分离装置 本发明涉及分离装置，特别是从由固体物质和气体物质组成的混合物中快速分离出固体物质和气体物质的分离装置。
在已知的反应系统中，做为催化剂或加热媒体的固体颗粒与反应物体发生接触。这种反应系统的一典型实例就是流化床式反应器，该反应器可分为一类使用浓相流化床(沸腾-流化床)的反应器和另一类应用高速移动流化床的反应器。用于反应的高速移动流化床，其内的固体和气体必须有短时间的接触。一般地，在用于从原料例如：重油中生产汽油的流体催化剂裂解(F．C．C)装置中，主要使用叫做“竖管”的向上流动型高速移动床反应器。由于改进了催化剂的性能，该反应器能够减少接触时间，从而使最终成品选择性得到提高，并抑制了过量的裂解反应。
现有高速流化床所面临的一个难题就是，在系统中需要在反应汽化产品离开竖管反应器时实现纯净颗粒状催化剂的快速分离。因此，需要一种改进的分离装置。为解决这个难题，在已公开的美国专利号为5552120和5538623的文件中，提出在用于从重油中生产汽油的FCC装置中，使用设在竖管的出口端附近被称作“密闭旋风分离器”地分离系统。
在FCC装置中，想要在反应过程为0．1至1．5秒的短时间接触中生产出轻烯烃，在反应器的出口实现固体与反应气体材料的快速分离更为重要。在这么短的接触反应中，现有的分离装置比如，旋流器，使反应产品和焦炭沉淀率降低，因为气体物质在反应器中固体滞留的时间比在分离装置中长，在分离装置中引起进一步的反应过程。
在较短的接触反应中，采用分离装置从混合物中分离催化剂，通过在竖管的出口快速冷却反应产品和催化剂的混合物，可避免进一步的反应。但是，在从重石油分馏物中生产汽油的FCC装置中，催化剂通过升高温度加热蓄热，以作为热触媒进行反应，因此，从热效率方面说，这种方法不可取。
综上所述，避免连续反应的有效方法是在反应器的出口快速分离催化剂颗粒和反应气体物质。如果催化剂颗粒大部分能被分离而不是完全分离，在下面的旋流器中，催化剂影响反应的作用减小，尽管它们在其内的滞留时间更长一些。如果不忽略在旋流器内的反应，在旋流器的入口要进行快速冷却，从而在不影响装置热效率的情况下，再生出催化剂。
在美国专利第3074878号中，公开了一种在反应器的出口混合物的快速分离方法。在此方法中，向下传送的固-气混合物通过设于其内的挡板元件折向管式反应器的一侧，并从另一侧横向喷射气体。但是，喷射角度不能大于90度，否则会导致较低的分离效率。更甚者，挡板元件由于受固体的直接撞击而容易磨损。
所公开的快速分离的另一实例是公开号为60-18447的日本专利，在该文献中，相对上下流动式反应器水平设置一矩形腔室。当混合物从腔室的一端流入腔室并以90°的角度改变流动方向时，催化剂颗粒和反应剂气体物质分别从腔室的另一端沿上下方向排出。但是，由于腔室中混合物的流动是非常大的紊流，使已分离的催化剂不能有效的流向腔室的出口，从而会在腔室中形成向上的旋涡，使分离效率降低。随着混合物中催化剂混合率的升高，这种趋势将变得更加显著。
在必须减少接触时间，以改进反应成品选择性的方法中，绝对需要提高催化剂的回收率以补偿由于接触时间短而造成的转化率的降低。考虑到这种情况，需要一种高速分离装置，它能实现从其内颗粒混合率较高的混合物中实现催化剂颗粒和反应气体材料的快速分离。
这里所用的术语“分离效率”表示固体从加入到分离装置中的混合物中分离出的比率，即从分离装置的出口所排出的固体的比率，该比率可由下述公式表示：
分离效率(％)=(从出料口回收的固体的重量)／ (加入到分离装置的固体的重量)
这里所用的术语“混合率”是由下述公式导出的一个数值：
混合率=(固体重量)／(气体反应产品重量)
鉴于现有技术中的上述难点，本发明的目的是提供一种分离装置，与现有的分离装置相比，即使气体反应物质滞留的时间较短，它也能以较高的比率分离出固体组分。
