气固流态化耦合设备及利用该设备进行颗粒混合分级的耦合方法

摘要

本发明提供了一种气固流态化耦合设备，其至少包含一级气固流化床体，该流化床体为垂直设置的筒体，顶部为锥形缩径结构，该缩径结构上部形成小颗粒出口管，而该流化床体的底部设有大颗粒出口管，侧壁上开设颗粒进口管；在筒体内呈倒锥形设有气体分布板，其上部将流化床体下端封闭，下部连接大颗粒出口管，使气体分布板、大颗粒出口管与气固流化床体的部分筒体和下封头围成一个对颗粒的闭合空间，且此闭合空间对应的筒体壁上设有用于引入流化气体的入气管。本发明同时提供了一种利用本发明的设备实现大差异颗粒多级混合、换热、反应、分级的耦合方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种气固流态化耦合设备及利用该设备进行颗粒混合、分级的耦合方法，尤其是指一种既能将大小不同的颗粒完全混合以利于反应、换热等处理步骤的完成，又能使混合颗粒再次分级的耦合设备及方法，可广泛应用于涉及到颗粒物料处理的石油炼制、化工、冶金、农业等领域。

背景技术

目前，颗粒状材料在很多行业都有着广泛的应用，如在石油炼制或其他化工行业中大量使用的固体催化剂、采矿业中的矿物以及农业中的谷物等，实际使用过程中基本上都对颗粒尺寸及粒经的分布有一定要求，而且颗粒尺寸分布往往对所涉及的过程或物料的使用性能或产品性能有很大甚至是至关重要的影响。因此，有时需要将不同尺寸分布的颗粒均匀混合，而有时则需要对混合状态的颗粒材料进行尺寸分级。

目前工业上常用的颗粒分级方法有筛分法、离心法、沉降法等，其中应用最广泛的是筛分法。筛分法采用不同网孔尺寸的筛网配合，可以分选出不同粒度范围的颗粒材料，分选精度主要由网孔尺寸精度和颗粒形状决定。为强化筛分过程，有时还可配有振动等措施。但筛分法具有筛网易堵塞的缺点，同时分选精度与颗粒形状有很大关系，对于条棒型等长径比较大的异型颗粒，筛分精度难以得到保证。对于引入振动等外力的筛分过程，由于存在着运动部件，密封问题难以解决，难以适用于经常涉及到易燃、易爆介质和高温、高压操作场合的石油炼制或其他化工等行业的应用。相对来说，离心分级设备由于没有转动部件，结构简单，在石油炼制等化工行业得到了大量的应用，但离心分级设备存在着内部颗粒浓度低、颗粒停留时间短、大小不同的颗粒间不能混合的缺陷，对于需要将大、小不同的颗粒均匀混合以完成反应、换热等操作的场合难以适应。单纯的沉降法也存在着同样的问题。

随着石油炼制等化工行业的发展，各种能大大提高设备利用率、节约能源的耦合技术越来越多的被采用。例如为降低汽油中烯烃含量而开发的“催化汽油辅助提升管反应器改质降烯烃技术”(《炼油技术与工程》2005，Vol.35，No.6，“滨州石化催化裂化汽油辅助提升管改质降烯烃技术工业化”，作者：高金森，徐春明，卢春喜等)，是在现有的重油催化裂化装置中增加一根使用专用催化剂加工催化汽油的提升管反应器，通过提供不同于重油催化裂化的反应环境，使催化汽油中的烯烃含量降低，同时保证辛烷值、液收率不降低。该技术中存在的最大的工程问题，就是新开发的催化汽油反应过程中的催化剂结焦量较低，催化剂烧焦再生放出的热量不能维持自身反应-催化剂再生系统的热平衡，如通过外加燃料解决则能耗太高。另外，该新技术中需要同时设置反应器和再生器，设备投资较高。考虑到目前重油催化裂化过程催化剂结焦量高、催化剂烧焦再生放热除维持自身系统热平衡外还有大量剩余，需用外取热器取热的现状，若能开发出一种实用的技术和设备，既能使两个过程的催化剂混合换热，同时催化汽油改质过程的催化剂还能烧焦再生，然后又能将两种不同的催化剂重新分离，将既能解决新技术高能耗问题，又能将新技术中的再生器和原重油催化裂化装置的外取热器结合为一体，大大降低了新技术的设备投资。类似的问题在目前已开发和正在开发的多种新工艺，如催化汽油芳构化、C4烯烃芳构化以及催化汽油催化裂解制乙烯、丙烯等工艺过程中，都普遍存在。在类似的过程中，如何既保证气、固、固的良好混合，以高效完成反应、换热等处理步骤，同时又能将混合颗粒高效分级，成为目前制约耦合技术应用的瓶颈问题。

