專利名稱：快速流化床空隙率再分配工藝及裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于快速流態化領域，主要是對快速流化床中空隙率的徑向和軸向分布進行改進的工藝和裝置。應用領域為石油、化工、冶金、能源和環境等。
快速流化床以其無氣泡、返混小和溫度均勻等特征，一直被認為是一種比較理想的氣固接觸設備，在工業生產中已有廣泛的應用。但近年來對快速流態化流動現象的研究表明，在快速流化床中不僅存在著空隙率軸向分布的不均勻性，還存在徑向分布的不均勻性。在軸向，空隙率呈“S-型”分布，即床層上部為稀相，下部為濃相，濃稀相之間通過一個轉折點逐步過渡(Y.Li and M.Kwauk，1980，in FLUIDIZATION，J.Grace & J.M.Matson(Eds.)，Plenum Press，p.537);在徑向，空隙率為中心稀、邊壁濃的拋物型分布(Y.Tung，J.Li and M.Kwauk，1988，in FLUIDIZATION-Science & Technology，M.Kwauk & D.Kunii(Eds.)，Science Press，p.139)。其中，邊壁低速區顆粒以團聚物的形態向下運動，返混是不可忽視的(J.Li and H.Weinstein，1989，Chem.Eng.Sci.，Vol.44，No.8，p.1697)。因此，這種不均勻分布會對化學反應產生不可忽視的影響，工業界對此也有所認識。
雖已知道，稀、濃界面的相際顆粒交換遠小于稀相或濃相內部的顆粒交換(郭慕孫，1979，流態化浸取與洗滌，科學出版社)。但一方面由于對快速床的不均勻性，尤其對徑向不均勻性，在1988年于法國召開的第二屆國際循環流化床會議上才有統一的認識(Basu and Large，1988，in CIRCULATING FLUIDIZED BED TECHNOLOGY Ⅱ，P.Basu & J.F.Large(Eds.)，Pergamon Press，p.6)，因而，對不均勻性改善的工作起步不久;另一方面，由于人們的研究一開始就注重改善徑向空隙率分布，沒有將軸向空隙率分布的改善作為一個整體聯系起來，更不具備實施快速床多段化的前提條件，沒有人提出過這一方案。
對徑向分布改善的研究(鄭傳根、董元吉，1990，化工冶金，11(4)，p.296)表明，在內部構件的作用下，伴隨空隙率徑向分布曲線變平的結果卻是截面平均濃度下降，這將使設備效率降低，是不希望的。因此，目前還沒有一種比較理想的方法解決這種不均勻性問題。
本發明的目的是利用內部構件使截面平均濃度下降和濃相區擴展的特點，發明一種多段快速床工藝及設備，使快速床內的空隙率重新分布，以實現高濃度、低返混的多段快速流態化操作。
本發明首次提出“快速流化床多段化”這一技術方案。其前提條件是多孔板、錐斗、橫向園環、錐子和縱向園環等構件使構件處的截面平均顆粒濃度下降，更重要的是將壁區刮下的顆粒轉向上部的稀相區。這樣，不但我們沒有損失這部分顆粒(它們仍然保留在整體快速床內)，而實現了快速床的多段化。
本發明提出的快速流化床空隙率再分配工藝，其特征在于在快速床濃相區設置能抑制床層邊壁區顆粒回流，使截面平均濃度下降、濃相區擴展的內部構件，從而使稀、濃相多次重復，形成以稀、濃為單元的分段;稀、濃界面的相際顆粒交換遠小于稀相或濃相內部的顆粒交換。因此，其裝置的特征在于在快速床濃相區設置內部構件，構件可用螺桿、焊接或法蘭等形式固定在床內，或作為預置構件吊裝在床內，形成稀、濃相間的多段快速床。各種構件的設計要點如下(1)多孔板構件-這種構件起到均布氣體的作用，關鍵要提高邊壁低速區氣體的速度，本發明采取的輔助措施是讓多空板的直徑略小于快速床的直徑，在它們之間留出一圈狹縫。
