CN101094906B - Fcc进料注射系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种石油进料注射装置和方法。更具体地，液体石油进料用喷嘴组件装置雾化，其中装置具有注射喷嘴，其产生细微分散进料的基本平坦的喷雾形态。每个注射如此设计以便于每个喷嘴的不同喷雾形态的总效应提供更一致的穿过催化剂料流的进料有效区。

Description

FCC进料注射系统
发明领域
本发明涉及一种用于石油进料注射的装置和方法，更具体地，液体石油进料用喷嘴组件装置雾化，其中装置具有注射喷嘴，其产生与裂化催化剂颗粒接触的细微分散液体烃液滴的大致平坦的喷雾形态。每个注射喷嘴如此设计，以便于各个喷嘴的不同喷雾形态的总效应提供更均匀的在流化催化剂料流上的烃进料覆盖，喷嘴的位置可覆盖流动的催化剂料流的外围到催化剂料流的内部。 
发明背景
石油进料的雾化对石油加工(比如流化催化裂化(FCC)和焦化)很重要。在FCC过程中，一般高分子量的进料在FCC单元的升管反应器部分中与流化催化剂颗粒接触。为了促进有效的传质和传热以提高进料到所需产品种类的转化，控制了进料与催化剂的接触。在进料的催化裂化中，控制反应器条件如催化剂对油的比、温度和接触时间以使所需产品最大化和较不所需产品如轻质气体和焦炭最小化。 
由于在FCC反应器中催化剂和进料的接触通常在几秒的数量级，控制裂化过程效率的重要因素是催化剂。FCC过程的催化剂是已知的，并且可以是无定形的或晶体的。进入FCC反应器的催化剂通常用裂化过程中产生的蒸汽、燃料气体或轻质烃气体或其某些组合流化。催化剂和进料的反应产生大量体积的气体烃和承载焦炭沉积物的废催化剂。气/固混合物穿过分离器，通常是旋风分离器，废催化剂和蒸气产品分离。然后对蒸气进行处理以收集所需的烃并且废催化剂送去再生。 
由于进料和催化剂之间接触时间短，进料条件也很重要。进料注射的 类型能对FCC反应器产生的产品构成产生影响。进料裂解成气体烃有两种方式，即催化和热的方式。FCC单元中的热裂解通常是不利的，因为这种方式可以导致轻质气体(如甲烷)和焦炭的产生。 
为了提高催化裂解过程的效率，需要使进料分子最大可能限度地和在最短的可能时间内到达活性催化剂颗粒。由于向上流动的催化剂作为流化固体流基本占据了升管截面，最佳情况是在催化剂料流上的进料的即时分散。然而，这种在催化剂料流上的进料的即时分散是不可能的。当液体进料液滴和热的催化剂颗粒接触时为了提高气化率需要进料液滴的细微分散。 
获得进料液滴的一种方法包括使用蒸汽形成液滴分散。得到的分散体是通过喷嘴进入FCC升管反应器并在此与流化的热的催化剂接触的蒸汽和烃的两相体系。在压力下强制液体穿过喷嘴的孔形成细微分散液滴的过程被称为雾化。雾化程度和喷嘴设计例如孔尺寸和排放形状，液体性质如密度、粘度、表面张力和跨过孔的压降有关。对重(粘)石油馏分，提高雾化程度形成至少一部分进入FCC过程的进料是特别有挑战性的。 
对FCC反应器中的进料雾化已经有很多喷嘴设计。有些提出的喷嘴设计在喷嘴自身或通向喷嘴的管道中利用涡流叶轮。另外提出的设计在喷嘴的进料管道中采用文丘里管。其它提出的设计包括使烃和分散气体如蒸汽同心穿过喷嘴并在孔近侧混合而进料，烃进料分布器利用位于FCC反应器中心的同心喷嘴，通过喷嘴中的多个孔并且使用喷嘴附近的罩注射进料，并控制蒸汽和烃相互接触的角度。还曾提出形成进料和蒸汽的两相流体混合物，流体分成两股分开的、穿过冲击混合区域、重新结合分开的流体的剪切混合区域和低压雾化区域的流体。另一提出的设计是其中单一的进料料流的雾化可以这样完成的喷嘴，即穿过含或不含所包括的蒸汽的全液流，通过在单一的全流动离心或在尖锐或方形边缘的孔内终止的螺旋加速室内的偏转叶轮产生自由漩涡。这种孔直径比用于使液体烃进料直接进入升管反应器中的催化剂流动料流中的供给线小得多。最后，为了产生基 本平坦的喷雾形态的雾化进料，已经提出大致是扇形的进料注射器。 
