分離裝置的製作方法

2023-11-06 06:20:17

專利名稱：：分離裝置的製作方法
技術領域：
：本發明涉及分離裝置，特別是從由固體物質和氣體物質組成的混合物中快速分離出固體物質和氣體物質的分離裝置。在已知的反應系統中，做為催化劑或加熱媒體的固體顆粒與反應物體發生接觸。這種反應系統的一典型實例就是流化床式反應器，該反應器可分為一類使用濃相流化床(沸騰-流化床)的反應器和另一類應用高速移動流化床的反應器。用於反應的高速移動流化床，其內的固體和氣體必須有短時間的接觸。一般地，在用於從原料例如重油中生產汽油的流體催化劑裂解(F．C．C)裝置中，主要使用叫做「豎管」的向上流動型高速移動床反應器。由於改進了催化劑的性能，該反應器能夠減少接觸時間，從而使最終成品選擇性得到提高，並抑制了過量的裂解反應。現有高速流化床所面臨的一個難題就是，在系統中需要在反應汽化產品離開豎管反應器時實現純淨顆粒狀催化劑的快速分離。因此，需要一種改進的分離裝置。為解決這個難題，在已公開的美國專利號為5552120和5538623的文件中，提出在用於從重油中生產汽油的FCC裝置中，使用設在豎管的出口端附近被稱作「密閉旋風分離器」的分離系統。在FCC裝置中，想要在反應過程為0．1至1．5秒的短時間接觸中生產出輕烯烴，在反應器的出口實現固體與反應氣體材料的快速分離更為重要。在這麼短的接觸反應中，現有的分離裝置比如，旋流器，使反應產品和焦炭沉澱率降低，因為氣體物質在反應器中固體滯留的時間比在分離裝置中長，在分離裝置中引起進一步的反應過程。在較短的接觸反應中，採用分離裝置從混合物中分離催化劑，通過在豎管的出口快速冷卻反應產品和催化劑的混合物，可避免進一步的反應。但是，在從重石油分餾物中生產汽油的FCC裝置中，催化劑通過升高溫度加熱蓄熱，以作為熱觸媒進行反應，因此，從熱效率方面說，這種方法不可取。綜上所述，避免連續反應的有效方法是在反應器的出口快速分離催化劑顆粒和反應氣體物質。如果催化劑顆粒大部分能被分離而不是完全分離，在下面的旋流器中，催化劑影響反應的作用減小，儘管它們在其內的滯留時間更長一些。如果不忽略在旋流器內的反應，在旋流器的入口要進行快速冷卻，從而在不影響裝置熱效率的情況下，再生出催化劑。在美國專利第3074878號中，公開了一種在反應器的出口混合物的快速分離方法。在此方法中，向下傳送的固-氣混合物通過設於其內的擋板元件折向管式反應器的一側，並從另一側橫向噴射氣體。但是，噴射角度不能大於90度，否則會導致較低的分離效率。更甚者，擋板元件由於受固體的直接撞擊而容易磨損。所公開的快速分離的另一實例是公開號為60-18447的日本專利，在該文獻中，相對上下流動式反應器水平設置一矩形腔室。當混合物從腔室的一端流入腔室並以90°的角度改變流動方向時，催化劑顆粒和反應劑氣體物質分別從腔室的另一端沿上下方向排出。但是，由於腔室中混合物的流動是非常大的紊流，使已分離的催化劑不能有效的流向腔室的出口，從而會在腔室中形成向上的旋渦，使分離效率降低。隨著混合物中催化劑混合率的升高，這種趨勢將變得更加顯著。在必須減少接觸時間，以改進反應成品選擇性的方法中，絕對需要提高催化劑的回收率以補償由於接觸時間短而造成的轉化率的降低。考慮到這種情況，需要一種高速分離裝置，它能實現從其內顆粒混合率較高的混合物中實現催化劑顆粒和反應氣體材料的快速分離。