气固分离耦合强化新技术

气固离心分离是基于气-固两相的密度差，利用旋流离心力实现两相分离的，属于气固非均相体系的物理场分离技术，常用的方式是气-固旋风分离。它具有处理量大、结构紧凑、操作简便等优点，应用非常广泛，尤其是在高温高浓度条件下，已成为工程上普遍的分离方法。 本书部分内容和应用案例得益于国家科技进步二等奖——“催化裂化后反应系统关键装备技术的开发与应用”之国际领先技术（高效气固旋流分离、高效催化剂预汽提和高油气包容率3项创新技术），以及国家科技部973项目（绿色低碳导向的高效炼油过程基础研究）、国家自然科学基金重大项目（双气固流态化反应过程直接耦合的多尺度分析及放大规律重点课题）等。 本书论述具有覆盖面较全、论述较系统、承上启下的特点，书中内容既有基础理论分析，又联系工程实际，内容丰富翔实，较好地反映了该领域目前的动向和富有特色的工作。

《气固分离耦合强化新技术》是《化工过程强化关键技术丛书》的一个分册。本书系统地归纳总结了气固旋风分离过程耦合强化所涉及的基础理论和工业应用等方面的研究成果。本书首先从气固分离过程的发展机遇和历程、分类和未来发展趋势三个层面，以历史的、发展的角度总括了气固分离强化技术已取得的进展和发展方向（第一章）；其次简单介绍气固分离的基本理论与方法（第二章～第四章）；最后根据性能特点将气固分离分为两大类进行系统阐述，即气固快分耦合强化新技术（第五章～第十章）和气固旋风分离耦合强化新技术（第十一章～第十三章）。每一部分都对气固分离过程的设计原理、结构特点及原理、流场分布、性能优化及其在工业过程中的应用等方面已取得的进展进行了系统阐述。本书论述具有覆盖面较全、论述较系统、承上启下的特点，书中内容既有基础理论分析，又联系工程实际，内容丰富翔实，较好地反映了该领域目前的动向和富有特色的工作。 《气固分离耦合强化新技术》可供石油化工、煤化工等科技人员、工程技术人员、生产管理人员阅读，也可供高等院校化学工程与工艺、过程装备与控制工程、环境工程等相关专业本科生、研究生学习参考。

卢春喜，男，1963年2月生，博士，中国石油大学（北京）二级教授，博士生导师，国家重点基础研究“973”项目首席科学家，北京市教学名师，北京市教学团队负责人，享受国务院政府特殊津贴。中国颗粒学会副理事长，中国化工学会化工过程强化专业委员会副主任委员，中国颗粒学会流态化专业委员会副主任。1983—1996年在中国石化洛阳石化工程公司从事催化裂化流态化工程研究工作；1996年至今在中国石油大学（北京）从事教学和催化裂化工程领域的应用基础研究和工程化应用，创建了重油催化裂化后反应系统的关键装备平台技术，解决了后反应系统结焦这一制约装置长周期运行——长期困扰企业的世界性技术难题；所开发的FSC、CSC、VQS和SVQS四种新型快分技术达到国际领先水平，已在国内59套工业装置成功应用，加工量占比达国内总加工量的40%以上，为企业创效60多亿元。近年来，将气液环流理论移植到气固体系，为环流反应器在气固流化床强化领域的应用开辟了一条良好的途径，形成了催化裂化反应再生系统关键装备耦合强化新技术,取得了很好的工业应用效果。获国家科技进步2等奖2项（排名第1和第3），省部级科技成果奖20项（其中特等奖1项，1等奖8项）。先后在AIChE Journal、C.E.S. 等国内外学术刊物发表论文320余篇，其中SCI、EI检索210篇。出版《催化裂化流态化技术》和《催化裂化反应系统关键装备技术》专著2部、《炼油过程及设备》教材1部，授权国家专利78项。 陈建义，男，1965年9月生，博士，教授，博士生导师；北京市教学名师，享受国务院政府特殊津贴。主要面向石油化工、煤的清洁高效利用、海洋油气开采等领域开展多相流分离技术及装备开发等方面的研究。系统研究了气固旋风分离器的分离理论，开发的新型高效旋风分离器在炼油、石油化工、煤化工等领域获得推广应用，特别是首创的丙烯腈反应器新型两级旋风分离器，其综合性能处于国际领先水平，国内市场占有率90%以上。主持或参加承担的国家自然科学基金、973、863等项目5项；获国家科技进步二等奖1项、教育部自然科学一等奖1项、省部级科技进步一等奖2项；获中国发明专利5项；在国内外发表论文70余篇（其中SCI、EI收录20余篇），出版专著1本。

