氣固離心分離是基於氣-固兩相的密度差，利用旋流離心力實現兩相分離的，屬於氣固非均相體繫的物理場分離技術，用的方式是氣固旋風分離。它具有處理量大、結構緊湊、作簡便等優點，應用廣泛，尤其是在高溫、高濃度條件下，已成為工程上的分離方法之一。例如在煉油催化裂化裝置中，沉降器作溫度達500℃以上，再生器中更高達700℃，旋風分離器是穩定流化床作、控制催化劑損耗的可用的分離設備。由於應用領域的特殊性及氣固分離要求的苛刻性，加上多相流理論上的困難，關於高溫旋風分離器的研究無論在分離理論還是設計技術上都未取得大展，其分離效果也難以適應眾多過程的要求，甚至成為某些工藝過程的技術瓶頸。對這樣一種重要的過程裝備，借助過程強化技術，迅速提升它的開發、設計和應用，使其不僅能適應超常的作條件和要求，而且能滿足節能和減排的需求，無疑具有重要的現實意義和長遠價值。
化工過程強化理念作為國際化學工程領域的重要學科與優先發展方向之一，由於其在節能、降耗、環保、集約化等方面的優勢而被眾多研究者和工程師所關注。本書正是在《化工過程強化關鍵技術叢書》編委會的建議下，針對高溫氣固分離領域年來出現的過程強化新技術、新方法以及新理行整理與編撰，以期為從事氣固分離領域學究的學者和工程師讀者提供一個全面繫統的介紹。氣固分離過程強化涉及以下三個方面的耦合強化問題：其一是對旋風分離器內部流場存在的不對稱、渦核扭擺、出口短路流等降低分離效率的流場調控強化問題；其二是對反應繫統使用的旋風分離器不僅需要保持高的分離效率同時還必須能夠調控反應時間並限度反應後油氣返混導致反應器結焦損失目的產品的耦合強化問題；其三是對采用多級旋風分離器串聯或多組旋風分離器並聯的大型工業裝置旋風分離器組的組合匹配方式的耦合強化問題。這三個方面的強化問題相互制約、高度關聯、缺一不可，因此耦合協同強化難度極大。正是基於此，本書特邀從事該領域研究與工程化實踐的專家、學者致力於本書的編撰工作。編撰團隊基於對反應繫統快分結構形式和參數的優化和，並結合相似理論，建立了基於相似參數關聯的耦合強化快分性能的計算方法及優化設計方法；依據單級旋風分離器的性能計算方法並結合優化匹配理論，建立了多參數的優化設計模型，形成了指導大型工業裝置氣固組合分離的優化設計方。
本書繫統地歸結了氣固旋風分離過程耦合強化所涉及的基礎理論和工業應用等方面的研究成果。全書每一部分都對氣固分離過程的設計原理、結構特點及原理、流場分布、性能優化及其在工業過程中的應用等方面已取得行了繫統闡述。本書論述具有覆蓋面較全、論述較繫統、承上啟下的特點，既有基礎理論分析，又有理論聯繫工程實際，內容豐富實，較好地反映了該領域目前的動向和富有的工作。
本書有幸入選化學工業出版社組織出版的《化工過程強化關鍵技術叢書》，在此要感謝中國化工學會和化學工業出版社對本書出版所給予的支持和幫助。本書部分內容和應用案例得益於國家科步——“催化裂化後反應繫統關鍵裝備技術的開發與應用”之技術（氣固旋流分離、催化劑預汽提和高油容率3項創新技術），以及科技部“973”項目（綠色低碳導向的煉油過程基礎研究）、國家自然科學基金重大項目（雙氣固流態化反應過程直接耦合的多尺度分析及放大規律課題）、中石油重大專項（300萬噸/年催化裂化裝置成套技術開發與工業應用課題）、中石化科技攻關項目（緊湊沉降器快分繫統的研究）等，感謝項目組和課題組提供的研究與應用成果、經結。
本書由中國石油大學（北京）盧春喜教授和陳建義教授共同編寫完成。本書內容彙聚了研究團隊20多年氣固分離強化方面的研究成果，也凝聚了研究團隊曹占友、許克家、孫鳳霞、劉顯成、胡艷華等一大批研究生的辛勤付出。闫子涵博士為書稿的整理排版做了大量工作，羅曉蘭、韓巧珍也為本書的校對付出大量心血。感謝已故時銘顯院士生前給予的悉心指導！
限於編者，書中可能存在不妥和疏漏之處，懇請廣大讀者批評指正。