本发明提供了一种用于快速分离直径为1-500μm的颗粒和气体物质的分离装置，该装置包括一具有一封闭端的垂直设置的内圆筒体，该圆筒体的另一端形成一入口，通过该入口加入所述催化剂和所述气体物质的混合物，该装置还包括一大致密封的外圆筒体，它环绕所述内圆筒体并与之同轴设置，在其上部形成一与所述装置的外部相连的气体排出口，在其下部形成一与所述装置的外部相连的颗粒排出口，其特征在于，所述内圆筒体的侧表面设有多个在轴向方向上延伸并在圆周方向上等距离设置的细长切缝，以及多个曲线或平板导向叶片，该叶片相对于内圆筒体的径向方向从切缝的纵向边缘附近向外突出，并以一预定长度垂直延伸。
本发明的分离装置具有包括内圆筒体和外圆筒体的双层结构，固体颗粒和气体物质的混合物加入到内圆筒体。内圆筒体由底板或顶板在一端封闭，其相对的一端形成加入混合物的入口。而且，内圆筒体在其侧壁设有多个轴向延伸的切缝，由于底板或顶板的作用，通过该切缝流向变化的混合物喷射到由内、外圆筒体限定的空间。通过多个从每个切缝边缘的附近向外突出的导向叶片，进入该空间的混合物被迫在内圆筒体的圆周方向形成螺旋流，于是通过由螺旋流产生的离心力，固体颗粒从混合物中分离出来。在撞击到内壁面后，由于重力作用，被分离的颗粒落向外圆筒体的底部，并通过排出口从装置内排出。按照这种方式，能够实现快速分离。在设置2-16个切缝和导向叶片，外圆筒体和内圆筒体的直径比为1．1至20，以及外圆筒体的有效长度大于内圆筒体直径1-30倍的情况下，该分离装置的快速分离可得到保证。而且，通过在外圆筒体的内下部设置一预萃取装置，能够改进本发明分离装置性能。
下面详细描述本发明的其它优点、构思、实施例和本发明的细节。
图1(a)、(b)和(c)是本发明的一种分离装置的纵向剖面图、横向剖面图。
图2(a)和(b)是一种分离装置的横向剖面图，每幅表示了不同形状的导流片。
图3是本发明的一种分离装置的另一实施例的纵向剖面图。
图4是本发明的一种分离装置的又一实施例的纵向剖面图。
图5是本发明的一种分离装置的再一实施例的纵向剖面图。
现在参照附图，特别是图1，图中所示的分离装置10具有一双层结构，包括一内圆筒体20和一外圆筒体12，它们同轴向设置并垂直延伸。该内圆筒体具有一由平板21密封的底部，以及一形成入料口11的上部，通过该入料口可加入催化剂和气体物质的混合物，在其外圆周面侧部设有多个细长切缝。
外圆筒体12围绕内圆筒体20并与其同心设置，而且具有直径减小的上部，并设有与装置外部相连的排放气体的出口16，但它与内圆筒体21的内部是分开的。在本实施例中，该上部形成一气体排放管道17，该管道17具有与管道相连并相对设置的两个出口，其分别如图1(C)所示，而其下部也具有与装置外部相连的颗粒排出口13。在本图中，该下部呈锥形，并与圆筒形颗粒排出口13相连。由此，整个外圆筒体12除上部和下部外大致上是封闭的。
外圆筒体12和内圆筒体20的尺寸是这样的，其直径比为1．1至20，外圆筒体12的有效长度大于内圆筒体20直径的1至30倍。下面将给出详细的进一步的解释。
在内圆筒体20的外表面上设有多个沿轴向延伸并在其圆周方向等距离分布的矩形切缝15。此外，内圆筒体20设有多个弯曲延伸的导向叶片，这些叶片相对于内圆筒体的径向方向以一定的角度从每个切缝边缘的附近向外伸出，并在纵向延伸方向在一定长度上有一宽度。导向叶片可以是平的。切缝14和导向叶片最好设置2至16个。
构成本发明分离装置的上述各部分由耐化学反应的任何合适材料制成。例如，可加工性和抗化学反应性优良的不锈钢制品，这些性能对实现本发明的目的是重要的。各部分可由不同材料制成。
下面描述利用本发明的分离装置分离催化剂和反应气体物质的过程。含有气体和固体的混合物通过入料口11以一预定速度加入到内圆筒体20。内圆筒体20的下端被平板21密封。由此，在开始加入混合物时，内圆筒体20的底部受在此分离出的固体的直接撞击，但是，通过聚集在该内圆筒体20底部的催化剂(固体)层又可以防止撞击。
