閆子涵,王釗,陳昇,范怡平,盧春喜
(中國石油大學(北京)重質油國家重點實驗室,北京 102249)
新型催化裂化提升管進料段油、劑兩相混合特性
閆子涵,王釗,陳昇,范怡平,盧春喜
(中國石油大學(北京)重質油國家重點實驗室,北京 102249)
通過大型冷模實驗,引入射流相對濃度及顆粒相對濃度兩個新參數,考察了油劑逆流接觸新型提升管進料段內的油劑“匹配”狀況。結果表明,噴嘴向下傾斜的進料方式能夠強化油劑初始接觸區域內兩相混合,混合區高度可縮短約 1/3。根據進料段內油劑匹配的特點,可將該新型進料段分為油劑初始接觸區、氣固擴散區和過渡恢復區3個部分。根據實驗結果,得到了較佳的工況組合,分別為:噴嘴與軸向夾角α=30°,預提升氣速Ur=4.1 m·s-1,噴嘴氣速 Uj=64.2 m·s-1。結合實驗數據,對新型進料段中油劑匹配指數的軸向分布進行了擬合,結果可為油劑逆流接觸提升管進料段的工業設計提供參考。
提升管;進料段;兩相流;混合;油劑匹配指數
流化催化裂化工藝(FCC)在我國石油加工業中占有重要的地位,提供了市場上大部分的汽、柴油等高價值目的產品。提升管反應器是催化裂化的核心裝置之一,是進行裂化反應的主要場所。根據
2016-03-28收到初稿,2016-05-31收到修改稿。
聯系人:盧春喜。第一作者:閆子涵(1989—),男,博士研究生。
在進料混合段內,原料油和催化劑之間的接觸與混合效果將對整個催化裂化反應產生重要的影響[2-4]。該區域油、劑兩相較為理想的混合狀況是二者實現快速而均勻的混合,在提升管截面上,油、劑兩相的濃度分布相匹配,且混合后二者以近似“平推流”的形式沿提升管向上運動。然而,傳統形式提升管進料混合段內的實際情況與理想狀況存在一定差異,在進料混合段的大部分區域里,油、劑兩相的濃度分布并不“匹配”,油相濃度相對較高(低)的區域,劑相濃度卻較稀(高);油、劑混合物也并非以“平推流”的形式沿提升管運動,在某些區域存在嚴重的油氣返混,從而增大了油、劑之間反復接觸的概率,造成結焦[5-7]。
針對傳統提升管進料混合段內存在的不足,研究者提出了眾多改進方案,采用的手段包括增加內構件、提升管變徑、改變進料方式和噴嘴角度等[8-15]。但大多數方法都是一些嘗試性探索,部分方案結構復雜,較難實現工業應用。其中,改變進料方式和噴嘴安裝角度的方法由于結構相對簡單、易于實施,近年來受到研究者的關注。Lomas等[16]提出將原料油噴嘴水平設置的進料方案,促使射流迅速覆蓋提升管截面,實現原料油與催化劑快速而充分的接觸。然而,該方案需要保證幾組噴嘴在安裝時完全對稱,以防止射流對提升管內壁的沖刷。即使在提升管中心設置擋板,高速的射流也會對其造成沖蝕。Mauleon等[17]提出將進料噴嘴向下傾斜安裝的設計方案,以促進催化劑顆粒與原料油均勻而快速的接觸。在此基礎上,Chen等[18]通過理論分析得出,當噴嘴射流方向與預提升主流方向相反時,射流主流及二次流的方向均朝向提升管中心,從而促進原料射流與催化劑顆粒的混合。Yan等[19]結合實驗數據和理論模型,進一步描述了噴嘴向上和向下傾斜安裝時射流主流及二次流的發展趨勢。結果表明,當進料噴嘴向下傾斜安裝時,噴嘴射流將更加迅速地與預提升主流混合。與此同時,研究者對油劑逆流接觸提升管進料段內顆粒相的流動特性及射流相的分布特征進行了初步研究[20-21]。然而,目前對于不同噴嘴安裝形式的進料段內油、劑間接觸及匹配情況的研究較為有限,且噴嘴安裝角度及操作條件的影響需要進一步深入研究。為此,本文采用大型冷模實驗的方法,研究了油劑逆流接觸提升管進料段內的油劑匹配情況,探究了噴嘴安裝角度以及操作條件的影響,并與傳統進料形式進行了對比。
1.1實驗裝置及操作參數
研究中采用的大型冷模實驗裝置如圖1所示。其中,提升管為內徑186 mm、高11 m的有機玻璃管。所采用的進料段結構如圖2所示,4個向下傾斜安裝的進料噴嘴均布安裝在距氣體分布器以上4.5 m高度處,噴嘴與提升管軸向向上方向的夾角設為α,為了研究噴嘴安裝角度的影響,本文選取α 為30°、45°和60°。