发明内容

本发明提供了一种可实现颗粒有效混合、分级的气固流态化耦合设备，利用该设备既能将具有不同粒径分布的颗粒物料均匀混合以完成反应、换热等处理步骤，又能将已被混合颗粒按预定粒度分布要求重新分级。

本发明同时提供了利用上述设备实现颗粒的混合、分级的耦合方法。

本发明提供了一种气固流态化耦合设备，其至少包含一级气固流化床体，该流化床体为垂直设置的筒体，顶部为锥形缩径结构，该缩径结构上部形成小颗粒出口管，而该流化床体的底部设有大颗粒出口管，侧壁上开设颗粒进口管；在筒体内设有呈倒锥形的气体分布板，其上部将流化床体下端封闭，下部连接大颗粒出口管，使气体分布板、大颗粒出口管与气固流化床体的部分筒体和下封头围成一个对颗粒的闭合空间，且此闭合空间对应的筒体壁上设有用于引入流化气体的入气管。

上述设备中，颗粒进口管至少为一个，优选包括分别设置的大颗粒进口管和小颗粒进口管，用以分别向床体内引入大、小颗粒，且大颗粒进口管的设置位置高于小颗粒进口管。在实施颗粒的混合、分级处理时，对于事先被混为一体的颗粒，可以直接从颗粒进口管加入设备中，如果具有两个颗粒进口管，从其中一个加入(最好从大颗粒进口管加入)；对于粒径或尺寸差异较大的物料，将大颗粒和小颗粒分别从大颗粒进口管和小颗粒进口管送入气固流化床体内，经与通过气体分布板进入的气体相互作用，可形成完全混合的密相床和稀相床，很显然，稀相床形成于密相床上方。密相床中的部分小颗粒在气流作用下会向稀相床转移，并被气流夹带通过小颗粒出口管离开气固流化床体，而大颗粒则从大颗粒出口管排出，实现颗粒的混合和再分级。

根据本发明的具体设计方案，所述气固流化床体顶部锥形缩径的斜边与垂直方向的锐角夹角可以设计为20°-60°；

所述颗粒进口管管口倾斜向上且与流化床体的垂直筒体呈15°-45°的锐角夹角设置；

更优选，所述大颗粒进口管在床体的开口位置距气固流化床体顶部锥形缩径变径段大端口的距离至少为1000mm，以使被气流夹带进入稀相空间的大颗粒能有机会沉降重新返回密相，而小颗粒进口管距气体分布板倒锥上端处的距离至少为200mm，以避开分布板影响区；大、小颗粒进口管的设置角度可以相同或不相同，但可都与垂直筒体形成15°-45°的锐角夹角，一般可在30°-45°之间变化；

所述气体分布板的倒锥形斜边与垂直方向的锐角夹角为45°-75°；

更进一步，所述气体分布板的表面开有小孔，开孔方向不受限制，但优选与水平方向的夹角(锐角)控制在0°-75°之间，开孔率控制在0.5％-10％范围内(以气固流化床体截面为基准)。本发明所定义的开孔率定义为气体分布板上的开孔面积(所有孔面积之和)与床体内截面积之比。

作为一个具体实施方案，颗粒进口管(如设置两个进口管，则指小颗粒进口管)与气体分布板之间的气固流化床体内设置有气体分布器，并另设进气口与其相连。优选地，所述气体分布器的开孔率为0.5％-10％，开孔朝下，与垂直方向夹角在±45°范围内。

为实现预期的混合和/或分级效果，本发明的气固流态化耦合设备可以上述气固流化床体为基本单元，实施二级或多级串联设计，前一级的大颗粒出口管与后一级的颗粒进口管相连通，二级串联时也称二段式流化床体结构(更多级串联时也可相似称呼)。这样，前一级中脱除了部分小颗粒的大颗粒通过密相床底部的大颗粒出口管直接进入后一级流化床体内，在流化气体再次作用下再度形成密相床和稀相床，小颗粒再次从小颗粒出口管分出，大颗粒也再度从大颗粒出口管排出，直至达到预定的分级要求。