這裡所用的術語「分離效率」表示固體從加入到分離裝置中的混合物中分離出的比率，即從分離裝置的出口所排出的固體的比率，該比率可由下述公式表示分離效率(％)=(從出料口回收的固體的重量)／(加入到分離裝置的固體的重量)這裡所用的術語「混合率」是由下述公式導出的一個數值混合率=(固體重量)／(氣體反應產品重量)鑑於現有技術中的上述難點，本發明的目的是提供一種分離裝置，與現有的分離裝置相比，即使氣體反應物質滯留的時間較短，它也能以較高的比率分離出固體組分。本發明提供了一種用於快速分離直徑為1-500μm的顆粒和氣體物質的分離裝置，該裝置包括一具有一封閉端的垂直設置的內圓筒體，該圓筒體的另一端形成一入口，通過該入口加入所述催化劑和所述氣體物質的混合物，該裝置還包括一大緻密封的外圓筒體，它環繞所述內圓筒體並與之同軸設置，在其上部形成一與所述裝置的外部相連的氣體排出口，在其下部形成一與所述裝置的外部相連的顆粒排出口，其特徵在於，所述內圓筒體的側表面設有多個在軸向方向上延伸並在圓周方向上等距離設置的細長切縫，以及多個曲線或平板導向葉片，該葉片相對於內圓筒體的徑向方向從切縫的縱向邊緣附近向外突出，並以一預定長度垂直延伸。本發明的分離裝置具有包括內圓筒體和外圓筒體的雙層結構，固體顆粒和氣體物質的混合物加入到內圓筒體。內圓筒體由底板或頂板在一端封閉，其相對的一端形成加入混合物的入口。而且，內圓筒體在其側壁設有多個軸向延伸的切縫，由於底板或頂板的作用，通過該切縫流向變化的混合物噴射到由內、外圓筒體限定的空間。通過多個從每個切縫邊緣的附近向外突出的導向葉片，進入該空間的混合物被迫在內圓筒體的圓周方向形成螺旋流，於是通過由螺旋流產生的離心力，固體顆粒從混合物中分離出來。在撞擊到內壁面後，由於重力作用，被分離的顆粒落向外圓筒體的底部，並通過排出口從裝置內排出。按照這種方式，能夠實現快速分離。在設置2-16個切縫和導向葉片，外圓筒體和內圓筒體的直徑比為1．1至20，以及外圓筒體的有效長度大於內圓筒體直徑1-30倍的情況下，該分離裝置的快速分離可得到保證。而且，通過在外圓筒體的內下部設置一預萃取裝置，能夠改進本發明分離裝置性能。下面詳細描述本發明的其它優點、構思、實施例和本發明的細節。圖1(a)、(b)和(c)是本發明的一種分離裝置的縱向剖面圖、橫向剖面圖。圖2(a)和(b)是一種分離裝置的橫向剖面圖，每幅表示了不同形狀的導流片。圖3是本發明的一種分離裝置的另一實施例的縱向剖面圖。圖4是本發明的一種分離裝置的又一實施例的縱向剖面圖。圖5是本發明的一種分離裝置的再一實施例的縱向剖面圖。現在參照附圖，特別是圖1，圖中所示的分離裝置10具有一雙層結構，包括一內圓筒體20和一外圓筒體12，它們同軸向設置並垂直延伸。該內圓筒體具有一由平板21密封的底部，以及一形成入料口11的上部，通過該入料口可加入催化劑和氣體物質的混合物，在其外圓周面側部設有多個細長切縫。外圓筒體12圍繞內圓筒體20並與其同心設置，而且具有直徑減小的上部，並設有與裝置外部相連的排放氣體的出口16，但它與內圓筒體21的內部是分開的。在本實施例中，該上部形成一氣體排放管道17，該管道17具有與管道相連並相對設置的兩個出口，其分別如圖1(C)所示，而其下部也具有與裝置外部相連的顆粒排出口13。在本圖中，該下部呈錐形，並與圓筒形顆粒排出口13相連。