圖1 實驗裝置Fig. 1 Schematic diagram of experimental apparatus
實驗中,預提升氣及噴嘴射流均采用常溫空氣。由于條件所限,在實驗室中無法模擬原料油經噴嘴噴入到提升管時迅速汽化的情況,但是考慮到在實際催化裂化反應中汽化的過程極短,通常在毫秒級時間內完成[22],因此噴嘴射流也可以使用空氣代替。固體顆粒為催化裂化平衡催化劑,其平均粒徑為79 μm,堆積密度為929 kg·m-3。為滿足工業裝置的操作條件,實驗中預提升氣速的變化范圍為2.4~4.1 m·s-1,噴嘴出口射流速度變化范圍為41.8~78.5 m·s-1,從而使得噴嘴射流與預提升氣流混合后提升管內總表觀氣速與工業條件接近。提升管內顆粒循環強度約為60~100 kg·m-2·s-1。

圖2 進料段結構Fig. 2 Schematic diagram of feed injection scheme
實驗中,設噴嘴安裝位置處為H0,該處以上為正、以下為負,測量時所選截面為H-H0= -0.185、0.185、0.375、0.675 m。
1.2測試及數據處理方法
本文采用局部射流濃度與局部顆粒濃度之比考察油、劑兩相在提升管進料段內的接觸情況。在任意位置,射流相對濃度與顆粒相對濃度的數值越接近,則該截面的油、劑接觸狀況越好。
局部顆粒濃度 ρm使用中國科學院過程工程研究所開發的PV-6D型顆粒濃度測量儀進行測定[23]。局部射流濃度的測定采用氣體示蹤技術[24-25],實驗中,將氦氣脈沖地注入到噴嘴中,使其與噴嘴氣體一起進入提升管。氦氣示蹤儀的分析軟件可以得到采樣點處氦氣的平均濃度ci,該濃度值為采樣點氣相中氦氣的濃度,而非氣固混合物中氦氣的濃度。因此,采用ci(1-εp)表示示蹤氣體在氣固混合相中的濃度。其中,εp=ρm/ρp,為局部固含率。此外,為了消除實驗中脈沖示蹤與連續進料差別所帶來的誤差,結合前人的研究結果,本文定義射流特征相對濃度 Cj i來表征射流相沿提升管截面的相對分布情況,其表達式如式(1)所示。

為了與射流相的處理方法相對應,定義顆粒相對濃度 Cp i來表示顆粒相沿提升管截面的相對分布情況,如式(2)所示。

當任意位置的射流相對濃度 Cj i與顆粒相對濃度 Cp i確定后,二者的比值可以反映該位置油、劑間的匹配情況,為進一步定量化描述油、劑混合狀況,引入局部油劑匹配指數λi,如式(3)所示。由式(3)可以看出,λi的數值越接近于0,則局部的油、劑匹配程度越好,越有利于二者的接觸及混合。

對任意截面內的局部油劑匹配指數取平均值,即可反映油劑匹配情況沿提升管軸向的變化,將其定義為截面平均油劑匹配指數λm,表達式見式(4)。顯然,λm的數值越小,其所在截面油、劑間的接觸效果越好。