采用放射方向进料注射喷嘴向催化剂料流中注射进料是已知的。这种喷嘴通常放置在环绕流动催化剂料流的环状带中。喷嘴可以和升管表面垂直或成角度。注射喷嘴也可与注射区机械设计特征(例如，升管形状)结合，以来提高其效率。 
尽管进料注射喷嘴设计在继续提高，仍需要完整的进料注射系统的更好的性能以促进FCC过程中雾化进料和催化剂的接触。 
发明概述
本发明涉及一种用于使雾化进料和流化的流动中的催化剂颗粒的料流接触的装置和方法。一个实施方案和用于注射烃进料至流化的流动中的催化剂颗粒的料流中的装置有关，其包括：管道部分，所述管道部分容纳了在流化的流动中的催化剂颗粒的料流；在所述管道部分中具有至少一个喷嘴组件，喷嘴组件围绕在所述的流化的流动中的催化剂颗粒的料流的外围并且包括至少两个注射喷嘴，每个喷嘴产生基本平坦的喷雾形态以便总的进料基本均匀分散在流过管道部分的催化剂颗粒的截面上。 
另一个实施方案涉及用于注射烃进料至流化的流动中的催化剂颗粒的料流中的装置，其包括：管道部分，所述管道部分容纳了在流化的流动中的催化剂颗粒的料流；在所述管道部分中具有至少一个喷嘴组件，喷嘴组件围绕在所述的流化的流动中的催化剂颗粒的料流的外围并且包括至少两个注射喷嘴，每个喷嘴产生基本平坦的喷雾形态以便总的进料基本均匀分散在流过管道部分的催化剂颗粒的截面上，其条件为至少一个喷嘴延伸进入流化的流动中的催化剂颗粒的料流中。 
在一个优选的实施方案中，注射烃进料至流化的流动中的催化剂颗粒的料流中的装置位于FCC单元的升管反应器内，管道部分位于所述升管反应器内，总的进料基本均匀分散在流过升管管道部分的催化剂颗粒的截面上。
再另一个优选的实施方案涉及注射进料至流化的流动中的催化剂颗粒的料流中的方法，其包括：引导进料进入至少一个围绕在所述的流化的流动中的催化剂颗粒的料流的外围的喷嘴组件，注射进料穿过至少两个位于所述喷嘴组件上的喷嘴进入流化的流动中的催化剂颗粒的料流中，每个喷嘴产生基本平坦的喷雾形态以便总的进料基本均匀分散在流过喷嘴组件的催化剂颗粒的截面上。 
再另一个优选的实施方案涉及注射进料至流化的流动中的催化剂颗粒的料流中的方法，其包括：引导流体进入至少一个围绕在所述的流化的流动中的催化剂颗粒的料流的外围的喷嘴组件，注射进料穿过至少两个位于所述喷嘴组件上的喷嘴进入流化的流动中的催化剂颗粒的料流中，每个喷嘴产生基本平坦的喷雾形态以便总的进料基本均匀分散在流过喷嘴组件的催化剂颗粒的截面上，其条件是至少一个喷嘴延伸进入流化的流动中的催化剂颗粒的料流体中。 
在一个优选的实施方案中，注射烃进料至流化的流动中的催化剂颗粒的料流中的过程位于FCC单元的升管反应器内，管道部分位于所述升管反应器内，总的进料基本均匀分散在流过升管管道部分的催化剂颗粒的截面上。 
附图简述
图1是两种不同的扇形喷雾形态和它们穿透催化剂料流的方式的示意图。 
图2是在催化剂料流中在不同穿透深度的一对喷嘴的示意图。 
图3是进料喷射速度对进料喷射穿透催化剂料流的影响的示意曲线。 
图4是进料温度对进料喷射穿透长度的影响的示意曲线。 
图5是喷射角度为90°时(水平以上的喷嘴倾斜角度)喷射角度对喷射穿透长度的影响的示意曲线。 
图6是气/固和油滴之间温度的不同对喷射穿透长度的影响示意图。
发明详述
常规的FCC方法包括升管反应器和再生器，其中石油进料注射进入包括流化的裂化催化剂颗粒的料流的升管反应器的初始反应区。催化剂颗粒一般包括沸石，也可以是新鲜的催化剂颗粒，催化剂颗粒由催化剂再生器而来，或者是某些其混合物。气体可以是惰性气体、烃蒸气、蒸汽或其某些混合物，气体一般用作帮助流化热催化剂颗粒的提升用气体。 
