專利名稱：Fcc進(jìn)料注射系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于石油進(jìn)料注射的裝置和方法，更具體地，液體石油進(jìn)料用噴嘴組件裝置霧化，其中裝置具有注射噴嘴，其產(chǎn)生與裂化催化劑顆粒接觸的細(xì)微分散液體烴液滴的大致平坦的噴霧形態(tài)。每個(gè)注射噴嘴如此設(shè)計(jì)，以便于各個(gè)噴嘴的不同噴霧形態(tài)的總效應(yīng)提供更均勻的在流化催化劑料流上的烴進(jìn)料覆蓋，噴嘴的位置可覆蓋流動(dòng)的催化劑料流的外圍到催化劑料流的內(nèi)部。
背景技術(shù)：
石油進(jìn)料的霧化對(duì)石油加工(比如流化催化裂化(FCC)和焦化)很重要。在FCC過程中，一般高分子量的進(jìn)料在FCC單元的升管反應(yīng)器部分中與流化催化劑顆粒接觸。為了促進(jìn)有效的傳質(zhì)和傳熱以提高進(jìn)料到所需產(chǎn)品種類的轉(zhuǎn)化，控制了進(jìn)料與催化劑的接觸。在進(jìn)料的催化裂化中，控制反應(yīng)器條件如催化劑對(duì)油的比、溫度和接觸時(shí)間以使所需產(chǎn)品最大化和較不所需產(chǎn)品如輕質(zhì)氣體和焦炭最小化。
由于在FCC反應(yīng)器中催化劑和進(jìn)料的接觸通常在幾秒的數(shù)量級(jí)，控制裂化過程效率的重要因素是催化劑。FCC過程的催化劑是已知的，并且可以是無定形的或晶體的。進(jìn)入FCC反應(yīng)器的催化劑通常用裂化過程中產(chǎn)生的蒸汽、燃料氣體或輕質(zhì)烴氣體或其某些組合流化。催化劑和進(jìn)料的反應(yīng)產(chǎn)生大量體積的氣體烴和承載焦炭沉積物的廢催化劑。氣/固混合物穿過分離器，通常是旋風(fēng)分離器，廢催化劑和蒸氣產(chǎn)品分離。然后對(duì)蒸氣進(jìn)行處理以收集所需的烴并且廢催化劑送去再生。
由于進(jìn)料和催化劑之間接觸時(shí)間短，進(jìn)料條件也很重要。進(jìn)料注射的類型能對(duì)FCC反應(yīng)器產(chǎn)生的產(chǎn)品構(gòu)成產(chǎn)生影響。進(jìn)料裂解成氣體烴有兩種方式，即催化和熱的方式。FCC單元中的熱裂解通常是不利的，因?yàn)檫@種方式可以導(dǎo)致輕質(zhì)氣體(如甲烷)和焦炭的產(chǎn)生。
為了提高催化裂解過程的效率，需要使進(jìn)料分子最大可能限度地和在最短的可能時(shí)間內(nèi)到達(dá)活性催化劑顆粒。由于向上流動(dòng)的催化劑作為流化固體流基本占據(jù)了升管截面，最佳情況是在催化劑料流上的進(jìn)料的即時(shí)分散。然而，這種在催化劑料流上的進(jìn)料的即時(shí)分散是不可能的。當(dāng)液體進(jìn)料液滴和熱的催化劑顆粒接觸時(shí)為了提高氣化率需要進(jìn)料液滴的細(xì)微分散。
獲得進(jìn)料液滴的一種方法包括使用蒸汽形成液滴分散。得到的分散體是通過噴嘴進(jìn)入FCC升管反應(yīng)器并在此與流化的熱的催化劑接觸的蒸汽和烴的兩相體系。在壓力下強(qiáng)制液體穿過噴嘴的孔形成細(xì)微分散液滴的過程被稱為霧化。霧化程度和噴嘴設(shè)計(jì)例如孔尺寸和排放形狀，液體性質(zhì)如密度、粘度、表面張力和跨過孔的壓降有關(guān)。對(duì)重(粘)石油餾分，提高霧化程度形成至少一部分進(jìn)入FCC過程的進(jìn)料是特別有挑戰(zhàn)性的。
對(duì)FCC反應(yīng)器中的進(jìn)料霧化已經(jīng)有很多噴嘴設(shè)計(jì)。有些提出的噴嘴設(shè)計(jì)在噴嘴自身或通向噴嘴的管道中利用渦流葉輪。另外提出的設(shè)計(jì)在噴嘴的進(jìn)料管道中采用文丘里管。其它提出的設(shè)計(jì)包括使烴和分散氣體如蒸汽同心穿過噴嘴并在孔近側(cè)混合而進(jìn)料，烴進(jìn)料分布器利用位于FCC反應(yīng)器中心的同心噴嘴，通過噴嘴中的多個(gè)孔并且使用噴嘴附近的罩注射進(jìn)料，并控制蒸汽和烴相互接觸的角度。還曾提出形成進(jìn)料和蒸汽的兩相流體混合物，流體分成兩股分開的、穿過沖擊混合區(qū)域、重新結(jié)合分開的流體的剪切混合區(qū)域和低壓霧化區(qū)域的流體。另一提出的設(shè)計(jì)是其中單一的進(jìn)料料流的霧化可以這樣完成的噴嘴，即穿過含或不含所包括的蒸汽的全液流，通過在單一的全流動(dòng)離心或在尖銳或方形邊緣的孔內(nèi)終止的螺旋加速室內(nèi)的偏轉(zhuǎn)葉輪產(chǎn)生自由漩渦。這種孔直徑比用于使液體烴進(jìn)料直接進(jìn)入升管反應(yīng)器中的催化劑流動(dòng)料流中的供給線小得多。最后，為了產(chǎn)生基本平坦的噴霧形態(tài)的霧化進(jìn)料，已經(jīng)提出大致是扇形的進(jìn)料注射器。