混合物在内圆筒体20内向下流动，与堆积在内圆筒体20的基层撞击后水平流动。混合物通过多个切缝如图1箭头F所示方向流出内圆筒体。然后混合物由多个导向叶片改变流动方向，从而在由内圆筒体20和外圆筒体12限定的空间内形成螺旋流。在此过程中，混合物中的固体由于离心力被分离出来，并流向外圆筒体12的内圆柱壁。然后，这些固体由于受重力作用沿图1箭头Fd所示方向呈螺旋形向下流向外圆筒体的底部，并通过出口13从该装置内排出。另一方面，比固体质量较轻的气体物质，呈螺旋形向上流向排气管17，并通过出口16如图1箭头Fu所示方向排出该装置，再被传输到后续装置。
这里再进一步详细描述内、外圆筒体、切缝和导向叶片。首先，下面描述分离装置中影响分离效率的因素。
颗粒的大小和密度、固体和气体物质密度的不同、螺旋流的离心力都可解释为影响分离效率的因素。分离效率随这些因素数值的增加而增加。离心力随分离装置的结构而变化，但是其它因素却由于它们是被分离的混合物所特有的而不能变化。
下面，描述分离装置的离心力和结构。假设混合物以固定的线速度通过内圆筒体。在这种情况下，如果切缝的个数相同，通过减小切缝的开口面积增加在此穿过的混合物的线速度可提高分离装置的分离效率，从而提高离心力，同时也产生磨损的负作用。如果混合物以相同的线速度穿过切缝，通过减小每个切缝的面积增加切缝的数量，也可提高分离装置的分离效率，从而可使离心力稳定，但却导致分离装置的结构复杂。
由于以上因素，通过根据所需的分离效率所计算出的全部数值，可确定切缝的个数。通过利用不同类型的混合物所导出的实验结果，可最终确定磨损容许程度和装置的容量。
图中示出了4个切缝，也可从2至16个中选择，3至8个较好，最好是4至6个。
单个切缝将不能产生足够的螺旋流而影响分离。切缝超过16个会导致装置结构复杂，成品成本增加，也不能向预期的那样提高分离效率。上述切缝个数的根据是应用混合物所进行的实验分析得出的全部数值，该混合物实际上是用于流体催化剂裂解装置中用以从原料例如重油中生产汽油。切缝的个数对分离装置的分离效率具有影响，从而可通过实验确定。
根据内圆筒体的周长L1，实际应用的切缝宽度可由下面的公式表示：
切缝宽度=1mm-L1／4，最好是L1／16至L1／62
利用外圆筒体的上部与内圆筒体的底部(图1)之间或内圆筒体的上平板与外圆筒体的下端之间的长度L2，实际应用的切缝长度可由下面的公式表示：
切缝长度=L2×a
其中a的范围是0．1至0．99，最好是0．7至0．95。
这样就确定了切缝的面积，通过切缝的混合物的线速度为1-100，3-300较好，最好是3-15m／s。如果切缝的面积确定了，它的宽度和长度也相应确定了。
当线速度小于1m／s时，混合物就不能以足够的速度盘旋，从而影响完全分离。线速度超出100m／s会引起切缝、导向叶片和外圆筒体内圆周壁的磨损。
导向叶片15设置的数目与切缝相同，并沿其纵向边缘延伸。如图2横向剖面图所示，导向叶片15可以是曲面或平面。此外，如图2(b)所示，两个成对平行的叶片设在切缝的两侧。重要的是多个导向叶片相对于内圆筒体的径向方向以一定角度从每个切缝的附近向外突出，并在预定长度情况下具有一宽度。进一步说，每个导向叶片形状相同，等距离设置在内圆筒体的圆周方向上，以便在整个分离装置中实现平稳操作。每个导向叶片相对于每个切缝可分开设置。
利用内圆筒体的中心与导向叶片末端间的距离(R)，导向叶片的宽度可直接由下面的公式表示：
导向叶片宽度=(R-内圆筒体的半径)=(外圆筒体的半径)×b
其中b的范围为0．2至0．99，最好是0．5-0．8。
b小于0．2，即导向叶片的宽度太小，不能改变从切缝喷射出的混合物的流动方向，引起混合物的螺旋速度减小。如果b超出0．99，即导向叶片的宽度太大，螺旋流动的混合物与导向叶片发生接触，由于导向叶片与外圆筒体的内壁间的空间减小从而引起磨损。
导向叶片的长度可设定如下：
导向叶片的最小长度=切缝长度／2
导向叶片的最大长度=外圆筒体的长度
导向叶片的参考长度=0．8×外圆筒体的长度
