專利名稱：Fcc進(jìn)料噴射區(qū)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及流體床催化裂化設(shè)備的進(jìn)料噴射區(qū)。更具體的，改變所述進(jìn)料噴射區(qū)的幾何結(jié)構(gòu)以使進(jìn)料噴射區(qū)是非圓形的以提供最佳的進(jìn)料和催化劑混合。
背景技術(shù)：
在用于將高沸點(diǎn)烴類轉(zhuǎn)化為輕烴的流化床催化過程中，流化態(tài)的催化劑粒子與烴在至少一個(gè)接觸區(qū)接觸。烴和催化劑的接觸方式對流體床催化裂化設(shè)備(“FCC”)性能具有顯著的影響。如果FCC提升器中的催化劑粒子可以完全并瞬間與烴在進(jìn)料混合區(qū)混合將是有利的。然而，這在物理上是不可能的。進(jìn)行了許多的努力以最佳化烴和催化劑的混合以改善FCC性能。
改善在進(jìn)料混合區(qū)混合的努力集中于用于將進(jìn)料注入的注射管嘴和催化劑和進(jìn)料混合的方式。所述注射噴嘴的一個(gè)目的是使進(jìn)料分散的盡可能細(xì)。制造微滴的方法被稱為流體霧化，其受因素比如節(jié)流面積、壓降、流體密度和粘性的影響。
影響進(jìn)料和催化劑混合的一種方式集中于進(jìn)料制備。例如，所述進(jìn)料可以與氣流混合之后進(jìn)行霧化。所述進(jìn)料可以通過開口排出進(jìn)入混合管之后接觸催化劑。所述進(jìn)料、催化劑或者兩者同樣可以被增加速度之后進(jìn)行混合。使用提升氣體以加速提升器中的催化劑粒子。
進(jìn)料注射器的取向同樣可能影響進(jìn)料混合。在一種情況下，所述進(jìn)料通過圍繞所述提升器周圍排列的噴嘴徑向?qū)?。其它的噴嘴布置和注入方法集中于產(chǎn)生文丘里效應(yīng)。這伴隨在所述催化劑、進(jìn)料或者兩者的流路上產(chǎn)生限制。另外的方法和設(shè)備包括進(jìn)料注入裝置，其中進(jìn)料從所述混合區(qū)的包括不同橫截面的限流孔側(cè)面橫向注入。
優(yōu)化流化催化裂化裝置混合區(qū)而不依賴加速催化劑作為能量輸入的優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)致壓降和限制催化劑循環(huán)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種改進(jìn)催化劑和進(jìn)料混合的方法。因此，本發(fā)明涉及一種用于混合流化催化裂化器進(jìn)料噴射區(qū)的流化態(tài)顆粒與流體碳?xì)浠衔镌狭骰旌系姆椒?a)將流化態(tài)顆粒送入粒子導(dǎo)管；(b)將所述流化態(tài)顆粒從所述粒子導(dǎo)管導(dǎo)入到所述進(jìn)料噴射區(qū)，所述進(jìn)料噴射區(qū)包含非圓形的導(dǎo)管，條件是所述粒子導(dǎo)管和所述非圓形的導(dǎo)管基本上具有同樣的橫截面區(qū)域；和(c)通過多個(gè)位于所述的非圓形導(dǎo)管上的進(jìn)料注射器將流體碳?xì)浠衔镞M(jìn)料注入所述進(jìn)料噴射區(qū)。
在另外的實(shí)施方式中，本發(fā)明涉及一種流化態(tài)顆粒與流化催化裂化器進(jìn)料噴射區(qū)中的流體碳?xì)浠衔镌狭骰旌系姆椒?，包?a)將流化態(tài)顆粒送入粒子導(dǎo)管；(b)將所述流化態(tài)顆粒從所述粒子導(dǎo)管導(dǎo)入到所述進(jìn)料噴射區(qū)，所述進(jìn)料噴射區(qū)包含矩形管道，條件是所述粒子導(dǎo)管和所述矩形管道基本上具有同樣的橫截面區(qū)域；和(c)通過多個(gè)位于所述的矩形管道上的進(jìn)料注射器將流體碳?xì)浠衔镞M(jìn)料注入所述進(jìn)料噴射區(qū)。
使用非圓形的導(dǎo)管可以使從所述導(dǎo)管側(cè)面注入的進(jìn)料的噴射更有效地穿透催化劑粒子物流。
附圖簡述

圖1是示意性顯示彼此以θ＝90度的角度流動(dòng)的兩種射流之間的射流混合。
