Циклонные сепараторы третьей ступени

Что такое циклонные сепараторы третьей ступени?
Поскольку это название можно применить к любому специальному устройству сбора, которое устанавливается за двумя ступенями циклонов в регенераторе крекинга псевдоожиженного катализатора, чаще всего оно используется для обозначения группы циклонных сепараторов. Многие трехступенчатые циклоны получают газ из регенератора при температуре и давлении на выпуске. Однако, некоторые сепараторы бывают расположены за котлами-утилизаторами, где объем газа уменьшен в связи с понижением температуры, но давление существенно не изменилось. Также некоторые сепараторы бывают установлены перед вытяжной трубой, где температура достигает от 230 до 315°, а манометрическое давление почти равно нулю.

Большинство циклонных элементов, работающих при высоком давлении, установлены в сосуде под давлением, но есть некоторые установки циклонов размером от 1 до 1,5 метров в диаметре, где сами циклоны являются сосудами под давлением.

Какова цель сепаратора третьей ступени?
Первоначальной целью было удаление частиц катализатора размером 10 микрон и более из выходных газов регенератора, чтобы эти газы затем могли проходить через турбину по выработке электроэнергии. Позднее, когда показатели по нормам в отношении окружающей среды, в частности на выброс загрязнений в атмосферу, были понижены, сепараторы третьей ступени использовались для этой цели. В настоящее время некоторые сепараторы третьей ступени отвечают требованиям, касающимся сбора частиц, как по показателям рекуперации энергии, так и по контролю выброса отходов в атмосферу.

Какие типы циклонов используются в сепараторах третьей ступени
В сепараторах третьей ступени используются три типа циклонов (показано на Рис. 1):

• Первый тип – это циклоны осевого движения на вводе с диаметром 0,25 метра. Газы входят в верх каждого циклона через кольцевое пространство между стенкой циклона и трубкой выпуска газа. Поворотные лопатки на входе заставляют газы закручиваться в циклоне.
• Второй тип – это циклоны с тангенциальным вводомс диаметром 0,25 метра. Газы входят по касательной в верх каждого циклона и проходят снаружи от выходной трубки газа.
• Третий тип – это циклоны спирального ввода, с диаметром обычно между 0,9 и 1,3 метров. Газ входит по касательной через спиральный ввод, отведенный от стенки циклона, так чтобы было пространство между выходной трубкой газа и входящими газами, когда они проходят рядом с выходной трубкой.

Отличаются ли между собой характеристики циклонов разного типа?
Есть значительные отличия в характеристиках этих трех типов циклонных сепараторов. На эксплуатационных установках, где потери на регенераторе считались нормальными, мы измерили следующие показатели полного сбора частиц для этих трех типов циклонных сепараторов:

Однако, более значительными представляются отличия эксплуатационных характеристик во время периодов сбоя эксплуатации, когда потери на регенераторе очень высоки. Высокие нагрузки катализатора имеют склонность забивать некоторые циклоны в сепараторах, как то циклоны с осевым вводом или с тангенциальным вводом с диаметром 0,25м. В результате этого происходит значительный подъем в потерях катализатора из сепаратора. Более важно, что для сепараторов, установленных перед турбинами по выработке электроэнергии, процентное соотношение частиц больших 10-ти микрон по размеру увеличивается с менее, чем 2% до более, чем 20%. Даже, тогда, когда сбой длится очень короткое время, иногда можно заметить износ на лопастях турбины по выработке электроэнергии. С другой стороны, циклоны со спиральным вводом с диаметром 1 м, показали незаметное увеличение как в потерях, так и в процентном соотношении частиц больших 10 микрон по размеру в выходящих газах. Регенераторы, бывшие в эксплуатации не более 30 дней, принося потери более чем в 10 раз выше обычных на циклон со спиральным вводом, не показывали какого-либо заметного износа на лопастях турбины по выработке электроэнергии.

Другое отличие в эксплуатационных характеристиках объясняет, почему при обычной эксплуатации, циклоны меньшего размера в состоянии иметь потери с менее 2% частиц размером более 10 микрон, даже не смотря на то, что их производительность по сбору ниже, чем в циклонах с большим диаметром. Таким отличием является показатель истирания катализатора, происходящего в циклонах меньшего размера. Анализ обычного образца, взятого на впуске циклона третьей ступени, покажет, что средний размер частиц составляет 12 микрон. Когда делаются анализы образцов из уловленного катализатора и потерь от циклонов небольшого диаметра для воспроизведения анализа катализатора, вошедшего в циклоны, обнаруживается, что воспроизведенная подача имеет размер частиц около 8 микрон. С другой стороны, если Вы сравните воспроизведенный анализ ввода образцов из уловленного катализатора и потерь от циклонов большого диаметра с анализом образцов из ввода циклонного сепаратора, между ними будет или небольшая разница, или ее не будет совсем.

Что ограничивает производительность сбора циклонов?
Параметры, которые обычно учитываются, как ограничивающие факторы для производительности циклонов, включают:

• Геометрия циклона
• Диаметр циклона
• Анализ размера входящих частиц
• Количество входящих частиц
• Скорость на впуске
• Скорость на выпуске
• Вязкость газа

Об этих параметрах было много сказано. Однако, имеется несколько менее понятных факторов, которые также ограничивают производительность циклона. Одно ограничение – это результат циркуляции газа в общем бункере, который собирает катализатор из всех циклонов. Второе ограничение связано с броуновским движением и другими взаимодействиями между газом и частицами.

Каким образом циркуляция газа в бункере общего сбора ограничивает производительность циклона?
Предпосылкой к ответу на этот вопрос будет следующее: Когда два пропорционально подобных циклона испытываются на индивидуальной основе, циклон с меньшим диаметром будет более производительным. Это принцип, который используется в качестве базы для проектирования сепараторов третьей ступени с многочисленными циклонами малого диаметра, разгружающегося в общий бункер сбора катализатора или трубку.