第一章绪论/1
第一节引言1
第二节气固快分技术3
一、气固快分技术在催化裂化工艺的应用3
二、国外快分技术的研究进展与工业应用6
三、国内快分技术的研究进展与工业应用11
第三节气固旋风分离技术14
一、旋风分离器概述14
二、影响分离性能的主要因素16
三、旋风分离器性能强化新技术20
参考文献23
上篇气固分离的基本理论与方法/27
第二章气固分离方式及机理/29
第一节气固分离基本条件和方法29
一、气固分离基本条件29
二、气固分离基本方法30
第二节气固分离设备性能表征31
一、分离效率31
二、粒级效率32
三、净化气内颗粒的粒径分布32
四、分离器压降33
五、分离器的经济性33
第三节气固分离的基本物理模型34
一、塞流模型34
二、横混模型34
三、全返混模型35
第四节气固重力分离机理35
一、重力沉降器的分离效率36
二、重力沉降器的压降37
第五节气固惯性及旋风分离机理38
一、惯性分离基本原理38
二、惯性分离器的分离效率39
三、旋风分离基本原理42
第六节拦截分离机理44
第七节扩散、湍流分离机理45
参考文献46
第三章气固分离特性参数的测量方法/48
第一节颗粒形状的测量方法48
一、显微镜法48
二、机械沉降测量法49
第二节颗粒粒径的测量方法50
一、筛分法50
二、显微镜法51
三、光电沉降法52
四、流体分级法53
五、电感应法55
六、激光测速法56
七、激光衍射法57
第三节气固多相流颗粒速度测量方法57
一、固体颗粒速度的光导纤维测量技术58
二、固体颗粒速度的激光多普勒测量法59
第四节气固多相流颗粒浓度测量方法60
一、等速采样法61
二、光导纤维测量法64
三、电容测量法66
参考文献67
第四章气固分离过程的研究方法/69
第一节气相流场测量和经验归纳69
一、旋风分离器内气相三维时均速度分布69
二、旋风分离器内局部二次流72
第二节旋风分离器流场的半理论解73
一、Rankine旋涡模型73
二、Burgers旋涡模型73
三、Ogawa旋涡模型74
第三节气相流场的数值模拟74
第四节气固两相流场数值模拟方法78
一、稀密相流动的划分78
二、气固两相流动数学模型79
三、随机轨道模型80
四、典型数值模拟结果82
第五节气固旋风分离的机理模型85
一、转圈理论85
二、平衡轨道理论86
三、边界层理论87
四、分区理论88
第六节气固旋风分离的相似模化89
一、旋风分离器内气固两相运动方程90
二、旋风分离器内气固运动的相似参数91
三、旋风分离器的近似模化92
四、旋风分离器近似模化设计举例94
五、基于相似参数关联的分离效率计算方法95
参考文献97
中篇气固快分耦合强化新技术/101
第五章气固旋流分离强化技术/103
第一节旋流分离强化技术现状103
第二节气固旋流分离存在问题分析104
第三节气固旋流分离强化原理及方法105
第四节高效气固旋流强化技术在某140万吨/年重油催化裂化装置的应用109
参考文献112
第六章挡板预汽提式粗旋快分技术/114
第一节FSC系统设计原理114
第二节FSC系统结构及特点115
第三节挡板内的气固流动特征116
第四节预汽提段对粗旋内流场和分离效率的影响117
一、预汽提气对粗旋内流场的影响117
二、预汽提段对粗旋分离性能的影响119
第五节FSC系统大型冷模实验研究120
一、分离效率122
二、系统内压力分布的特点122
三、FSC系统内气体停留时间分布125
四、FSC系统操作的稳定性及灵活性125
