CN100395013C - 改进的石油烃催化裂化反应器 - Google Patents

Abstract

一种改进的石油烃催化裂化反应器，包括进料喷嘴和与进料喷嘴固定连接且相连通的提升管反应器；其中，所述进料喷嘴设置于提升管反应器的扩径的进料段上，且进料喷嘴的中心轴线与提升管反应器的中心轴线垂直向上方向所形成的夹角90°＜α≤180°。该反应器可提高烃类原料的雾化程度、使催化剂粒子流与烃类原料瞬时均匀接触，从而改善产品分布和产品性质。

Description

改进的石油烃催化裂化反应器

技术领域

本发明属于在不存在氢的情况下石油烃的催化裂化设备，更具体地说，是一种改进的石油烃催化转化反应器。

背景技术

在催化裂化过程中，重质大分子石油烃类被裂化为小分子石油烃类。通常情况下，预热后的烃类原料经雾化喷入到一个或多个反应区中，在其中与流化态催化剂粒子流接触并汽化成油气，随后油气分子在催化剂的作用下发生裂化反应。反应过程中，焦炭作为反应产物之一逐渐在催化剂粒子表面沉积覆盖了催化剂上的酸性中心，使催化剂逐渐失去活性，含炭催化剂在汽提掉油气后进入再生区的高温富氧环境中烧去焦炭、恢复活性，然后循环回到反应区，重新与烃类原料进行接触反应，反应产物进入后续分离系统形成产品或部分回流到反应区。

研究发现，提升管反应区中烃类进料与流化态催化剂粒子流的接触方式对催化裂化反应的产品分布影响很大。随着催化裂化原料的日益变重，产品中焦炭和干气等副产品产率逐渐增加。理论上烃类进料与流化态催化剂粒子流的瞬时均匀接触可以减少过热反应，降低焦炭和干气的产率。烃类原料与流化态催化剂粒子流的瞬时均匀接触要求在进料位置的提升管横截面上，烃类原料应该与此截面上的全部催化剂粒子流进行瞬时接触。但要做到瞬时与此截面上的全部催化剂接触，在实际应用中是不可能的。非瞬时均匀接触的存在，在一定程度上影响了反应产物的分布，例如干气和焦炭的产率。

烃类进料的充分雾化可以改善烃类进料与催化剂粒子间的接触效果。烃类进料与催化剂粒子流的均匀接触程度，部分取决于烃类进料的液滴大小。当进料液滴足够小时(通常小于100微米)，就可以近似地认为烃类进料在接触催化剂粒子前就被充分雾化了。充分雾化可以增大进料液滴的总表面积，从而增加烃类液滴与催化剂粒子接触的几率，同时促进进料液体进入催化剂粒子表面的孔道内进行催化裂解反应。US3,547,805披露了通过水蒸气与烃类原料的混合，从而对烃类原料进行雾化的方法。US3,152,065描述进料喷嘴由一根特殊设计的套管组成，烃类原料通过套管的外管而水蒸气通过套管的内管，两种介质在套管的末端混合碰撞而进行雾化。类似的US4,523,987、US5,622,677、US4,578,183和US 5,318,691等方法或设备，通常采用缩径或文丘里效果、涡旋效果、汽液两相混合来促进烃类进料的雾化。这要求烃类液滴在离开喷嘴时具有较高的速度，通常在30m/s-120m/s之间，而高速度需要通过增大进料压力来实现，通常情况下，这需要附加的泵或其他设备来提供，从而增加了催化裂化装置的能耗和维护费用。而且，在接触催化剂前就达到完全雾化也存在着缺点，即由于烃类进料的液滴直径变小，其自身动能也随之减小，从而降低了烃类进料在提升管横截面上的穿透力，并不能完全接触到此横截面上流动的所有催化剂粒子。