圖2顯示典型的大直徑的FCC噴射區(qū)的橫截面的平面圖。
圖3顯示典型的小直徑FCC進(jìn)料噴射區(qū)橫截面的平面圖。
圖4顯示非圓形的FCC進(jìn)料噴射區(qū)橫截面的平面圖，表明使用非圓形的催化劑管道的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的詳細(xì)說明所述FCC工藝通常包括流化催化裂化反應(yīng)器和再生器。所述FCC反應(yīng)器包括包含進(jìn)料噴射區(qū)和隨后反應(yīng)區(qū)的進(jìn)料提升管，在反應(yīng)區(qū)中預(yù)熱的流化催化劑粒子與碳?xì)浠衔镞M(jìn)料接觸。來自所述反應(yīng)區(qū)的廢催化劑粒子被送入汽提段，汽提過的催化劑被送到再生器。所述進(jìn)料噴射區(qū)通常包括多個(gè)圍繞圓形催化劑管道間隔的進(jìn)料注射器，同時(shí)所述反應(yīng)區(qū)通常是所述進(jìn)料噴射區(qū)下游的提升器或者管道類型的接觸器。
所述FCC反應(yīng)器的原料可以是單獨(dú)的原料或者原料混合物，包括減壓和常壓的粗柴油、輕催化裂化裝置粗柴油、焦化瓦斯油、來自減壓和常壓蒸餾單元的殘油、全和常壓渣油、瀝青、瀝青烯、來源于熱裂化比如循環(huán)油的油、來源于焦油砂和煤的油、頁巖油、合成原油等等。所述原料可以例如通過加氫處理或者溶劑精制預(yù)處理以除去有害組分。
FCC催化劑可以是無定形的比如二氧化硅-氧化鋁、結(jié)晶的或者其混合物。結(jié)晶催化劑是分子篩，優(yōu)選沸石。沸石的例子包括x、Y、REY、USY、β等等。催化劑的沸石含量通常基于催化劑為15-40wt％。所述催化劑通常是細(xì)碎的，平均粒度為50-200μ。
典型的FCC反應(yīng)區(qū)條件包括溫度從427到732℃(800到1350)，壓力從135到515kPa(5到60psig)，催化劑接觸時(shí)間從0.5到15秒，和催化劑與進(jìn)料的重量比從0.5到10。所述進(jìn)料可以預(yù)熱到溫度177到454℃(350到850)。
在所述提升管的FCC反應(yīng)區(qū)中，流化的熱催化劑粒子與霧化的進(jìn)料接觸。所述進(jìn)料迅速蒸發(fā)并裂化為輕產(chǎn)品比如汽油、柴油、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃料、煤油、燃料油等等。蒸發(fā)的產(chǎn)物和廢催化劑在所述反應(yīng)器的上部分離段分離。所述廢催化劑粒子通常用蒸汽提以回收副產(chǎn)物。所述汽提過的催化劑粒子被送到再生器，其中燃燒掉焦炭。再生催化劑然后循環(huán)回到所述提升器。
在典型的FCC提升器中，所述進(jìn)料噴射區(qū)是圓形的，所述流化催化劑向上流動(dòng)，其中催化劑與通過位于環(huán)繞圓形的進(jìn)料噴射區(qū)的噴嘴注入的霧化的進(jìn)料接觸?？梢愿淖兯鰢娚鋮^(qū)的直徑和/或改變所述噴管結(jié)構(gòu)/取向以改善進(jìn)料和催化劑的混合。當(dāng)通過所述FCC反應(yīng)器的總的設(shè)計(jì)能力(催化劑流速)增加時(shí)，所述提升器和進(jìn)料段的橫截面面積和周圍長度通常增加。當(dāng)設(shè)計(jì)進(jìn)料速度增加時(shí)，所述注射管嘴的數(shù)量和/或尺寸也增加。所述進(jìn)料注射器通常高度優(yōu)化以使進(jìn)料霧化，任何給定噴管的流速范圍和排放條件受到這些設(shè)計(jì)考慮因素的限制。在許多情況下，所述進(jìn)料射流和所述催化劑流之間的射流混合不進(jìn)行優(yōu)化或者不能優(yōu)化，因?yàn)樵诳紤]所述催化劑流和提升管尺寸特性的情況下，不能改變進(jìn)料射流的特性以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的穿透和混合。
