CN101001937B - 进料注入器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及雾化石油进料的装置和方法。更特别地，本发明涉及用雾化装置雾化石油进料，其中所述装置具有喷嘴，所述喷嘴在流化催化裂化区域中，在接触催化剂之前，产生细微分散的进料的一般扁平的喷雾图案。所述喷口的一般长径比大于1.0，和相对于当量面积的圆孔的周长与横截面积比值，所述喷口的周长与横截面积比值大于1.5。所述装置可用于雾化注入流化床催化裂化设备的裂化段的进料。

Description

进料注入器
发明领域
本发明涉及雾化石油进料的装置。更特别地，本发明涉及用雾化装置雾化石油进料，其中所述装置具有喷嘴，所述喷嘴在流化催化裂化区域中在接触催化剂之前产生细微分散的进料的一般地扁平的喷雾图案。
背景技术
石油进料的流化对石油工艺至关重要，比如流化催化裂化(FCC)和焦化。在FCC工艺中，高分子量的进料在FCC单元的提升管反应器部分中和流化催化剂粒子接触。根据需要的产品类型控制进料和催化剂之间的接触。在所述进料的催化裂化中，控制反应器条件比如温度和接触时间以最大化需要的产品和最小化不希望产物的形成比如轻气体和焦炭。
由于在FCC反应器中催化剂和进料之间的接触通常为几秒的级别，因此决定所述裂化过程效率的一个重要因素是催化剂。FCC工艺的催化剂为大家所熟知，与可为或者无定形的或者晶体。进入FCC反应器的催化剂通常使用蒸汽，在裂化过程期间产生的烃气或其一些组合流化。催化剂与进料的反应产生大体积的气态烃类和具有焦炭沉积的废催化剂。所述气体/固体混合物铍传送到分离器，通常是旋风分离器，其中分离气体与废催化剂。然后处理气体以回收需要的烃类，并传送废催化剂以再生。
因为进料和催化剂之间短的接触时间，进料的条件同样重要。进料注入类型可对由FCC反应器产生的产品构成有影响。具有两种途径将进料裂化成气态烃类，即催化剂和热裂化。FCC单元中通常不希望热裂化，这是因为该类型的裂化除焦炭之外，可导致比如甲烷的轻气体的产生。为提高催化裂化过程的效率，通常需要将进料分散成微滴，这是因为和热的催化剂粒子接触的未分散液体进料倾向于热裂化。
实现进料微滴化的一个方法包括使用蒸汽以形成微滴的分散体。得到的分散体是水和烃类的二相系统，其通过喷嘴喷雾进入FCC提升管反应器，其中其接触流化的热催化剂。使流体在压力下通过喷嘴的喷口以形成被称为雾化的流体微滴的线性分散体。雾化度是喷嘴设计，喷口尺寸，流体密度，流体粘度，表面张力和通过喷口的压降的函数。通常，使用具有较小喷口的喷嘴有利于降低微滴尺寸。增加形成FCC工艺进料至少一部分的重的(粘性的)石油馏分的雾化度尤其是技术难题。
存在很多用于FCC反应器中进料雾化的喷嘴设计。一些建议的喷嘴设计利用回旋叶片，其或者在喷嘴本身中或在通向喷嘴的导管中。另一种建议的设计在进料喷嘴的导管中使用文氏管。其他建议的设计包括进料烃类并使进料同心地通过喷嘴，烃类进料分配器将烃类进料通过位于FCC反应器中心的同心喷嘴，通过在所述喷嘴之内的多个喷口注入进料，并使用围绕喷嘴的遮板，并且控制蒸汽与烃类彼此接触的角度。也建议形成进料与蒸汽的两相流体混合物，将所述流体分成两个分离的物流其通过冲击混合区、剪切混合区以再结合所述分离的物流，并通过低压雾化区。另外建议的设计是可以实现单个原料流雾化的喷嘴，其通过将包括或不包括蒸汽的全部液体物流通过偏向叶片，以在单个全流动离心的或螺旋的加速室中产生自由涡流而实现，其中所述加速室的端部为尖锐的或方缘的喷口。这种喷口的直径基本上小于提升管反应器中直接将液体烃进料入催化剂流动物流的流体供应管道的直径。最后，建议通常是扇形的的进料注入器，以得到雾化进料基本上扁平的喷雾图案。
仍需要改进进料注入喷嘴的性能，以改进FCC工艺的进料雾化工艺。
发明内容
本发明涉及将石油进料雾化并分散到FCC反应器的装置。在一种实施方式中，本发明涉及用于石油进料雾化的装置，包括：导管，其含有至少一个入口、至少一个出口和在所述导管内连接所述入口与所述出口的通道，所述通道含有喷口，其中所述喷口的一般长径比大于1.0，并且相对于当量面积的圆形喷口的周长与横截面积的比值，所述喷口的周长与横截面积的比值大于1.5。通过使进料通过所述喷口产生的喷雾图案基本上是扁平的和扇形的。
