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FSC系统(即挡板汽提式粗旋快分系统)是石油大学过程装备研究所在普通粗旋风分离器(简称粗旋)基础上进一步开发的快分系统，目前已成功用于改造延边炼油厂0.15Mt/a催化裂化、抚顺石化公司石油一厂1Mt/a掺渣催化裂化和中国石油前郭炼油厂0.8Mt/a重油催化裂化等装置，有效地缩短了高温油气在沉降系统内的停留时间，实现了油气的快速引出。虽然FSC系统的工业应用取得了较好的成绩，但由于并未对该系统的内部流动规律进行过全面而系统的研究，因此对它的设计性能的发挥程度以及设备的进一步可挖的潜力了解不够，本文的工作即是针对这方面的不足进行的。另外，近年来，重油催化裂化装置由于催化裂化原料油性质日益变重和劣化，油浆系统(含沉降器)结焦问题亦日益严重和普遍。这要求FSC系统能更高效地工作以减小高温油气停留时间进而减少结焦的产生。因此本文对油气流动规律的研究主要集中在稳态气相流场和油气停留时间分布规律上。本文通过粗旋风分离器、顶部旋风分离器(简称顶旋)内气相流场实验与一小型冷模沉降器沉降空间内气相流场实验分别验证了建立的计算粗旋风分离器、顶部旋风分离器和沉降空间内稳态气相流场的数值模拟方法。通过顶部旋风分离器内气相停留时间示踪实验结果验证用标量输运方程与已求解的稳态气相流场相耦合的求解气相停留时间分布规律的数值模拟方法。进而用建立的描述沉降器内气相流动规律的数学方法定量考察沉降器系统内粗旋风分离器、顶部旋风分离器内气相稳态流场和停留时间分布规律，特别定量考察了大庆油田化学注剂厂、前郭炼油厂等工业FCC沉降器模型沉降空间油气流动规律和停留时间分布规律，并以减小油气停留时间为主要指标优化系统的结构。得到了以下一些新的认识和结果：
(1)以顶部旋风分离器内流场为例，通过氢示踪测定的气相停留时间实验结果与模拟结果的比较表明标量输运方程与稳态流场数值模拟结果相耦合可以准确预测气相停留时间分布规律。
(2)对顶部旋风分离器内气体脉冲示踪模拟结果表明：气相停留时间分布函数E(t)呈单峰分布，平均停留时间与主流停留时间相差较大，与柱塞流的分布不同；由旋风分离器出口不同径向位置监测示踪气体浓度折算而得的气相停留时间分布规律基本相同，因而氢示踪实验时出口氢浓度监测点径向位置可任意选取；对于一给定的旋风分离器，对于同一种气相流动介质，各特征停留时间均与入口气速呈反比例关系；累积停留时间分布函数A(t)可用取决于气相平均停留时间和最小停留时间的指数函数精确表达。
(3)对顶部旋风分离器环行空间近壁处的气相流动规律研究结果表明：环形空间升气管外近壁处的气体流动分为顺压力梯度区和逆压力梯度区。顺压力梯度区大体对应着结焦区，逆压力梯度区大体对应着非结焦区；对应结焦区域气体径向速度朝向壁面，对应非结焦区域，气体径向速度远离壁面。近壁处气体径向速度分布规律是由绕流边界层和边界层分离的流动规律决定的，这就是工业顶部旋风分离器环形空间升气管外壁月牙形结焦产生的流动机理，为解决此问题提供了理论指导。
(4)对粗旋风分离器内部气相流场的研究结果表明：采用合适的网格系统、边界条件等，DSM模型计算催化裂化沉降器内的粗旋风分离器流场有很好的预测精度；粗旋风分离器内流场与常规旋风分离器的内流场有很大的不同，升气管、料腿出口边界条件不同是造成这种流场差异的原因；升气管、料腿存在回流区，料腿直径的减小和灰斗的存在可大幅度减小回流区并增大由升气管排出的气量，有助于粗旋风分离器效率的提高和油气停留时间的缩短；烟气示踪模拟结果表明由入口进入旋风分离器，而分别由升气管、料腿排出的气体的停留时间呈非对称的峰状分布，升气管、料腿回流区气体停留时间呈双峰分布；料腿直径的减小和灰斗的存在可使旋风分离器内气相平均停留时间大大缩短。这些新的认识对优化粗旋风分离器的设计提供了理论指导。