2.1局部油劑接觸狀況
為了充分反映油、劑間的接觸及匹配情況,將油劑逆流接觸提升管進料段內各截面的射流相對濃度Cj i、顆粒相對濃度Cp i及局部油劑匹配指數λi繪制于圖3中。同時,為了與傳統進料形式進行比較,將噴嘴向上傾斜安裝進料段結構內油劑匹配指數的分布情況繪制于圖4[26]。
2.1.1噴嘴以下0.185 m截面在噴嘴以下0.185 m截面,當α為30°及45°時,在整個橫截面內均可以檢測到示蹤氣體,且射流濃度呈現中心高、邊壁低的分布趨勢,這表明斜向下的噴嘴射流會迅速擴散至提升管中心并與預提升氣流進行混合;當α為60°時,只有在靠近提升管邊壁處可以檢測到少量示蹤氣體,即噴嘴射流并不能覆蓋整個截面,說明隨著噴嘴與軸向夾角的增大,射流的影響范圍會隨之減小。在斜向下射流徑向分量的作用下,部分邊壁處的催化劑顆粒被運送至提升管中心,因此在該截面顆粒相對濃度沿徑向的變化梯度較小,即顆粒相沿徑向的分布較為均勻。由于氣固相的這一分布特點,使得該截面油劑匹配指數λi的數值較小,尤其是在提升管中心區(r/R=0~0.5)。該區域(H-H0≈-0.185~0 m)為原料油與催化劑最初始的接觸區域,較小的油劑匹配指數意味著油、劑間的接觸效果良好。對于傳統的進料段結構,在相應的油劑初始接觸區域內(H-H0≈0~0.375 m),提升管中心區及邊壁區油劑匹配指數的數值都較大,且λi沿徑向存在較大的波動。這主要是由于當噴嘴向上傾斜進料時,射流不能迅速到達提升管中心,使得射流相與顆粒相沿截面分布的匹配程度較差,不利于油、劑間的接觸及混合。當噴嘴改為向下傾斜進料時,射流更容易覆蓋整個提升管截面,并促使顆粒沿徑向的分布更為均勻,從而促進油、劑間的均勻混合。

圖3 油劑逆流接觸提升管進料段內油、劑分布及匹配情況Fig. 3 Distributions and matching of oil & catalysts in downward pointed feed injection scheme

圖4 傳統提升管進料段內油劑匹配指數分布Fig. 4 Distributions of oil/catalyst matching index in traditional feed injection scheme(Uj=83.3 m·s-1,Ur=3.28 m·s-1)
2.1.2噴嘴以上0.185 m截面在噴嘴以上0.185 m截面,射流相對濃度沿提升管截面呈現中心高、邊壁低的分布特點,且沿徑向的變化梯度較大。與之相反,顆粒相對濃度呈現中心低、邊壁高的分布趨勢,且邊壁區的顆粒濃度數值顯著增大。當射流相及預提升氣固混合相共同運動至進料噴嘴附近時,由于高速噴嘴射流的約束作用,提升管內有效流通面積減小,促使氣固混合物集中于提升管中心;隨著噴嘴約束作用的減弱,提升管內的自由空間突然增大,射流及催化劑顆粒會向提升管邊壁擴散。由于射流本身較高的氣速以及提升管內氣固間曳力的作用,顆粒相的上升速度總是低于氣相的速度,從而使顆粒的運動總是滯后于氣體。因此,在該截面顆粒相在邊壁區出現了聚集,而射流相仍集中于提升管中心。這一分布特點對油、劑間的匹配產生了一定不利影響,使得靠近邊壁處的λi數值顯著增大,在后續工作中,應該進一步采取措施進行優化。在傳統進料段結構中,類似的現象同樣存在,但二者的成因不盡相同。從圖4中可以看出,在傳統結構的H-H0=0.675 m截面,局部油劑匹配指數在提升管邊壁區的數值較大,該截面處于二次流影響最為嚴重的區域,邊壁區的顆粒在二次流影響下形成嚴重的返混和聚集,從而使得油劑匹配效果較差。
對于噴嘴向下傾斜的情形,當噴嘴與提升管軸向夾角α為30°時,大部分催化劑顆粒尚未擴散至提升管邊壁,因此顆粒相對濃度及局部油劑匹配指數的最大值出現在 r/R≈0.8位置。隨著α的增大,顆粒相將更容易擴散至提升管邊壁并在邊壁處聚集,因此當采用噴嘴向下傾斜的進料方式時,進料噴嘴與提升管軸向的夾角不宜過大,在本文實驗條件下,選取α=30°較為合適。
2.1.3噴嘴以上 0.375、0.675 m 截面在H-H0=0.375 m截面,射流相對濃度的分布隨著α的不同呈現出不同的特點。當α為30°時,射流濃度仍然呈現中心高、邊壁低的分布趨勢;當α為45°時,提升管邊壁處的射流濃度略大于中心區;而當α為60°時,射流相對濃度的最大值出現在 r/R≈0.25~0.5區域。這也進一步表明射流相在與預提升氣流混合的同時會向提升管邊壁擴散,而后逐漸與預提升主流混合均勻,且噴嘴與提升管軸向的夾角越大,射流相越容易擴散至提升管邊壁。在噴嘴以上0.675 m截面,射流相對濃度沿提升管截面的分布較為均勻,中心處的濃度略大于邊壁處,與提升管內典型的氣相分布類似,表明噴嘴射流與預提升主流基本混合均勻。
從圖3中可以看出,隨著噴嘴射流影響的逐漸減弱,顆粒相的分布逐漸恢復為提升管內典型的環核結構。與此同時,由于射流相及顆粒相的分布都趨于穩定,局部油劑匹配指數沿徑向的分布也趨于均勻。在噴嘴以上0.675 m截面,顆粒相及射流相的分布均恢復為提升管內的典型分布特征,表明油、劑間已經基本完成混合。而對于傳統進料段結構,在噴嘴以上1.075~1.375 m截面,油劑匹配指數沿徑向的分布才趨于均勻。這表明,采用油劑逆流接觸的進料方式將使噴嘴以上射流的影響范圍明顯縮短,從而促進油、劑間的快速混合。
2.2油劑接觸情況沿軸向的分布
圖5所示為傳統及不同噴嘴安裝角度的新型提升管進料段結構中截面平均油劑匹配指數沿軸向的分布情況。從圖中可以看出,在進料混合段的大部分區域,油劑逆流接觸結構中平均劑油匹配指數λm的數值均小于傳統結構中的數值,尤其是在油劑初始接觸區域(噴嘴向上傾斜時為 H-H0≈0~0.375 m,噴嘴向下傾斜時為H-H0≈-0.185~0 m)。這表明噴嘴向下傾斜的進料方式將有效提高進料混合段內油、劑間的匹配程度,從而促進原料油與催化劑實現高效的混合及反應。