与进料接触的催化剂颗粒产生蒸气产品和包括可剥离的烃与焦炭的催化剂颗粒。催化剂作为在分离区中从反应器流出物中分离出来的废催化剂颗粒脱离反应区。用于从反应器流出物中分离废催化剂颗粒的分离区可使用分离装置如旋风分离器。废催化剂从可剥离的烃中用剥离试剂如蒸汽剥离。然后剥离催化剂颗粒送入再生区，在此剩余的烃被燃烧且焦炭被除去。在再生区，结焦的催化剂颗粒和氧化介质(通常是空气)接触，焦炭在高温下如510℃(950℉)到760℃(1400℉)被氧化(燃烧)。然后再生催化剂颗粒送回升管反应器。 
这里描述的用于催化裂化方法的适当的烃原料包括在221℃(430℉)到560℃(1050℉)范围内沸腾的天然和合成的烃油如柴油；包括在1050℉(566℃)沸腾的物质的重质烃类油；重质和残留(reduced)石油原油；石油常压蒸馏残留物；石油真空蒸馏残留物；沥青(pitch，asphalt，bitumen)；其他重质烃残留物；沥青砂油；页岩油；煤炭液化过程衍生的液体产品，石脑油和其混合物。 
FCC催化剂可以是无定形的，例如，氧化硅-氧化铝和/或晶体，例如分子筛(包括沸石或其混合物)。优选的催化剂颗粒包括(a)无定形的、多孔固体酸基质，如氧化铝、氧化硅-氧化铝、氧化硅-氧化镁、氧化硅-氧化锆、氧化硅-氧化钍、氧化硅-氧化铍，氧化硅-氧化钛、氧化硅-氧化铝-稀土等；和(b)沸石如八面沸石。基质可包括三元组合物，如氧化硅-氧化铝-氧化钍，氧化硅-氧化铝-氧化锆，氧化镁和氧化硅-氧化镁-氧化锆。基质也 可以是共凝胶形式。氧化硅-氧化铝特别适宜用作该基质，可以包括10到40重量％的氧化铝。如讨论的，可以加入助催化剂。 
初步裂化组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筛，包括沸石X，REX，沸石Y，超稳定Y沸石(USY)，稀土交换Y(REY)，稀土交换USY(REUSY)；脱铝Y(DeAl Y)，超亲油Y(UHPY)，和/或脱铝富硅沸石，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、丝光沸石等也可以使用。这些物质可以经过一般处理，如浸渍或与稀土离子交换以提高稳定性。优选的大孔分子筛是沸石Y，更优选REY、USY或REUSY。 
其它适当的大孔晶体分子筛包括柱状硅酸盐和/或粘土；铝磷酸盐，例如ALPO4-5；ALPO4-8，VIP-5；硅铝磷酸盐；例如，SAPO-5，SAPO-37，SAPO-540；和其它金属铝磷酸盐。 
裂化催化剂还可以包括中孔沸石形式、具有Constraint Index(美国专利号4,016,218中定义)1到12的催化剂添加剂。适合的中孔沸石包括ZSM-5，ZSM-11，ZSM-12，ZSM-22，ZSM-23，ZSM-35，ZSM-48，ZSM-57，SH-3和MCM-22，可以以单一形式或以组合形式。优选地，中孔沸石是ZSM-5。 
包含催化剂的沸石的微晶尺寸可从0.1到10微米，优选从0.3到3微米。沸石相关的组分浓度和以无定形为基础的基质可以大幅度变化，沸石含量，以干复合物重量计的百分比，为从1到100，优选10到99，更普遍的从10到80。 
催化剂颗粒中的沸石组分含量，以催化剂总重量为基础，一般从1到60重量％，优选从5到60重量％，更优选从10到50重量％。如上讨论，催化剂一般是包括在复合物中催化剂颗粒的形式。当为颗粒形式时，催化剂颗粒度直径从1到150毫米，平均颗粒直径为60到70毫米。蒸汽中人工失活后的基质物质表面积低于350m2/g，选10到200m2/g，，更优选20到150m2/g。而催化剂的表面积依赖于沸石种类和量及使用的基质组分等 因素，通常其低于500m2/g，优选从50到300m2/g，更优选从50到250m2/g，最优选从100到250m2/g。 