采用放射方向進(jìn)料注射噴嘴向催化劑料流中注射進(jìn)料是已知的。這種噴嘴通常放置在環(huán)繞流動(dòng)催化劑料流的環(huán)狀帶中。噴嘴可以和升管表面垂直或成角度。注射噴嘴也可與注射區(qū)機(jī)械設(shè)計(jì)特征(例如，升管形狀)結(jié)合，以來提高其效率。
盡管進(jìn)料注射噴嘴設(shè)計(jì)在繼續(xù)提高，仍需要完整的進(jìn)料注射系統(tǒng)的更好的性能以促進(jìn)FCC過程中霧化進(jìn)料和催化劑的接觸。
發(fā)明概述本發(fā)明涉及一種用于使霧化進(jìn)料和流化的流動(dòng)中的催化劑顆粒的料流接觸的裝置和方法。一個(gè)實(shí)施方案和用于注射烴進(jìn)料至流化的流動(dòng)中的催化劑顆粒的料流中的裝置有關(guān)，其包括管道部分，所述管道部分容納了在流化的流動(dòng)中的催化劑顆粒的料流；在所述管道部分中具有至少一個(gè)噴嘴組件，噴嘴組件圍繞在所述的流化的流動(dòng)中的催化劑顆粒的料流的外圍并且包括至少兩個(gè)注射噴嘴，每個(gè)噴嘴產(chǎn)生基本平坦的噴霧形態(tài)以便總的進(jìn)料基本均勻分散在流過管道部分的催化劑顆粒的截面上。
另一個(gè)實(shí)施方案涉及用于注射烴進(jìn)料至流化的流動(dòng)中的催化劑顆粒的料流中的裝置，其包括管道部分，所述管道部分容納了在流化的流動(dòng)中的催化劑顆粒的料流；在所述管道部分中具有至少一個(gè)噴嘴組件，噴嘴組件圍繞在所述的流化的流動(dòng)中的催化劑顆粒的料流的外圍并且包括至少兩個(gè)注射噴嘴，每個(gè)噴嘴產(chǎn)生基本平坦的噴霧形態(tài)以便總的進(jìn)料基本均勻分散在流過管道部分的催化劑顆粒的截面上，其條件為至少一個(gè)噴嘴延伸進(jìn)入流化的流動(dòng)中的催化劑顆粒的料流中。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，注射烴進(jìn)料至流化的流動(dòng)中的催化劑顆粒的料流中的裝置位于FCC單元的升管反應(yīng)器內(nèi)，管道部分位于所述升管反應(yīng)器內(nèi)，總的進(jìn)料基本均勻分散在流過升管管道部分的催化劑顆粒的截面上。
再另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案涉及注射進(jìn)料至流化的流動(dòng)中的催化劑顆粒的料流中的方法，其包括引導(dǎo)進(jìn)料進(jìn)入至少一個(gè)圍繞在所述的流化的流動(dòng)中的催化劑顆粒的料流的外圍的噴嘴組件，注射進(jìn)料穿過至少兩個(gè)位于所述噴嘴組件上的噴嘴進(jìn)入流化的流動(dòng)中的催化劑顆粒的料流中，每個(gè)噴嘴產(chǎn)生基本平坦的噴霧形態(tài)以便總的進(jìn)料基本均勻分散在流過噴嘴組件的催化劑顆粒的截面上。
再另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案涉及注射進(jìn)料至流化的流動(dòng)中的催化劑顆粒的料流中的方法，其包括引導(dǎo)流體進(jìn)入至少一個(gè)圍繞在所述的流化的流動(dòng)中的催化劑顆粒的料流的外圍的噴嘴組件，注射進(jìn)料穿過至少兩個(gè)位于所述噴嘴組件上的噴嘴進(jìn)入流化的流動(dòng)中的催化劑顆粒的料流中，每個(gè)噴嘴產(chǎn)生基本平坦的噴霧形態(tài)以便總的進(jìn)料基本均勻分散在流過噴嘴組件的催化劑顆粒的截面上，其條件是至少一個(gè)噴嘴延伸進(jìn)入流化的流動(dòng)中的催化劑顆粒的料流體中。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，注射烴進(jìn)料至流化的流動(dòng)中的催化劑顆粒的料流中的過程位于FCC單元的升管反應(yīng)器內(nèi)，管道部分位于所述升管反應(yīng)器內(nèi)，總的進(jìn)料基本均勻分散在流過升管管道部分的催化劑顆粒的截面上。
附圖簡(jiǎn)述

圖1是兩種不同的扇形噴霧形態(tài)和它們穿透催化劑料流的方式的示意圖。
圖2是在催化劑料流中在不同穿透深度的一對(duì)噴嘴的示意圖。
圖3是進(jìn)料噴射速度對(duì)進(jìn)料噴射穿透催化劑料流的影響的示意曲線。
圖4是進(jìn)料溫度對(duì)進(jìn)料噴射穿透長(zhǎng)度的影響的示意曲線。
圖5是噴射角度為90°時(shí)(水平以上的噴嘴傾斜角度)噴射角度對(duì)噴射穿透長(zhǎng)度的影響的示意曲線。
圖6是氣/固和油滴之間溫度的不同對(duì)噴射穿透長(zhǎng)度的影響示意圖。