由此，整個外圓筒體12除上部和下部外大致上是封閉的。外圓筒體12和內圓筒體20的尺寸是這樣的，其直徑比為1．1至20，外圓筒體12的有效長度大於內圓筒體20直徑的1至30倍。下面將給出詳細的進一步的解釋。在內圓筒體20的外表面上設有多個沿軸向延伸並在其圓周方向等距離分布的矩形切縫15。此外，內圓筒體20設有多個彎曲延伸的導向葉片，這些葉片相對於內圓筒體的徑向方向以一定的角度從每個切縫邊緣的附近向外伸出，並在縱向延伸方向在一定長度上有一寬度。導向葉片可以是平的。切縫14和導向葉片最好設置2至16個。構成本發明分離裝置的上述各部分由耐化學反應的任何合適材料製成。例如，可加工性和抗化學反應性優良的不鏽鋼製品，這些性能對實現本發明的目的是重要的。各部分可由不同材料製成。下面描述利用本發明的分離裝置分離催化劑和反應氣體物質的過程。含有氣體和固體的混合物通過入料口11以一預定速度加入到內圓筒體20。內圓筒體20的下端被平板21密封。由此，在開始加入混合物時，內圓筒體20的底部受在此分離出的固體的直接撞擊，但是，通過聚集在該內圓筒體20底部的催化劑(固體)層又可以防止撞擊。混合物在內圓筒體20內向下流動，與堆積在內圓筒體20的基層撞擊後水平流動。混合物通過多個切縫如圖1箭頭F所示方向流出內圓筒體。然後混合物由多個導向葉片改變流動方向，從而在由內圓筒體20和外圓筒體12限定的空間內形成螺旋流。在此過程中，混合物中的固體由於離心力被分離出來，並流向外圓筒體12的內圓柱壁。然後，這些固體由於受重力作用沿圖1箭頭Fd所示方向呈螺旋形向下流向外圓筒體的底部，並通過出口13從該裝置內排出。另一方面，比固體質量較輕的氣體物質，呈螺旋形向上流向排氣管17，並通過出口16如圖1箭頭Fu所示方向排出該裝置，再被傳輸到後續裝置。這裡再進一步詳細描述內、外圓筒體、切縫和導向葉片。首先，下面描述分離裝置中影響分離效率的因素。顆粒的大小和密度、固體和氣體物質密度的不同、螺旋流的離心力都可解釋為影響分離效率的因素。分離效率隨這些因素數值的增加而增加。離心力隨分離裝置的結構而變化，但是其它因素卻由於它們是被分離的混合物所特有的而不能變化。下面，描述分離裝置的離心力和結構。假設混合物以固定的線速度通過內圓筒體。在這種情況下，如果切縫的個數相同，通過減小切縫的開口面積增加在此穿過的混合物的線速度可提高分離裝置的分離效率，從而提高離心力，同時也產生磨損的負作用。如果混合物以相同的線速度穿過切縫，通過減小每個切縫的面積增加切縫的數量，也可提高分離裝置的分離效率，從而可使離心力穩定，但卻導致分離裝置的結構複雜。由於以上因素，通過根據所需的分離效率所計算出的全部數值，可確定切縫的個數。通過利用不同類型的混合物所導出的實驗結果，可最終確定磨損容許程度和裝置的容量。圖中示出了4個切縫，也可從2至16個中選擇，3至8個較好，最好是4至6個。單個切縫將不能產生足夠的螺旋流而影響分離。切縫超過16個會導致裝置結構複雜，成品成本增加，也不能向預期的那樣提高分離效率。上述切縫個數的根據是應用混合物所進行的實驗分析得出的全部數值，該混合物實際上是用於流體催化劑裂解裝置中用以從原料例如重油中生產汽油。切縫的個數對分離裝置的分離效率具有影響，從而可通過實驗確定。