在本发明相关的实施方式中，喷口形状为椭圆的或矩形的，并且所述椭圆的或矩形的形状包括从所述椭圆的或矩形的形状向内伸出的至少一个元件。在一种优选实施方案中，向内伸出的元件包括尖的、方边的或圆的元件。
在另一种实施方式中，本发明包括将石油进料注入流化催化裂化反应器的反应区的方法，包括：通过进料注入器将进料注入反应区以雾化进料，所述注入器包括含有至少一个入口、至少一个出口和至少一个喷口的导管，所述喷口的一般长径比大于1.0，并且相对于当量面积的圆形喷口的周长与横截面积的比值，所述喷口的周长与横截面积的比值大于1.5。进料注入器得到通常是扁平的雾化粒子的喷雾图案。
附图说明
图1是从平面上看所述注入器的顶视图的示意图。
图2是从平面上看所述注入器的侧视图的示意图。
图3是从平面上看所述注入器的前视图的示意图。
图4是注入器外形的示意图。
图5是显示与注入器设计有关的相对微滴尺寸对比的图表。
详细说明
常规的FCC工艺包括提升管反应器和再生器，其中石油进料注入含有流化裂化催化剂粒子床的提升管反应器的反应区中。催化剂粒子通常含有沸石并可为新鲜催化剂粒子，得自催化剂再生器的催化剂粒子，或其一些组合。可为惰性气体，烃蒸气，蒸汽，或其一些组合的气体，通常用作提升用气体，以辅助热催化剂粒子的流化。
接触进料的催化剂粒子产生产品蒸气和含有可汽提烃类和焦炭的催化剂粒子。催化剂作为废催化剂粒子离开反应区并在分离区中与反应器的流出物分离。分离废催化剂粒子与反应器流出物的分离区可使用比如旋风分离器的分离设备。使用比如蒸汽的洗提剂从废催化剂粒子汽提可汽提烃类。汽提的催化剂粒子然后传送到再生区，其中汽提掉任何残存的烃类并除去焦炭。再生区中，结焦的催化剂粒子与氧化剂接触，通常为空气，并在比如510℉～760℉的高温下氧化(燃烧)焦炭。再生催化剂粒子然后回到提升管反应器。
本发明中催化裂化方法适当的烃类进料包括在221℃(430℉)～566℃(1050℉)沸腾的范围内天然的和合成的烃油，比如瓦斯油；包括在566℃(1050℉)以上沸腾材料的重的烃油；重的和降低的(reduced)石油原油；石油的常压蒸馏塔底物；石油的真空蒸馏塔底物；人造沥青，柏油，天然的沥青，其他的重烃残渣；沥青砂油剂；页岩油；源于煤液化过程的液体产物，石脑油，和其混合物。
FCC催化剂可为无定形的，如二氧化硅-氧化铝，和/或晶体，如包括沸石或其混合物的分子筛。优选的催化剂粒子包括(a)无定形的，多孔固体酸基质，比如氧化铝、二氧化硅-氧化铝、二氧化硅-氧化镁、二氧化硅-氧化锆、二氧化硅-氧化钍、二氧化硅-氧化铍、二氧化硅-二氧化钛、二氧化硅-氧化铝-稀土等；和(b)比如八面沸石的沸石。所述基质可包括三元组分比如二氧化硅-氧化铝-氧化钍，二氧化硅-氧化铝-氧化锆，氧化镁和二氧化硅-氧化镁-氧化锆。所述基质也可以共凝胶的形式。对于基质特别优选二氧化硅-氧化铝，并可含有10～40wt％的氧化铝。如所讨论的，可以加入助催化剂。
所述催化剂的沸石包括与Y沸石异构的沸石。这些包括离子交换的形式比如稀土氢和超稳定(USY)形式。沸石的微晶尺寸可为0.1～10微米，优选0.3～3微米。可以在很大程度上改变无水基底上沸石组分与基质的相对浓度，沸石含量为干燥复合物的1～100，优选10～99，更通常10～80重量百分数。
催化剂粒子中沸石组分的量基于所述催化剂的总重量，通常为1～60wt％，优选5～60wt％，更优选10～50wt％。如所讨论的，催化剂通常以含于复合物中的催化剂粒子的形式。以粒子形式的时候，所述催化剂的粒度为直径10～300微米，平均粒径60微米。在高于工业操作[即1大气压(101kPa)的压力]下，在蒸汽中人工失活之后，基质材料的表面积≤350m2/g，优选50～200m2/g，更优选50～100m2/g。虽然催化剂的表面积取决于这些如沸石的类型和量与使用的基质组分的因素，但是其通常小于500m2/g，优选50～300m2/g，更优选50～250m2/g，最优选100～250m2/g。