所述多个分离单元可以分别具有单独的气固流化床体，也可以是两个或两个以上气固流化床体设置为一体式的两段式或多段式结构，以适用于不同的工艺要求或环境条件。

为实现预期的混合和/或分级效果，本发明的设备还可以与其他实现颗粒分级的装置组合，具体地，本发明的设备还包括至少一个用于实现颗粒进一步分级的水平颗粒分级箱，流化床体的大颗粒出口管与该水平颗粒分级箱的顶板一侧设置的入口管相连通；该水平颗粒分级箱的靠近入口管的侧端设置气体入口，箱体内相对该气体入口设置气体分布器，可使进入的气体在垂直于颗粒进入的方向吹入箱体，箱体另一侧设置折流板，使箱体在远离入口管的一侧内形成折流室，折流室顶端设置气体出口，该箱体底板上还分布有一个以上颗粒出口，且在各颗粒出口远离入口管的一侧自底板向上设置有依次升高的挡板。当然，根据处理物料的性能和分级精度的要求，所述水平颗粒分级箱还可以是一个以上串联。

本发明同时提供了一种利用上述流态化耦合设备对颗粒实施混合和/或分级的耦合方法，使欲混合和/或分级颗粒从颗粒进口管进入流化床体，使流化气体从进气管通过气体分布板进入流化床体内，与颗粒相互作用自下向上形成完全混合的密相床和稀相床，通过控制气流的表观气速，使颗粒分别从大颗粒出口管和小颗粒出口管被气流夹带离开流化床体，实现颗粒间的分级。

本发明的耦合方法尤其适用于将大小不同的颗粒完全混合、又能使混合颗粒根据要求被再次分级，例如对于粒径大于500μm的大颗粒和粒径小于200μm的小颗粒，采用本发明的耦合设备并合理匹配气速，可实现98％以上的分级效率。此时采用二级或二级以上的混合分级操作，将大颗粒和小颗粒分别从所述气固流化床体的大颗粒进口管和小颗粒进口管送入第一级流化床体，其中大、小颗粒的加入比例(重量)为0.2～1.0∶1；调节第一级流化床体内的表观气速为0.2～1.0米/秒，大、小颗粒在从气体分布板吹入的气体作用下形成流化床，达到均匀混合；通过调节表观气速而调节分级效率范围在60％～90％之间，形成密相床和稀相床；部分小颗粒被气流夹带穿过稀相床从小颗粒出口管离开，大颗粒通过密相床底部的大颗粒出口管进入第二级流化床体中，控制第二级中的表观气速0.6～1.2米/秒，实现颗粒的再次分级，该分级操作根据需要可重复下去。

可以理解，上述混合分级操作可以利用流化床体与水平颗粒分级箱组合而成的流态化耦合设备实现，令从大颗粒出口管离开的大颗粒进入水平颗粒分级箱中，使颗粒在气流作用下的运动轨迹为抛物线状下落，依粒径差异从箱体底板上的颗粒出口离开，实现分级。

由上述可知，本发明的气固流态化耦合设备是利用气固鼓泡流化床中气泡的搅动作用以完成大、小颗粒间的完全混合，使得气、固、固接触充分，非常有利于反应、换热过程的高效进行；同时利用将双组分气固流化过程中在特定气速下密相床内部发生的颗粒分级这一特殊现象以及一般气固流化床中均存在的扬析分级现象，经过对结构的优化组合，可大幅提高分级效率，降低分级所需的流化风量；该设备的突出特点是实现两种不同颗粒的混合和分级过程的耦合。同时，设备结构紧凑，无移动部件，可连续运行，非常适于在石油炼制或其他化工等涉及到高温、高压的场合操作。例如，针对目前石油炼制行业中存在的工程问题：两种粒径不同、温度不同的催化剂之间混合换热，以及混合换热后再次分级，并且，其中一种催化剂还要与流化气体进行反应，利用本发明可以得到非常有效的解决，本发明的耦合设备和处理方法尤其适用于处理石油油品炼制中的催化裂化催化剂颗粒，即，其可用于对包含催化裂化催化剂的混合颗粒进行混合和分级，其中的小颗粒作为用于石油油品炼制中的催化裂化催化剂颗粒。

综上所述，本发明的气固流态化耦合设备及利用该设备进行颗粒混合、分级的耦合方法，与现有技术相比，有着明显的优点：

本发明以目前已在工业中大量应用的流态化技术为基础，经过对结构的优化组合及合理匹配，既能完成不同粒径颗粒的混合，又能使混合颗粒高效分级，首次达到了在使不同大小的颗粒完全混合以使反应、换热等处理步骤高效完成的同时，还能在同一设备中使混合颗粒实现高效分级。整个设备结构紧凑、简单，可连续运转，与现有的颗粒分级设备相比，无移动部件或运动结构，密封容易，尤其适用于石油炼制、化工等领域中的高温、高压及颗粒处理量很大的场合。

