1種上行氣固分離裝置的冷態(tài)實驗研究

曹月梅 安曉熙

（1.兗礦嶧山化工有限公司，山東 鄒城 273500；2.山東中海科技工程咨詢有限公司，濟南 250013）

1種上行氣固分離裝置的冷態(tài)實驗研究

曹月梅 安曉熙

（1.兗礦嶧山化工有限公司，山東 鄒城 273500；2.山東中海科技工程咨詢有限公司，濟南 250013）

對1種基于離心和慣性協(xié)同作用機理的新型氣固分離裝置進行了結(jié)構(gòu)考察和改進，優(yōu)選出最佳分離器結(jié)構(gòu)。以廢催化劑為原料，對固含量、風速、擋板和原料粒度等影響其分離效率和壓降的各因素進行了考察分析。結(jié)果表明，固體含量、風速、擋板以及原料粒度對分離器性能均有不同程度的影響，分離器壓降與氣體所占的相對空間和排氣管內(nèi)旋流中心偏離軸心的程度有關(guān)，固體出口處的縮口可以減少分離過程中的返混現(xiàn)象。

氣固分離器；冷態(tài)實驗；分離效率；壓降

脈沖式提升管反應器是一種新型的燒焦氣化反應裝置，該裝置既解決了啟燃問題又強化了傳質(zhì)傳熱，有利于氣化，既可以應用于重質(zhì)油熱解造粒又可以應用于重質(zhì)油快速熱解氣化，是一種較理想的氣化反應裝置。在提升管出口處需要安裝1種分離效率較高的快分裝置，這種快分裝置要求具有結(jié)構(gòu)簡單、分離效率高、壓降低且操作方便靈活等優(yōu)點。

早在1989年，祁春鳴、金涌等人就針對快分結(jié)構(gòu)形式、操作條件等影響分離效率及能量消耗的因素進行了考察，得到了快分結(jié)構(gòu)的優(yōu)化型式[1]。后來，楊艷輝等人借鑒前人的經(jīng)驗，利用2相中氣固2相慣性力的差別及顆粒運動的附壁效應開發(fā)了1種帶有切割板的新型氣固分離裝置，但只適用于氣固并流下行式反應器[2]；都林等人根據(jù)氣固2相慣性的差別、弧面和擋板對顆粒的濃縮以及碰撞作用實現(xiàn)了下行床氣固快速分離[3]；石油大學（北京）開發(fā)研制的FSC、VQS快分系統(tǒng)現(xiàn)已成功應用于催化裂化提升管反應器上[4-5]。但是這些快分系統(tǒng)的壓降較高結(jié)構(gòu)復雜，不適用于脈沖式提升管反應器。盧春喜等人根據(jù)催化劑的離心力作用，發(fā)明了提升管氣固旋流快分設(shè)備，能實現(xiàn)高效氣固快速分離和快速氣體引出[6]。

本實驗為滿足后置熱解裝置的要求，在前人研究的基礎(chǔ)上，對分離器結(jié)構(gòu)進行了適當變化，測定了不同操作條件下各結(jié)構(gòu)的特性，優(yōu)選出最佳結(jié)構(gòu)[7-9]。

1 實驗部分

1.1 裝置

冷態(tài)實驗的上行氣固分離器裝置最佳結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要分為氣固上行部分、氣固分離部分和固體出口、氣體出口。分離器整體外觀呈拱形，中間為一開縫排氣管。氣固上行進入分離器后，由于固相慣性力大于氣相，固相沿外壁作180°圓周運動而后經(jīng)一圓滑縮口下落進入出口；大部分氣體在繞軸旋轉(zhuǎn)時由于中間窄縫的存在而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，由窄縫進入排氣管，從而實現(xiàn)氣固分離。固相出口處縮口的主要作用是可以減少分離過程中的返混。

分離器的結(jié)構(gòu)尺寸為：分離器長度L＝300 mm，入口寬度 l1＝70 mm，出口寬度 l2＝50 mm，入口和出口高度h1＝200 mm，中心管下方空間高度 h2＝22 mm，窄縫寬度 d1＝d2＝33 mm，窄縫 1 方位角 α＝60°，窄縫2位于垂直方向最高點，中心管內(nèi)徑r＝150 mm，分離器外殼半徑 R＝300 mm，即 r/R＝0.5，出口處縮口半徑r1與中心管徑一致。