發(fā)明詳述常規(guī)的FCC方法包括升管反應(yīng)器和再生器，其中石油進(jìn)料注射進(jìn)入包括流化的裂化催化劑顆粒的料流的升管反應(yīng)器的初始反應(yīng)區(qū)。催化劑顆粒一般包括沸石，也可以是新鮮的催化劑顆粒，催化劑顆粒由催化劑再生器而來，或者是某些其混合物。氣體可以是惰性氣體、烴蒸氣、蒸汽或其某些混合物，氣體一般用作幫助流化熱催化劑顆粒的提升用氣體。
與進(jìn)料接觸的催化劑顆粒產(chǎn)生蒸氣產(chǎn)品和包括可剝離的烴與焦炭的催化劑顆粒。催化劑作為在分離區(qū)中從反應(yīng)器流出物中分離出來的廢催化劑顆粒脫離反應(yīng)區(qū)。用于從反應(yīng)器流出物中分離廢催化劑顆粒的分離區(qū)可使用分離裝置如旋風(fēng)分離器。廢催化劑從可剝離的烴中用剝離試劑如蒸汽剝離。然后剝離催化劑顆粒送入再生區(qū)，在此剩余的烴被燃燒且焦炭被除去。在再生區(qū)，結(jié)焦的催化劑顆粒和氧化介質(zhì)(通常是空氣)接觸，焦炭在高溫下如510℃(950)到760℃(1400)被氧化(燃燒)。然后再生催化劑顆粒送回升管反應(yīng)器。
這里描述的用于催化裂化方法的適當(dāng)?shù)臒N原料包括在221℃(430)到560℃(1050)范圍內(nèi)沸騰的天然和合成的烴油如柴油；包括在1050(566℃)沸騰的物質(zhì)的重質(zhì)烴類油；重質(zhì)和殘留(reduced)石油原油；石油常壓蒸餾殘留物；石油真空蒸餾殘留物；瀝青(pitch，asphalt，bitumen)；其他重質(zhì)烴殘留物；瀝青砂油；頁巖油；煤炭液化過程衍生的液體產(chǎn)品，石腦油和其混合物。
FCC催化劑可以是無定形的，例如，氧化硅-氧化鋁和/或晶體，例如分子篩(包括沸石或其混合物)。優(yōu)選的催化劑顆粒包括(a)無定形的、多孔固體酸基質(zhì)，如氧化鋁、氧化硅-氧化鋁、氧化硅-氧化鎂、氧化硅-氧化鋯、氧化硅-氧化釷、氧化硅-氧化鈹，氧化硅-氧化鈦、氧化硅-氧化鋁-稀土等；和(b)沸石如八面沸石?；|(zhì)可包括三元組合物，如氧化硅-氧化鋁-氧化釷，氧化硅-氧化鋁-氧化鋯，氧化鎂和氧化硅-氧化鎂-氧化鋯。基質(zhì)也可以是共凝膠形式。氧化硅-氧化鋁特別適宜用作該基質(zhì)，可以包括10到40重量％的氧化鋁。如討論的，可以加入助催化劑。
初步裂化組分可以是具有裂化活性并且孔大小大于7埃的任何一般的大孔分子篩，包括沸石X，REX，沸石Y，超穩(wěn)定Y沸石(USY)，稀土交換Y(REY)，稀土交換USY(REUSY)；脫鋁Y(DeAl Y)，超親油Y(UHPY)，和/或脫鋁富硅沸石，例如，LZ-210，沸石ZK-5，沸石ZK-4，ZSM-20，沸石β，沸石L。天然存在的沸石如八面沸石、絲光沸石等也可以使用。這些物質(zhì)可以經(jīng)過一般處理，如浸漬或與稀土離子交換以提高穩(wěn)定性。優(yōu)選的大孔分子篩是沸石Y，更優(yōu)選REY、USY或REUSY。
其它適當(dāng)?shù)拇罂拙w分子篩包括柱狀硅酸鹽和/或粘土；鋁磷酸鹽，例如ALPO4-5；ALPO4-8，VIP-5；硅鋁磷酸鹽；例如，SAPO-5，SAPO-37，SAPO-540；和其它金屬鋁磷酸鹽。
裂化催化劑還可以包括中孔沸石形式、具有Constraint Index(美國(guó)專利號(hào)4,016,218中定義)1到12的催化劑添加劑。適合的中孔沸石包括ZSM-5，ZSM-11，ZSM-12，ZSM-22，ZSM-23，ZSM-35，ZSM-48，ZSM-57，SH-3和MCM-22，可以以單一形式或以組合形式。優(yōu)選地，中孔沸石是ZSM-5。
包含催化劑的沸石的微晶尺寸可從0.1到10微米，優(yōu)選從0.3到3微米。沸石相關(guān)的組分濃度和以無定形為基礎(chǔ)的基質(zhì)可以大幅度變化，沸石含量，以干復(fù)合物重量計(jì)的百分比，為從1到100，優(yōu)選10到99，更普遍的從10到80。
催化劑顆粒中的沸石組分含量，以催化劑總重量為基礎(chǔ)，一般從1到60重量％，優(yōu)選從5到60重量％，更優(yōu)選從10到50重量％。如上討論，催化劑一般是包括在復(fù)合物中催化劑顆粒的形式。當(dāng)為顆粒形式時(shí)，催化劑顆粒度直徑從1到150毫米，平均顆粒直徑為60到70毫米。蒸汽中人工失活后的基質(zhì)物質(zhì)表面積低于350m2/g，選10到200m2/g，，更優(yōu)選20到150m2/g。而催化劑的表面積依賴于沸石種類和量及使用的基質(zhì)組分等因素，通常其低于500m2/g，優(yōu)選從50到300m2/g，更優(yōu)選從50到250m2/g，最優(yōu)選從100到250m2/g。
反應(yīng)區(qū)FCC過程條件包括溫度從450℃到700℃(842到1292)，烴分壓從10到40psig(170到377kPa)，優(yōu)選從20到35psig(239到342kPa)；催化劑和進(jìn)料比(重量/重量)從2到20，其中催化劑的重量為催化劑復(fù)合物的總重量?？倝毫拇髿鈮旱?5psig(411kPa)。盡管不是必須的，優(yōu)選蒸汽和原料同時(shí)引入反應(yīng)區(qū)，蒸汽含最高50重量％、優(yōu)選從1到5重量％的初始進(jìn)料。而且，優(yōu)選蒸氣在反應(yīng)區(qū)停留時(shí)間低于20秒，更優(yōu)選從0.1到20秒，更優(yōu)選從1到5秒。