反应区FCC过程条件包括温度从450℃到700℃(842℉到1292℉)，烃分压从10到40psig(170到377kPa)，优选从20到35psig(239到342kPa)；催化剂和进料比(重量/重量)从2到20，其中催化剂的重量为催化剂复合物的总重量。总压力从大气压到45psig(411kPa)。尽管不是必须的，优选蒸汽和原料同时引入反应区，蒸汽含最高50重量％、优选从1到5重量％的初始进料。而且，优选蒸气在反应区停留时间低于20秒，更优选从0.1到20秒，更优选从1到5秒。 
为了便于进料在这样短的反应时间内转化成产品，进料雾化成小液滴是重要的。进料转化到产品的裂化过程效率是如下的函数：进料物理性质(粘度、密度等)、催化剂料流物理性质(催化剂种类和构型)、进料液滴尺寸、液滴在反应区的分布、进料液滴和催化剂颗粒间的喷雾角、处理条件包括气体流速和压力、注射器设计。影响注射器设计的其它因素包括跨过孔的压降，进料和加入以帮助雾化的任何气体的相对速度和气体与固体比。由此裂化过程的效率和进料注射器的种类和设计部分相关。注射器应该雾化和分散进料液滴并且耐用，即可延长服务周期而无堵塞或遭受过度机械摩擦(例如和催化剂颗粒接触产生的磨损)。在FCC过程中，进料穿过至少一个其位置允许进料液滴和催化剂颗粒的有效接触的注射器注射进入催化剂颗粒的流化的料流中。 
进料通常预热至温度为120℃到450℃。优选一种气体或多种气体加入进料以强化雾化过程。这些气体包括蒸汽、氮气、氢气、FCC废气和低分子量(C6-)烃。优选将蒸汽用于雾化。蒸汽和进料的比可通过控制产生的进料/蒸汽混合物的密度影响雾化过程。蒸汽量，基于进料/蒸汽混合物重量，通常介于0.1到10.0重量％之间。已知流过升管部分的流化催化剂颗粒的截面可以包括参数如温度、催化剂密度和催化剂质量流量不均匀的面积。这些不均匀面积使流过升管中的催化剂上的雾化的进料不均匀分 散。尽管商业FCC单元可以包括多种喷嘴设计，每一个单一升管反应器在其单元使用同样的喷嘴设计，即使用的喷嘴是一样的。这样这些单一单元在催化剂料流中获得进料的均匀分布是困难的任务。 
根据本发明的多数喷嘴，在注射进入升管中的催化剂料流之前或期间的进料雾化的过程中，每个可以产生不同的喷雾形态。喷嘴的最小数为2，但是根据需要可以增加喷嘴。优选喷嘴数为从4到16，特别从6到8。优选喷雾形态为例如美国专利5,173,175所公开的基本平坦扇形形态，其在此全文并入本文。 
在两个喷嘴的情况下，优选的排列是其处在升管催化剂料流周围相对的位置。如果使用另外的喷嘴，它们可以以大致均匀的间隔分布在围绕催化剂料流的环形的周围。喷嘴可以排列在多于一层和两层或更多层的包括用不同层的可被使用的喷嘴的环形的周围。 
在升管反应器中进料穿透催化剂料流的影响因素包括那些与升管反应器尺寸、催化剂颗粒性质、催化剂料流流动性质、与催化剂料流接触的进料和进料的喷雾形态有关的因素，还有那些与喷嘴有关的因素。因素包括但不限于升管直径、总输送线和单元的几何形状、催化剂循环速度和流动密度、催化剂物理性质、进料速度和进料物理与化学性质。 
A.升管反应器和催化剂 
进料穿透进入催化剂料流的一个影响因素是升管反应器直径。随着升管直径的增加，进料在催化剂料流上均匀穿透变得更加困难。升管的直径越大，催化剂料流流过那里的直径和动力越大。然后升管反应器直径引起了其它因素。不仅进料不得不穿透更大的催化剂截面，它也可能遭遇催化剂料流本身的不规则性增加，例如料流上的局部化的催化剂密度、温度不同、和催化剂局部化的速度。催化剂性质包括平均颗粒度、颗粒度分布、催化剂颗粒的体积和表面积、颗粒密度和传热性质是另一可能的影响因素。
B.进料喷雾形态 
影响进料喷雾形态的因素包括喷雾形态的形状和构成喷雾液滴的液滴性质。这些因素包括油和蒸汽质量流速、Sauter平均油滴直径和在喷嘴出口处油喷雾速度。 
