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旋风、内旋系统及多管版

二、流化床反应器内(外)多级旋风分离器及系统优化设计技术

流态化技术在工业装置上之所以能够广泛应用和旋风分离器的发展有着密切关系。流化床有一个显著的特点即粉体负荷特别大,如流化催化裂化装置中,通常一级旋风分离器入口催化剂浓度达到5~10kg/m3,因此对回收昂贵催化剂的旋风分离器提出了极高的要求。目前国内外在流化床内常采用多级串联方式,要求其总效率在99.9%以上,但在旋风分离器问世初期,由于不能满足这样的要求,所以气固反应作为一种先进的化工过程在工业上应用也经历了三个阶段:即固定床、移动床和流化床。直至二十世纪四十年代中期随着高效旋风分离器的采用,流化床反应器也就迅速发展起来。如1942年在美国路易斯安娜州,巴腾鲁日炼油厂采用流化催化裂化,设备结构简单,操作方便,处理能力大大提高。

二十世纪六十年代后流化床反应器在石油化工中得到迅猛发展,不仅日趋大型化,并且出现了快速流化床、细粒流化床。由于催化剂中加入一些贵金属,价格更贵,所以对旋风分离器系统提出了更严格的分离要求,新型高效旋风分离器的开发成功将更促进流化床的迅速发展。

2 流化床反应器内(外)旋风分离器系统

2.1 内(外)旋风分离器系统开发

内旋风分离系统一般是由一组或几组串联旋风分离器所组成,安装在流化床顶部,用来捕集被气流扬析或夹带的细颗粒催化剂,并通过料腿返回流化床浓相区,使流化床能保持长期连续运转。流化床内旋风分离器系统开发,不但要研制高效旋风分离器,而且要运用系统工程概念,对整个旋风分离器系统进行优化,其中包括:选择高效旋风分离器的结构型式,确定各级旋风分离器最佳的结构尺寸和操作参数以达到用最小阻力获得最高分离效率,同时,还要求能经受高浓度催化剂的高速冲刷,解决设备的磨损问题。上海ag环亚集团官网 化工科技有限公司在消化吸收引进装置及技术的基础上,对旋风分离器作了深入的研究,通过流场测定,根据旋风内气流运动规律,找出影响旋风性能的不利因素,着重解决上涡流的问题,经多种构型优选试验以及降低阻力结构的探索试验,先后开发出D型(DI型、DⅡ型及DⅢ型)、B型、ET型、EI型、EⅡ型、DEⅡ型及ZAF型等多种新型高效旋风分离器,尤其是EⅡ型高效旋风分离器,其分离效率超过美国Buell 公司的专利产品Buell旋风分离器6~8%。与此同时,我公司在上述研究基础上,应用化工系统工程的基本原理,将内旋风分离器看作由旋风分离器、料腿、堵头及翼阀等子系统组成的分离系统,着重考虑各子系统之间的相互影响及流化床操作对分离系统的影响,建立了内旋风分离系统的模拟计算程序,为内旋风分离系统的优化设计及性能预测提供了可能。

 由于某些气固两相反应体系采用流化床反应器具有一些特殊性,采用内旋风系统连续返料方式变为不可能或很难实现,因此采用外旋风系统连续返料方式成为一种较为可行的方案。例如:1000℃高温带压粉煤气化炉,由于气化炉内部最高温度接近1600℃,目前还没有一种金属能在如此高温且有腐蚀的条件下长期稳定运行,因而采用内旋风系统是不现实的,唯有采用外旋风系统连续返料方式。再例如:某些有机硅流化床反应器,反应器内部产生副产物会造成内旋风系统及料腿容易堵塞,造成无法长期稳定运行,而采用外旋风系统连续返料方式就可以避开堵塞的干扰。当然还有许多流化床反应器因总高度不够或设计上的缺陷,导致无法采用内旋风系统,此时外旋风系统连续返料成为可选方式。

上海ag环亚集团官网 化工科技有限公司有二十余种气固两相流化床反应器近三百套内(外)旋风系统设计的实际工程经验,这些反应器内旋装置技术涉及诸如苯胺、邻甲苯胺、苯酐、丙烯腈、百菌清、丁烯氧化脱氢、间苯二腈、邻氯苯甲腈、氯代苯腈、萘醌、氧化氯乙烯(VCM)、三聚氰胺、氰基吡啶、氰基吡嗪、有机硅、三氯氢硅、多晶硅及1000℃高温带压粉煤气化炉等等装置,我公司对各种工况条件的内(外)旋风技术有足够深刻的认识,掌握了该系统的“核心”技术,同类产品的单耗指标全面优于国外技术。