為了便于進(jìn)料在這樣短的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品，進(jìn)料霧化成小液滴是重要的。進(jìn)料轉(zhuǎn)化到產(chǎn)品的裂化過程效率是如下的函數(shù)進(jìn)料物理性質(zhì)(粘度、密度等)、催化劑料流物理性質(zhì)(催化劑種類和構(gòu)型)、進(jìn)料液滴尺寸、液滴在反應(yīng)區(qū)的分布、進(jìn)料液滴和催化劑顆粒間的噴霧角、處理?xiàng)l件包括氣體流速和壓力、注射器設(shè)計(jì)。影響注射器設(shè)計(jì)的其它因素包括跨過孔的壓降，進(jìn)料和加入以幫助霧化的任何氣體的相對(duì)速度和氣體與固體比。由此裂化過程的效率和進(jìn)料注射器的種類和設(shè)計(jì)部分相關(guān)。注射器應(yīng)該霧化和分散進(jìn)料液滴并且耐用，即可延長(zhǎng)服務(wù)周期而無堵塞或遭受過度機(jī)械摩擦(例如和催化劑顆粒接觸產(chǎn)生的磨損)。在FCC過程中，進(jìn)料穿過至少一個(gè)其位置允許進(jìn)料液滴和催化劑顆粒的有效接觸的注射器注射進(jìn)入催化劑顆粒的流化的料流中。
進(jìn)料通常預(yù)熱至溫度為120℃到450℃。優(yōu)選一種氣體或多種氣體加入進(jìn)料以強(qiáng)化霧化過程。這些氣體包括蒸汽、氮?dú)?、氫氣、FCC廢氣和低分子量(C6-)烴。優(yōu)選將蒸汽用于霧化。蒸汽和進(jìn)料的比可通過控制產(chǎn)生的進(jìn)料/蒸汽混合物的密度影響霧化過程。蒸汽量，基于進(jìn)料/蒸汽混合物重量，通常介于0.1到10.0重量％之間。已知流過升管部分的流化催化劑顆粒的截面可以包括參數(shù)如溫度、催化劑密度和催化劑質(zhì)量流量不均勻的面積。這些不均勻面積使流過升管中的催化劑上的霧化的進(jìn)料不均勻分散。盡管商業(yè)FCC單元可以包括多種噴嘴設(shè)計(jì)，每一個(gè)單一升管反應(yīng)器在其單元使用同樣的噴嘴設(shè)計(jì)，即使用的噴嘴是一樣的。這樣這些單一單元在催化劑料流中獲得進(jìn)料的均勻分布是困難的任務(wù)。
根據(jù)本發(fā)明的多數(shù)噴嘴，在注射進(jìn)入升管中的催化劑料流之前或期間的進(jìn)料霧化的過程中，每個(gè)可以產(chǎn)生不同的噴霧形態(tài)。噴嘴的最小數(shù)為2，但是根據(jù)需要可以增加噴嘴。優(yōu)選噴嘴數(shù)為從4到16，特別從6到8。優(yōu)選噴霧形態(tài)為例如美國(guó)專利5,173,175所公開的基本平坦扇形形態(tài)，其在此全文并入本文。
在兩個(gè)噴嘴的情況下，優(yōu)選的排列是其處在升管催化劑料流周圍相對(duì)的位置。如果使用另外的噴嘴，它們可以以大致均勻的間隔分布在圍繞催化劑料流的環(huán)形的周圍。噴嘴可以排列在多于一層和兩層或更多層的包括用不同層的可被使用的噴嘴的環(huán)形的周圍。
在升管反應(yīng)器中進(jìn)料穿透催化劑料流的影響因素包括那些與升管反應(yīng)器尺寸、催化劑顆粒性質(zhì)、催化劑料流流動(dòng)性質(zhì)、與催化劑料流接觸的進(jìn)料和進(jìn)料的噴霧形態(tài)有關(guān)的因素，還有那些與噴嘴有關(guān)的因素。因素包括但不限于升管直徑、總輸送線和單元的幾何形狀、催化劑循環(huán)速度和流動(dòng)密度、催化劑物理性質(zhì)、進(jìn)料速度和進(jìn)料物理與化學(xué)性質(zhì)。
A.升管反應(yīng)器和催化劑進(jìn)料穿透進(jìn)入催化劑料流的一個(gè)影響因素是升管反應(yīng)器直徑。隨著升管直徑的增加，進(jìn)料在催化劑料流上均勻穿透變得更加困難。升管的直徑越大，催化劑料流流過那里的直徑和動(dòng)力越大。然后升管反應(yīng)器直徑引起了其它因素。不僅進(jìn)料不得不穿透更大的催化劑截面，它也可能遭遇催化劑料流本身的不規(guī)則性增加，例如料流上的局部化的催化劑密度、溫度不同、和催化劑局部化的速度。催化劑性質(zhì)包括平均顆粒度、顆粒度分布、催化劑顆粒的體積和表面積、顆粒密度和傳熱性質(zhì)是另一可能的影響因素。
B.進(jìn)料噴霧形態(tài)影響進(jìn)料噴霧形態(tài)的因素包括噴霧形態(tài)的形狀和構(gòu)成噴霧液滴的液滴性質(zhì)。這些因素包括油和蒸汽質(zhì)量流速、Sauter平均油滴直徑和在噴嘴出口處油噴霧速度。