實驗裝置如圖2所示。分離器由有機玻璃制成，氣體為常溫空氣，由引風機在系統(tǒng)出口處引風操作，進口氣速由皮托管測得，分離器壓降由U型管壓差計測得。

圖2 實驗裝置Fig 2 Diagram of experiment device

1.2 原料

實驗所用主要原料為FCC廢催化劑，密度1 500 kg/m3，堆積密度 909 kg/m3，平均粒徑 64.2 μm，其粒度分布見表1。

表1 廢催化劑粒度分布Tab 1 The distribution of dead catalyst size

1.3 實驗內(nèi)容

實驗通過改變中心管開縫位置以及開縫寬度和大小，對不同進料速度（固含量）和不同風速下分離器的分離效率和分離器壓降進行考察，優(yōu)選出最佳結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，以普通廢催化劑、不同粒度的催化劑以及粉煤灰為原料，考察粒度對分離性能的影響；在出口處縮口位置加了不同角度的擋板，考察擋板對返混現(xiàn)象的影響。

其中進口風速由空氣入口處的皮托管測量得出，風速為11～15 m/s，進料速度控制在6 kg/min之內(nèi)，分離器壓降由U型管讀取。

2 結(jié)果與討論

2.1 最佳結(jié)構(gòu)優(yōu)選

實驗在排氣管開縫總面積相同的前提下，進口風速為14.17 m/s時，對分離器的6種不同結(jié)構(gòu)進行了考察。這6種結(jié)構(gòu)的不同之處主要在于開縫的寬度和數(shù)量以及開縫位置。1種開縫寬度為22 mm（3個縫），3個縫又有3種不同的位置：均偏向固相出口側(cè)、垂直居中、均偏向氣固入口側(cè)；另1種開縫寬度為33 mm（2個縫），位置同前。各種結(jié)構(gòu)在不同固體質(zhì)量濃度ρ下的分離器性能（分離效率η和壓力p）如圖3和圖4所示。

由圖3和圖4可以看出，分離器結(jié)構(gòu)對其分離效率有很大的影響，尤其是2條33 mm的縫開在氣固入口側(cè)時，分離效率最高，結(jié)構(gòu)最優(yōu)。原因可能是當縫開在入口側(cè)時，氣固并流，在上行過程中氣體在經(jīng)過窄縫時發(fā)生偏轉(zhuǎn)，走的路程較短，攜帶的固體較少，在以后的圓弧運動中，分離過程主要以慣性分離為主，由于氣體排出的較早較多，因此大部分固體依慣性向下進入出料漏斗。少量固體被剩余氣體攜帶繞過排氣管下方繼續(xù)做圓周運動，離心分離起主要作用，同時也對上行的氣固混合物產(chǎn)生推力，阻止固體短路。相反，可能由于氣體走的路程較短，相應的空間較小，從而使反應器壓降增大。

2.2 固含量和風速的影響

實驗選定最優(yōu)結(jié)構(gòu)分離器，考察了固含量和風速對分離效率和分離器壓降的影響，結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 固體含量和風速對分離效率的影響Fig 5 The effect of solid content and air speed on separation efficiency

圖6 固體含量和風速對壓力的影響The effect of solid content and air speed on pressure drop

由圖5和圖6可以看出，當固體含量一定時，分離效率和壓降均隨風速的增大而增大，原因是風速增大，固體的離心作用增強，氣體攜帶的固體少，固體短路也少。由圖5，隨著固體含量的增大，分離效率有一定的波動，當固體的質(zhì)量濃度在100 g/m3左右時有一峰值，而后分離效率降低，但當固體的質(zhì)量濃度超過300 g/m3時又呈現(xiàn)上升趨勢，原因可能是在一定的分離空間內(nèi)，當氣固分配達到最佳時，固體的慣性作用和離心作用最強；當固體含量再增加時，固體所占有的相對空間增大，氣體攜帶的固體量也相對增大；而當固體含量繼續(xù)增加時，固體的慣性作用又起到主要作用。由圖6，隨固體含量的增大分離器壓降呈下降趨勢，原因可能與氣體所走的路程與氣體所占的相對空間有關(guān)。