圖5 截面平均油劑匹配指數沿軸向的分布情況Fig. 5 Axial distributions of average oil/catalyst matching index
在油劑逆流接觸進料段結構中,由于噴嘴附近存在顆粒相與射流相分布不匹配的區域,使得該區平均油劑匹配指數有所增大。隨著噴嘴射流的影響逐漸減弱,截面平均油劑匹配指數隨之減小。當噴嘴射流與催化劑顆粒及預提升氣流充分混合后,提升管內的截面平均劑油匹配指數將基本維持穩定。從圖5可以看出,對于噴嘴向下傾斜的情形,在噴嘴以上約0.6 m以后,λm的數值基本不再發生變化,表明射流相、預提升相及顆粒相已經充分混合,在該情形下,油、劑的混合區域約為H-H0≈-0.2~0.6 m;而對于噴嘴向上傾斜的情形,在H-H0〉1.1m以后截面平均劑油匹配指數才趨于穩定,油、劑混合區域約為H-H0≈0~1.2 m。這表明,采用噴嘴向下傾斜的進料段結構可使油、劑的混合區域縮短約1/3,從而促進原料油與催化劑顆粒的混合。
通過以上分析可以得出油劑逆流接觸的提升管進料段結構主要有以下優勢:① 在油、劑的初始接觸區域,射流相將很快覆蓋整個提升管截面,同時,在斜向下射流的作用下,顆粒相沿提升管徑向的分布變得更為均勻,使得該區域的油劑匹配程度較好,有利于原料油與催化劑間的均勻混合;② 當噴嘴向下傾斜安裝時,油、劑的混合區高度明顯縮短,從而促使原料油與催化劑實現更加快速、高效的混合。
綜合上述分析結果,圖3給出了油劑逆流接觸提升管進料段內顆粒相、射流相的分布及流動。根據局部及整體油劑匹配情況的特點,可以將噴嘴向下傾斜進料方式的油、劑混合過程分為3個部分,分別是:油劑初始接觸區(H-H0≈-0.185~0 m),氣固擴散區(H-H0≈0~0.375 m)以及過渡恢復區(H-H0≈0.375~0.675 m)。在油劑初始接觸區內,原料油迅速擴散至提升管中心并與催化劑顆粒混合;在氣固擴散區內,受噴嘴射流的影響,射流相及顆粒相朝向提升管邊壁擴散,并出現了一定的油劑分布不匹配區域;在過渡恢復區內,噴嘴射流的影響逐漸減弱,原料油逐漸與催化劑顆粒及預提升氣混合均勻。
2.3操作條件的影響