内圆筒体的直径最好和与其直接相连的入口管道相同，其尺寸也可以或大或小，以便以合适的线速度加入混合物。更具体地，内圆筒体的直径应使其内混合物线速度为1-100，3-30较好，最好是3-15m／s
外圆筒体的直径比内圆筒体的直径大1．1至20倍。如果外筒体的直径较大，混合物在内圆筒体内的滞留时间减小，外圆筒体的直径应尽可能缩短，具体为大于内圆筒体直径的1．1至3倍。
外圆筒体的直径比内圆筒体的直径大1至50倍。如果外筒体的直径较大，混合物在内圆筒体内的滞留时间减小，外圆筒体的直径应尽可能缩短，具体为大于内圆筒体直径的1至5倍。
本发明分离装置具有能够提高分离效率的优点，因为分离是由混合物的螺旋流产生的离心力，以及由切线旋流器产生的，因此，即便混合物以较低的线速度流动，在整个装置中该装置也能够产生稳定的混合物螺旋流，因为混合物要穿过从装置纵向延伸的很窄的切缝式出口。在此，气体物质盘旋地流向分离装置的上部，在滞留时间内较窄地散布于装置中，而且压力损失降低，因此上流束和下流束螺旋流速的差别微小。进一步说，由于该发明的装置和切线旋流器不同，没有锥形的部件，因此滞留时间也会减少。更具体地说，由于分离效率随加在催化剂颗粒上的负载增加而提高，本发明分离装置的分离效率更优于切线旋流器。
如果在本发明装置中混合物向下流动，特别容易受混合物撞击的部分为内圆筒体的底板，然而，它又可通过堆积在由底板和切缝的下端限定的空间内的固体(催化剂)层防止这种撞击。如果混合物在本发明的装置中向上流动，气体物质滞留在由切缝的上端和内圆筒体的上盖板限定的空间内，从而可在此空间内吸收混合物的冲撞力。
导向叶片较不容易受到磨损，因为它根据穿过切缝的混合物的流向平行设置。确切地说，每个切缝的边缘和外圆筒体的内圆周面也不容易受到磨损，因为从切缝喷出的混合物线速度已经降低。
在本发明的装置应用于流体催化剂裂解装置中以从原料例如重油中生产汽油的情况下，本装置的固体排放口与设在设备下流的萃取装置相连。从排出口加入的催化剂颗粒含有气体，该气体含在颗粒和由颗粒所吸收的重油之间所形成的空间内。这些沉淀物质被加入的气体例如，萃取装置中的蒸汽带走。
在短时间接触反应过程中，萃取装置可能出现问题。更确切地说，由于催化剂颗粒滞留在萃取装置中的时间相对较长，催化剂和气体物质和／或沉淀在其上的重油间的反应直到萃取结束。为防止部分气体物质进入萃取装置，所发明的分离装置设有具有小容量的预萃取设备，在该设备中，催化剂颗粒滞留时间较短。
图3和5分别示出了一种分离装置，它们的下部与用标号23表示的具有预萃取装置功能的等同部件配合。在这些图中，尽管使用了预萃取部件(装置)，该部件利用由标号22表示的圆形蒸汽供给装置和多个挡板组件一起分散固体颗粒，本发明分离装置也可装配另外的预萃取装置例如，那些设有多个通孔的分馏塔盘或浓相流化床。
从预萃取装置产生的气体、石油汽和萃取蒸汽直接输送到内外圆筒体之间的空间，但不排到分离装置的外面，从而提高了预萃取效率，减小了装置体积。直接输送的原因是因为本发明分离装置的分离效率由于稳定的蒸汽在较大的范围覆盖，并保持在装置的底部而不受其影响。
通过本发明装置的实施例所得出的实验结果，来进一步描述本发明。
实验中应用了五种类型的分离装置，其切缝宽度和长度、导向叶片宽度、外圆筒体直径和长度以及切缝个数不相同。在FCC装置中用于从重油中生产汽油的催化剂，作为被分离出的纯净固体物质使用。催化剂颗粒的平均尺寸为63微米、容积密度为0．85g／cm3。作为气体物质使用的空气与催化剂混合。
被称作装置A、B、C、D和E的五种装置的尺寸分别如表1所示。
表1装置A装置B装置C装置D装置E内圆筒体直径mm 40 40 404040外圆筒体直径mm 100 100 808080外圆筒体长度mm 160 160 160120120催化剂排出口直径mm 50 50 505050切缝宽度mm 8 8 884切缝长度mm 80 80 804080导向叶片宽度mm 30 30 151515导向叶片长度mm 120 120 12080120切缝个数 4 3 444