(2)倒錐斗構件-這種構件是上面的多空板構件的改型。因為出現顆粒回流的區域主要在徑向位置75%以外的環區，為減輕顆粒與構件之間的磨擦及構件的阻力，本發明著眼于對邊壁氣流分布的改善，同樣在錐斗上園與管壁之間留出一圈狹縫。
(3)橫向園環構件Ⅰ-這種構件著眼于阻擋邊壁顆粒倒流，因此在緊貼管壁處設置橫向園環型擋圈。
(4)橫向園環構件Ⅱ-這種構件是上面的橫向園環構件Ⅰ的改型，目的是減輕顆粒與構件之間的磨擦。
(5)橫向園環構件Ⅲ-目的同上。
(6)錐子構件-目的是將中心的氣流向壁區集中，從而吹走壁區回流的顆粒。
(7)縱向園環構件-這種構件由一組一定高度的同心園環組成。由于造成徑向空隙率分布不均的根本原因是湍流不均勻因素，將中心區的顆粒推向邊壁環區。根據這一機理，本發明提出了這種構件，通過設置邊壁，阻止顆粒向管壁運動。
以上各種內部構件的尺寸主要決定于快速床的直徑，構件可用螺桿、焊接或法蘭等形式固定在床內，或作為預置構件吊裝在床內，每組構件的數量與構件的組數由化學反應的需要決定。在以上構件的作用下，整體快速床可分隔成稀、濃相間的多段快速床。由于濃相區向上部稀相區擴展，因而相當于將上部部分稀相分配于構件處，而不損失整體快速床內顆粒的數量，達到發明的目的。


圖1是內部構件結構的剖面示意圖，其中1(a)-多孔板構件，1(b)-倒錐斗構件，1(c)-橫向園環構件Ⅰ，1(d)-橫向園環構件Ⅱ，1(e)-橫向園環構件Ⅲ，1(f)-錐子構件，1(g)-縱向園環構件。圖中符號D-直徑，h-高，Φ-多孔板開孔率，a-孔間距，T-開孔方式(通常有正三角形和正方形等)，θ-角度，R-橫向園環構件球面的半徑，B-構件壁厚;下表符號h-上，L-下，in-內園，out-外園，c-孔，1-第1，2-第2，i-第i。
圖2是多段快速流化床裝置實施示意圖，其中1-快速床，2-濃相段，3-稀相段，4-構件，5-上部稀相區，6-壓力平衡管，7-擴大段，8-氣體出口，9-旋風分離器，10-脈沖閥，11-流量計，12-氣體入口，13-蝶閥，14-副床，15-沉降式分離器。
圖3和圖4分別是構件造成的空隙率軸向再分布和徑向再分布。圖3中g-截面平均空隙率，H-床層高度，gin-構件處截面平均空隙率，ga-濃相區空隙率，g-稀相區空隙率;圖4中r/R-徑向位置，g-局部空隙率。
現結合附圖進一步說明本發明的實施例。實驗的主體設備多段快速流化床由用有機玻璃材料制做的直徑為90mm的快速床和120mm的副床組成，有效床高為10m，圖2為其結構示意圖。氣體[12]經流量計[11]進入快速床[1]，被氣流帶出快速床[1]的顆粒大部分在沉降式分離器[15]中分離，少部分顆粒隨氣流進入第一、二級旋風除塵器[9]分離，氣流[8]又經布袋過濾后放入大氣。被分離的顆粒經過副床[14]循環回到快速床[1]底部。副床[14]氣速維持在0.1m/s左右，以確保顆粒在副床內自由下流，為快速床供料。固體循環量由副床存料高度和兩床底部連接斜管上的蝶閥[13]控制。
全部實驗以空氣為流化介質，FCC(Fluid Catalytic Cracking)催化劑為流化顆粒物料，粒徑46.7μm，密度0.9295g/cm3。全部操作維持在稀濃兩相共存的范圍內。