根據內圓筒體的周長L1，實際應用的切縫寬度可由下面的公式表示切縫寬度=1mm-L1／4，最好是L1／16至L1／62利用外圓筒體的上部與內圓筒體的底部(圖1)之間或內圓筒體的上平板與外圓筒體的下端之間的長度L2，實際應用的切縫長度可由下面的公式表示切縫長度=L2×a其中a的範圍是0．1至0．99，最好是0．7至0．95。這樣就確定了切縫的面積，通過切縫的混合物的線速度為1-100，3-300較好，最好是3-15m／s。如果切縫的面積確定了，它的寬度和長度也相應確定了。當線速度小於1m／s時，混合物就不能以足夠的速度盤旋，從而影響完全分離。線速度超出100m／s會引起切縫、導向葉片和外圓筒體內圓周壁的磨損。導向葉片15設置的數目與切縫相同，並沿其縱向邊緣延伸。如圖2橫向剖面圖所示，導向葉片15可以是曲面或平面。此外，如圖2(b)所示，兩個成對平行的葉片設在切縫的兩側。重要的是多個導向葉片相對於內圓筒體的徑向方向以一定角度從每個切縫的附近向外突出，並在預定長度情況下具有一寬度。進一步說，每個導向葉片形狀相同，等距離設置在內圓筒體的圓周方向上，以便在整個分離裝置中實現平穩操作。每個導向葉片相對於每個切縫可分開設置。利用內圓筒體的中心與導向葉片末端間的距離(R)，導向葉片的寬度可直接由下面的公式表示導向葉片寬度=(R-內圓筒體的半徑)=(外圓筒體的半徑)×b其中b的範圍為0．2至0．99，最好是0．5-0．8。b小於0．2，即導向葉片的寬度太小，不能改變從切縫噴射出的混合物的流動方向，引起混合物的螺旋速度減小。如果b超出0．99，即導向葉片的寬度太大，螺旋流動的混合物與導向葉片發生接觸，由於導向葉片與外圓筒體的內壁間的空間減小從而引起磨損。導向葉片的長度可設定如下導向葉片的最小長度=切縫長度／2導向葉片的最大長度=外圓筒體的長度導向葉片的參考長度=0．8×外圓筒體的長度內圓筒體的直徑最好和與其直接相連的入口管道相同，其尺寸也可以或大或小，以便以合適的線速度加入混合物。更具體地，內圓筒體的直徑應使其內混合物線速度為1-100，3-30較好，最好是3-15m／s外圓筒體的直徑比內圓筒體的直徑大1．1至20倍。如果外筒體的直徑較大，混合物在內圓筒體內的滯留時間減小，外圓筒體的直徑應儘可能縮短，具體為大於內圓筒體直徑的1．1至3倍。外圓筒體的直徑比內圓筒體的直徑大1至50倍。如果外筒體的直徑較大，混合物在內圓筒體內的滯留時間減小，外圓筒體的直徑應儘可能縮短，具體為大於內圓筒體直徑的1至5倍。本發明分離裝置具有能夠提高分離效率的優點，因為分離是由混合物的螺旋流產生的離心力，以及由切線旋流器產生的，因此，即便混合物以較低的線速度流動，在整個裝置中該裝置也能夠產生穩定的混合物螺旋流，因為混合物要穿過從裝置縱向延伸的很窄的切縫式出口。在此，氣體物質盤旋地流向分離裝置的上部，在滯留時間內較窄地散布於裝置中，而且壓力損失降低，因此上流束和下流束螺旋流速的差別微小。進一步說，由於該發明的裝置和切線旋流器不同，沒有錐形的部件，因此滯留時間也會減少。更具體地說，由於分離效率隨加在催化劑顆粒上的負載增加而提高，本發明分離裝置的分離效率更優於切線旋流器。如果在本發明裝置中混合物向下流動，特別容易受混合物撞擊的部分為內圓筒體的底板，然而，它又可通過堆積在由底板和切縫的下端限定的空間內的固體(催化劑)層防止這種撞擊。