表2示出了装置A的分离效率随内圆筒体内的空气线速度和混合率(催化剂重量／空气重量)变化的情况。当线速度和混合率为15m／s和29时，所得出的分离效率大于99％，该线速度和混合率分别相当于在FCC装置的反应器中发生反应的情况下的值。线速度为30m／s时所得到的结果相同。
表2在内圆筒体内的线速度51530在切缝处的线速度m/s混合率分离效率％2.5 → →20 48 8799＞ 99＞ 99＞7.4 → →20 48 8799＞ 99＞ 99＞15 → →4 6 1499 99 99
利用装置B可进行相同的实验，其结果如表3所示。由于装置B设有三个切缝，在切缝处的线速度比装置A大3／4倍。线速度为15m／s和30m／s的情况下，分离效率分别大于99％和97％。
表3在内圆筒体内的线速度51530在切缝处的线速度m/s混合率分离效率％3.3 → →20 46 8999＞ 99＞ 99＞9.8 → →7 12 2799＞99＞99＞20 → →4 6 1498 97 99
表4表示利用装置C进行相同实验得出的结果。装置C的直径是装置A的8／10，相应地，其宽度是装置A的一半。在线速度分别小于15m／s和30m／s时，得出的分离效率大于99％和95％。
表4在内圆筒体内的线速度51530在切缝处的线速度m/s混合率分离效率％2.5 → →20 47 8799＞ 99＞ 99＞7.4 → →7 12 2899＞ 99＞ 99＞14.7 → →4 6 1599 95 95
表5表示利用装置D进行相同实验得出的结果。由于装置D的切缝长度是装置C一半，在切缝处的线速度是装置C的2倍。在不同的条件下所得出的分离效率大于92％。
表5在内圆筒体内的线速度51530在切缝处的线速度m/s混合率分离效率％4.9 → →19 46 8799＞ 99＞ 99＞15 → →7 13 2998 97 9829 → →4 6 1594 93 92
表6表示利用装置E进行相同实验得出的结果。由于装置E具有装置C一半的切缝长度，混合物在切缝处的线速度是装置C的2倍。在线速度分别为15m／s和30m／s时，分离效率大于99％和95％。
表6在内圆筒体内的线速度51530在切缝处的线速度m/s混合率分离效率％4.9 → →20 48 9099＞99＞99＞15 → →6 13 2999＞ 99＞ 99＞29 → →4 6 ; 1497 97 95
在上述实验中，本发明的装置被举例为向下流动型的装置，混合物从装置的上部加入，本发明的装置可用于向下流动的分离装置。
图4表示了本发明的装置10A用作向下流动型时的横向剖面图。装置10A也是垂直方向设置，并包括一双层结构，该结构包括一内圆筒体20’和一与内圆筒体同轴设置并包围内圆筒体的外圆筒体12’。
内圆筒体20’呈圆柱形，从装置的底部垂直延伸，并具有敞口的底部，以形成加入混合物的入口。内圆筒体具有用平板21’密封的上部，并设有多个在侧壁上延长的切缝。外圆筒体12’在其上表面的中心设有直径小于外圆筒体12’并与其内部相连的气体排出口16’。外圆筒体12’的下端向着底部直径逐渐减小，并与内圆筒体20’的外表面相连。固体排出口13’设在外圆筒体呈锥形底部的倾斜部位。外圆筒体12除上部和下部外大致保持密封。
图4中所示装置的尺寸及材料和图1中所示装置的尺寸和材料相同。内圆筒体20’也设有多个切缝14和导向叶片15，以及上面已描述的装置。图4和图1相应的部分用相同的标号表示。在装置中除混合物从设在内圆筒体底部的入口11’加入外，图4中的分离装置在用途、效果以及性能方面和前面所示的装置相同。
图4所示的分离装置可与这样的一个相当于上述预萃取装置的装置配合使用，该装置通过在下部设置多个挡板或设置多孔板或使用浓相流化层来构成。图5示出了这样一种改进的分离装置10A’的剖视图。在此图中，和其它图相应的每一部分用相同的标号表示。该装置能改进预萃取效果，并有助于减小整个FCC装置的体积。