【doc】 后置烧焦管出口新型气固分离器的大型冷模实验

【doc】 后置烧焦管出口新型气固分离器的大型冷模实验 后置烧焦管出口新型气固分离器的大型冷 模实验 第2l卷第4期 2005年8月 化学反应与工艺 ChemicalReactionEngineeringandTechnology VOl2l,NOI Aug.2005 文章编号:10017631(2005)O4O3O906 后置烧焦管出口新型气固分离器的 大型冷模实验 刘显成卢春喜张雪荣时铭显 (1.中国石油大学(北京)重质油国家重点实验室,北京102249; 2.河北化工医药职业技术学院,石家庄050031) 摘要:后置烧焦管出口的气固分离器是实现FCC后置烧焦管式组合再生工艺的关键设备之一,并筛 选出了一种基于离心与惯性协同作用的新型气固分离器.以FCC平衡剂为物料,在大型冷模实验装置上对 其进行了性能测试.实验结果明,该分离器不仅结构简单,而且操作也比较平稳,分离效率可达96.6, 99,76,压降不超过3237Pa.通过对大量实验数据的回归分析,建立了分离效率及压降的经验模型,模型的 预测结果与实验结果吻合较好. 关键词:后置烧焦管;催化裂化再生技术;气固分离器;分离效率;压降 中图分类号:TQ028.2文献标识码:A 由于提升管催化剂再生烧焦强度大,残炭值低,已成为催化裂化再生的发展方向?.为发挥管式 烧焦的特点,应对催化裂化再生负荷日益加重的趋势,开发了一种烧焦管与常规再生器相结合的后置 烧焦管式组合催化裂化再生技术.即待再生催化剂先进入常规再生器部分烧焦,然后进入烧焦管继续 烧焦,以达到提高再生能力的目的. 后置烧焦管出口的气固分离装置是实现这一工艺的关键设备.尽管旋风分离器以结构简单,分离 效率高,操作简单灵活而成为应用最广泛的气固分离设备之一_2],然而旋风分离器压降较高,磨损严 重,体积庞大口].为实现后置烧焦管组合再生工艺中烧焦管易于布置的目的并满足对压力平衡的特殊 要求,所开发的气固分离装置应具有结构简单紧凑且低阻高效的特点.为此,开发设计了新型气固分 离器.通过对9种不同结构尺寸气固分离器的实验研究,筛选出了一种较好结构的气固分离器.针对 该结构的分离器,以FCC平衡剂颗粒为物料,在大型冷模装置上开展了其性能验证实验,同时探讨了 该分离器在大型冷模实验应用过程中的影响因素. 1实验部分 实验装置如图1所示,主要由再生器800mm×12000mm,后置烧焦管200mm×10000mm 和烧焦管出口的分离器等设备组成.再生器中的颗粒经斜管,预提升器进入烧焦管,被流化风提升向 上运动,在烧焦管出口气固两相经过分离器初步分离,分离下来的颗粒经过集料器和料腿循环回再生 器.未分离下来的固体颗粒由气体夹带进入后续的旋风分离器进一步分离,分离下来的固体颗粒返回 再生器.旋分气体出口用滤袋扑集极细粉尘并及时返回系统,以维持系统颗粒藏量及粒度分布.同样, 再生器顶部也装有旋风分离器和滤袋回收系统. 前期工作筛选出的较好结构的气固分离器如图2所示,外壳呈拱门状,中间为一开有两条窄缝的 排气管.操作过程中,气固混合物竖直向上从拱门状外壳一侧进入分离器,由于两相流中固相惯性力 远大于气相,进入分离器的固体颗粒沿拱门状的外壳运动,经过180.的圆周,绕过中心排气管.从拱 收稿日期:2005—03—18;修订日期:2005—0607 作者简介:刘成(197卜).男.博士研究生:卢舂喜【l963).男.博{:生导师.通讯联系人E—mail:1cx725@sina.com 310化学反应工程与工艺2005年8月 门状外壳另一侧的颗粒出口排出;而大部分气体在流经窄缝时方向发生偏转,由排气管排出,从而实 现气固分离. 图1实验装置简图 Fig.1SchematicDiagramofExperimentalSet—up l—pre—lifter;2-riser;3-separator;4,6-particlescollector; 5,l2-cyclone;7,8,9-controlvalve;l0-inclinedpipe; llfluidizedbed \ g陆Ii\\ (/,{.一一.一一..,.…….……. 