如果混合物在本發明的裝置中向上流動，氣體物質滯留在由切縫的上端和內圓筒體的上蓋板限定的空間內，從而可在此空間內吸收混合物的衝撞力。導向葉片較不容易受到磨損，因為它根據穿過切縫的混合物的流向平行設置。確切地說，每個切縫的邊緣和外圓筒體的內圓周面也不容易受到磨損，因為從切縫噴出的混合物線速度已經降低。在本發明的裝置應用於流體催化劑裂解裝置中以從原料例如重油中生產汽油的情況下，本裝置的固體排放口與設在設備下流的萃取裝置相連。從排出口加入的催化劑顆粒含有氣體，該氣體含在顆粒和由顆粒所吸收的重油之間所形成的空間內。這些沉澱物質被加入的氣體例如，萃取裝置中的蒸汽帶走。在短時間接觸反應過程中，萃取裝置可能出現問題。更確切地說，由於催化劑顆粒滯留在萃取裝置中的時間相對較長，催化劑和氣體物質和／或沉澱在其上的重油間的反應直到萃取結束。為防止部分氣體物質進入萃取裝置，所發明的分離裝置設有具有小容量的預萃取設備，在該設備中，催化劑顆粒滯留時間較短。圖3和5分別示出了一種分離裝置，它們的下部與用標號23表示的具有預萃取裝置功能的等同部件配合。在這些圖中，儘管使用了預萃取部件(裝置)，該部件利用由標號22表示的圓形蒸汽供給裝置和多個擋板組件一起分散固體顆粒，本發明分離裝置也可裝配另外的預萃取裝置例如，那些設有多個通孔的分餾塔盤或濃相流化床。從預萃取裝置產生的氣體、石油汽和萃取蒸汽直接輸送到內外圓筒體之間的空間，但不排到分離裝置的外面，從而提高了預萃取效率，減小了裝置體積。直接輸送的原因是因為本發明分離裝置的分離效率由於穩定的蒸汽在較大的範圍覆蓋，並保持在裝置的底部而不受其影響。通過本發明裝置的實施例所得出的實驗結果，來進一步描述本發明。實驗中應用了五種類型的分離裝置，其切縫寬度和長度、導向葉片寬度、外圓筒體直徑和長度以及切縫個數不相同。在FCC裝置中用於從重油中生產汽油的催化劑，作為被分離出的純淨固體物質使用。催化劑顆粒的平均尺寸為63微米、容積密度為0．85g／cm3。作為氣體物質使用的空氣與催化劑混合。被稱作裝置A、B、C、D和E的五種裝置的尺寸分別如表1所示。表1表2示出了裝置A的分離效率隨內圓筒體內的空氣線速度和混合率(催化劑重量／空氣重量)變化的情況。當線速度和混合率為15m／s和29時，所得出的分離效率大於99％，該線速度和混合率分別相當於在FCC裝置的反應器中發生反應的情況下的值。線速度為30m／s時所得到的結果相同。表2>利用裝置B可進行相同的實驗，其結果如表3所示。由於裝置B設有三個切縫，在切縫處的線速度比裝置A大3／4倍。線速度為15m／s和30m／s的情況下，分離效率分別大於99％和97％。表3表4表示利用裝置C進行相同實驗得出的結果。裝置C的直徑是裝置A的8／10，相應地，其寬度是裝置A的一半。在線速度分別小於15m／s和30m／s時，得出的分離效率大於99％和95％。表4表5表示利用裝置D進行相同實驗得出的結果。由於裝置D的切縫長度是裝置C一半，在切縫處的線速度是裝置C的2倍。在不同的條件下所得出的分離效率大於92％。表5表6表示利用裝置E進行相同實驗得出的結果。由於裝置E具有裝置C一半的切縫長度，混合物在切縫處的線速度是裝置C的2倍。在線速度分別為15m／s和30m／s時，分離效率大於99％和95％。表6在上述實驗中，本發明的裝置被舉例為向下流動型的裝置，混合物從裝置的上部加入，本發明的裝置可用於向下流動的分離裝置。