(5)通过用智能五孔探针对一直径为380mm、高约2.2m小型冷模沉降器气相流场测试实验验证了沉降空间流场数值模拟结果，二者良好的一致性表明在给定合适的边界条件、网格、差分格式等数值条件下，DSM模型可以准确预测沉降空间气相流动规律。
(6)通过小型冷模沉降器气相流场的模拟结果表明：粗旋风分离器升气管/顶部旋风分离器入口联接方式分别为敞口式、口对口式和承插式情况下，沉降空间的气相流动规律有很大的不同。敞口式联接情况下由粗旋风分离器升气管出来的气体以旋转射流形式到达穹顶，再沿器壁折返进入顶部旋风分离器。口对口式联接情况下由粗旋风分离器升气管出来的气体在侧向口出来后有一部分直接进入顶部旋风分离器；另一部分由于旋转作用偏离顶部旋风分离器入口，在沉降空间绕行后，再进入顶部旋风分离器。承插式联接情况下粗旋风分离器升气管出来的气体直接由导流承插罩进入顶部旋风分离器。粗旋风分离器升气管/顶部旋风分离器入口联接方式分别为敞口式、口对口式和承插式情况下沉降空间的压降亦不同，口对口式联接最大，承插式联接次之，敞口式联接最小。
(7)通过对小型冷模沉降器气相停留时间分布规律的模拟结果表明：粗旋风分离器升气管/顶部旋风分离器入口联接方式分别为敞口式、口对口式和承插式情况下，沉降空间的气相停留时间分布规律有很大的不同。由粗旋风分离器升气管进入沉降空间的气体在敞口式、口对口式联接情况下的停留时间呈双峰分布，在承插式联接情况下呈单峰分布。气相平均停留时间以承插式联接情况为最小，比另两种联接情况小一个数量级。由汽提段进入沉降空间的气体停留时间均较长。
(8)通过对大庆油田化学注剂厂1.8Mt/aARGG装置的沉降器不同油气引出方式、不同粗旋风分离器升气管出口边界条件对沉降空间气相稳态流场和油气停留时间影响的考察可知：合理调整边界条件和粗旋风分离器/顶部旋风分离器的排布方式可大大减少由粗旋风分离器升气管排出的气体的停留时间，可由目前的平均停留时间2.996s降至约2s。
(9)通过对一工业沉降器模型敞口式、弯管口对口式和水平承插式油气引出方式的考察可知：敞口式联接油气停留时间较长，弯管口对口式联接和水平承插式联接油气停留时间较短。水平承插式联接由粗旋风分离器升气管出来的油气平均停留时间约为弯管口对口式联接的1.7倍，约为敞口式联接的0.15倍。
(10)通过对一工业沉降器模型敞口式、弯管口对口式和水平承插式油气引出方式沉降空间的压降考察可知，弯管口对口式联接型式下沉降空间压降最高，敞口式最低。水平承插式型式下，采用直切式出口和蜗壳式出口沉降空间压降差不多。对于弯管口对口式油气引出方式，当粗旋风分离器操作速度有波动时，沉降空间的压降有较大幅度的变化。因此建议装置设计时粗旋风分离器升气管出口与顶旋风分离器入口距离不能太小，给气流一非稳定操作的弹性空间。
(11)通过对一工业沉降器模型弯管口对口式、敞口式、水平承插式油气引出方式下防焦蒸汽作用的考察可知，对于敞口式联接穹顶空间既使在较大防焦蒸气量的情况下也不能形成防焦蒸汽垫。而采用弯管口对口式和水平承插式油气引出方式时可以很容易形成防焦蒸气垫，以达到设计目标。
(12)通过对前郭炼油厂0.8Mt/a催化裂化装置沉降器内敞口式联接粗旋风分离器升气管出口位置的考察可知：对于敞口式油气引出方式，粗旋风分离器出口最佳位置在顶部旋风分离器入口下方约400mm处，此时可使油气直接快速进入顶部旋风分离器的量较多，有利于缩短油气的停留时间。
(13)通过对前郭炼油厂0.8Mt/a催化裂化装置沉降器内油气停留时间的计算表明：由粗旋风分离器料腿、顶部旋风分离器料腿和汽提段入口进入沉降空间的油气的停留时间较长。它们的平均停留时间约200s左右，最大停留时间高达400多秒。这几股油气的油气引出方式需改进。
(14)对普通粗旋分离技术和FSC技术的性能比较表明：采用普通粗旋风分离器的沉降器内的油气总平均停留时间由于由粗旋风分离器料腿排出的气体在沉降空间的长时间停留而大大延长，而采用FSC技术以及合适的油气引出方式可以大大缩短油气的总平均停留时间到5s以下，达到国际公认的水平。