提高催化剂粒子流的运动速度也可以改善烃类进料液滴与催化剂粒子流之间的接触效果。通常的设备或方法是通过使用预提升介质加速催化剂在提升管内向上流动的速度，促使催化剂粒子流逐渐加速，接近活塞流的均匀流动效果，使烃类进料能够均匀地喷射在催化剂粒子上；同时预提升技术通过提高催化剂粒子的向上流速，使其在接触烃类进料时，保持高动量以撞击未被完全雾化、直径较大的烃类进料液滴。US4,479,870披露了使用气体介质预提升催化剂的方法或设备。然而，催化剂粒子的运动速度必须被限定在催化裂化特定工艺需要的范围之内，因为催化剂粒子的运动速度也影响到烃类原料在提升管反应器中的停留时间；同时，在实际应用中，催化剂粒子在提升管反应器中的滑落、返混现象也使催化剂粒子流难以达到活塞流流动的理想状态。

烃类进料的喷入方向对固液接触效果也有很大影响。US4,717,467披露了非径向方向喷入烃类进料的方法和设备。US5554341、US5173175、US3654140和US5139748披露了径向喷入烃类进料的方法或设备，一系列喷嘴被布置在提升管管壁的圆周平面上，它们一齐指向提升管的径向中心。这样的技术或设备一方面使烃类进料液滴形成幕帘，增强烃类进料液滴与催化剂粒子流间的接触效果；另一方面也能使未完全雾化、直径较大的烃类进料液滴在提升管径向中心处撞击，以促使其分裂为直径更小的液滴来达到完全雾化的效果。

进料喷嘴的角度也是影响烃类进料与催化剂粒子流接触效果的影响因素之一。通常的技术或设备是使喷嘴以一定角度指向催化剂粒子流的流动方向，即在通常催化裂化提升管装置中以一定角度指向垂直向上的方向。US6,613,290指出烃类原料的喷入角度应与轴向垂直向上方向呈40°～65°，超过65°可能导致烃类原料喷到提升管内壁上。烃类进料的这种喷入角度指向垂直向上的方式或设备一方面可以促进油气形成较短的停留时间；另一方面可以防止催化剂粒子的滑落、返混，从而防止过裂化反应。然而，烃类原料的喷入方向与流化态催化剂粒子流的流动方向相同或成小角度也有不利的方面。烃类原料的喷入速度一般在30m/s-120m/s之间，以30m/s为例(垂直方向分量为13-23m/s之间)，而催化剂在提升管管内烃类进料喷嘴前的线速一般为10-12m/s左右，最大不超过15m/s，二者之间的速度差造成催化剂与烃类进料平行运动较长的时间才能进行接触并进行热量传递。US5,139,748披露了烃类原料水平方向或与水平方向呈25 °喷入提升管的方法或设备。US6,042,717和US6,627,161披露了烃类原料通过特殊的设备，即若干小雾化喷嘴水平喷入提升管的方法。烃类进料的水平喷入方向要尽量避免烃类进料直接喷射到提升管内壁上。US5,139,748在提升管轴心处设置了特殊部件，使烃类原料撞击该部件，从而防止烃类进料直接喷射到提升管内壁上。US6,042,717和US6,627,161采用了特殊结构小喷嘴以减少烃类进料喷入速度水平方向分量，从而防止烃类进料直接喷射到提升管内壁上。

综上所述，虽然本领域技术人员在进料方式、雾化效果、反应器结构等方面进行着不懈的研究和探索，但迄今为止能够较好的实现催化裂化油剂瞬时均匀接触的技术方案至今尚未见报道。

发明内容

本发明的目的是在现有技术的基础上提供一种改进的石油烃催化裂化反应器，用以改善石油烃原料与催化剂的接触效果、获得更为理想的产品分布和产品性质。

本发明所提供的改进的石油烃催化裂化反应器，包括进料喷嘴和与进料喷嘴固定连接且相连通的提升管反应器；其中，所述进料喷嘴设置于提升管反应器的扩径的进料段上，且进料喷嘴的中心轴线与提升管反应器的中心轴线垂直向上方向所形成的夹角90°＜α≤180°。