編者
2020年5月

第一章 緒論

第一節 引言

氣同分離是一種重要的作。在一切存在氣固兩相的生產過程中，均伴隨氣同兩相的分離。根據應用目的不同，氣固分離可分為三大類。一是回收有用粉料。例如在氣同流化床反應器中將催化劑回收並返回床層；又如有色金屬冶煉過程中回收貴重金屬粉末等；再如在化肥、農藥、聚合物等的氣流干燥過程中收集粉料產品等。二是獲得干淨氣體。例如煉油催化裂化再生煙氣能量回收繫統，需將高溫煙氣中大於10,ttm的顆粒基本除淨．以延長煙氣的壽命；合成氧裝置的原料氣入大型離心壓縮機前，也需除淨所含的細塵，以保證壓縮機的長期運行。三是淨化廢氣保護環境。各同對於燃煤鍋爐、煉鋼爐、礦燒結機、水泥窯以及炭黑生產、石灰煆燒和復合磷肥等生產中排放的尾氣中的含塵量都有明確的規定。例如《石油化學工業污染物排放標準》(GB 3157l一2015)…規定顆粒物排放濃度不得超過20mg／m3。

當然，上述三類目的也並非相互獨立，對於大多數工業應用，更可能是兩者甚至三者兼而有之。由於氣固分離目的、條件和要求不同，所采用的分離方法也不相同。化工生產中常用的氣固分離方式有四大類，即機械力分離、靜電分離、過濾分離以及洗滌分離年來．氣固分離技術廣受化工、能源等行業的關注。是氣固旋流分離設備，因為它能在高溫、高壓和高濃度等苛刻條件下工作，且造價不高、維護簡單，所以應用最為廣泛。例如，煉油催化裂化(Fcc)反應一再生裝置括兩套氣固分離繫統：反應沉降器的氣固分離繫統{lair生器的氣固分離繫統。前者主要山提升管反應器出口快分和頂旋構成，後者由再生器內的兩級串聯旋風分離器和器外的第三級旋風分離器組成。作為一種的分離器，提升管反應器出口快分不僅要實現反應油氣與催化劑的分離(一般效率要求大於98％)．而且要保證油氣在沉降器內的停留時間不超過5s，這兩者是相互矛盾的，實現難度很大。對於再生器的多級旋風分離器，雖然作溫度高達’7000C、入口催化劑濃度也高達十幾千克／米’，但工藝扔要求其能夠除淨。7um以上的顆粒，要求也極其苛刻。上述問題的解決還有賴!r對氣閻分離過程的耦合強化括氣固快速分離和氣固旋風分離耦合強化兩個方而。目標是形成的氣固快速分離耦合強化和氣同旋風分離耦合強化新技術。