【et F. r . o .. n ... t.. v . i— e — wLe.. ft.... v .. i— e — w —+Panielesc=:>Gas 图2气固分离器示意图 Fig.2SchematicDiagramofGas—SolidSeparator 根据筛选结果,该分离器结构为:中心排气管与拱门状外壳最佳半径 比为0.5,0.55,取 r/R为0.5;开缝位置对称,即角a与角相等;开缝宽度相同,即d一z一 33miTt;分离器入口截面积 ×L一70mm×300mm. 大型冷模实验系统运行平稳后,关闭阀门7(见图1),用秒表测定集料桶4中料位达到一定高度 所需的时间,得出单位时间由分离器3分离下来的颗粒量G,.在相同条件下,用同样方法可以得到单 位时间由旋风分离器5分离下来的颗粒量G,.由于经过两级分离,由旋风分离器5气体出口排出的 固体颗粒已经很少,忽略这部分颗粒量,则系统颗粒循环速率可由式(1)表示: G一G,+G,(1) 分离器效率可通过式(2)计算: 一 G,/G(2) 实验中通过调节斜管上的阀门9控制颗粒循环量,以分离器入口截面积为基准的颗粒循环强度 G.一70.4O,159.30kg/(m?S);再生器表观气速”一0.4O,0.79m/s;分离器入口气速一5.77, 15.92m/s.分离器入口及气体出口间的压降由U型管压差计测得.实验中所用的固体颗粒为FCC 平衡剂,平均粒径68pm,堆积密度916.67kg/m.,颗粒密度1500kg/m.. 2结果及讨论 2.1分离器效率 筛选出的较好结构的气固分离器以惯性分离为主,并结合了离心分离的作用.竖直向上运动的气 固两相流由烧焦管进入分离器后,由于固体颗粒的惯性远大于气体,因此有沿弧形外壳做圆周运动的 趋势,而气体在经过窄缝时方向发生偏转而排出,因而该分离过程是以惯性分离为主.经过180.圆弧 运动的颗粒大部分依惯性向下进入料腿,从而实现气固分离,距离外壳较远的颗粒则被气体携带绕过 第21卷第4期刘显成等.后置烧焦管出KI新型气固分离器的大型冷模实验311 排气管下方空间做圆周运动,此时离心分离起主 要作用.这两种分离作用都会随着气速的增加而 增强,从而使分离效率增加.图3给出了颗粒循环 强度Gs为159.30kg/(m?S)时分离效率随入口 气速的变化,实验结果表明,分离效率随气速的增 加而增加. 分离器入口含尘浓度是影响分离效率的因素 之一,不同的分离器,不同的粉尘其影响结果也不 尽相同,情况比较复杂,目前还不能从理论进行估 计L4].结合后置烧焦管再生工艺,将分离效率与以 分离器入口截面积为基准的颗粒循环强度相关 联,以反映分离效率随颗粒浓度的变化,见表1. 可以看出,分离效率随颗粒循环强度的增加而增 加. 虽然分离效率随人口气速和颗粒循环强度的 增加而增加,然而从图3和表1可以看出,分离效 率在96.6%,99.76,也就是说在给定的条件 下,分离效率随操作条件的变化较小,表明该分离 器具有较好的操作稳定性. 实验还发现,分离器的操作稳定性还受到再 生器气速的影响.在颗粒循环强度为7O.4O, 159.30kg/(m?S),入口气速5.77,15.92m/s 时分离效率随再生器气速的变化趋势见图4. 图3分离效率随人口气速的变化 Fig.3EffectofSuperficialGasVelocityinCoke- BurningRiseronSeparationEfficiency 表1分离效率随颗粒循环强度的变化 Table1EffectofSolidsFlowIntensity onSeparationEfficiency kg?m一.?s一ug=O.40m?s一”g=0.61m?s,ugO79m?s一 Note:U.一15.92m?s—l 一?. 一 / / } „ SI? /Gs=7040kgm— . 一 ? , … „Cs15930kgms? 图4分离效率随再生器气速的变化 Fig.4EffectofSuperficialGasVelocityinFluidizedBedonSeparationEfficie ncy 口”g=0.40m?S一0”g一0.61m?S一?一079m?S一 从图4中可以看出,分离效率随再生器气速的增加而降低,这种降低趋势随颗粒循环强度及气速 的减小而逐渐增大.造成这种影响的原因是,再生器气速的增加使得分离器料腿与再生器连接处的压 力升高,导致少量气体可能由料腿窜人分离器,同时,颗粒循环强度及气速的减小,使分离效率降低. 进入料腿的催化剂减少,料腿中的料封不易形成,也是气体容易窜人 分离器的一个原因因此.