噴霧形態(tài)優(yōu)選基本平坦和扇形的?；酒教挂鉃閲婌F的長(zhǎng)寬比，即噴霧厚度和噴霧寬度，均取噴霧流的直角方向(遠(yuǎn)離噴嘴)，一般小于1∶1。關(guān)于本發(fā)明，長(zhǎng)寬比一般遠(yuǎn)小于1∶1并且在注射器出口一般為1∶2到1∶5。長(zhǎng)寬比一般隨著噴霧流路徑的增長(zhǎng)變得更加小。噴霧寬度一般隨距注射器的距離以噴霧與寬度交叉的夾角的正切的函數(shù)線性增加。噴霧寬度與噴霧路徑的軸成直角并且與注射器距離基本相對(duì)不變。從一般平面角度沿催化劑料流流動(dòng)的軸看的扇形可以是窄的，如具有大的高度與底線的比的三角形，或者可以是寬的，如具有小的高度與底線比的三角形。因此為了優(yōu)化升管“混合區(qū)”中進(jìn)入與霧化進(jìn)料接觸的流化催化劑料流的滲透和流化催化劑料流，進(jìn)料噴霧形態(tài)可以是不同的。如以下討論的噴霧形態(tài)由噴嘴設(shè)計(jì)控制。
不同的進(jìn)料噴霧形態(tài)使進(jìn)料在流過升管的催化劑顆粒的截面上基本均勻分散。在催化劑顆粒的截面上基本均勻分散意為升管截面內(nèi)復(fù)合進(jìn)料注射噴霧的質(zhì)量分布與同一截面上的催化劑質(zhì)量分布十分吻合。因此在所有的位置局部催化劑與進(jìn)料油質(zhì)量比在這一升管截面的幾乎保持不變。穿透入催化劑料流的進(jìn)料可以是進(jìn)料注射器各個(gè)噴霧形態(tài)的函數(shù)。通過改變各個(gè)噴霧形態(tài)，可以得到進(jìn)料在催化劑料流上的基本均勻分散。
油和蒸汽質(zhì)量流速可以影響進(jìn)料與催化劑的相互作用。蒸汽注射進(jìn)入進(jìn)料/進(jìn)料注射器的方法也是一個(gè)因素。流速用常規(guī)的方法很容易測(cè)得。一般，為了增強(qiáng)液滴形成，蒸汽和在進(jìn)料注射器條件下(溫度和壓力)基本為蒸氣的其它適合的小分子量蒸汽和烴進(jìn)料一同注射。優(yōu)選蒸氣和霧化進(jìn)料混合物通過進(jìn)料注射器出口注射進(jìn)入流動(dòng)的催化劑料流。蒸汽和烴進(jìn)料重量比為從0.0025到0.2，優(yōu)選從0.005到0.08，更優(yōu)選從0.01到0.03?；旌衔锿ㄟ^進(jìn)料注射器出口的質(zhì)量速度由可得到的壓降和孔的大小決定。一般孔越小，壓降越高，孔的流出速度越高。
Sauter平均油滴直徑也是影響油進(jìn)料穿透熱催化劑料流有效性的參數(shù)。一般，小的油滴導(dǎo)致進(jìn)料氣化增加，這反過來導(dǎo)致更有利的進(jìn)料裂化條件，例如，例如增加進(jìn)料和催化劑的接觸。然而，氣化速度增加也降低了對(duì)流動(dòng)的催化劑料流的噴霧的穿透，限制了與流動(dòng)的催化劑料流整體的全面接觸。進(jìn)料一般經(jīng)過預(yù)熱來促進(jìn)進(jìn)料氣化并促進(jìn)霧化。進(jìn)料可以與惰性氣體混合，優(yōu)選蒸汽。為了霧化目的也可應(yīng)用剪切力和攪拌力。
隨著進(jìn)料變重，例如以殘留物作為進(jìn)料，快速氣化變成更重要的因素。優(yōu)選平均液滴大小小于1000微米，更優(yōu)選小于400微米，更優(yōu)選小于250微米。Sauter平均液滴直徑一般由光學(xué)技術(shù)，如光散射干涉法或液滴對(duì)單色平行光的Fraunhofer衍射(Malvern顆粒度計(jì)的操作原理)確定。測(cè)量的光能量分布可以轉(zhuǎn)化成噴霧中液滴直徑的分布，由此計(jì)算得到Sauter平均油滴直徑。
噴嘴出口處的油噴霧速度也可以影響油進(jìn)料穿透進(jìn)入熱循環(huán)催化劑系統(tǒng)。根據(jù)動(dòng)量平衡的簡(jiǎn)單觀點(diǎn)，增加油噴霧速度增加噴霧動(dòng)量并且導(dǎo)致流動(dòng)的催化劑料流的穿透增加。
C.噴嘴優(yōu)選的扇形噴霧可以通過調(diào)整噴嘴設(shè)計(jì)得到。這種扇形噴霧可以用具有矩形或橢圓形的噴嘴得到。扇形的構(gòu)型本身可以由調(diào)節(jié)噴嘴孔參數(shù)即通過調(diào)節(jié)孔截面面積和長(zhǎng)寬比(霧化孔的有效寬度∶高比)控制。噴霧形態(tài)和流出速度也可以通過調(diào)節(jié)霧化孔下游的噴嘴噴霧擴(kuò)散器的形狀控制。參數(shù)如產(chǎn)生的噴霧的角度可以通過設(shè)計(jì)扇形頂端到抑制徑向分散(constrainradical divergence)調(diào)整。美國(guó)專利5,173,175和6,093,310，其說明了產(chǎn)生基本平坦和扇形的噴霧的注射器，在此并入本文。對(duì)每個(gè)噴嘴油，噴霧的夾角覆蓋從30°到115°，優(yōu)選從45°到75°。優(yōu)選在單個(gè)注射器噴霧末端各噴霧形態(tài)大致重疊。