使用混合理論預(yù)測當(dāng)混合流體流動(dòng)通過不同直徑圓形管道的流體特性。圖1顯示彼此為θ＝90度角度流動(dòng)通過直徑為D2與d1的管道的兩種射流之間的射流混合簡化圖。所述射流由具有各種各樣的質(zhì)量流量、密度和速度的流體組成。所述兩種射流的最佳配合比由關(guān)聯(lián)流量、密度、速度和管道直徑的方程表征。實(shí)施例說明兩種射流相對角θ＝90度時(shí)的情況。在顯示于圖1的情形下，其中流動(dòng)通過兩個(gè)管道1A和2A的二種流體1和2互相接觸，M1和M2是相應(yīng)的流體1和2的質(zhì)量流量，ρ1和ρ2是相應(yīng)的密度，u1和u2是相應(yīng)的速度，D2是較大管道2A的有效的等效直徑，d1是較小管道1A的有效的或者等效直徑，θ是流體1和2兩種射流之間的接觸角。對于θ＝90°的射流，Ymax/D1＝1.25((ρ1U12/ρ2u22)0.5)(M1/(M2+M2))，其中Ymax是流動(dòng)進(jìn)入較大管道較小射流的穿透極限值。對于流體1和2的最佳配合比，已經(jīng)顯示Ymax＝0.33D2，即0.33倍所述較大管道的直徑。對于利用二相氣體霧化的進(jìn)料注射器的FCC進(jìn)料注入的情況，ρ2，所述噴射區(qū)催化劑密度為10-35lb/ft3，u2，催化劑進(jìn)入所述進(jìn)料噴射區(qū)的速度為2-10ft/s。所述進(jìn)料射流的密度，ρ1，為5-20lb/ft3，所述進(jìn)料射流的速度，u1，為75-300ft/s。催化劑管道的直徑，D2，為1-4ft，所述進(jìn)料注射器管道的直徑，D1，為0.05-0.75ft。M2和M1相應(yīng)的質(zhì)量流量對于所述催化劑流為330-3300lb/s，對于所述單獨(dú)的進(jìn)料噴射流為10-50lb/s。當(dāng)各種各樣的密度、速度、質(zhì)量流量和進(jìn)料射流直徑值代入方程式求解Ymax時(shí)，可與D2相比。當(dāng)Ymax＝0.33D2時(shí)，試驗(yàn)性的得到了最佳配合比。
當(dāng)Ymax＝0.33D2時(shí)，所述二種流體之間的混合是最優(yōu)化的，即這是流動(dòng)通過兩個(gè)管道以90-度接觸角混合在一起的二種流體之間優(yōu)化的穿透極限。當(dāng)所述二種流體溫度不同，或者當(dāng)所述流體之一經(jīng)歷相變比如汽化時(shí)，這可以通過測量越過較大管道和注入點(diǎn)下游的溫度分布試驗(yàn)確定。對于具體的單一流體射流具有90度相對角的情況，當(dāng)Ymax＝0.33D2時(shí)，溫度很快平衡表明實(shí)現(xiàn)了最好的混合。如果穿透極限大于或者小于0.33D2，則需用更長時(shí)間出現(xiàn)混合，更長時(shí)間溫度達(dá)到平衡。
上述流體混合基本原理適用于從噴射區(qū)進(jìn)入FCC提升器中催化劑流的原料的霧化。所述基本原理同樣可適用于如下的情況，其中進(jìn)料噴射流的角度相對于所述催化劑流軸心是不同于90度的值。在這種情況下，Ymax是所述催化劑流軸心和所述進(jìn)料噴射流軸心之間角度(θ)的函數(shù)，優(yōu)化的射流混合的Ymax值是該角度θ的函數(shù)。在常規(guī)的具有多個(gè)注入點(diǎn)的圓形管道中，不可能設(shè)計(jì)出實(shí)現(xiàn)這種最大優(yōu)化穿透值的系統(tǒng)。然而，在非圓形系統(tǒng)中，當(dāng)所述二種流體基于上述混合模式時(shí)，可以設(shè)計(jì)在催化劑和進(jìn)料之間實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的穿透的系統(tǒng)。