与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在以下方面：本发明在提升管的预提升段使用预提升介质对催化剂进行预加速，使催化剂粒子流沿轴向向上流动。在提升管反应器的进料段，若干喷嘴呈环状对称布置在扩径的提升管管壁上，这些喷嘴以与催化剂粒子流流动的轴向垂直向上方向呈90°～180°的角度指向提升管中心轴。烃类进料经过喷嘴预雾化后以前面描述的角度喷入提升管，此时的烃类进料小液滴在运动方向上具有垂直向下的分量和水平运动的分量，而催化剂粒子流具有垂直向上的运动分量，催化剂粒子流与烃类进料液滴在提升管轴心处对撞，从而促使烃类进料液滴进一步分裂成直径更小的液滴。同时，烃类进料液滴与催化剂粒子对撞后通过动量交换和热量交换，使烃类进料液滴迅速分裂并气化，从而促使提升管内这一横截面处所有的催化剂粒子与烃类进料接触。由于烃类进料小液滴与催化剂粒子间的对撞作用使烃类进料小液滴分裂成直径更小的液滴，增大了烃类进料的总表面积、加速了热量交换过程，使烃类进料液滴的瞬时气化成为可能。在前面描述的多个步骤的综合作用下，烃类进料被瞬时高度气化并与催化剂粒子混合，从而实现烃类进料与催化剂粒子的瞬时均匀接触，缩短了催化剂与烃类进料混合所需要的油剂混合段长度。

烃类进料与催化剂相混合接触的瞬时均匀接触程度对催化裂化反应产物分布的影响很大。理想状态下，烃类进料液滴应该在瞬时与提升管进料位置横截面上所有正在通过的催化剂粒子均匀接触。在传统催化裂化进料方式下，烃类进料液滴与催化剂粒子沿提升管平行向上运动，两者之间的速度差导致二者相接触需要一定的时间，所以瞬时均匀接触是不可能的。非均匀接触的存在影响了催化裂化反应产物的性质，尤其是焦炭和干气等副产品的产率。

附图说明

图1为本发明所提供的改进的提升管反应器的结构示意图。

图2为本发明所述提升管反应器进料段的结构示意图。

图3为本发明所述提升管反应器进料段的示意图。

图4为本发明所述提升管反应器进料段的俯视截面图。

图5为本发明所述提升管反应器进料段的侧视剖面图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明所提供的改进的石油烃催化裂化反应器，但本发明并不因此而受到任何限制。

如图1所示，再生后的催化剂经再生立管11循环回到提升管反应器3下部的预提升段8，预提升介质10通过分布器9喷入提升管预提升段8，带动催化剂粒子加速向上运动，使催化剂由预提升段进入位于预提升段下游的进料段12。本发明对于进料段的设置并没有特殊的限制，可以根据FCC装置的具体情况来确定进料段的位置以及进料段的相对长度。一般情况下，进料段位于提升管反应器的下部，例如，进料段可以位于提升管有效长度的5-50％处(以提升管的下端为起点)，优选位于提升管有效长度的6-40％处，进一步优选位于提升管有效长度的7-35％处。进料段的长度一般占提升管有效长度的5-30％，优选5-25％，进一步优选6-22％。

在本发明所提供的提升管反应器中，所述进料段的直径与提升管反应器非进料段的平均直径之比为1.1-3∶1，优选1.2-2.5∶1，进一步优选1.2-2∶1。在本发明所述的FCC提升管反应器上也可以实施分段进料，例如，可以设置2-6个上述进料段，优选设置2-4个进料段。在具体应用过程中，还可以根据石油烃原料的性质设置不同的进料段，例如，有的进料段采用扩径设计，有的进料段不扩径，只要能够确保得到较为理想的油剂接触效果即可。如图1所示，催化剂粒子从下端进入扩径的进料段12，减速向上运动，离开此进料段后重新加速向上运动。一系列进料喷嘴7呈环状对称地设置在进料段上。