圖2、圖3和圖4所示為在快速床中加置兩組倒錐斗構件的情況，系統內顆粒儲量約為30kg，氣速1.75m/s，顆粒循環速度18.6kg/m2s，兩組構件分別置于2.25m和4.25m處，每組構件含四個，尺寸為Dh＝87mm，DL＝66mm，h＝10mm，每個間距180mm。由圖3可見，在構件處，截面平均空隙率gin(＝0.95)大于濃相區的空隙率ga(＝0.81)，趨近稀相區的空隙率g(＝0.96)。圖3和圖4中實線代表加構件后的分布，虛線代表沒有構件時的分布。可見，加構件后濃相區向上部稀相區擴展，其擴展的高度接近被構件置換的濃相區的高度，因而整個濃相區被兩組構件分隔成三段。另外，用多孔板構件(D＝87mm，Φ＝40%，Dc＝6.5mm，正三角形開孔)，重復了以上結果。同樣，用本發明提出的其它幾種構件也有相同的效果。依次類推，當在濃相區設置m組構件時，整個濃相區可被分隔成(m+1)段。具體應用時可根據需要，利用上部稀相空間在濃相區放置任意需要數量的構件，將濃相區分隔成任意需要的層數。
發明效果快速流化床的多段化，達到了空隙率在徑向和軸向再分配的目的，這種再分配從整體上對快速流化床的不均勻性進行了改進，從而有效地減低固體的軸向返混。
綜上所述，本發明具有以下特點快速流化床空隙率再分配工藝及裝置是通過在快速床中設置構件來實現的。加入構件后，快速床內的空隙率軸向和徑向重新進行了分布，稀、濃相的多次重復，形成以稀、濃為單元的分段。與常規多層流化床相比較，它不需要任何外加機械設備、控制儀表或其它輔助設備，最根本的區別還在于多層床中的層有自然的濃相和稀相，而快速流化床空隙率再分配工藝所實施的多段快速床，每段中除濃相是自然存在外，稀相是靠構件形成的，而且出現在構件處。另外，在構件處出現稀相的同時，整個濃相區向上部稀相區擴展，相當于將壁區刮下的顆粒上移，也就是將上部部分稀相區移位到構件處，因此不減少整體快速床內的顆粒，沒有化任何代價。而且，各種內部構件結構簡單，與不加構件的快速床同樣操作，不改變原來的操作彈性。
參資考料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.郭慕孫，1979，流態化浸取與洗滌，科學出版社5.Basu and Large，1988，in CIRCULATING FLUIDIZED BED TECHNOLOGYⅡ，P.Basu & J.F.Large(Eds.)，Pergamon Press，p.66.鄭傳根、董元吉，1990，化工冶金，11(4)，p.29權利要求
1.一種快速流化床空隙率分配工藝，其特征在于在快速床濃相區設置能抑制床層邊壁區顆粒回流，使截面平均濃度下降、濃相區擴展的內部構件，從而使稀、濃相多次重復，形成以稀、濃為單元的分段；稀、濃界面的相際顆粒交換遠小于稀相或濃相內部的顆粒交換。
2.按權利要求1所述工藝的裝置，其特征在于在快速流化床濃相區設置內部構件，構件可用螺桿、焊接或法蘭等形式固定在床內，或作為予制構件吊裝在床內，形成稀、濃相間的多段快速床。
3.按權利要求1所述的流化床，其特征在于所設置的構件可以是多孔板構件[1(a)]、倒錐斗構件[1(b)]、橫向園環構件Ⅰ[1(c)]、橫向園環構件Ⅱ[1(d)]、橫向園環構件Ⅲ[1(e)]、錐子構件[1(f)]和縱向園環構件[1(g)]等。
全文摘要
本發明屬于快速流態化領域，主要是對快速流化床中空隙的徑向和軸向分布進行改進的工藝和裝置。其要點是在快速床濃相區設置能抑制床層邊壁區顆粒回流，使截面平均濃度下降、濃相區擴展的內部構件，從而使稀、濃相多次重復，形成以稀、濃為單元的分段，抑制顆粒的返混。由于構件將邊壁區刮下的顆粒轉移到上部稀相區，因而不損失整體快速床內的顆粒。本發明提出的裝置，其構件結構簡單，實施方便，操作方式及彈性不受影響。可應用于石油、化工、冶金、能源和環境等領域。
文檔編號B01J8/34GK1051129SQ9010854
公開日1991年5月8日 申請日期1990年10月26日 優先權日1990年10月26日
發明者鄭傳根, 郭慕孫, 董元吉, 夏亞沈 申請人:中國科學院化工冶金研究所