反应器的反应区中的FCC工艺条件包括温度从450℃到700℃，烃分压从10到40psia(69到276kPa)，优选从20到35psia(138到241kPa)；和催化剂对进料的比例从3到100，其中催化剂重量是所述催化剂复合物的总重量。总压力为从大气压到45psig(411kPa)。尽管不需要，优选蒸汽并流地与进料一起引入反应区，蒸汽占原始进料的最高达50wt％，优选2～10wt％。也优选反应区中进料的驻留时间小于20秒，优选0.1～20秒，和更优选1～5秒。
为了使进料在这样短的反应时间内转化为产品，重要的是将进料雾化成较小粒子。将原料转化为产品的裂化过程的效率是以下参数的函数：进料的物理性能(粘度，密度等)，催化剂流的物理性能(催化剂的本性和结构)，进料粒度，进入反应区的粒子分布，进料粒子和催化剂粒子之间的喷射角，包括气体和液体流速与压力的工艺条件，和注入器设计。影响注入器设计的另外因素包括穿过喷嘴的喷孔的液体压降，进料与任何加入以辅助雾化的气体之间的相对速度，和气体与液体的比率。裂化过程的效率部分上基于进料注入器的类型和设计。注入器应雾化和分散原料粒子并是耐用的，即能延长使用期限而不堵塞或遭受过度的机械磨耗，如与催化剂粒子接触的磨擦。在FCC工艺中，进料通过设置的至少一个注入器注入流化的催化剂粒子物流，使得原料粒子和催化剂粒子有效地接触。在一种优选实施方案中，以围绕流化催化剂粒子物流的方式设置多个进料注入器。
进料通常预热到120℃～450℃的温度。优选加入气体到进料以提高雾化工艺。这种气体包括蒸汽，氮，氢，FCC尾气和低分子量烃类(C6-)，优选蒸汽。蒸汽与进料的比值可通过控制得到的进料/蒸汽混合物的密度而影响雾化工艺。蒸汽的量基于进料/蒸汽混合物的重量通常是0.1～5.0wt％。
根据本发明的进料注入器包括含有至少一个入口、至少一个出口和至少一个喷口的导管，所述喷口的一般长径比大于1.0，并且相对于当量面积的圆形喷口的周长与横截面积的比值，所述喷口的周长与横截面积的比值大于1.5。入口接收进料和任何提高雾化的气体。进料或进料混合物通过所述入口到连接到喷口的喉部截面。一旦通过喷口，形成不稳定的液体喷射，其分裂成微滴(被雾化)，并通过出口离开注入器。
喷口含有单个开口，其一般长径比大于1.0，优选大于1.5，最优选大于2.0。喷口的一般长径比定义为穿过与流动正交的喷口开口(向其中注入)的最大线性测量除以穿过与所述正交测量垂直并在喷口平面内的喷口开口的最大线性测量。例如，圆形或正方形的一般长径比为1。相对于当量面积的圆形喷口的周长与横截面积的比值，所述喷口的周长与横截面积的比值大于1.5，优选大于2.0，最优选大于2.5。当量面积的圆孔通过测量喷口的开口流动区域，计算具有相同开口面积的圆的直径，并用所得直径的圆的圆周长除以所得直径的圆的面积。得到的周长与面积比构成与根据本发明喷口相比较的基础。
根据上述标准的喷口形状不包括圆形或正方形。假如矩形或椭圆的周长是不规则的，即，被至少一个突出物间断，所述矩形或椭圆形状的喷口可满足标准，其中所述突出物具有方边的，矩形的，尖的或圆的形状。优选实施方案是具有超过一个突出物的矩形或椭圆。例子是矩形喷口，其中所述喷口的至少一个边的至少一部份具有锯齿状的图案，其中单独的牙齿可为尖的，矩形的，正方形的或圆的。相同的图案可以应用于椭圆。其他的几何形状也在本发明的范围之内，只要它们满足上述标准。
本发明进料注入器的一个实施方式示于图1，其是从平面上看的示意图。进料10通过导管12输送到进料注入器16的入口14。进料可为加热烃类和混合气体比如作为雾化辅助的蒸汽的混合物。导管12通常是输送进料的管，其焊接或以其它方式在注入器入口14处连接到进料注入器16。注入器16包括喷口18。喷口18被多个矩形突出物20包围。喷口18的外形显示为凸曲线，曲率类似于扇形出口22的。出口22是在附图平面中。进料进入入口14接触突出物20，其中进料被雾化并通过扇形出口22作为雾化的喷液排出。
图2是图1的注入器从平面上看的侧视图的另一示意图。在侧视图中，注入器沿贯穿入口和出口中心的轴旋转90°。如图1中，进料10通过导管12输送到进料注入器16的入口14。导管12通常是输送进料的管，其焊接或以其它方式在注入器器口14处连接到进料注入器16。注入器16包括喷口18。喷口18是由多个矩形突出物20限定的开口。进料进入入口14接触突出物18，其中进料被雾化并通过出口22中的开口24作为雾化的喷液排出。