附图说明

图1为本发明的具体实施方案一的示意图；

图2为本发明的具体实施方案二的示意图；

图3为本发明的具体实施方案三的示意图；

图4为本发明的具体实施方案四的示意图；

图5A为气体分布板的主视示意图；

图5B为气体分布板的俯视示意图；

图6为实施方案四中的水平颗粒分级箱透视示意图；

图7显示了本发明实施例一中分级效率随表观气速的变化趋势曲线；

图8显示了本发明实施例一中对经第一级气固流化床体混合后的物料组成进行分析的结果。

具体实施方式

以下结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的详细说明：

实施例一

请参见图1所示，为本发明的气固流态化耦合设备的具体实施例一的结构示意图，两个气固流化床体1以串联方式形成一体的两段式流化床体，整个两段气固流化床体1为垂直设置的筒体，第一级流化床体的顶部为锥形缩径结构，上部形成该级的小颗粒出口管6，筒壁分别设置了大颗粒进口管3和小颗粒进口管4，大颗粒进口管3距顶部锥形大端口的距离大于1000mm，筒体内呈倒锥形设置气体分布板2，其上部将流化床体1下端封闭，并距小颗粒进口管4的距离至少为200mm，本实施例中，每个流化床体的总高约在1500mm，如图1所示，气体分布板2的下部与大颗粒出口管5相连接，在该级流化床体的下部形成了可对颗粒封闭的空间，对应该空间的筒壁上设有流化气体进口(如箭头表示)。第一级流化床体的大颗粒出口管5从顶部直接伸入后一级流化床体的筒体内形成该级的颗粒进口管，而第二级的流化床体的小颗粒出口管6设置在筒体侧壁上。

如图1所示，顶部锥形缩径斜边与垂直方向的夹角a可以从30°-60°变化；大颗粒进口管3、小颗粒进口管4与床体1的夹角b、c按照大、小颗粒的流动特性的不同以及床体1与大、小颗粒来源设备的相互位置的不同可有所调整，一般在30°-45°之间变化。

本实施例中的两段气固流化床体1的每段的底部均设有倒锥形气体分布板2，倒锥形的上部将床1下端封闭，下部接有大颗粒出口管5，根据所需分级的颗粒的粒径不同以及分级效率，倒锥形斜边与垂直方向的夹角d可控制在45°-75°之间变化；分布板2的表面开有小孔，孔径一般为3-8mm，开孔方向不受限制，优选与水平方向的夹角e根据所需分级的颗粒的粒径不同以及分级效率可控制在0°-75°之间变化(请同时参阅图5A与图5B所示，分别为本实施例的气体分布板的主视示意图与俯视示意图)，开孔率根据分离要求控制在0.5％-10％范围内(以气固流化床体1截面为基准)。气体通过气体分布板2在密相中形成上升的气泡，颗粒在通过分布板2流向出口管5的过程中与气泡逆流接触，其中的小颗粒被气泡从密相底部带向顶部，脱除了部分小颗粒的混合颗粒通过管5离开第一级进入下一级。这样就完成了大、小颗粒间的混合和初步分级。

第二段的结构与第一段类似，但主要任务是完成对颗粒的进一步分级，所以气体分布板2的开孔与第一段相比，孔径和开孔率都可相对略高(但仍在上述范围内调整)，使混合颗粒中的绝大部分小颗粒通过该段的小颗粒出口管6离开装置，而脱除了小颗粒的大颗粒则通过底部的大颗粒出口管5离开装置。

分别从大颗粒进口管3和小颗粒进口管4进入两段气固流化床体1第一级的大、小颗粒在通过气体分布板2吹入的气体的作用下于下半部形成鼓泡流化床，由于床内气泡的搅动作用，在气体分布板大端的水平线上方与密相上界面之间，气、固、固得到充分的混合，大大降低了反应、换热等过程中的传递阻力。

密相中的大、小颗粒在气流的作用下部分进入稀相空间，由于粒径大小不同，大颗粒进入稀相空间的数量较少，且上升一定高度后即再次沉降，重新返回密相，小颗粒进入稀相空间的数量较多，且上升的高度较高，在稀相空间中形成较浓密的分布。由于气流在通过锥形缩径结构时速度增加，使得其中夹带的小颗粒难以沉降返回密相，而是被气流从出口6带出。

请参阅图3所示，还可以在所述小颗粒进口管4与气体分布板2之间设置气体分布器19，以供另外一股气体通过设置在密相床中部的气体分布器19进入气固流化床体1中的上半部分，与大颗粒和小颗粒相互作用，形成完全混合的密相床和密相床上方的稀相床。