對於氣固快速分離過程的耦合強化，其主要任務是在回收催化劑顆粒的同時能夠控制反應時『n】，以獲得理想的產品分布和保證裝置的長周期運行。難點和關鍵是需要在同一分離設備上同時實現“三快”和“兩高能。“三快”是指“油劑的快速脫離…‘分離催化劑的快速頂，L提”和“油氣的快速引出”，“兩高”是指“催化劑的分離”和“高油容率”。以上“三快”和“兩高”的要求相互制約、高度關聯、缺一不可，因此開發難度極人。針對該繫統“快”和“高”兩個層面的苛刻要求，通過對其內部存在的稀相氣固離心分離和濃相氣同接觸傳質這兩種大差異、高度非線性的氣同兩相流動體繫特性和調控規律的深入認識，采取了有效的耦合措施，克服了兩者之間的不利影響，實現了兩種體繫的協同。在繫統研究基礎上開發出r氣川旋流分離、預汽提、提高油容率3項創新技術，通過集形成了5種新型快分繫統，可適用於目前所有構型的裝置，最終創建了氣同快速分離耦合強化的設計理論和力法。f}1996年以來，中國石油大學(北京)相繼開發的擋板預汽提式粗旋快分(Fsc)、旋流快分(vos)以及帶有密相環流預汽提式粗旋快分(csc)三種國產快分繫統已在國內50餘套裝置應用，創造經濟效益60．0個百分點，而兒可保證裝置不因結焦而影響正常作，作彈性更好。

對於氣l閉分離過程的強化，通常人們將分離強化的放在單個分離器單一性能的提升上，例如頂灰環、削弱短路流、降低壓降等。但實際上許多場合旋風分離器采用多級串聯或多組並聯作，有的還要附加其能，比如承受高壓力、抗結焦等，這些能的實現往往與分離性能的提升是相互矛盾的。為此，中國石油大學(北京)通過大量的實驗和理論研究，對旋風分離器內流場形成了繫統、全面的認識，歸結出了影響氣固分離的關鍵因素，不僅針對單個分離器提出了性能強化措施(如削弱二次流、控制短路流、改善旋流場的對稱性等)，並與能的實現相耦合開發了PV-．E型旋風分離器、抗結焦頂旋等性能優異

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盧春喜，男，1963年2月生，博士，中國石油大學（北京）二級教授，博士生導師，國家基礎研究“973”項目，北京市教學名師，北京市教學團隊負責人，享受政府特殊津貼。中國顆粒學會副理事長，中國化工學會化工過程強化專業委員會副主任委員，中國顆粒學會流態化專業委員會副主任。1983—1996年在中國石化洛陽石化工程公司從事催化裂化流態化工程研究工作；1996年至今在中國石油大學（北京）從事教學和催化裂化工程領域的應用基礎研究和工程化應用，創建了重油催化裂化後反應繫統的關鍵裝臺技術，解決了後反應繫統結焦這一制約裝置長周期運行——長期困擾企業的性技術難題；所開發的FSC、CSC、VQS和SVQS四種新型快分技術達到，已在國內59套工業裝應用，加工量占比達國加工量的40%以上，為企業創效6年來，將氣液環流理論移植到氣固體繫，為環流反應器在氣固流化床強化領域的應用開闢了一條良好的途徑，形成了催化裂化反應再生繫統關鍵裝備耦合強化新技術,取得了很好的工業應用效果。獲國家科步2項（排名第1和第3），省部級科技成果獎20項（其中1項，8項）。先後在AIChE Journal、C.E.S. 等國內外學術刊物文320餘篇，其中SCI、EI檢索210篇。出版《催化裂化流態化技術》和《催化裂化反應繫統關鍵裝備技術》專著2部、《煉油過程及設備》教材1部，授權國家專利78項。

陳建義，男，1965年9月生，博士，教授，博士生導師；北京市教學名師，享受政府特殊津貼。主要面向石油化工、煤的清潔利用、海洋油氣開采等領域開展多相流分離技術及裝備開發等方面的研究。繫統研究了氣固旋風分離器的分離理論，開發的新型旋風分離器在煉油、石油化工、煤化工等領域獲得推廣應用，是的反應器新型兩級旋風分離器，其綜合性能處於，國內市場占有率90%以上。主持或參加承擔的國家自然科學基金、973、863等項目5項；獲國家科步1項、自然科學1項、省部級科步2項；獲中國發明專利5項；在國內外文70餘篇（其中SCI、EI收錄20餘篇），出版專著1本。