關(guān)于噴嘴的一個(gè)因素是相對(duì)催化劑料流的噴嘴位置。在優(yōu)選實(shí)施方案中，噴嘴尖端接近或位于催化劑料流外表面附近，即靠近或在升管壁上。在本實(shí)施方案中，催化劑料流對(duì)進(jìn)料的穿透是噴嘴設(shè)計(jì)和催化劑料流與升管設(shè)計(jì)有關(guān)的操作因素的函數(shù)。在另一實(shí)施方案中，噴嘴尖端位置可從催化劑料流的外表面(外圍)到接近催化劑料流的中心變化。從催化劑料流的外表面到內(nèi)部移動(dòng)噴嘴尖端的位置可以提高進(jìn)料的穿透。在另一實(shí)施方案中，噴嘴位置也是噴嘴設(shè)計(jì)、催化劑條件和特定升管設(shè)計(jì)的函數(shù)。如果噴嘴延伸進(jìn)入催化劑料流，單一噴嘴可以覆蓋從外圍到中心線或附近。因此范圍是從升管壁到中心線的徑向距離的0到100％。對(duì)延伸進(jìn)入催化劑料流的噴嘴，距離優(yōu)選從升管壁到中心線距離的從10到75％，更優(yōu)選從10到50％。通過延長(zhǎng)管道和從催化劑料流的外圍到中心的適當(dāng)腐蝕防護(hù)可以實(shí)現(xiàn)噴嘴到升管中心線的穿透，或者可以軸向沿著催化劑流從相對(duì)于催化劑流一般上游方向完成。腐蝕防護(hù)可以是適當(dāng)?shù)膰婂冊(cè)O(shè)計(jì)以保護(hù)延伸進(jìn)入催化劑料流的噴嘴不受流動(dòng)的催化劑料流的腐蝕的影響的形式。
噴嘴與催化劑料流或升管壁形成的的角度也是一個(gè)影響因素。該角度以從噴嘴進(jìn)料中心線為基礎(chǔ)相對(duì)于流化催化劑料流的中心線。噴嘴可以安裝成與催化劑流的軸垂直或與升管壁垂直。噴嘴也可以與催化劑流的軸成角度。相對(duì)于垂直于催化劑流的軸的平面的角度優(yōu)選為從0°到75°，更優(yōu)選從45°到 60°。噴嘴也可以位于升管壁本身的隔板和突出上。
優(yōu)選噴嘴排列是以組件形式包括至少一個(gè)軸向圍繞催化劑料流的環(huán)形的環(huán)。噴嘴的最小數(shù)目為4，更優(yōu)選為4到16，更優(yōu)選為從6到12，噴嘴圍繞圓周間隔開。噴嘴可以在一個(gè)環(huán)形環(huán)上或其可以有兩或更多層環(huán)狀環(huán)，其每一個(gè)都支承噴嘴。優(yōu)選的噴嘴混合和因此得到的噴霧形態(tài)是其能獲得油噴霧和流動(dòng)的催化劑料流的最大接觸的那種。噴嘴間隔是由單一噴嘴產(chǎn)生的噴霧的幾何形態(tài)和升管尺寸的函數(shù)。對(duì)最佳的接觸，需要更多數(shù)量的注射器并且一般被進(jìn)料注射噴嘴附件高度的升管圓周形尺寸限制。該限制一般由兩相鄰進(jìn)料注射噴嘴的連接處的鋼足夠?qū)捯缘玫匠浞值臋C(jī)械強(qiáng)度的需要來來建立，也能由升管的有限元分析的方法決定。
本發(fā)明的重要方面是通過設(shè)計(jì)和集成單一注射器調(diào)節(jié)霧化油噴霧來提供進(jìn)料注射系統(tǒng)，這導(dǎo)致了進(jìn)料在進(jìn)料/催化劑混合區(qū)域更均勻穿透進(jìn)入和穿過催化劑。這在下面的實(shí)施例中得到了顯示。
實(shí)施例實(shí)施例1噴嘴組合的噴霧形狀由每個(gè)單一噴霧形態(tài)對(duì)升管中上流的催化劑料流的穿透決定。這如圖1所示，其是兩種不同噴霧穿透催化劑料流的示意圖。在圖1中，R是從料流中心(一般是升管反應(yīng)器中心)到外緣(一般是升管反應(yīng)器壁)測(cè)量的催化劑顆粒料流的混合區(qū)的半徑。兩種不同的噴嘴，類型A和類型B，對(duì)稱放置在相對(duì)于升管反應(yīng)器圓周對(duì)稱的平面中。噴嘴可以這樣放置，即使注射的噴霧的軸或者與和流動(dòng)的催化劑顆粒的軸垂直的平面一致或者在該平面上以小于90°角傾斜，傾斜角隨噴嘴類型的不同而不同。
命名為類型B的噴嘴B的噴霧形態(tài)可以是相對(duì)廣角的扇形噴霧，其由在較低出口速度下相對(duì)小的Sauter平均液滴直徑組成。如圖1所示，這些噴嘴接觸在從0.5R到R范圍內(nèi)催化劑料流部分。這些噴嘴可以以噴霧夾角大于45°的水平以上角β放置。噴霧夾角定義為進(jìn)料噴嘴出口的近似三角形噴霧的頂點(diǎn)形成的角。這些注射器一般具有扇形延伸來減小出口速度并且可以設(shè)計(jì)通過內(nèi)部蒸汽噴霧器來注射至少50重量％的具有相對(duì)高分散蒸汽速度的進(jìn)料油。
如圖1所示，注射器噴嘴類型A可以提供具有相對(duì)較大Sauter平均直徑液滴和高出口速度的窄角度噴霧。這種類型的噴霧形態(tài)更適合于R＝0至R＝0.5的區(qū)域的接觸。這些注射器可取向在水平以上角度α方向上，其中對(duì)注射器類型B一般α＜β并且噴霧夾角可＜45°。盡管仍用內(nèi)部蒸汽噴霧器來加入蒸汽，類型A注射器可不具有扇形延伸并且可以設(shè)計(jì)來注射達(dá)到50重量％的具有比類型B注射器少的分散蒸汽的進(jìn)料。