喷雾形态优选基本平坦和扇形的。基本平坦意为喷雾的长宽比，即喷雾厚度和喷雾宽度，均取喷雾流的直角方向(远离喷嘴)，一般小于1:1。关于本发明，长宽比一般远小于1:1并且在注射器出口一般为1:2到1:5。长宽比一般随着喷雾流路径的增长变得更加小。喷雾宽度一般随距注射器的距离以喷雾与宽度交叉的夹角的正切的函数线性增加。喷雾宽度与喷雾路径的轴成直角并且与注射器距离基本相对不变。从一般平面角度沿催化剂料流流动的轴看的扇形可以是窄的，如具有大的高度与底线的比的三角形，或者可以是宽的，如具有小的高度与底线比的三角形。因此为了优化升管“混合区”中进入与雾化进料接触的流化催化剂料流的渗透和流化催化剂料流，进料喷雾形态可以是不同的。如以下讨论的喷雾形态由喷嘴设计控制。 
不同的进料喷雾形态使进料在流过升管的催化剂颗粒的截面上基本均匀分散。在催化剂颗粒的截面上基本均匀分散意为升管截面内复合进料注射喷雾的质量分布与同一截面上的催化剂质量分布十分吻合。因此在所有的位置局部催化剂与进料油质量比在这一升管截面的几乎保持不变。穿透入催化剂料流的进料可以是进料注射器各个喷雾形态的函数。通过改变各个喷雾形态，可以得到进料在催化剂料流上的基本均匀分散。 
油和蒸汽质量流速可以影响进料与催化剂的相互作用。蒸汽注射进入进料/进料注射器的方法也是一个因素。流速用常规的方法很容易测得。一般，为了增强液滴形成，蒸汽和在进料注射器条件下(温度和压力)基本为蒸气的其它适合的小分子量蒸汽和烃进料一同注射。优选蒸气和雾化进料混合物通过进料注射器出口注射进入流动的催化剂料流。蒸汽和烃进料 重量比为从0.0025到0.2，优选从0.005到0.08，更优选从0.01到0.03。混合物通过进料注射器出口的质量速度由可得到的压降和孔的大小决定。一般孔越小，压降越高，孔的流出速度越高。 
Sauter平均油滴直径也是影响油进料穿透热催化剂料流有效性的参数。一般，小的油滴导致进料气化增加，这反过来导致更有利的进料裂化条件，例如，例如增加进料和催化剂的接触。然而，气化速度增加也降低了对流动的催化剂料流的喷雾的穿透，限制了与流动的催化剂料流整体的全面接触。进料一般经过预热来促进进料气化并促进雾化。进料可以与惰性气体混合，优选蒸汽。为了雾化目的也可应用剪切力和搅拌力。 
随着进料变重，例如以残留物作为进料，快速气化变成更重要的因素。优选平均液滴大小小于1000微米，更优选小于400微米，更优选小于250微米。Sauter平均液滴直径一般由光学技术，如光散射干涉法或液滴对单色平行光的Fraunhofer衍射(Malvern颗粒度计的操作原理)确定。测量的光能量分布可以转化成喷雾中液滴直径的分布，由此计算得到Sauter平均油滴直径。 
喷嘴出口处的油喷雾速度也可以影响油进料穿透进入热循环催化剂系统。根据动量平衡的简单观点，增加油喷雾速度增加喷雾动量并且导致流动的催化剂料流的穿透增加。 
C.喷嘴 
优选的扇形喷雾可以通过调整喷嘴设计得到。这种扇形喷雾可以用具有矩形或椭圆形的喷嘴得到。扇形的构型本身可以由调节喷嘴孔参数即通过调节孔截面面积和长宽比(雾化孔的有效宽度:高比)控制。喷雾形态和流出速度也可以通过调节雾化孔下游的喷嘴喷雾扩散器的形状控制。参数如产生的喷雾的角度可以通过设计扇形顶端到抑制径向分散(constrainradical divergence)调整。美国专利5,173,175和6,093,310，其说明了产生基本平坦和扇形的喷雾的注射器，在此并入本文。对每个喷嘴油，喷雾 的夹角覆盖从30°到115°，优选从45°到75°。优选在单个注射器喷雾末端各喷雾形态大致重叠。 
