论文部分内容阅读
目前,催化裂化装置所采用的VQS系统主要由单级旋流快分器和顶部的旋风分离器(顶旋)串联组成。工业应用中发现,现有VQS系统存在的主要缺点为两方面:一方面,旋流头喷出口附近存在“短路流”与颗粒返混、夹带现象,影响了系统的气固分离效率,导致装置的油浆固含量较高。另一方面,VQS系统内沉降器结构比较庞大,内部还有较多的油气滞留空间,不利于油气的快速引出,导致结焦问题还时有发生。为了解决这一问题,中国石油大学(北京)提出了CVQS系统,该系统由两级高效旋流快分器串联组成,第二级高效旋流快分器取代顶旋。如果在满足催化裂化装置总体分离效率的基础上,采用两级高效旋流快分器串联的结构来替换目前工业上常用的VQS系统,同时充分利用隔流筒技术的优势,就可以使沉降器的尺寸大大缩小,结构更为紧凑,沉降器的直径基本上与汽提段相当,高度也可远低于现有沉降器,从而消除原沉降器中无用的油气滞留空间,进一步缩短油气的停留时间,有助于解决油气的滞留、返混和装置结焦问题。工业实施中。不仅可以降低设备成本,另外对改善产品的分布、提高装置长周期运转都具有重要的意义。
总体看来,CVQS系统的工业实施取决于如下几个方面:①高效隔流筒技术的开发与应用;②高效二级旋流头的开发与应用;③两级高效旋流快分器的优化匹配。在此指导思想下,本论文通过实验研究、数值模拟和理论分析相结合的技术手段,成功开发了新型高效的隔流筒技术与二级旋流头技术,并在此基础上优化。了CVQS系统内两级旋流快分器的串联匹配方案。此外,通过对实验现象和数值模拟结果的详细分析与探索,首次从理论上推导了VQS系统内气固两相分离过程的分离机理及其性能影响规律,并建立了VQS系统内“分区综合分离模型(RCSM)”,取得的主要成果和结论如下:
(1)采用LDV测量技术,进一步认识了VQS系统内气相流场的分布特征及湍动特性,初步获得了VQS系统环形空间内气相流场的定量数学描述。测量结果表明,VQS系统内插入隔流筒后,上部带隔流筒区域内的上行流全部转变为下行流,有效消除了旋流头喷出口附近的“短路流”现象和颗粒返混、夹带现象,从而有利于提高系统的分离效率。同时,插入隔流筒后,下部无隔流筒区域内提升管外壁附近的上行轴向速度有所增加,尤其是隔流筒底部截面附近处尤为明显,这说明隔流筒的存在导致其底部截面出现了另一种“短路流”现象,对系统的分离性能不利,需要进一步改进。
(2)通过实验研究与数值模拟,成功开发了新型高效的隔流筒技术,并优化确定了最佳的隔流筒结构。C型隔流筒采用锥形的结构型式,其筒体直径从顶部开始逐渐加大,直径变化比较平缓,梯度较小,可有效避免因筒体直径突扩而导致流场混乱的现象。因此,C型隔流筒底部截面处气相流场分布比较稳定,底部截面处的向心径向速度基本接近于零,有效改善了底部截面处的“短路流”与颗粒返混现象,分离效率为A、B、C型三种隔流筒中最高者,分离优势也最为明显。
(3)数值模拟计算表明,VQS系统出口处气流的旋转强度和旋转速度较大,旋流之势较强。CVQS系统内,为了充分利用一级分离段出口处旋流的旋转势能,成功开发了新型高效的二级旋流头技术(Ⅱ、Ⅲ型旋流头),并优化确定了最适合用于CVQS系统内二级分离段的二级旋流头结构(Ⅲ型旋流头)。Ⅲ型旋流头采用二臂大弧切向出口的结构型式,含尘气流由悬臂喷出口喷出后,气流的切向速度较大,颗粒的离心力较强:喷出气量大部分集中在封闭罩内壁附近,下行轴向速度较大,有利于固相颗粒下行分离。加粉性能实验进一步证明,Ⅲ型旋流头可更有效得利用旋流的旋转势能,分离优势更为突出,更适合用于CVQS系统内二级分离段的二级旋流头。
(4)通过数值模拟计算,研究了环隙距离对VQS系统分离性能的影响规律。VQS系统内无环隙时,旋流头的上部空间完全封闭,气相流场分布稳定,无“短路流”现象和流场紊乱现象。随着环隙率的逐渐加大,喷出口附近的“短路流”现象随之增强,气流夹带颗粒逃逸的几率加大,对系统分离效率的提高带来不利影响;无隔流简情况下,环隙率达到最大值,喷出口附近的“短路流”现象最为明显,此时系统的分离效率最低。因此,工业应用中,应根据催化剂颗粒的分布特征,综合考虑工业应用中的实际操作与安装要求,从而选择合适的环隙距离,最大程度上减小环隙距离对系统分离所带来的不利影响。
(5)采用实验研究、数值模拟和理论分析相结合的技术手段,详尽分析了VQS系统内不同操作参数对其分离性能的影响规律,同时综合其气相流场的三维速度分布规律以及颗粒的运动特点与浓度分布规律,推导建立了新型“分区综合分离模型(RCSM)”。
(6)实验研究表明,两级旋流快分器串联时,确实存在最佳的匹配关系,且可显著提高其分离性能。对于本论文中的串联方案二,由于一、二级分离段均采用了隔流筒技术,CVQS系统采用该方案后,具有更高的分离效率和更好的操作弹性。由此,优化确定了CVOS系统内两级旋流快分器的串联匹配方案,并据此提出了CVQS系统的设计指导准则,以供工程设计人员参考应用。