内(外)旋风返料系统的核心部件之一是料腿及下料阀,料腿大小(即直径)的计算将会影响旋风收集的物料通过能力,料腿长度的计算将关系到料封的高度是否足够满足要求;下料阀的密封性能将直接影响旋风的效率,而其排料能力将决定料腿是否易被物料堵塞。料腿及下料阀与两级旋风形成一个完整的系统,需要用化工系统工程的原理进行优化设计。

旋风返料系统中“料腿仪表监测系统”能够“在线”监测各级旋风分离器的实际运行状况,旋风返料系统中“料腿吹扫系统”可对旋风的异常情况作出及时处理。

正常条件下,就三级内(外)旋风系统的流化床反应器而言,上海ag环亚集团官网 化工科技有限公司已经可以做到从第三级旋风分离器出口逃逸的颗粒平均粒径小于3~5μm(注:并非旋风分离器的切割粒径),这已接近旋风分离机理的极限了。生产厂家可以自己取样分析对照一下(或由我方代为作激光测粒分析),查找是否存在差距,上海ag环亚集团官网 化工科技有限公司的此项技术完全可以给出一个满意的结果。

2.2 内(外)旋风分离系统模拟计算程序

上海ag环亚集团官网 化工科技有限公司主要科研人员长期从事旋风分离器的研究及开发,迄今已有近伍十余年的历史,在理论研究、工业性应用研究的基础上先后开发出D型(DI型、DⅡ型及DⅢ型)、B型、ET型、EI型、EⅡ型、DEⅡ型及ZAF型等多种新型高效旋风分离器, 建立了多种型号旋风分离器在不同操作条件下的粒级效率和阻力计算数学模型,针对旋风分离器内气流的湍流、返混等影响因素,同时考虑气体介质的性质、温度、粘度、粉尘密度及旋风分离器进口粉尘浓度等等对旋风效率和阻力的影响,涉及多组多级旋风分离器不同的组合形式, 应用化工系统工程的基本原理,开发出旋风分离器串、并联分离系统《CS1旋风分离系统模拟计算程序》。经上千次工业装置的冷、热态试验考核表明,该计算程序的计算结果与实测值基本相吻,两者误差均小于5%。该软件的开发属国内首创,应用该计算程序可旋风分离系统进行最优化设计,不仅可以预测单个旋风分离器的各项分离性能,而且解决了多组多级旋风分离器系统如何进行最佳组合的问题,避免了设计上的随意性及盲目性。

2.3 应用实例

上海ag环亚集团官网 化工科技有限公司研发的高效旋风分离器已在全国近千套装置中成功应用,取得了显著的经济效益和社会效益。目前已广泛应用于苯胺、邻甲苯胺、苯酐、丙烯腈、百菌清、丁烯氧化脱氢、间苯二腈、邻氯苯甲腈、氯代苯腈、萘醌、氧化氯乙烯(VCM)、三聚氰胺、氰基吡啶、氰基吡嗪、有机硅、三氯氢硅、多晶硅及1000℃高温带压粉煤气化炉等等气固两相反应体系,作为流化床反应器连续返料回收的主要设备,均取得了良好的效果,现举例如下。

2.3.1 丙烯腈反应器内旋风分离系统设计

二十世纪八十年代国内的丙烯腈生产装置,除上海石化总厂引进装置外,基本为粗颗粒流化床反应器,装置规模小,由于内旋风分离系统性能差,催化剂跑损严重、年耗高,所以无法改用细颗粒催化剂。

1984年大庆石化总厂化纤分厂,对原生产装置进行了改造。丙烯腈采用C41细颗粒催化剂,平均粒径dp50=14.5μm;在Ф2800流化床反应器内采用三级串联B型高效旋风分离器,并应用CS1模拟计算程序进行优化设计,全系统一次开车成功。经二年连续运转,内旋风分离系统操作稳定,性能达到设计指标,催化剂年耗小于1kg/T丙烯腈,经济效益显著,单计减少催化剂跑损一项,经济收益达100万元/年。模拟计算与实测误差见下表(热态测定及计算结果):

 

操   作   条   件

总效率 η

( % )

阻力降 ΔP

(mmH2O)

Ⅲ级

出口浓度

C(g/m3)

相对误差

ε( % )

温度T

(℃)

