩渐扩变化。这些措施虽对改善提升管内不均匀的流动分布有帮助，但也带来加工与操作上的缺陷，如内构件难以耐提升管长期运转的磨损，提升管截面交替变化制造起来困难；同时容易产生提升管截面平均浓度变稀而降低气固接触效率。

本发明目的在于克服上述已有技术的缺点和不足之处，提出一种通过人为主动地向提升管边壁区补充能量、弥补气固流动在管壁处的能量损失，从而使提升管内流动重新分布，达到改变提升管内颗粒浓度轴、径向不均匀分布的方法。本发明的目的还在于提供一种高浓度、低返混、在提升管内无内构件的多段循环流化床装置。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供的一种不用内构件即可实现多段循环流态化操作的装置；包括提升管(主床)和下行管(副床)以及气固分离部分；提升管的顶端与气固分离部分相接，气固分离部分再与下行管连接，下行管下端再通过斜管与提升管下端相接；提升管和下行管的底部与带阀或流量计的进气管相连。其特征在于提升管中至少有一段由一段外管套装在提升管上(这段提升管也称作内管)组成的多孔管段。该多孔管段的内管管壁上有许多小孔或将内管直接用可透气的多孔材料制成；外管为普通光壁管用作储气管；外管壁上有一接管或有一与外界相联的管口。内管管壁上的小孔应均匀分布，比如各小孔之间呈正三角形分布。小孔可以垂直于内管管壁开制，或与内管管壁成一角度开制，最好是顺提升管内气固流动方向开制。内管壁面上开制的小孔大小从1μ-10mm；以开孔直径小、开孔数目多、开孔分布均匀为佳。内管管壁的开孔数目可按开孔率在0.1～20％范围内选择。根据实际需要还可以在提升管上制造出n-1个多孔管段，或者将整个提升管都制成多孔管。这里，n=H/(h+L)；H=提升管的有效高度，L=多孔管段的长度，h=相邻两多孔段的间距。

本发明提供的一种改善循环流化床提升管内流动不均匀性的方法，是把具有高于提升管内压力的气体，从气体入口进入流量计计量后，再经管壁多孔段的多个小孔注入到提升管内(简称为壁面补气或管壁多孔注气)。管壁多孔注气旨在提升管内壁面附近形成一注入气体的薄层，该薄层的作用是将原先提升管气固流动与固体管壁的摩擦转变为提升管内气固流动与该气体薄层间的摩擦；从而减少气固流动的阻力。同时因管外气体的不断注入，使得注气段管壁面上的速度不再为零，即补充了管壁处的能量损失，达到改善颗粒浓度分布的目的。管壁多孔注气的速度通过连接在注气管线上的阀或流量计等改变注气量来控制。一般可按管壁多孔注气速度占提升管内表观气速的0～20％来选择。

本发明提供的一种改善循环流化床提升管内流动不均匀性的方法，还可以通过改变管壁多孔气体的流向，使气体由提升管管壁上的多个小孔处向外排泄(简称为壁面泄气或管壁多孔排气)来实现。具体排泄操作是在提升管中多孔管段的外管上接一排气管，排气管的另一端与压力低于该多孔管段的结构件相连。排气管中安有阀门。通过调节阀门或排气端的压力便可调节排气量大小，即改变提升管管壁多孔排气的速度，同样也可达到改变提升管管壁流动状态，改善流动不均匀性的目的。多孔排气量越大，对提升管整个轴径向分布的影响就越大。一般管壁多孔排气量达到提升管内主气量的1～2％就有明显的效果。

本发明的方法还包括：

1．将整个提升管做成内、外管套装的双层套管，内管上均匀的开制许多注气小孔；即在整个提升管高度范围内实施管壁多孔注气。

2．在提升管上按一定间距安装几个多孔管段；即在提升管上间断地实施管壁多孔注气或排气。这种间断安装的多孔管段的个数以及每个多孔管段的长度基本上可以根据实际生产过程的需要进行选定；但多孔管段之间的间距应大于相邻多孔管段本身的长度；尤其是在多段管壁多孔排气时，多孔排气段间的间距应更大些；多段多孔管段间的间距以1-50倍的上下相邻的多孔管段的长度为宜。

3．还可将上述具有多段多孔管段的提升管进行排气与注气的组合操作。这种组合可以是管壁排气与注气各自以其独立的系统分别操作；也可以利用提升管底部压力高于顶部的特点，将设在提升管底部的多孔管段作为排气段，设在提升管顶部的多孔管段作为注气段，用一连通管子将底部的多孔排气管段与顶部的多孔注气管段连接起来，使其在提升管上下压差作用下自动进行管壁排气与注气(如附图4)。这种管壁多孔排气与注气的组合还可以根据实际需要沿提升管高度间断的重复实施。