本發(fā)明工藝調(diào)整進(jìn)料噴射區(qū)的幾何結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)最佳混合。更具體的，所述進(jìn)料噴射區(qū)包括非圓形區(qū)幾何結(jié)構(gòu)，條件是進(jìn)料提升管導(dǎo)向噴射區(qū)的那部分橫截面面積和噴射區(qū)本身的橫截面面積基本上相同。換句話說，本發(fā)明工藝?yán)脟娚鋮^(qū)本身的幾何結(jié)構(gòu)改善混合，而非改進(jìn)進(jìn)料噴嘴效率，或者依賴由于改變所述進(jìn)料/噴射區(qū)的橫截面面積或者改進(jìn)所述噴嘴效率導(dǎo)致的任何文丘里效應(yīng)和壓降。就非圓形的幾何結(jié)構(gòu)來說意思是所述噴射區(qū)可以是當(dāng)在平面內(nèi)觀察時(shí)，為橢圓、正方形、矩形或者具有半圓或者橢圓末端的兩個(gè)平行側(cè)面的形式。優(yōu)選的非圓形的幾何結(jié)構(gòu)包括橢圓、矩形或具有半圓的或者橢圓末端的平行側(cè)面。優(yōu)選的橢圓是其中長軸與短軸比例為1.2-5.0的那些。
所述非圓形的進(jìn)料噴射區(qū)包含多個(gè)噴射管嘴，其中將進(jìn)料注入到流化催化劑中。優(yōu)選的管嘴是能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)料最大程度霧化的那些。這些管嘴可以布置在垂直于所述噴射區(qū)中催化劑軸流方向的平面內(nèi)。從所述進(jìn)料嘴的流動(dòng)方向可以與催化劑軸流垂直(90度)，或者相對于所述流向?yàn)?0-90度。
圖2和3分別顯示典型的較大和較小圓形噴射區(qū)的噴射區(qū)橫截面。圖2顯示典型的大直徑的FCC進(jìn)料噴射區(qū)的橫截面平面圖，其中具有流動(dòng)催化劑的大管道具有一系列徑向進(jìn)料噴射管嘴。如果質(zhì)量流量、密度、速度和管道尺寸之間的關(guān)系是非優(yōu)化的，那么進(jìn)入所述流動(dòng)催化劑流的進(jìn)料射流的穿透可能不足以保證兩種物流之間優(yōu)化的混合和接觸。圖3顯示典型的小直徑FCC進(jìn)料噴射區(qū)的橫截面平面圖，其中具有流動(dòng)催化劑的大管道具有一系列徑向進(jìn)料噴射管嘴。如果質(zhì)量流量、密度、速度和管道尺寸之間的關(guān)系是非優(yōu)化的，那么進(jìn)入所述流動(dòng)催化劑流的進(jìn)料射流的穿透可能超過保證兩種物流之間優(yōu)化混合和接觸的需要。
在圖2中，具有直徑D2大直徑的圓形FCC進(jìn)料噴射區(qū)的橫截面命名為12包含多個(gè)進(jìn)料噴射管嘴14。Ymax是最大進(jìn)料穿透18的距離16。對于接觸角θ＝90的情況，如果Ymax小于0.33D2，那么穿透不完全，射流混合是非優(yōu)化的。在圖3中，小直徑圓形的FCC進(jìn)料注入?yún)^(qū)20的橫截面具有標(biāo)記為22的直徑D2，包含多個(gè)進(jìn)料噴射管嘴24。Ymax是所述圓形的橫截面20和最大進(jìn)料穿透28之間的距離26。對于接觸角θ＝90的情況，如果Ymax大于0.33D2，將出現(xiàn)過渡穿透和非優(yōu)化的射流混合。
圖4表明使用非圓形(長方形的)催化劑管道的本發(fā)明實(shí)施方式的優(yōu)點(diǎn)。在這種情況下，所述管道的橫截面面積相對于所述上游圓形的催化劑管道可以保持恒定，因此所述催化劑流上存在微乎其微的摩擦壓降，不需要能量加速所述催化劑。然而，通過變化所述管道的寬度W給任何上游管道直徑D2提供所述進(jìn)料射流和所述催化劑流之間最佳混合需要的Deffective，特征尺寸，以使橫截面面積保持恒定。
在圖4中，多個(gè)管嘴布置在垂直于長方形進(jìn)料噴射區(qū)中的催化劑軸流的平面內(nèi)。所述長方形的橫截面30具有長度32和寬度34，這相當(dāng)于Deffective。多個(gè)進(jìn)料注射器36位于沿著所述進(jìn)料噴射區(qū)長度的兩面上。Ymax是邊42和最大進(jìn)料穿透40之間的距離。在這種情況下，假定所述角度θ是90°，則Ymax是0.33Deffective，這能夠使長方形的噴射區(qū)實(shí)現(xiàn)最佳的射流混合。對于任何希望的等于寬度32×Deffeetive的催化劑流通面積，可以確定尺寸Deffeetive以優(yōu)化射流混合，可以改變所述管道寬度以提供所述需要面積，以保持流通橫截面，不對所述流動(dòng)催化劑流引起顯著的壓降。對于噴射角不同于90°，可以調(diào)節(jié)所述管道長度和寬度以提供該優(yōu)化的穿透，同時(shí)保持所述需要的流通橫截面。