圖6 預提升氣速對截面平均油劑匹配指數的影響Fig. 6 Effect of prelift gas velocity on average oil/catalyst matching index(Uj=64.2 m·s-1)
2.3.1預提升氣速的影響圖6所示是噴嘴氣速Uj相同時,預提升氣速Ur變化對油劑逆流接觸提升管進料段內油劑匹配指數軸向分布的影響。從圖中可以看出,預提升氣速對油劑匹配指數的影響主要體現在氣固擴散區內。當預提升氣速較小時,油劑匹配指數的數值較大,不利于油劑混合,隨著預提升氣速的增大,油劑匹配指數明顯減小,將會促進油劑間的接觸及混合。這主要是因為預提升氣速較低時,高速噴嘴射流的影響更為顯著,造成該區域內氣固的擴散過程更加不匹配,從而影響油、劑間的接觸效果。因此,當采用噴嘴向下傾斜的進料方式時,應當在操作條件范圍內適當提高預提升氣速,以獲得更好的油劑匹配效果。在本文實驗條件下,較優的預提升氣速為Ur=4.1 m·s-1。
2.3.2噴嘴氣速的影響噴嘴氣速對油劑匹配指數沿軸向分布的影響如圖7所示。從圖中可以看出,在油劑初始接觸區內,噴嘴氣速Uj為41.8 m·s-1和64.2 m·s-1時,油劑匹配指數的數值差別不大,當噴嘴氣速較高時(Uj=78.5 m·s-1),油劑匹配指數有所增大;在氣固擴散區和恢復過渡區內,噴嘴氣速對油劑匹配指數的影響不明顯,但隨著噴嘴氣速的提高,油劑匹配指數略有增大。因此,在油劑逆流接觸提升管進料段中,為了獲得更好的油劑接觸效果,噴嘴出口氣速不應過高。在本文實驗條件下,較適宜的噴嘴氣速為Ur=64.2 m·s-1。

圖7 噴嘴氣速對截面平均油劑匹配指數的影響Fig. 7 Effect of jet gas velocity on average oil/catalyst matching index(Ur=3.5 m·s-1)
2.4截面平均油劑匹配指數的經驗關聯
在本文提出的油劑逆流接觸提升管進料段結構中,氣、固相的分布特征及油、劑間的匹配情況與傳統進料段結構都有較大差異。綜合考慮各種影響因素,對油劑逆流接觸提升管進料段中油劑匹配指數沿軸向的分布情況進行了回歸,用以反映該新型進料段結構內油、劑的匹配情況。
在進料混合段內,固含率的軸向分布主要受到提升管內表觀氣速Uf,系統循環強度Gs,提升管直徑D,催化劑顆粒密度ρp,氣相密度ρg,催化劑平均粒徑dp,射流相與預提升混合相動量比K以及量綱1軸向位置H/D等因素的影響。將各參數量綱1化后可得到如下形式[20]

其中,Reap=Gsdp/μ,為顆粒 Reynolds數;Reag=UfDρg/μ,為氣相Reynolds數。

因此,截面平均油劑匹配指數可表示為

根據油劑逆流接觸進料混合段內 λm的分布特征,對油劑混合過程3個軸向區域內的油劑匹配指數分別進行了回歸,得到如下結果。
油劑初始接觸區(H-H0≈-D~0)