应该根 312化学反应工程与工艺2005年8月 据实际操作条件,选择适宜的分离器料腿与再生器的连接位置. 为了证明上述判断,在装置上增加如图1所示的两个测压点1和2,测定了不同实验条件下1,2 两点之间的压差?P,结果示于表2.可以看出,?P在各实验条件下均随颗粒循环强度的增加而增 大,说明颗粒循环强度的增加使得料腿中容易形成料封,阻止了气体的反窜.比较序号3,4两组数据 可以看出,再生器气速”为0.79m/s时,人口气速U的增加确实有助于料封的形成,这一方面是由 于入口气速的增加,使得分离效率增加,另一方面入口气速的增加本身也增加了料腿中气体的压力. 而人口气速相等的序号2,4两组实验数据表明,再生器气速的减小有助于料腿中出现正压差,序号1 数据表明再生器气速最小,同时人口气速最大时,料腿中正压差达到最大. 表2分离器料腿压差 Table2PressureDropinDiplegofSeparator 2.2分离器压降 图5,6,7给出了分离器压降随入口气速,再 生器气速和颗粒循环强度的变化趋势,可以看出, 人口气速是影响分离器压降的主要因素,压降随 人口气速的增加而明显增加,而再生器气速及颗 粒循环强度的增加仅使压降略微增加.在本实验 操作条件范围内,再生器气速U为0.79m/s,颗 粒循环强度G为159.30kg/(m.?S),人口气速 “.为15.92m/s时分离器压降最大,从图5可知, 最大压降小于3237Pa. 图6分离器压降随再生器气速的变化 Fig.6EffectofSuperficialGasVelocityinGenerator onSeparatorPressureDrop 图5分离器压降随人口气速的变化 Fig.5EffectofSuperficialGasVelocity OnPressureDrop 图7分离器压降随颗粒循环强度的变化 Fig.7EffectofParticlesFlowRate onSeparatorPressureDrop 第21卷第l期刘显成等.后置烧焦管出口新型气固分离器的大型冷模实验313 2.3分离器性能经验关联式 综合上述实验结果及分析可知,若排除再生器气速这个非正常的影 响,分离效率和压降主要由分 离器结构,人口气速,颗粒循环强度G以及颗粒与气体的物性等因素确定.其中,分离器结构参数 包括:人口面积XL,窄缝宽度d,中心排气管与外壳的半径比,-/e;上述影响因素可表示成如下 关系式: rl,Ap=f(1i,L,d,,-,R,,9p,J0,,d,”,G) 将上述影响参数无因次化,得: c. (.:)(:—::—:)(dpu,.pp,]3uippt4 (3) (4) c. (jf3Uipp]? 其中,去和反映分离器结构参数的影响;Re--dpuipp反映颗粒流动状况的影响;而 UilOp — G 卫 , /u,一c~反映分离器人口颗粒浓度的影响. 根据实验数据对分离效率和压降的关联式进行回归,得式(6)和式(7). G=O.8515川4()(..()”_o.855A? Ap=27.3495(…((dpuilOp)04259—27.3495B(7) 图8和图9分别给出了分离效率及分离器压降的计算值和实验值的对比,可以看出,按式(6)及 (7)预测的分离效率和压降与实验数据吻合较好. 图8分离效率的计算值和实验值的对比 Fig?8ComparisonbetweenExperimentaland PredicatedValuesofSeparationEfficiency 图9分离器压降的计算值和实验值的对比 Fig?9ComparisonbetweenExperimentaland PredicatedValuesofPressureDrop 3结论 a)在大型冷模装置上,用FCC平衡剂颗粒实验测定了后置烧焦管出口新型气固分离器的分离效 率和压降.结果表明,该分离器不仅结构简单,而且操作比较平稳在实验条件范围内,分离效率可达 314化学反应工程与工艺2005年8月 96.6,99.76,压降不超过3237Pa. b)通过对实验现象和实验数据的分析,指出了分离效率和压降的影响因素,通过对大量实验数 据分析回归,给出了计算分离效率和压降的经验公式.. 