如图1所示，烃类原料5和雾化蒸汽6被加压后通过从一系列喷嘴7喷入到提升管进料段内。烃类原料在被高度雾化后同流化态催化剂粒子相混合进行热交换而气化，生成的油气继续向上运动。油气在沿提升管3向上运动的过程中，通过催化剂的作用下，油气中的大分子被裂解为小分子石油产品，同时焦炭逐渐产生并在催化剂粒子表面沉积。油气与催化剂运动到提升管3顶端后自分布器18进入反应器14并在其中进行进一步的催化裂解反应。在反应器14中，油气和催化剂粒子通过一级旋风分离器20和二级旋风分离器21的分离作用，油气进入到集气室22并通过转油线23进入到后续的分离系统中；催化剂粒子在一系列旋风分离器的分离作用下，自旋风分离器料腿19回到反应器14底部的汽提器16。汽提蒸汽4自汽提器16底部的分布板15进入到汽提器中，通过人字型挡板17向上流动并同向下流动的含油催化剂粒子接触，汽提掉催化剂粒子所携带的油气。经过汽提的催化剂粒子从待生立管25进入到再生系统内，完成一次循环。

如图2所示，进料喷嘴的中心轴线与提升管反应器的中心轴线垂直向上方向所形成的夹角90°＜α≤180°，优选110°＜α≤180°，进一步优选130°＜α＜155°。本发明对于进料喷嘴在进料段上的具体设置位置没有特别限定，进料喷嘴既可以如图1所示设置在进料段的变径部位，也可以设置在进料段的等径侧壁上，只要能够得到理想的油剂接触效果即可。需要强调的是，提升管反应器上的每一层进料喷嘴都需要均匀对称设置，各个进料喷嘴的中心轴线与提升管反应器的中心轴线垂直向上方向所形成的夹角最好是相等的，以便使各个进料喷嘴的中心轴线交汇于提升管反应器的中心轴线上。

预提升技术通过对催化剂粒子的加速作用，使催化剂实现流化态粒子流方式，最终形成近似活塞流的流动方式。催化剂粒子流的流动方式对烃类进料液滴与催化剂粒子间的接触效果影响很大。一方面，催化剂的近似活塞流流动方式可以使烃类进料液滴均匀地撞击催化剂粒子；另一方面，预提升技术的采用使催化剂粒子具有较高的线速从而具有较大的动量，这样可以使催化剂粒子在与烃类进料液滴撞击时将烃类液滴分裂成为直径更小的液滴。本发明对预提升介质没有限定，水蒸气是一种很好的预提升介质。在本发明的实现方式中，如图2所示，再生催化剂由再生立管11进入提升管预提升段8的底部，此时的催化剂粒子向上的运动线速为零或负值，预提升介质10由预提升介质分布器9喷入提升管预提升段8中，带动催化剂粒子逐渐加速向上运动。

喷嘴的预雾化技术可以使烃类进料被雾化为直径比较小的液滴。首先是通过高压下气液两相的撞击使液相分裂成为较小直径的液滴。如图5所示，烃类进料由管线37进入到喷嘴的混合腔38中；气相介质(通常为水蒸气)由管线36高速喷射到喷嘴的混合腔38中；气相介质所带来的能量将液相烃类进料分裂成较小的液滴，此时气液两相高度混合，成为具有高动量的混合物。同时，混合腔38的迅速缩径和狭小的喷嘴出口31使喷嘴形成文丘里效果，使气液两相混合物离开喷嘴时具有很大的动量，进一步促使液相液滴分裂。

喷嘴的设置对烃类进料与催化剂粒子流间的接触效果有决定性的影响。在本发明的实现方式中，如图2的α角所示，烃类进料喷入提升管的方向与催化剂粒子流的流动方向呈较大角度。喷嘴的这种大角度指向方式使烃类进料经过喷嘴的预雾化后以前面描述的角度喷入提升管，使得烃类进料小液滴具有垂直向下的运动速度分量，而催化剂粒子流具有垂直向上的运动分量。在本发明的实现方式中，烃类进料液滴具有垂直向下的线速约为13～30m/s，而水平的线速0～23m/s。这样，催化剂粒子和烃类液滴间的相对运动线速为13～45m/s之间，催化剂粒子和烃类进料液滴可以在瞬时相互撞击。催化剂粒子流与烃类进料小液滴在提升管轴心处对撞从而促使烃类进料小液滴进一步分裂成直径更小的液滴。同时，在烃类进料小液滴与催化剂粒子对撞后通过热量交换，烃类进料小液滴迅速气化从而使提升管内这一横截面处所有的催化剂粒子与烃类进料相接触。由于烃类进料小液滴与催化剂粒子间的碰撞作用使烃类进料小液滴分裂成直径更小的液滴，从而增大了烃类进料的总表面积、加速了热量交换过程，使烃类进料的瞬时雾化成为可能。