本发明的优点在于：当从提升管管壁多孔向管内注气时，可使注气段范围内压降下降，管壁处的颗粒浓度降低，径向分布的不均匀性得以改善。注气量越大，对提升管径向分布的不均匀性改善越明显。同时，提升管的固体循环率也有所增大。当从提升管管壁多孔向外排放少量气体时，可使排气管段上游一定距离内提升管截面的颗粒浓度变稀，排气管下游某距离内提升管颗粒浓度显著增浓，产生一种将原提升管底部浓相段上移，同时在该浓相段之下自然形成一段稀相段的效应，将提升管整体分割成两段稀密相的多层流化床。这种变稀与变浓段的长短主要取决于多孔排气量的大小。由于提升管内没有内构件，因而不存在磨损问题。通过将整个提升管人为有意识地分割成多段稀浓段，消除了目前提升管中存在的顶稀底密的大尺度颗粒回流，即改变了轴向不均匀性，可显著地抑制气固返混，并且排气量越大，其效应越明显。

本发明的另一优点是没有尺寸放大效应，可应用于任何直径的提升管系统。

下面结合附图及实施例对本发明进行详细地说明：

图1现有的普通循环流化床系统示意图

图2本发明的带有多孔管段的循环流化床装置示意图

图3本发明的多孔管段的一种结构示意图

图4提升管管壁多孔排气段与注气段组合的一个实施例示意图

图5a带有一段管壁多孔注气时提升管的轴向压降分布图

图5b管壁注气多孔管段中B截面的径向颗粒浓度分布图

图6带有一段管壁多孔排气时提升管的轴向压降分布图

1-提升管入口段      2-提升管      3-一级旋风分离器

4-二级旋风分离器    5-排气管      6-下行管

7-下行管入口        8-斜管        9-多孔管段

10-浓相段           11-稀相段     12-外管

13-提升管顶部稀相段 14-压力平衡管 15-扩大段

16-排料脉冲阀      17-气体入口            18-阀门

19-流量计          20-蝶阀                21-注气/排气接口

22-管壁多个小孔    23-颗粒浓度测量探针测孔

24-排气与注气段联通管

实施例1：

按附图2制作一具有本发明提供的带有多孔管段的提升管循环流化床装置，它由用有机玻璃材料制作的直径90mm×有效高度10m的提升管2和直径120mm的下行管6及气固分离部分——扩大段15和旋风分离器3、4组成。提升管2中所采用的多孔管段9结构如图3所示。多孔管段9长约500mm，在其内管管壁上均匀开制直径为1.5mm的小孔约2000个，开孔率2.66％。为防止颗粒从管壁小孔22漏出，在开有小孔22的内管外壁上再贴一层约200目的筛网。多孔管段的外管12上接有一直径20mm，供引入注气或引出排气用的管口21，它与安装有流量计19、阀门18的管线(附图2中未示出)相连接，用于从提升管多孔管段向外排气或向内注气。

附图2的循环流化床装置主操作流程如下：压缩气体由气体入口17经由阀门18、流量计19进入提升管2的底部；气体带动颗粒从提升管2底部向上运动形成提升管气固两相流。被气流带出提升管2顶部的颗粒大部分在扩大段15中沉降分离，少量颗粒继续被气流携带到旋风分离器3、4中分离。气流最后经气体出口5再经过布袋除尘器(附图2中未示出)进一步过滤后排入大气。被分离下的颗粒最后从下行管6底部经斜管8循环回到提升管2的底部。下行管6内表观气速Ug维持在0.1m/s左右，以确保颗粒在下行管6中自由下落，为提升管2供料。颗粒的循环量出下行管6中存料高度和连接斜管8中的蝶阀20控制。实验以空气为流化介质，循环不的颗粒为平均粒径54μm、密度930Kg/cm³的FCC催化剂。

利用该装置采用管壁多孔注气实现循环流化床多段化的操作方法如下：压缩气体(其压力高于提升管2中多孔管段处的压力)经由阀门、流量计(附图2中未示出)接到多孔管段9的外管12上注气/排气接口21，再从多孔管段9中长约500mm的内管段上多个注气小孔注入到提升管内。实验考察了在提升管2上4.08m和1.46m高度处分别安装该多孔管段注气时提升管内的气固流动。附图5a是多孔管段9安装在提升管2的4.08m高度处，从多孔管段9向提升管2内注气时实测的提升管轴向压降分布曲线。图中， 为提升管2的轴向压降分布，它的大小直接反映颗粒浓度大小；H为提升管2的有效高度。Ug为多孔管段9之下提升管2中的表观气速；q/Q为管壁多孔注气量q与提升管主气量Q之比。图5b则是多孔管段9安装在提升管2的4.08m高度处，从多孔管段9向提升管2内注气时用光导纤维探针实测的多孔注气管段中B截面处(B截面位置详见附图3)的颗粒浓度径向分布。图中C_m为颗粒的平均体积浓度，r/R为提升管的径向相对位置，其他符号意义同附图5a。由图可见，管壁多孔注气可使管壁注气段内颗粒浓度径向分布变平、管壁处颗粒浓度降低；注气管段处轴向压降降低；且管壁注气量越大，这种效应越大，即对提升管内颗粒浓度不均匀分布的改善越大。实施例2：