五、大型冷模实验主要结论128
第六节小型工业试验129
一、改造方案及应用效果129
二、技术分析134
三、小型工业试验主要结论135
第七节工业应用实例——某石化公司100万吨/年掺渣催化裂化装置136
一、改造后装置标定结果136
二、应用效果139
三、经济效益分析142
参考文献143
第七章带有密相环流预汽提式粗旋快分技术/144
第一节CSC系统设计原理144
第二节CSC系统结构及特点145
第三节密相环流预汽提器的性能与结构优选146
一、实验装置及方法146
二、实验结果及分析146
第四节CSC系统大型冷模实验研究148
一、实验装置及方法148
二、CSC系统分离效率149
三、系统压力分布特征149
四、密相环流预汽提器密度分布特征151
五、系统内气体停留时间分布及汽提效果151
六、系统的操作弹性及开停工状况的分析154
七、大型冷模实验主要结论154
第五节小型工业应用试验154
一、改造方案及应用效果154
二、装置标定结果155
三、小型工业应用实验主要结论159
第六节工业应用实例——某石化公司80万吨/年重油催化裂化装置159
一、改造前装置的主要问题159
二、改造内容160
三、应用情况及标定结果分析161
四、经济效益分析161
五、应用效果总结162
第七节FSC/CSC系统与其他提升管出口快分技术的比较162
参考文献163
第八章带有挡板预汽提的旋流快分技术/164
第一节VQS系统设计原理164
第二节VQS系统结构及特点165
第三节旋流头的结构166
一、旋流头的结构形式166
二、旋流头的结构参数166
第四节VQS系统内的气相流场实验分析168
一、旋流头喷出口中心处的流速分布169
二、封闭罩内气流速度分布170
三、静压分布176
四、VQS系统内旋流的能量传递过程176
五、VQS系统内湍流强度的分布178
六、汽提气对流场的影响180
第五节VQS系统内的气相流场数值模拟分析181
一、数值模拟方法181
二、边界条件183
三、VQS系统内流动特征的分析183
四、主要结构参数对旋流快分器内流场的影响187
第六节VQS系统的压降193
一、主要结构参数对压降的影响193
二、压降的计算196
第七节VQS系统内的气相停留时间197
一、旋流头喷出口喷出速度对气相停留时间的影响197
二、S值对气相停留时间的影响198
三、汽提气对气相停留时间的影响199
第八节VQS系统内的颗粒浓度分布201
一、径向颗粒浓度分布201
二、轴向颗粒浓度分布203
三、颗粒浓度分布模型204
第九节入口颗粒质量浓度对VQS系统分离性能的影响206
一、入口颗粒质量浓度对气相流场的影响206
二、入口颗粒质量浓度对湍流强度的影响207
三、入口颗粒质量浓度对不同尺寸颗粒分离效率的影响208
第十节VQS系统大型冷模实验208
一、实验现象及分析209
二、系统的压力分布209
三、分离效率210
四、气相停留时间分布及汽提效果211
五、系统的操作弹性及开停工状况的分析212
六、大型冷模实验主要结论212
第十一节工业应用实例——某公司100万吨/年管输油重油催化裂化装置213
一、改造内容213
二、装置标定结果及改造效果213
三、运行经验217
四、应用效果总结217
参考文献218
第九章带有隔流筒的旋流快分技术/219
第一节SVQS系统设计原理219
第二节SVQS系统结构特点220
第三节SVQS系统的气相流场实验分析221
一、旋流头喷出口中心处的流速分布221
二、封闭罩内气流速度分布222
三、SVQS系统内湍流强度的分布226
四、汽提气对流场的影响227
第四节SVQS系统的气相流场数值模拟分析227
一、数值模拟方法227
二、SVQS系统内流动特征的分析227
第五节SVQS系统的压降229
第六节SVQS系统内的气相停留时间231
第七节隔流筒的尺寸及结构形式232