关于喷嘴的一个因素是相对催化剂料流的喷嘴位置。在优选实施方案中，喷嘴尖端接近或位于催化剂料流外表面附近，即靠近或在升管壁上。在本实施方案中，催化剂料流对进料的穿透是喷嘴设计和催化剂料流与升管设计有关的操作因素的函数。在另一实施方案中，喷嘴尖端位置可从催化剂料流的外表面(外围)到接近催化剂料流的中心变化。从催化剂料流的外表面到内部移动喷嘴尖端的位置可以提高进料的穿透。在另一实施方案中，喷嘴位置也是喷嘴设计、催化剂条件和特定升管设计的函数。如果喷嘴延伸进入催化剂料流，单一喷嘴可以覆盖从外围到中心线或附近。因此范围是从升管壁到中心线的径向距离的0到100％。对延伸进入催化剂料流的喷嘴，距离优选从升管壁到中心线距离的从10到75％，更优选从10到50％。通过延长管道和从催化剂料流的外围到中心的适当腐蚀防护可以实现喷嘴到升管中心线的穿透，或者可以轴向沿着催化剂流从相对于催化剂流一般上游方向完成。腐蚀防护可以是适当的喷镀设计以保护延伸进入催化剂料流的喷嘴不受流动的催化剂料流的腐蚀的影响的形式。 
喷嘴与催化剂料流或升管壁形成的的角度也是一个影响因素。该角度以从喷嘴进料中心线为基础相对于流化催化剂料流的中心线。喷嘴可以安装成与催化剂流的轴垂直或与升管壁垂直。喷嘴也可以与催化剂流的轴成角度。相对于垂直于催化剂流的轴的平面的角度优选为从0°到75°，更优选从45°到60°。喷嘴也可以位于升管壁本身的隔板和突出上。 
优选喷嘴排列是以组件形式包括至少一个轴向围绕催化剂料流的环形的环。喷嘴的最小数目为4，更优选为4到16，更优选为从6到12，喷嘴围绕圆周间隔开。喷嘴可以在一个环形环上或其可以有两或更多层环状环，其每一个都支承喷嘴。优选的喷嘴混合和因此得到的喷雾形态是其能获得油喷雾和流动的催化剂料流的最大接触的那种。喷嘴间隔是由单一喷嘴产生的喷雾的几何形态和升管尺寸的函数。对最佳的接触，需要更多数 量的注射器并且一般被进料注射喷嘴附件高度的升管圆周形尺寸限制。该限制一般由两相邻进料注射喷嘴的连接处的钢足够宽以得到充分的机械强度的需要来来建立，也能由升管的有限元分析的方法决定。 
本发明的重要方面是通过设计和集成单一注射器调节雾化油喷雾来提供进料注射系统，这导致了进料在进料/催化剂混合区域更均匀穿透进入和穿过催化剂。这在下面的实施例中得到了显示。 
实施例
实施例1 
喷嘴组合的喷雾形状由每个单一喷雾形态对升管中上流的催化剂料流的穿透决定。这如图1所示，其是两种不同喷雾穿透催化剂料流的示意图。在图1中，R是从料流中心(一般是升管反应器中心)到外缘(一般是升管反应器壁)测量的催化剂颗粒料流的混合区的半径。两种不同的喷嘴，类型A和类型B，对称放置在相对于升管反应器圆周对称的平面中。喷嘴可以这样放置，即使注射的喷雾的轴或者与和流动的催化剂颗粒的轴垂直的平面一致或者在该平面上以小于90°角倾斜，倾斜角随喷嘴类型的不同而不同。 
命名为类型B的喷嘴B的喷雾形态可以是相对广角的扇形喷雾，其由在较低出口速度下相对小的Sauter平均液滴直径组成。如图1所示，这些喷嘴接触在从0.5R到R范围内催化剂料流部分。这些喷嘴可以以喷雾夹角大于45°的水平以上角β放置。喷雾夹角定义为进料喷嘴出口的近似三角形喷雾的顶点形成的角。这些注射器一般具有扇形延伸来减小出口速度并且可以设计通过内部蒸汽喷雾器来注射至少50重量％的具有相对高分散蒸汽速度的进料油。 
如图1所示，注射器喷嘴类型A可以提供具有相对较大Sauter平均直径液滴和高出口速度的窄角度喷雾。这种类型的喷雾形态更适合于R＝0 至R＝0.5的区域的接触。这些注射器可取向在水平以上角度α方向上，其中对注射器类型B一般α<β并且喷雾夹角可<45°。尽管仍用内部蒸汽喷雾器来加入蒸汽，类型A注射器可不具有扇形延伸并且可以设计来注射达到50重量％的具有比类型B注射器少的分散蒸汽的进料。 
可以在催化剂料流的周围排列各种喷嘴以产生不同的扇形。优选将这些喷嘴对称成对排列。用这种方式，可以在升管反应器中的催化剂料流的直径上均匀注射进料。 