压力P

kgf/cm2

气量Q

(Nm3/hr)

进口尘浓C

(g/Nm3)

计算值

390

0.69

6000

707.9

99.971%

752

0.202

ΔP:ε= 6 %

实测值

390

0.69

6000

707.9

99.973%

800

0.19

Δη:ε= 5.9 %

 

2.3.2 苯酐反应器内旋风分离系统设计

北京化工二厂苯酐生产装置   流化床反应器直径φ3000mm,处理风量12000Nm3/hr,原来采用前苏联ЦН-15型旋风分离器,催化剂跑损严重,平均每吨苯酐催化剂的跑损量高达3kg以上,并且旋风分离器使用20天左右即被磨穿,严重影响稳定生产。

1985年厂方对苯酐生产装置进行改造,采用我公司研制的ET型高效旋风分离器,应用CS1模拟计算程序进行优化设计,配套使用“可拆式翼阀”,选用新型打磨细颗粒催化剂,一次开车成功,内旋风分离系统捕集效果很好,操作稳定,催化剂跑损大量减少,总分离效率达99.989%以上,三级旋风分离出口催化剂浓度为0.033g/Nm3,催化剂单耗降到0.37kg/T苯酐。

该装置连续运行二年来,尚未发现分离设备磨损问题,达到高效、耐磨要求,获得生产厂的好评,测定数据见下表:

催化剂夹带

平均浓度(g/Nm3)

一旋进口

一旋出口

二旋出口

三旋出口

303.5

0.52

0.063

0.033

分离效率

(%)

一旋

二旋

三旋

总效率

99.83

87.88

49.42

99.989

徐州化工厂苯酐生产装置   φ2000mm流化床反应器经改造由原过滤管改成ET型高效旋风分离器,效果良好,三级旋风总效率达到99.99%以上,三级旋风分离器出口催化剂浓度为0.019g/Nm3左右,取得了显著的经济效益,使用后生产能力由2300T/Y增加到2800T/Y,每年可增加产值85万元,催化剂单耗由过滤管时的8kg/T,降低到2kg/T以下,每年可节约催化剂14.85T,节约价值10.4万元。

2.3.3 百菌清反应器内旋风分离系统设计

云南化工厂年产1000T百菌清的苯二甲腈细颗粒流化床反应器,其催化剂回收系统原准备引进国外旋风分离器,经两年洽谈,未能成功,后采用我院研制的EⅡ型旋风分离器(三级串联),一次开车成功,效果良好,三级旋风总效率高达99.99%以上,三级旋风出口催化剂浓度为0.02g/Nm3左右,远小于厂方设计要求0.2g/Nm3。此项目为化工部会战项目,为此得到化工部嘉奖。

2.3.4 苯胺反应器内旋风分离设计

江苏泰兴新浦化学工业有限公司苯胺生产装置,Ф3000年产三万吨苯胺流化床反应器,采用三级串联,EⅡ型高效旋风分离器,一次开车成功,取得良好效果。

该项目难度较大,负荷变化大,从年产1万吨至年产3万吨,气量变化从7500至12000 m3/hr,负荷变化达60%左右,操作压力从常压到加压,这对一般旋风分离器适应是很困难的,尤其在低速时,分离效率会显著下降,由于EⅡ型高效旋风操作弹性大,经各种条件试车测定都取得了满意的效果,其三级旋风出口催化剂浓度为20mg/Nm3左右,总效率达99.99%以上。

 

下表为该装置投产3个月后,双方共同进行现场测定的结果:

标定状态

温  度

空气气量

m3/h

操作压力

MPa

一旋进口

浓度g/m3

三旋出口

浓度mg/m3

三级旋风系统总效率%

热   态

~190

8140 

0.18MPa

256.0 

17.2

99.993

注:每组数据均为多次测量平均值。

2010年2月及2011年7月,我公司分别对泰兴新浦化学工业有限公司原有两套某著名大学设计的两套Ф3000年产五万吨苯胺流化床反应器内旋风系统进行了改造,原有内旋风系统催化剂跑损非常严重,曾经出现过三个月跑出约17吨催化剂的现象,为此厂方根据我公司的技术要求进行了长达七个月的装置改造,两套装置改造投产均一次成功,完全达到合同所签订的旋风出口催化剂浓度为70mg/Nm3的技术指标,获得用户好评。迄今为止,我公司已在国内推广苯胺流化床反应器内旋风系统约四十余套。