一、隔流筒的主要特征尺寸232
二、隔流筒直径的影响234
三、隔流筒长度的影响239
四、隔流筒结构形式的影响243
第八节SVQS系统内的颗粒浓度分布249
一、径向颗粒浓度分布249
二、轴向颗粒浓度分布251
第九节SVQS系统内分区综合分离模型252
第十节VQS/SVQS系统与国外优选快分技术的比较256
参考文献257
第十章超短快分技术/258
第一节超短快分系统设计原理258
第二节超短快分系统的结构及特点258
第三节超短快分系统的气相流场259
一、二维平面流场全貌260
二、三维流场特征261
三、分离器内静压和总压分布262
四、中心排气管下方空间的流场特征262
第四节超短快分系统的结构参数——实验分析263
一、中心排气管下方横板形式264
二、分离器入口宽度266
三、中心排气管直径267
四、中心排气管下方空间高度268
五、挡板形式270
六、折边271
七、中心排气管开缝宽度272
八、中心排气管开缝形式272
参考文献274
下篇气固旋风分离耦合强化新技术/275
第十一章PV型旋风分离器及其性能强化方法/277
第一节PV型旋风分离器尺寸分类优化理论277
一、PV型旋风分离器概述277
二、尺寸分类优化理论278
第二节PV型旋风分离器性能计算方法279
一、分离效率计算方法279
二、纯气流压降计算方法281
三、含尘气流压降计算方法284
第三节PV型旋风分离器优化设计方法286
一、PV型旋风分离器优化设计问题286
二、PV型旋风分离器优化设计模型的简化287
三、单个旋风分离器两参数优化设计方法293
第四节单级PV型旋风分离器的工业应用296
一、催化裂化二再外旋296
二、高压聚丙烯旋风分离器298
第五节抗结焦高效顶部旋风分离器开发及工业应用300
一、顶旋结焦现象300
二、顶旋结焦机理301
三、抗结焦顶旋结构特点303
四、抗结焦顶旋的工业应用304
参考文献309
第十二章旋风分离器并联与串联的性能强化及应用/311
第一节并联旋风分离器的性能计算与强化311
一、独立并联旋风分离器的性能计算312
二、独立并联旋风分离器的性能强化313
第二节串联旋风分离器的性能计算与强化316
一、串联旋风分离器的性能计算316
二、串联旋风分离器的性能强化317
第三节串联旋风分离器性能强化原理与算例320
一、两级串联旋风分离器优化算例320
二、两级混联旋风分离器优化算例323
三、三级串联旋风分离器优化算例325
第四节两级串联旋风分离器优化应用实例328
一、PV-E型旋风分离器329
二、设计条件和分离要求329
三、优化设计分析与说明330
四、工业应用效果332
第五节两级混联旋风分离器优化应用实例333
一、旋风分离器设计条件333
二、两级混联设计方案分析334
三、两级混联旋风分离器设计335
四、工业应用效果335
第六节三级旋风分离器优化设计应用实例337
一、三级旋风分离器设计条件337
二、优化设计结果338
三、工业应用效果340
参考文献340
第十三章多管旋风分离器性能强化及应用/342
第一节多管旋风分离器概述342
一、立管式多管旋风分离器342
二、卧管式多管旋风分离器343
第二节立管式多管旋风分离器结构和性能强化345
一、总体结构设计345
二、惯性预分离结构346
三、单管的数量与排布优化346
第三节卧管式多管旋风分离器结构和性能强化347
一、总体结构设计347
二、分离性能强化347
第四节单管结构与性能强化348
一、切向进气型单管348
二、轴向进气型单管350
三、轴向进气直流式单管352
第五节“大旋分式”三旋性能强化353
一、“大旋分式”三旋技术及特点353
二、“大旋分式”三旋性能实验356
三、“大旋分式”三旋流场分析357
四、“大旋分式”三旋旋流稳定性分析359
参考文献361
索引/363