在本发明的一个实施方式中，喷嘴排列在上流催化剂料流中不同穿透深度。如图2所示，图2显示了半径为R的两对在催化剂料流中具有不同穿透深度喷嘴的顶视图。喷嘴C和D产生了仅穿透深度不同的相同扇形喷雾形态。喷嘴C位于管道10中流动的催化剂料流12的外围。喷嘴D位于催化剂料流12中接近0.5R处。用这种方式，通过催化剂料流中喷嘴位置控制进料穿透进入和穿过催化剂料流。 
通过改变如图1所示的喷雾形态构型、如图2所示的喷嘴位置、喷嘴数目、或其某些结合，可以得到催化剂料流上的均匀进料。 
在催化剂料流上的均匀穿透的测量可以由下游升管温降和混合区下游的放射状温度分布推知。因此，测量提高进料/催化剂接触的结果。进料/催化剂更好的接触导致在混合区下游任何给定轴向位置处升管截面中的更快的温降和更均匀的温度分布。然后这被用作一种催化剂料流上的进料穿透的均匀的方法。 
在172立方米/小时容量的FCCU中用两层进料注射构型(如图1所示)进行工厂测试。安装了两种类型的喷嘴。如示意图1所示，设计了四个类型A喷嘴均匀间隔围绕在升管直径0.76米的圆周周围来提供夹角为45°、在扇形顶端出口速度为～45米/秒，并且目标Sauter平均粒径约275毫米的喷雾。同样，位于类型A喷嘴以上0.4米设计了四个类型B喷嘴来提供夹角为60°、出口速度为60米/秒，目标Sauter平均注射液滴直径为225毫米的喷雾。类型A和类型B喷嘴都在水平面上倾斜45°。
在具有不变进料质量和操作条件如催化剂循环速度、进料预热温度等下做了两种比较。在情况1下，总的进料通过类型A喷嘴加入1.6重量％注射蒸汽，而通过类型B喷嘴加入清除蒸汽。在情况2下，带有1.6重量％的添加蒸汽的总的进料通过类型B喷嘴注射而只通过类型A喷嘴加入清除蒸汽。在情况2下通过位于上注射器环接近3米的下游的热电偶的温度读数观察进料/催化剂接触的提高。在情况2下平均下游温度为554℃(1029℉)，而情况1下平均温度为570℃(1058℉)。在情况1下温度较高表明由于进料液滴和热的再生催化剂的不均匀接触发生了较少的吸热裂解反应。观察到较高的热裂解导致了干气和焦炭的产生。相反地，在情况2下，更有效的进料/催化剂接触导致了较低的干气(C2-)和焦炭产率，以及0.8重量％的高于221℃的转化，在下表中反映了性能提高的过程。 
表 
  
产物 (情况2-情况1)的差重量％新鲜进料
C2-干气 -0.2
LPG(C3+C4) -0.2
轻质催化石脑油(C5-100℃) 0.8
中间催化石脑油(100-145℃) 0.5
重质催化石脑油(145-205℃) 0
轻质循环油(205-245℃) 0
重质循环油(245-378℃) -0.5
残留物(378℃+) -0.3
焦炭 -0.1
实施例2 
本实施例说明喷射速度对进料喷射穿透长度的影响。图3是显示以英寸计喷射穿透长度对以ft/sec计的液滴喷射速度的函数图。在图3中，可以看出在其它因素保持不变时，增加喷射速度可以增加进入催化剂料流的喷雾形态的喷射穿透长度。 
实施例3 
本实施例说明进料温度对进料喷射穿透长度的影响。图4是显示了进料温度对喷射穿透长度的影响图。如图4所示，在气/固温度不变时增加进料温度将降低气/固和油液滴温度间的温度差。这导致了较低的蒸发速度，反过来导致了较长的穿透长度。 
实施例4 
本实施例显示了增加喷射角(即喷嘴和流动的催化剂料流的纵向轴之间的角度)可以对喷射穿透长度产生强的影响。在图5中喷射角的定义是90°(垂直于催化剂流的轴的水平面上的倾斜角)。提高喷射角导致了和催化剂流轴的接近垂直相交的喷雾。相反地，当喷射角降低时，喷嘴喷雾方向接近与催化剂平行流动并且大大降低进料液滴的穿透。 
实施例5 
在本实施例中，探讨了气/固和油液滴的温度差及其对深透长度的影响。如图6所示，当气/固和油液滴的温度差增加时(进料温度不变)，蒸发速度增加。这种蒸发速度的增加导致了穿透长度的降低。 
综上所述，本发明的内容是： 