下面为使用本实施例的装置及方法进行试验的结果。试验中粒径大于500μm的大颗粒进料1998kg/h，粒径小于200μm的小颗粒进料1229kg/h。图7显示了所达到的分级效果。可以看出分级效率随着表观气速的提高而提高，在合适的表观气速下，分级效率可达到95％。图8显示了同时对气固流化床体1第一级中的物料组成进行分析的结果(均以小颗粒质量百分比表示)。将整个床体轴向分为5层，每层按不同径向各设4个采样点，20个采样点中最低浓度27.01％，最高36.03％，平均32.0 3％，标准偏差2.33％。该图可说明在达到良好的分级效果的同时，床体1中的物料中大、小颗粒混合的相当均匀。

实施例二

图2为本发明第二种实施方案的主视图，可以看到，与图1的区别在于各流化床体均为独立的单级气固流化床体，第一级流化床体1的大颗粒出口管5与后一级流化床体7的侧壁连通形成第二级的颗粒进口管。根据分级精度和操作的需要可以按照这样的方式连续串联下去，以适应不同的场地、采用更灵活的操作等要求。

类似的，流化床体内也可设置气体分布器19。

实施例三

图3为本发明第三种实施方案的主视图，在小颗粒进口管4与气体分布板2之间的密相中增设了气体分布器19，根据场地、操作、分级要求等，流化床体既可是单级(单段)式单独使用，也可以按照实施例一和实施例二的方式组合成多级(或多段)。

按照实施例二的方式组合实施时，通过气体分布板2进入的气体量相对于实施例一的方案小，利用较低气速下同时含有大、小颗粒的流化床，其密相床底部会形成几乎纯的大颗粒层，在大颗粒层之上会形成混合颗粒层的现象，在分布板2与分布器19之间形成几乎纯的大颗粒层，从而使分级效率得以进一步提高，而所需总气量则可以降低。大、小颗粒的混合和初步分离则由从分布器19中进入的气体在大颗粒层上方的混合颗粒层中完成。

实施例四

图4为本发明第四种实施方案的主视图，将本发明的流化床体与一种水平颗粒分级箱串联使用。如图所示，大颗粒出口管5与该水平颗粒分级箱8相连通，以达到更高的分级要求。类似的，流化床体的结构可以是实施例一、二、三中的任一种。

图6为该水平颗粒分级箱8的剖视图，流化床体的大颗粒出口管5与该水平颗粒分级箱的顶板9一侧设置的入口管10相连通，该水平颗粒分级箱的靠近入口管的一侧端板11设置气体入口，箱体8内相对该气体入口设置气体分布器12，可使进入的气体在垂直于颗粒进入的方向吹入箱体，箱体另一侧设置折流板17，使箱体在远离入口管10的一侧内形成折流室16，折流室16顶端设置气体出口18，根据颗粒分级的要求，该箱体8底板13上还分布有一个以上颗粒出口15，且在各颗粒出口15远离入口管的一侧自底板向上设置有依次升高的挡板14。

如图4和图6所示，通过大颗粒出口管5离开气固流化床体1的大颗粒进入水平颗粒分级箱8，通过下述连续步骤可实现颗粒的进一步分级：

(a)、从大颗粒出口管5离开气固流化床体1的夹带有部分小颗粒的大颗粒从设置在水平颗粒分级箱8的顶板9上一端的上部入口管10进入，并呈扇面落下；

(b)、气体从设置在水平颗粒分级箱8的端板11的与落下的颗粒扇面平行的气体分布器12进入，并在垂直于扇面的方向吹过；

(c)、受气流作用，下落的颗粒轨迹由垂直下落变为呈抛物状下落。大颗粒的抛出距离较短，小颗粒的抛出距离较长；

(d)、呈抛物状下落的颗粒与设置在水平颗粒分级箱8的底板13上的挡板14碰撞后改变运动方向，向下落入设置在底板13上的位于挡板14前方的出口管15，离开水平颗粒分级箱8；由于大小颗粒的抛物状下落轨迹不同，较大颗粒将从离入口管10较近的出口15排出，而较小颗粒则将从离入口管10较远的出口15排出，依次升高的挡板14也有助于颗粒的分级排出；

(e)、气流夹带着未能落下的粉末进入设置在水平颗粒分级箱8另一端的折流室16，绕过折流板17后通过设置在顶板9上另一端的气体出口管18离开，在折流过程中，粉末中的较大颗粒落入折流室16底部，并通过设置在此处的出口15离开。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的设计思想和有益效果，而并非限制本发明技术方案的实施范围；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员在此启示下，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的保护范围中。