式(8)~式(10)計算所得結果與實驗值的對比如圖8所示,二者吻合較好,平均相對誤差處于工程允許范圍內,可為油劑逆流接觸新型提升管進料段結構的設計提供參考。
(1)與傳統提升管進料段相比,采用噴嘴向下傾斜的進料方式可以顯著提高油劑初始接觸區域油、劑間的匹配效果,有利于原料油與催化劑間的均勻混合。與此同時,油、劑的混合區高度可縮短約 1/3,從而促使原料油與催化劑實現更加快速、高效的混合。
(2)根據局部及整體油劑匹配情況的特點,可以將油劑逆流接觸進料段內的油、劑混合過程分為3個階段,分別是油劑初始接觸區、氣固擴散區、過渡恢復區。
(3)為了獲得更好的油劑匹配效果,采用噴嘴向下傾斜的進料方式時,原料油噴嘴與提升管軸向的夾角不宜過大,在操作條件范圍內應適當提高預提升氣速,不宜采取較高的噴嘴氣速。在本文實驗條件下,較優的組合為:噴嘴與軸向夾角α=30°,預提升氣速Ur=4.1 m·s-1,噴嘴氣速Uj=64.2 m·s-1。

圖8 計算值與實驗值的對比Fig. 8 Comparison between calculated data and experimental data
(4)綜合考慮各影響因素,對油劑逆流接觸提升管進料段中油劑匹配指數沿軸向的分布情況進行了經驗回歸,計算值與實驗值吻合較好,結果可為油劑逆流接觸新型提升管進料段結構的工業設計提供參考。
符號說明
A——提升管橫截面積,m2
Cj——射流相對濃度
Cp——顆粒相對濃度
c——采樣點處氦氣濃度
D——提升管直徑,m
Gs——顆粒循環強度,kg·m-2·s-1
H——軸向高度,m
H0——噴嘴入射高度,m
K——噴嘴射流與預提升動量比
Qj——噴嘴射流流量,m3·h-1
Qr——預提升氣量,m3·h-1
Uf——提升管內表觀氣速,m·s-1
Uj——噴嘴出口氣速,m·s-1
Ur——預提升氣速,m·s-1
α——噴嘴與提升管軸向夾角,(°)
εp——局部固含率
λ——局部油劑匹配指數
λm——截面平舉油劑匹配指數
μ——氣體運動黏度,Pa·s
ρg——氣體密度,kg·m-3
ρm——局部顆粒濃度,kg·m-3
ρp——顆粒密度,kg·m-3
下角標
i——測量點
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M atching between oil and catalyst in new scheme of FCC feed injection
YAN Zihan, WANG Zhao, CHEN Sheng, FAN Yiping, LU Chunxi
(State Key Laboratory of Heavy Oil, China University of Petroleum, Beijing 102249, China)
The matching between oil and catalyst in a downward pointed feed injection scheme was investigated in a large scale model cold riser. Two new parameters were introduced as relative concentration of feed jets and that of catalyst particles, which an oil/catalyst matching index was calculated from the concentration distributions of feed jets and catalyst particles. Experimental results showed that the downward pointed feed injection quickly covered the whole cross section of the riser and significantly shortened the m ixing height of oil and catalysts such that the feed oil and the catalyst particles could contact rapidly and uniform ly. According to axial distributions of the oil/catalyst matching index, the feed segment under the proposed new scheme of feed injection were divided into three regions, i.e. the initial contact region, the gas-solid diffusion region and the recovery region. A better matching between oil and catalyst could be obtained through a lower nozzle setting angle α, a higher prelift gas velocity Urand a moderate jet gas velocity Uj. The optimal operating condition was Ur=4.1 m·s-1, Uj=64.2 m·s-1and α=30°. Furthermore, the simulation of axial distribution of the average oil/catalysts matching index were performed by combination w ith experimental data, which could certainly provide some guidance for the design of downward pointed feed injection scheme.
riser; feed injection zone; two-phase flow; mixing; oil/catalyst matching index
date: 2016-03-28.
LU Chunxi, lcx725@sina.com
supported by the National Basic Research Program of China (2012CB215000).
TQ 016
A
0438—1157(2016)08—3304—09
10.11949/j.issn.0438-1157.20160351
國家重點基礎研究發展計劃項目(2012CB215000)。其在反應過程中的不同作用,通常可將整個提升管反應器由下至上分為預提升段、進料混合段、充分反應段以及出口快速分離區4部分[1]。在預提升段內,預提升蒸汽從提升管底部進入,與再生斜管引入的催化劑混合并攜帶催化劑顆粒群向上運動;當到達進料混合段時,催化劑顆粒與霧化噴嘴噴入的原料油混合、接觸并迅速開始反應;在充分反應段,油、劑混合物邊向上運動邊繼續進行裂化反應;最終,在末端出口快分系統的作用下實現油氣與催化劑的快速分離。