图3是进料注入器16前视图的示意图。出口显示为具有内壁24和外壁26的矩形22。显示的喷口被具有侧面28和30的矩形限定。喷口18边界的内部是多个突出物20，其具有矩形的形状并沿两侧28以锯齿状的图案排列。进料的流动垂直于(垂直)注入器的平面图，即流动从纸平面下以直角进入并在纸平面上以直角退出。根据以上阐明的限定，喷口的一般长径比定义为穿过与流动正交的喷口开口(向其中注入)的最大线性测量除以穿过与所述正交测量垂直并在喷口平面内的喷口开口的最大线性测量。图3的上下文中，点线a与点线b的比值(a:b)大于1。假设比值是1，那么喷口18为正方形的形式，而不是图3的矩形。通过计算相当于喷口18的开口流动面积的被突出物20限定的面积确定周长与横截面积。由于圆形的面积等于πr2，所以可以确定具有相同开口面积的圆的直径。圆的圆周长等于πD。然后将圆周长除以面积得到周长与面积的比。
图4是注入器外形的示意图。图4中，输送进料的导管12在14处连接到注入器16。突出物20在出口22内，但是为出口22表面下的凹陷。突出物20和出口22之间的深度关系也示于图1。
本发明的进料注入器或注入器位于提升管反应器的壁上。进料注入器或注入器连接到提升管反应器的壁上，使得来自注入器的雾化进料的喷雾图案接触流过提升管反应器的反应区的流化催化剂粒子。注入器连接到输送进料到提升管反应器的导管。优选使用多个进料注入器以增加将进料分配到流动的催化剂粒子的效率。通常以围绕提升管反应器的环形使用这种多个进料注入器，优选以对称的半径设计，以提供穿过催化剂粒子的原料粒子的最佳的喷雾图案。在一种实施方式中，注入器连接到围绕提升管反应器中催化剂粒子流动的环形油环或歧管。
注入器可以连接到提升管反应器的壁或连接到环形岐管，使得注入器和壁之间的角可以为0°～90°。提升管反应器可以在进料注入点的垂直位置，或在注入点的壁可以偏离垂直。如果需要，可以使用在不同水平的超过一个环。提升管反应器也可包括注入器通过的耐火衬层。
优选将进料注入器的出口伸入提升管反应器中催化剂粒子的流动物流，使得出口的腐蚀最小化，并同样使催化剂流的干扰最小化。
以下实施例用于说明本发明并不应该以任何方式认为是限制。
实施例
在该实施例中，空气/水进料通过示于图4的注入器注入。通过对比注入器注入相同的进料，其中对比注入器与示于图4的注入器相同，只不过该对比注入器是以简单的矩形形状，该简单的矩形形状没有示于图4的突出物的锯齿状的图案。通过两种注入器以相当的条件(相同的温度，压力和进料速度)注入进料，使得仅有的变量是注入器本身的结构。示于图4的注入器和对比注入器分别具有3.2与3.6的一般长径比和2.0与1.4的周长与横截面积的比值。测量由通过各种注入器产生的扇形喷雾图案得到的相对微滴尺寸，作为与喷雾图案中心距离的函数。结果示于图5，其中本发明指定为STF注入器。由图5可见，与没有锯齿图案的注入器相比，得自根据本发明的注入器的相对微滴尺寸更小并且尺寸更均匀。

Claims (6)

1.一种雾化石油进料的装置，包括：导管，其含有至少一个入口、至少一个出口和在所述导管内连接所述入口与所述出口的通道，所述通道含有喷口，其中所述喷口的一般长径比大于1.0，并且相对于相等面积的圆形喷口的周长与横截面积的比值，所述喷口的周长与横截面积的比值大于1.5，其中所述喷口形状是椭圆的或矩形的，和该椭圆的或矩形的形状包括从所述椭圆的或矩形的形状向内伸出的至少一个元件，其中所述喷口的一般长径比定义为穿过与流动正交的喷口开口的最大线性测量除以穿过与所述正交测量垂直并在喷口平面内的喷口开口的最大线性测量。
2.如权利要求1的装置，其中所述装置是进料注入器。
3.如权利要求1的装置，其中所述至少一个向内伸出的元件包括至少一个尖的，方边的或圆的元件。
4.如权利要求1的装置，其中所述喷口产生扇形的喷雾图案。
5.如权利要求1的装置，其中所述一般长径比大于1.5。
6.一种将石油进料注入流化催化裂化反应器的反应区中的方法，其包括使用前述权利要求任一项的装置将所述进料注入到反应区中。
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