在本发明的实现方式中，如图4所示，若干进料喷嘴对称分布在提升管进料段变径部位的管壁上，其指向皆对准提升管中心轴处的B点。进料喷嘴的对称分布和对准提升管中心轴处某一点的方式一方面可以相互抵消或减小烃类进料液滴的水平分量，避免烃类进料喷射到提升管管壁上。同时还可以使未与催化剂粒子相对撞烃类进料液滴在提升管中心轴处对撞，利用动量将烃类进料液滴分裂成为直径更小的液滴。

下面的实施例将对本发明提供的方法予以进一步的说明，但并不因此而限制本发明。

实施例1

本实施例说明：采用本发明可使催化剂粒子与烃类原料瞬时均匀接触，从而改善产品分布。

在如图1所示的催化裂化中型装置上进行试验。主要试验步骤如下：预提升蒸汽从提升管反应器的底部注入，原料A(其性质如表1所示)经进料喷嘴注入提升管反应器的进料段。进料喷嘴的中心轴线与提升管反应器的中心轴线所形成的夹角为125°。原料油与再生后的催化剂MLC-500(其性质如表2所示)接触、反应，生成的油气和反应后的催化剂向上进入沉降器；分离反应油气和反应后的催化剂，反应油气送入后续分离系统，进一步分离为各种产品；而反应后的催化剂经汽提后送入再生器烧焦再生；再生后的催化剂返回提升管反应器循环使用。

对比例1

为了说明本发明的实施效果，在对比例1中采用与实施例1相同的原料油和催化剂以及相同的反应条件进行对比试验。该对比试验所采用的烃油进料喷嘴的中心轴线与提升管反应器的中心轴线的夹角为45°，且进料段未扩径。主要操作条件和试验结果见表3。由表3可以看出，采用本发明后，轻石脑油、液化气的产率较对比例1有大幅度的提高，分别增加了2.5重％和1.7重％，重油减少了2.0重％。

实施例2

本实施例说明：采用本发明可使催化剂粒子与烃类原料瞬时均匀接触，从而改善产品分布。

采用如图1所示的进料段扩径的提升管的催化裂化中型装置上进行试验。主要试验步骤如下：预提升蒸汽从提升管反应器底部的预提升段注入，原料A(其性质如表1所示)经进料喷嘴注入进料段。进料喷嘴的中心轴线与提升管反应器的中心轴线所形成的夹角为155°。原料油与再生后的催化剂MLC-500(其性质如表2所示)接触、反应，生成的油气和反应后的催化剂向上流经提升管反应器进入沉降器；分离反应油气和反应后的催化剂，反应油气送入后续分离系统，进一步分离为各种产品；而反应后的催化剂经汽提后送入再生器烧焦再生；再生后的催化剂返回提升管反应器循环使用。

对比例2

采用US6,613,290所述方法，并利用实施例1中所述的石油烃原料和催化剂进行试验所得到的结果。主要操作条件和产品分布情况参见表4。由表4可以看出，本发明的轻石脑油和液化气的产率比US6,613,290所述方法有大幅度的提高，分别增加了5.3重％和1.0重％，重油减少了4.1重％。因此，本发明所带来的经济效益将是非常显著的。