2.3.5 三聚氰胺生产装置流化床反应器内旋风分离系统设计

山东聊城鲁西化工集团有限责任公司三聚氰胺反应器生产装置,Ф7600年产六万吨三聚氰胺流化床反应器,采用六组两级EⅡ型高效旋风分离器串联方案,一次开车成功,取得良好效果。

该项目处理气量Q=96348Nm3/h(标准状态)=43483m3/h(操作状态),其操作温度T=380℃及工作压力P=0.53MPa(绝压),由于处理气量较大,我方选择了六组两级EⅡ型高效旋风分离器串联方案,考虑到本反应存在副产物密勒胺存在,该产物340℃以下会产生凝华现象,容易造成旋风、料腿及下料阀的堵塞,我方对内旋系统进行了特殊设计,避免了影响反应器长期稳定运行的因素发生。

近几年,我公司在昊华骏化集团有限公司两套六万吨三聚氰胺流化床反应器内旋风装置及湖北华强化工集团股份有限公司六万吨三聚氰胺流化床反应器内旋风装置均成功实施。

 

 

2.3.5 有机硅生产装置流化床反应器外旋风分离系统设计

浙江开化合成材料有限公司是国内最早生产有机硅单体的厂家之一, 以前流化床反应器出口气相中物料的回收采用三级串联方案, 即旋风分离器+玻纤袋式除尘器+湿法除尘器, 由于原有旋风分离器除尘效果较差, 导致玻纤袋式除尘器负荷很大, 且因物料还会在滤袋表面发生二次反应, 该反应属强放热反应, 容易造成滤袋局部出现高温烧袋现象, 玻纤布袋平均寿命仅一星期左右,使后序湿法除尘处理难度大大增加。另外,该气相中硅粉与铜粉的浓度很高(每标方含尘浓度在公斤级),同时硅粉硬度特别大,加之物料系统对设备的腐蚀严重,普通旋风分离器的寿命常常只有1~2个月。因此可以说该项目的难度较大,1999年即便发达国家也未见有突破性报道。

考虑到流化床反应器直径较小(年产1.5万吨),并且反应物及产物等物性复杂(管道易被物料堵塞),我公司协同厂家决定采用三级串联EII旋风分离器(外置)加一级湿法除尘器的方案,经系统优化设计后,在实际应用已取得了非常满意的效果,旋风系统总效率达99.99%以上。为了解决旋风分离器磨损及腐蚀严重等问题,一级与二级采用了龟甲网加刚玉的专利衬里技术,经四年多的使用该旋风分离器磨损及腐蚀很少,获得了用户的好评。

本技术2002年在浙江新安集团股份有限公司年产2.5万吨与5.0万吨有机硅生产装置推广应用, 亦已取得了非常满意的应用效果。并先后在江苏梅兰化工股份有限公司、江苏宏达新材料股份有限公司、宁波朝日硅材料有限公司、盐城华业医药有限公司、江苏中能硅业科技发展有限公司、焦作煤业集团合晶科技公司及无锡中彩科技有限公司等多家有机硅、三氯氢硅和多晶硅生产厂家提供了多套外旋风分离系统(部分厂家含高温脉冲袋式过滤器),获得了用户的好评。

 

 

 

2.3.6 1000℃高温带压粉煤气化炉外旋风分离系统设计

2011年09月我公司为山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司天溪煤制油分公司提供的劣质煤干粉煤气化项目之两级高温带压耐磨隔热衬里高效旋风分离器系统(含两级连续返料系统),其设计温度T=1000℃,设计压力P=1.0MPa, 煤气流量Q≥38000Nm3/h,第一级旋风分离器进口含尘浓度最高可达公斤级。该项目原是国内三家顶尖知名设计院及科研院共同合作的863国家攻关项目,经过近五年的实际运行效果一直不佳。我公司对劣质煤干粉煤气化炉重新进行了改造设计(主要包括两级高温带压耐磨隔热衬里高效旋风分离器、连续返料系统及气化炉分布板与下部总成),仅仅保留了原有气化炉的壳体,改造后两级高温带压耐磨隔热衬里高效旋风分离器及连续返料系统运行稳定,操作较以前大为简化,产气量成倍提升,经过一年的实际运行考核,获得了用户的肯定。该技术代表了目前国内外流化床反应器多级旋风分离器及连续返料系统的最高水平。


两级高温带压衬里旋风分离器运输中

劣质煤干粉煤气化成套装置


投产中的两级高温带压衬里旋风分离器