圖4表示了本發明的裝置10A用作向下流動型時的橫向剖面圖。裝置10A也是垂直方向設置，並包括一雙層結構，該結構包括一內圓筒體20』和一與內圓筒體同軸設置並包圍內圓筒體的外圓筒體12』。內圓筒體20』呈圓柱形，從裝置的底部垂直延伸，並具有敞口的底部，以形成加入混合物的入口。內圓筒體具有用平板21』密封的上部，並設有多個在側壁上延長的切縫。外圓筒體12』在其上表面的中心設有直徑小於外圓筒體12』並與其內部相連的氣體排出口16』。外圓筒體12』的下端向著底部直徑逐漸減小，並與內圓筒體20』的外表面相連。固體排出口13』設在外圓筒體呈錐形底部的傾斜部位。外圓筒體12除上部和下部外大致保持密封。圖4中所示裝置的尺寸及材料和圖1中所示裝置的尺寸和材料相同。內圓筒體20』也設有多個切縫14和導向葉片15，以及上面已描述的裝置。圖4和圖1相應的部分用相同的標號表示。在裝置中除混合物從設在內圓筒體底部的入口11』加入外，圖4中的分離裝置在用途、效果以及性能方面和前面所示的裝置相同。圖4所示的分離裝置可與這樣的一個相當於上述預萃取裝置的裝置配合使用，該裝置通過在下部設置多個擋板或設置多孔板或使用濃相流化層來構成。圖5示出了這樣一種改進的分離裝置10A』的剖視圖。在此圖中，和其它圖相應的每一部分用相同的標號表示。該裝置能改進預萃取效果，並有助於減小整個FCC裝置的體積。權利要求1.一種用於快速分離直徑為1-500μm的顆粒和氣體物質的分離裝置，該裝置包括一具有一封閉端的垂直設置的內圓筒體，該圓筒體的另一端形成一入口，通過該入口加入所述催化劑和所述氣體物質的混合物，該裝置還包括一大緻密封的外圓筒體，它環繞所述內圓筒體並與之同軸設置，在其上部形成一與所述裝置的外部相連的氣體排出口，在其下部形成一與所述裝置的外部相連的顆粒排出口，其特徵在於，所述內圓筒體的側表面設有多個在軸向方向上延伸並在圓周方向上等距離設置的細長切縫，以及多個曲線或平板導向葉片，該葉片相對於內圓筒體的徑向方向從切縫的縱向邊緣附近向外突出，並以一預定長度垂直延伸。2.按照權利要求1所述的分離裝置，其特徵在於，所述的切縫和導向葉片分別設置2-16個，所述外圓筒體和所述內圓筒體的直徑比為1．1至20，以及所述外圓筒體的有效直徑大於所述內圓筒體直徑1-30倍。3.按照權利要求1所述的分離裝置，其特徵在於，所述外圓筒體的內下部設置一包括一環形蒸汽供給裝置的預萃取裝置。4.按照權利要求3所述的分離裝置，其特徵在於，所述預萃取裝置是多個擋板。5.按照權利要求3所述的分離裝置，其特徵在於，所述預萃取裝置是一多孔板。全文摘要一種分離直徑為1—500μm的顆粒和氣體物質的分離裝置,包括一具有一封閉端的垂直設置的內圓筒體,該圓筒體的另一端形成一入口,通過該入口加入催化劑和氣體的混合物,還包括一密封的外圓筒體,它環繞所述內圓筒體並與之同軸設置,在其上部形成一氣體排出口,在其下部形成一顆粒排出口,內圓筒體的側表面設有多個細長切縫及多個導向葉片,該葉片從切縫的邊緣附近向外突出,並以一預定長度垂直延伸。該分離裝置提高了分離效率,氣體滯留時間短。文檔編號B04C3/00GK1204546SQ98108870公開日1999年1月13日申請日期1998年3月13日優先權日1997年3月14日發明者西田昭三,藤山優一郎申請人:日本石油株式會社,財團法人石油產業活性化中心