可以在催化劑料流的周圍排列各種噴嘴以產(chǎn)生不同的扇形。優(yōu)選將這些噴嘴對(duì)稱成對(duì)排列。用這種方式，可以在升管反應(yīng)器中的催化劑料流的直徑上均勻注射進(jìn)料。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，噴嘴排列在上流催化劑料流中不同穿透深度。如圖2所示，圖2顯示了半徑為R的兩對(duì)在催化劑料流中具有不同穿透深度噴嘴的頂視圖。噴嘴C和D產(chǎn)生了僅穿透深度不同的相同扇形噴霧形態(tài)。噴嘴C位于管道10中流動(dòng)的催化劑料流12的外圍。噴嘴D位于催化劑料流12中接近0.5R處。用這種方式，通過催化劑料流中噴嘴位置控制進(jìn)料穿透進(jìn)入和穿過催化劑料流。
通過改變?nèi)鐖D1所示的噴霧形態(tài)構(gòu)型、如圖2所示的噴嘴位置、噴嘴數(shù)目、或其某些結(jié)合，可以得到催化劑料流上的均勻進(jìn)料。
在催化劑料流上的均勻穿透的測(cè)量可以由下游升管溫降和混合區(qū)下游的放射狀溫度分布推知。因此，測(cè)量提高進(jìn)料/催化劑接觸的結(jié)果。進(jìn)料/催化劑更好的接觸導(dǎo)致在混合區(qū)下游任何給定軸向位置處升管截面中的更快的溫降和更均勻的溫度分布。然后這被用作一種催化劑料流上的進(jìn)料穿透的均勻的方法。
在172立方米/小時(shí)容量的FCCU中用兩層進(jìn)料注射構(gòu)型(如圖1所示)進(jìn)行工廠測(cè)試。安裝了兩種類型的噴嘴。如示意圖1所示，設(shè)計(jì)了四個(gè)類型A噴嘴均勻間隔圍繞在升管直徑0.76米的圓周周圍來提供夾角為45°、在扇形頂端出口速度為～45米/秒，并且目標(biāo)Sauter平均粒徑約275毫米的噴霧。同樣，位于類型A噴嘴以上0.4米設(shè)計(jì)了四個(gè)類型B噴嘴來提供夾角為60°、出口速度為60米/秒，目標(biāo)Sauter平均注射液滴直徑為225毫米的噴霧。類型A和類型B噴嘴都在水平面上傾斜45°。
在具有不變進(jìn)料質(zhì)量和操作條件如催化劑循環(huán)速度、進(jìn)料預(yù)熱溫度等下做了兩種比較。在情況1下，總的進(jìn)料通過類型A噴嘴加入1.6重量％注射蒸汽，而通過類型B噴嘴加入清除蒸汽。在情況2下，帶有1.6重量％的添加蒸汽的總的進(jìn)料通過類型B噴嘴注射而只通過類型A噴嘴加入清除蒸汽。在情況2下通過位于上注射器環(huán)接近3米的下游的熱電偶的溫度讀數(shù)觀察進(jìn)料/催化劑接觸的提高。在情況2下平均下游溫度為554℃(1029)，而情況1下平均溫度為570℃(1058)。在情況1下溫度較高表明由于進(jìn)料液滴和熱的再生催化劑的不均勻接觸發(fā)生了較少的吸熱裂解反應(yīng)。觀察到較高的熱裂解導(dǎo)致了干氣和焦炭的產(chǎn)生。相反地，在情況2下，更有效的進(jìn)料/催化劑接觸導(dǎo)致了較低的干氣(C2-)和焦炭產(chǎn)率，以及0.8重量％的高于221℃的轉(zhuǎn)化，在下表中反映了性能提高的過程。
表
實(shí)施例2本實(shí)施例說明噴射速度對(duì)進(jìn)料噴射穿透長(zhǎng)度的影響。圖3是顯示以英寸計(jì)噴射穿透長(zhǎng)度對(duì)以ft/sec計(jì)的液滴噴射速度的函數(shù)圖。在圖3中，可以看出在其它因素保持不變時(shí)，增加噴射速度可以增加進(jìn)入催化劑料流的噴霧形態(tài)的噴射穿透長(zhǎng)度。
實(shí)施例3本實(shí)施例說明進(jìn)料溫度對(duì)進(jìn)料噴射穿透長(zhǎng)度的影響。圖4是顯示了進(jìn)料溫度對(duì)噴射穿透長(zhǎng)度的影響圖。如圖4所示，在氣/固溫度不變時(shí)增加進(jìn)料溫度將降低氣/固和油液滴溫度間的溫度差。這導(dǎo)致了較低的蒸發(fā)速度，反過來導(dǎo)致了較長(zhǎng)的穿透長(zhǎng)度。
實(shí)施例4本實(shí)施例顯示了增加噴射角(即噴嘴和流動(dòng)的催化劑料流的縱向軸之間的角度)可以對(duì)噴射穿透長(zhǎng)度產(chǎn)生強(qiáng)的影響。在圖5中噴射角的定義是90°(垂直于催化劑流的軸的水平面上的傾斜角)。提高噴射角導(dǎo)致了和催化劑流軸的接近垂直相交的噴霧。相反地，當(dāng)噴射角降低時(shí)，噴嘴噴霧方向接近與催化劑平行流動(dòng)并且大大降低進(jìn)料液滴的穿透。
實(shí)施例5在本實(shí)施例中，探討了氣/固和油液滴的溫度差及其對(duì)深透長(zhǎng)度的影響。如圖6所示，當(dāng)氣/固和油液滴的溫度差增加時(shí)(進(jìn)料溫度不變)，蒸發(fā)速度增加。這種蒸發(fā)速度的增加導(dǎo)致了穿透長(zhǎng)度的降低。