表1

原料油名称	A
		密度，g/cm<sup>3</sup>	0.8764
运动粘度，mm<sup>2</sup>/s 80℃	20.39
		100℃	12.06
凝点，℃	＞50
		元素组成，重％
C	86.70
		H	13.48
S	0.13
		N	0.13
族组成，重％
		饱和烃	75.0
芳烃	19.8
		胶质	5.2
沥青质	＜0.1
		馏程，℃
初馏点	246
		5％	402
10％	430
		30％	482
50％	519
		70％	573(75.2％)
馏出体积(350℃)，％	1.5
		馏出体积(500℃)，％	39.4
液温＞400℃，％	61.6(538℃)

表2

催化剂	MLC-500*
		化学组成，重％
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	44.7
		Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	0.38
物理性质
		比表面积，m2/g	203
孔体积，cm<sup>3</sup>/g	2.14
		表观密度，g/cm<sup>3</sup>	0.7921
筛分组成，％
		0～40微米	8.5
0～80微米	66.3
		0～110微米	87.2
0～150微米	95.9

*MLC-500为商品牌号，由中国石化齐鲁催化剂厂工业生产，MA＝60。

表3

	对比例1	实施例1
			喷嘴中心轴线与提升管中心轴线的夹角	45°	125°
反应温度，℃	510	510
			反应时间，秒	4	4
剂油比	6	6
			反应压力，千帕	180	180
物料平衡，重％
			干气	3.2	3.6
液化气	12.5	14.2
			轻石脑油	30.3	32.8
重石脑油	10.8	9.7
			柴油	17.2	16.3
重油	19.7	17.7
			焦炭	6.3	5.7
转化率，重％	63.1	66.0

表4

	对比例2	实施例2
			喷嘴中心轴线与提升管中心轴线的夹角	/	155°
反应温度，℃	520	520
			反应时间，秒	5	5
剂油比	6	6
			反应压力，千帕	200	200
物料平衡，重％
			干气	3.6	3.9
液化气	13.1	14.1
			轻石脑油	29.3	34.6
重石脑油	11.8	9.5
			柴油	16.6	15.7
重油	18.8	14.7
			焦炭	6.8	7.5
转化率，重％	64.6	69.6

Claims (11)

1.一种改进的石油烃催化裂化反应器，包括进料喷嘴和与进料喷嘴固定连接且相连通的提升管反应器；其中，所述进料喷嘴设置于提升管反应器的扩径的进料段上，且进料喷嘴的中心轴线与提升管反应器的中心轴线垂直向上方向所形成的夹角90°＜α≤180°。

2.按照权利要求1的反应器，其特征在于以提升管反应器的下端为起点，所述进料段位于提升管有效长度的5-50％处，进料段的长度占提升管有效长度的5-30％。

3.按照权利要求2的反应器，其特征在于以提升管反应器的下端为起点，所述进料段位于提升管有效长度的6-40％处，进料段的长度占提升管有效长度的5-25％。

4.按照权利要求3的反应器，其特征在于以提升管反应器的下端为起点，所述进料段位于提升管有效长度的7-35％处，进料段的长度占提升管有效长度的6-22％。

5.按照权利要求1的反应器，其特征在于所述进料段的直径与提升管反应器非进料段的平均直径之比为1.1-3∶1。

6.按照权利要求5的反应器，其特征在于所述进料段的直径与提升管反应器非进料段的平均直径之比为1.2-2.5∶1。

7.按照权利要求6的反应器，其特征在于所述进料段的直径与提升管反应器非进料段的平均直径之比为1.2-2∶1。

8.按照权利要求1的反应器，其特征在于所述的提升管反应器上实施分段进料时，设置2-6个进料段，且每个进料段设置相应的进料喷嘴。

9.按照权利要求1的反应器，其特征在于所述进料喷嘴的中心轴线与提升管反应器的中心轴线垂直向上方向所形成的夹角110°＜α≤180°。

10.按照权利要求9的反应器，其特征在于所述进料喷嘴的中心轴线与提升管反应器的中心轴线垂直向上方向所形成的夹角130°＜α＜155°。

11.按照权利要求1的反应器，其特征在于所述进料喷嘴设置在进料段的变径部位，或设置在进料段的等径侧壁上。

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