在实施例1的循环流化床装置上，在提升管2的4.08m和1.46m的两个高度处同时安装结构为附图3所示的多孔管段9。在这两段多孔管段处同时应用实施例1中的管壁多孔注气操作。结果便在提升管2中实现了多段循环流态化操作，即在每个多孔注气管段处提升管的轴向压降下降、径向颗粒浓度分布变平缓、管壁颗粒浓度下降，流动的不均匀性得以改善。而多孔注气管段影响区之外，气固流动基本上仍保持先前普通提升管中的流动特征。实施例3：

在实施例1中的循环流化床装置上，采用管壁多孔排气实现循环流化床多段化操作。将附图3所示的多孔管段9安装到提升管2的4.08m高度处，多孔管段9的外管12上注气/排气接口21与一带有阀门、流量计的管线相连，该管线的另一端与一压力低于多孔管段处提升管内压力的结构件相连(这部分附图中未示出)。在本实施例中该结构为一敞口接大气的容器。则打开与注气/排气接口21相连的管线上的阀门，提升管2内的部分气体便从管壁上的多个小孔22向外排出。图6是在本实施例中实测得到的不同管壁多孔排气量时，提升管2的轴向压降分布。图中符号意义同附图5a。从图6可见，在提升管2的4.08～4.55m的高度处从管壁多个小孔22向外排泄少量气体，对提升管的轴向压降 分布有着十分显著的影响。多孔排气段上游的提升管压降显著降低，几乎接近提升管顶部稀相段的压降；多孔排气段下游的提升管压降则显著升高，基本上接近于提升管底部浓相段的数值。图6清楚地显示，管壁多孔排气使提升管的轴向分布由原先的顶稀底浓变为两层稀浓交替的多段式分布，即明显地改变了提升管流动的整体不均匀分布，这对提高整个提升管内气固接触效果大有好处。实施例4：

制作一台实施例1所描述的循环流化床装置，区别在于提升管2中的两段管壁多孔段9一段用做向提升管内注入气体，另一段用做从提升管内向外排出气体(如附图4)。

Claims (5)

1．一种采用管壁补气与排气实现循环流化床多段化操作的方法，其特征在于：将压力高于提升管中管壁多孔管段处的气体，经由多孔管段外管上的注气/排气口进入提升管壁面上的多个小孔注入到提升管内；或着通过多孔管段处提升管壁面上的多个小孔将一部分气体从提升管内经由多孔管段外管上的注气/排气口排泄到提升管外；并且在与多孔管段外管上的注气/排气口相连的管线中安装阀门、流量计来调节注入或排出提升管的气量。

2．按权利要求1所述的的采用管壁多孔补气与排气实现循环流化床多段化操作的方法，其特征还在于；可在提升管的两个高度处同时安装两个多孔管段进行管壁多孔补气与排气的组合操作。这种组合可以是管壁多孔补气与排气各自以其独立的系统分别操作；也可以利用提升管底部压力高于顶部的特点，将设在提升管底部的多孔管段做排气段，设在提升管顶部的多孔管段作为注气段，用一连通管子将底部的多孔排气管段与顶部的多孔注气管段连接起来，使其在提升管上下压差作用下自动进行管壁排气与注气。

3．一种用于权利要求1所述的采用管壁多孔补气与排气实现循环流化床多段化操作的装置，包括提升管、下行管和气固分离部分。其特征在于：提升管中至少有一段多孔管段；多孔管段由一段外管套装在提升管上，并在被外管包套的提升管段的壁面均匀开制直径1μm-10mm的小孔，或者将内管用可透气的多孔材料制作。外管上有注气/排气管接口，该接口与带有阀门、流量计的管线相连。提升管的顶端与气固分离部分相接，气固分离部分与下行管上端连接，下行管与提升管之间用一带控制阀的斜管，提升管和下行管的下端各有一气体入口。

4．按权利要求3所述的的采用管壁多孔补气与排气实现循环流化床多段化操作的装置，其特征在于：在被外管包套的提升管管段壁而上均匀开制的小孔数量按开孔率在0.1-20％6。

5．按权利要求3所述的的采用管壁多孔补气与排气实现循坏流化床多段化操作的装置，其特征在于：提升管中可安装n-1个多孔管段，其中n=H/(h+L),h=(1-50)L,L=O-H；H为提升管的有效高度；h为相邻两个多孔管段间的间距；L相邻的多孔管段的长度。

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