Что было не замечено в этой конструкции – это колебания в перепаде давления, которые возникают между циклонами. Когда газы с твердыми частицами, распределенные неравномерно, входят в сборник с многочисленными циклонами, количество твердых частиц, подаваемых на отдельные циклоны будет различаться. Когда частицы собираются в циклоне происходит некоторая рекуперация энергии, так как частицы замедляют свое движение во время сбора, что передается газам в качестве уменьшения в перепаде давления. Когда многочисленные циклоны разгружаются в обычный бункер, перепад давления из ввода в бункер меньше для циклонов с высокой подачей твердых частиц, чем для соседних циклонов с более низкой подачей твердых частиц. Для уравнивания этого некоторые из газов из циклонов с более низкими нагрузками входят в циклоны с собранными частицами, а затем входят в выводы циклонов с более высокими нагрузками. Эти входящие газы вторично захватывают некоторые собранные частицы и уносят их к центру, а затем из циклона. По мере увеличения числа циклонов, разгружающихся в общие бункеры, увеличивается количество вторичного захвата частиц при помощи повторной циркуляции. Такое действие данной циркуляции газа может быть уменьшено посредством отвода газов из бункера и проводом их по газоходам в другие циклоны с твердыми частицами, однако в коллекторах с большим числом циклонов, количество газа, необходимое для отвода может составлять до 10% от всего объема. Если вы хотите пропустить газ через турбину по выработке электроэнергии, потери энергии в результате этого будут обычно неприемлимыми.

Как броуновское движение и другие взаимодействия между газом и твердыми частицами могут воздействовать на возврат частиц в циклонах?
Когда количество частиц, остающихся в газе циклона достигает уровня около 3,0 х 48 мг/Ам³, сбор твердых частиц в циклоне останавливается из-за броуновского движения и других взаимодействий между газом и частицами. Когда эксплуатационные характеристики конструкции, не учитывающей эти ограничения, предполагают более низкие потери твердых частиц, можно подумать, что предвычисленные эксплуатационные показатели не были достигнуты. Однако, также можно обнаружить, что подача на циклоны может быть увеличена до тех пор, пока предполагаемые потери не дойдут до величины, соответствующей вышеуказанному ограничению без какого-либо роста потерь.

Посколку потери из сепаратора третьей ступени рассчитанные в мг/Нм³ обычно выше потерь в мг/Ам³, может показаться, что циклонный сепаратор, вероятно, не соответствует требованию, что потери должны быть 50 мг/Нм³. Тем не менее, на большинстве установок циклонный сепаратор должен соответствовать требованию, что потери должны быть менее 75 мг/Нм³.

Какой тип сепаратора третьей ступени можно считать наилучшим?
На этот вопрос может быть несколько разных ответов от разных поставщиков, однако наш ответ – это циклоны со спиральным вводом при диаметре около 1 метра, установленные в сосуде под давлением. На рис.2 показана система, используемая большинством наших клиентов. Циклонный сосуд обычно содержит от 8 до 20 циклонов, в зависимости от объема газа, входящего в циклон. Газы входят через центральную форсунку в сосуде и для хорошего распределения газа симметрично пропускаются по газопроводам к вводу циклона. Циклонные выводные каналы разгружаются в обычный кольцевой короб, расположенный возле вводного канала. Газы выходят из сосуда циклона через наклонную форсунку справа от входной форсунки. В каждом циклоне имеется бункер и опускная труба с наклонным дефлектором или разгрузочным клапаном. Сосуд циклона, который представляет собой обычный бункер для разгрузки катализатора, сконструирован так, чтобы сохранять собранный катализатор в течение нескольких дней. Однако, обычно катализатор из сосуда циклона передается на циклон 4-ой ступени при помощи небольшого количества газа, составляющего обычно от 1 до 3% от количества газов, входящих в циклон. Во время прохождения через неизолированную линию на циклон 4-й ступени, значительное количество тепла катализатора и газов теряется. Дополнительное охлаждение катализатора происходит в ловушке мелких частиц. Газы из циклона 4-ой ступени проходят через критическую диафрагму с целью разгрузки через выхлопную трубу, где давление газа снижается. Когда ловушка мелких частиц разгружается в закрытую вагонетку для траспортировки на свалку, клапан над ловушкой закрыт, вентиляционный клапан открыт для разрежения давления, а клапан под ловушкой открыт, чтобы катализатор мог разгружаться в вагонетку.

Система, показанная на рис. 3 была поставлена азиатскому НПЗ, расположенному возле экватора, для контроля выброса отходов в атмосферу. Сосуд циклона, содержащий 8 циклонов с клапанами на опускных трубах, похож на тот, который на рис.2. Однако, здесь нет циклона 4-ой ступени, потому, что система разработана не для вывода газов. Вместо этого катализатор из сосуда циклона разгружается в ловушку мелких частиц. Когда ловушка мелких частиц полна, клапан над ловушкой закрывается, и в ловушку вдувается воздух для охлаждения собранного катализатора. Охлаждающий воздух вдувается через каналы в ввод сосуда циклона. После охлаждения катализатора клапан под ловушкой мелких частиц открывается, и катализатор разгружается в разгрузочный бункер. После того, как весь катализатор был выгружен из ловушки мелких частиц, клапан под ловушкой закрывается, а клапан над ловушкой открывается для повторения процесса. Катализатор накапливается в разгрузочном бункере мелких частиц до его разгрузки в закрытую вагонетку и транспортировки на свалку.

Загрузите для распечатки файл
Сепараторы третьей ступени < PDF 225 KБ >