權(quán)利要求
1.一種用于注射烴進(jìn)料至流化的流動(dòng)中的催化劑顆粒的料流中的裝置，其包括管道部分，所述管道部分容納了在流化的流動(dòng)中的催化劑顆粒的料流；在所述管道部分中的至少一個(gè)噴嘴組件，該噴嘴組件圍繞在所述的流化的流動(dòng)中的催化劑顆粒的料流的外圍并且包括至少兩個(gè)注射噴嘴，每個(gè)噴嘴產(chǎn)生基本平坦的噴霧形態(tài)以便總的進(jìn)料通過管道部分基本均勻分散在催化劑顆粒的截面上。
2.一種注射烴進(jìn)料至流化的流動(dòng)中的催化劑顆粒的料流中的方法，其包括引導(dǎo)進(jìn)料進(jìn)入至少一個(gè)圍繞在所述的流化的流動(dòng)中的催化劑顆粒的料流的外圍的噴嘴組件，注射進(jìn)料穿過至少兩個(gè)位于所述噴嘴組件中的注射噴嘴進(jìn)入流化的流動(dòng)中的催化劑顆粒的料流中，每個(gè)噴嘴產(chǎn)生基本平坦的噴霧形態(tài)以便總的進(jìn)料在流過噴嘴組件的催化劑顆粒的料流的截面上基本均勻分散。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中裝置是進(jìn)料注射器組件，流化的流動(dòng)中的催化劑顆粒位于流體催化裂化單元中的升管反應(yīng)器中，而管道部分位于升管反應(yīng)器中。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其中流化的流動(dòng)中的催化劑顆粒位于流體催化裂化裝置的催化裂化區(qū)中。
5.前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的裝置或方法，其中至少兩個(gè)注射噴嘴產(chǎn)生至少兩種不同的噴霧形態(tài)。
6.前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的裝置或方法，其中噴嘴組件包括4到16個(gè)注射噴嘴。
7.前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的裝置或方法，其中基本平坦的噴霧形態(tài)所具有的長(zhǎng)寬比低于1∶1，其由噴霧的厚度和相對(duì)于由垂直于噴霧的流動(dòng)的方向的噴霧的寬度表示。
8.前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的裝置或方法，其中長(zhǎng)寬比為從1∶2到1∶5。
9.前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的裝置或方法，其中將烴進(jìn)料霧化并且霧化進(jìn)料具有的平均液滴大小低于1000毫米。
10.前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的裝置或方法，其中噴嘴具有矩形的或橢圓形的孔并且相對(duì)于垂直于催化劑流動(dòng)的軸的平面和催化劑的軸成0°到75°角。
11.前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的裝置或方法，其中從噴嘴的噴霧夾角為覆蓋30°到115°。
12.前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的裝置或方法，其中在至少兩個(gè)注射噴嘴中，至少一個(gè)噴嘴延伸進(jìn)入流化的流動(dòng)中的催化劑顆粒的料流中。
13.前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的裝置或方法，其中至少兩個(gè)注射噴嘴位于催化劑料流的外圍并且其中來自至少兩個(gè)注射噴嘴中的噴霧形態(tài)可以相同或不同。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種石油進(jìn)料注射裝置和方法。更具體地，液體石油進(jìn)料用噴嘴組件裝置霧化，其中裝置具有注射噴嘴，其產(chǎn)生細(xì)微分散進(jìn)料的基本平坦的噴霧形態(tài)。每個(gè)注射如此設(shè)計(jì)以便于每個(gè)噴嘴的不同噴霧形態(tài)的總效應(yīng)提供更一致的穿過催化劑料流的進(jìn)料有效區(qū)。
文檔編號(hào)B01J8/24GK101094906SQ200580045435
公開日2007年12月26日 申請(qǐng)日期2005年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月30日
發(fā)明者G·A·斯旺三世, R·M·比利莫里亞, R·P·達(dá)沃盧里, S·S·洛文泰爾, T·R·斯特芬斯, C·G·斯莫利 申請(qǐng)人:?？松梨谘芯抗こ坦?br>