参考文献: 符号说明 —— 拱门状外壳内径,mm —— 分离器料腿颗粒流率,kg?m?s-1 —— 分离器入口颗粒循环强度,kg?m?s-1 —— 分离器入口颗粒浓度,kg?m —— 颗粒直径,pm —— 分离器出口宽度,mm —— 分离器入口表观气速,m?s-1 —— 窄缝定位角, —— 分离效率 —— 分离器料腿压降,Pa —— 分离器长度,mm —— 旋风分离器料腿颗粒流率,kg?m?s-1 —— 窄缝宽度,mm —— 分离器入口宽度,mm —— 中心排气管内径,mm —— 再生器表观气速,m?s-1 —— 空气粘度,Pa?S —— 颗粒密度,kg?m —— 分离器压降,Pa 1金涌,祝京旭,汪展文等.流态化工程原理.北京:清华大学出版 社,2001.188 2YoungminJ,ChiT,RayMB.DevelopmentofaPostCyclonetoImprovetheE fficiencyofReverseFlowCyclones?PowderTech— nology.2000,113(1,2):97,108 3CenKefa,LiXiaodong,LiYangxin,eta1.ExperimentalStudyofaFinnedTu SolidSeparatorforCFBBoilers? besImpactGas— ChemicalEngineeringJournal,1997?66:159,169 4孙国刚,汪云瑛,时铭显.PV型旋风分离器冷态性能试验及其计算. 石油炼制,1989(4):18~25 SunGuogang,WangYunying,ShiMingxian.PerformanceStudyofTypePVCycloneSeparator.PetroleumProcessing,1989 (4):18,25 PerformanceExaminationofaNovelGas—SolidSeparator UsedatOutletofPostCoke—burningRiser inLargeScaleColdModelExperimentalSetup LiuXianchengLuChunxiZhangXuerongShiMingxian (1.StateKeyLaboratoryofHeavyOil,UniversityofPetroleum,Beijing102249,China; 2.HebeiChemicalandMedicineVactionalTechnologyCollege.Shjiazhuang050031,China) Abstract:Anewfluidcatalyticcracking(FCC)regenerationtechnologycombiningpostcoke— burningriserandconventionalturbulentbedregeneratorhadbeendeveloped.Oneofthekeycom— ponentsinthistechnologywasgas, solidseparatorlocatedatoutletofriserregenerator.Anovel gas..solidseparatorbasedbothinertialandcentrifugalseparationwasdeveloped.Performanceofthe gas.solidseparatorwastestedinalargescalecoldmodelexperimentalsetupwithFCCparticles. Resultsshowedthattheseparatorhadsimplestructure,highefficiencyandlowpressuredrop,its separationefficiencywas96.6, 99.76andpressuredropwaslessthan3237Pa.Basedonanal— ysisofexperimentaldata,correlationsofseparationefficiencyandpressuredropwerefound. Predictingresultsfromcorrelationsshowedgoodagreementwithexperimentaldata. Keywords:postcoke—burningriser;regenerator;gas—solidseparator;sep arationefficiency; pressuredrop L州 R? 邢