2.3 原料粒度的影響

實驗對4種粒度的原料進行了考察，結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 粒度對分離效率的影響Fig 7 The effect of particle size on separation efficiency

圖8 粒度對壓力的影響Fig 8 The effect of particle size on pressure drop

由圖7和圖8可以看出，粒度越大，分離效率越大，原因是粒度大的固體顆粒慣性和離心作用都較大，氣體攜帶作用減小；而固體離心作用的變化使氣體所占有的相對空間隨之變化，也使排氣管內(nèi)旋流中心偏離軸心的程度發(fā)生變化，從而引起分離器壓降的變化。

2.4 擋板的影響

在最優(yōu)結(jié)構(gòu)之上加了不同角度的擋板，考察分離器性能如圖9所示。

由圖9可以看出，加擋板后雖分離器壓降有所減少但分離效率明顯下降。擋板增加了固體的返混，從而使分離效率下降。

3 結(jié)論

分離器是基于離心和慣性協(xié)同作用機理的新型氣固快分裝置。實驗選定了最優(yōu)分離器結(jié)構(gòu)，固體含量、風速、擋板以及原料粒度對分離器性能均有不同程度的影響。分離器壓降與氣體所占的相對空間和排氣管內(nèi)旋流中心偏離軸心的程度有關(guān)。固體出口處的縮口可以減少分離過程中的返混現(xiàn)象。

圖9 擋板對分離效率的影響Fig 9 The effect of baffle on separation efficiency and pressure

[1]祁春鳴,俞青,金涌,等.氣-固并流下行慣性分離裝置的研究[J].石油煉制,1989（12）：51-56.

[2]楊艷輝,錢震,余皓,等.用于氣固并流下行式反應器中的新型氣固相分離裝置[J].石油煉制與化工,2000,31（12）：24-27.

[3]都林,姚建中,林偉剛.下行床弧面氣固快速分離器內(nèi)的顆粒運動[J].過程工程學報,2003,3（6）：481-485.

[4]曹占友,盧春喜,時銘顯.新型汽提式粗旋分分離器系統(tǒng)的研究[J].石油煉制與化工,1997,22（3）：47-51.

[5]盧春喜,蔡智,時銘顯.催化裂化提升管出口旋流快分（VQS）系統(tǒng)的實驗研究與工業(yè)應用[J].石油學報：石油加工,2004,20（3）：24-29.

[6]盧春喜,魏耀東,時銘顯.提升管氣固旋流快分設(shè)備：中國,02159408.2[P]2002-12-31.

[7]劉顯成,盧春喜,時銘顯.基于離心與慣性作用的新型氣固分離裝置的結(jié)構(gòu)研究[J].過程工程學報,2005,25（5）：54-58.

[8]劉顯成,盧春喜,時銘顯.一種新型氣固分離器氣相流場實驗研究[J].高校化學工程學報,2006,20（6）：875-881.

[9]嚴超宇,盧春喜,劉顯成.一種新型氣固分離器內(nèi)氣相流場的數(shù)值模擬[J].高校化學工程學報,2007,3（21）：392-397.

Cold Model Experiment Research on a New Up-Run Gas-Solid Separation Apparatus

Cao Yuemei,An Xiaoxi
（1.Yankuang Yishan Chemical Co.,Ltd,Zoucheng,Shandong 273500;2.Shandong Zhonghai Science and Technology Engineering Consulting Co.,Ltd.,Jinan 250013）

The structure of a new gas-solid separator was investigated and improved in details based on the centrifugal and inertial synergistic mechanism,and the optimal structure was chose out.Dead catalyst was employed as feed.The factors which impact the separation efficiency and pressure drop,such as solid content,air speed,baffle and feed particle size were all studied and analyzed,and the corresponding conclusions were gotten eventually.The results showed that the solid content,air speed and feed particle size had different influence on the separation efficiency,the pressure drop of the separator and the relative spatial of gas were influenced by the degree of the exhaust pipe cyclone center deviated from the center axes,back mixing in the separation process could be reduced by necking the solid exit.

gas-solid separator;cold model experiment;separation efficiency;pressure drop

TQ028.2+4

A DOI 10.3969/j.issn.1006-6829.2012.03.007

2012-03-07