如果所述噴射區(qū)橫截面形狀不是最佳的，那么射流混合不會被最優(yōu)化，所述進(jìn)料和催化劑之間的接觸變得更差。進(jìn)料和催化劑的不良混合引起產(chǎn)率選擇性變差，收益性損失。例如，在圓形橫截面進(jìn)料噴射區(qū)中，顯示出由于改進(jìn)混合而改進(jìn)了選擇性。表1顯示對于圓形橫截面提升器中的進(jìn)料，改進(jìn)混合對焦炭和氣體選擇性和轉(zhuǎn)化率的影響。所述的表表示當(dāng)改變所述進(jìn)料噴射流有效直徑，及改變流動(dòng)催化劑流的速度、質(zhì)量流量和噴射角時(shí)工業(yè)設(shè)備的性能比較。在這種情況下沒有改變催化劑管道尺寸和催化劑流性能。如從表1可見，C2-干氣選擇性(二級選擇性＝產(chǎn)率/(轉(zhuǎn)化率/(100-轉(zhuǎn)化率)))降低16％，塔底產(chǎn)物選擇性降低14％，所述焦炭選擇性降低6％。
表1

該數(shù)據(jù)表明射流穿透和最佳配合比的重要性。甚至通過改變所述噴射區(qū)幾何結(jié)構(gòu)得到進(jìn)一步改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種在流化催化裂化器進(jìn)料噴射區(qū)中混合流化態(tài)顆粒與流體碳?xì)浠衔镌狭鞯姆椒?，包?a)將流化態(tài)顆粒送入粒子導(dǎo)管；(b)將所述流化態(tài)顆粒從所述粒子導(dǎo)管導(dǎo)入到進(jìn)料噴射區(qū)，所述進(jìn)料噴射區(qū)包含非圓形的導(dǎo)管，條件是所述粒子導(dǎo)管和所述非圓形的導(dǎo)管具有基本上一致的橫截面面積；和(c)通過多個(gè)位于所述非圓形導(dǎo)管上的進(jìn)料注射器將流體碳?xì)浠衔镞M(jìn)料注入所述進(jìn)料噴射區(qū)。
2.所述任一前述權(quán)利要求的方法，其中所述非圓形的導(dǎo)管是橢圓的、長方形的、正方形的或者具有半圓或者橢圓末端的兩個(gè)平行側(cè)面。
3.所述任一前述權(quán)利要求的方法，其中所述非圓形是橢圓。
4.所述任一前述權(quán)利要求的方法，其中所述非圓形的導(dǎo)管是長方形的。
5.所述任一前述權(quán)利要求的方法，其中所述進(jìn)料注射器布置在垂直于所述噴射區(qū)中催化劑軸流方向的平面內(nèi)。
6.所述任一前述權(quán)利要求的方法，其中所述進(jìn)料注射器是噴嘴。
7.所述任一前述權(quán)利要求的方法，其中來自進(jìn)料嘴的流動(dòng)方向與所述催化劑軸流方向垂直(90℃)。
8.所述任一前述權(quán)利要求的方法，其中所述進(jìn)料噴嘴在流動(dòng)方向上角度為20-90°。
9.所述任一前述權(quán)利要求的方法，其中所述進(jìn)料噴射區(qū)具有優(yōu)化的進(jìn)料穿透。
10.所述任一前述權(quán)利要求的方法，其中注入所述進(jìn)料噴射區(qū)的進(jìn)料的穿透等于0.33Deffective。
全文摘要
本發(fā)明涉及FCC的進(jìn)料噴射區(qū)。所述進(jìn)料噴射區(qū)的形狀是非圓形的。這可以在所述進(jìn)料噴射區(qū)的進(jìn)料和催化劑之間實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的穿透。
文檔編號B01J8/00GK1875086SQ200480032256
公開日2006年12月6日 申請日期2004年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月5日
發(fā)明者迪恩·C·德萊梅爾, 托德·R·斯特芬斯 申請人:埃克森美孚研究工程公司