1)一种用于注射烃进料至流化的流动中的催化剂颗粒的料流中的装置，其包括：管道部分，所述管道部分容纳了在流化的流动中的催化剂颗粒的料流；在所述管道部分中的至少一个喷嘴组件，该喷嘴组件围绕在所述的流化的流动中的催化剂颗粒的料流的外围并且包括至少两个注射喷嘴以注射烃进料，其中至少两个注射喷嘴产生不同的喷雾形态，并且每 个喷嘴产生基本平坦的喷雾形态以便总的进料基本均匀分散在流过管道部分的催化剂颗粒的截面上，其中基本平坦的喷雾形态具有从1∶2到1∶5的由喷雾的厚度和相对于由垂直于喷雾的流动的方向的喷雾的宽度表示的长宽比。 
2)如项目1所述的装置，其中装置是进料注射器组件，流化的流动中的催化剂颗粒位于流体催化裂化单元中的升管反应器中，而管道部分位于升管反应器中。 
3)如项目1所述的方法，其中喷嘴组件包括4到16个注射喷嘴。 
4)如项目2所述的方法，其中喷嘴组件包括4到16个注射喷嘴。 
5)如项目1所述的装置，其中将烃进料雾化并且雾化进料具有的平均液滴大小低于1000微米。 
6)如项目2所述的装置，其中将烃进料雾化并且雾化进料具有的平均液滴大小低于1000微米。 
7)如项目3所述的装置，其中将烃进料雾化并且雾化进料具有的平均液滴大小低于1000微米。 
8)如项目4所述的装置，其中将烃进料雾化并且雾化进料具有的平均液滴大小低于1000微米。 
9)如项目1所述的装置，其中喷嘴具有矩形的或椭圆形的孔并且喷嘴相对于垂直于催化剂流动的轴的平面成0°到75°角。 
10)如项目2所述的装置，其中喷嘴具有矩形的或椭圆形的孔并且喷嘴相对于垂直于催化剂流动的轴的平面成0°到75°角。 
11)如项目3所述的装置，其中喷嘴具有矩形的或椭圆形的孔并且喷嘴相对于垂直于催化剂流动的轴的平面成0°到75°角。 
12)如项目4所述的装置，其中喷嘴具有矩形的或椭圆形的孔并且喷嘴相对于垂直于催化剂流动的轴的平面成0°到75°角。 
13)如项目5所述的装置，其中喷嘴具有矩形的或椭圆形的孔并且喷嘴相对于垂直于催化剂流动的轴的平面成0°到75°角。 
14)如项目8所述的装置，其中喷嘴具有矩形的或椭圆形的孔并且喷嘴相对于垂直于催化剂流动的轴的平面成0°到75°角。 
15)前述项目中任一项的装置，其中喷嘴的喷雾夹角为覆盖30°到115°。 
16)如项目1-14所述的装置，其中喷嘴具有矩形的或椭圆形的孔并且喷嘴相对于垂直于催化剂流动的轴的平面成0°到75°角。 
17)如项目15所述的装置，其中喷嘴具有矩形的或椭圆形的孔并且喷嘴相对于垂直于催化剂流动的轴的平面成0°到75°角。 
18)如项目1-14所述的装置，其中在至少两个注射喷嘴中，至少一个喷嘴延伸进入流化的流动中的催化剂颗粒的料流中，其距离为从升管壁到中心线距离的10到50％。 
19)如项目15所述的装置，其中在至少两个注射喷嘴中，至少一个喷嘴延伸进入流化的流动中的催化剂颗粒的料流中，其距离为从升管壁到中心线距离的10到50％。 
20)如项目16所述的装置，其中在至少两个注射喷嘴中，至少一个喷嘴延伸进入流化的流动中的催化剂颗粒的料流中，其距离为从升管壁到中心线距离的10到50％。 
21)如项目17所述的装置，其中在至少两个注射喷嘴中，至少一个喷嘴延伸进入流化的流动中的催化剂颗粒的料流中，其距离为从升管壁到中心线距离的10到50％。 
22)如项目1-14所述的装置，其中至少两个注射喷嘴位于催化剂料流的外围并且其中来自至少两个注射喷嘴的喷雾形态相同或不同。 
23)如项目15所述的装置，其中至少两个注射喷嘴位于催化剂料流的外围并且其中来自至少两个注射喷嘴的喷雾形态相同或不同。 
24)如项目16所述的装置，其中至少两个注射喷嘴位于催化剂料流的外围并且其中来自至少两个注射喷嘴的喷雾形态相同或不同。 
25)如项目18所述的装置，其中至少两个注射喷嘴位于催化剂料流 的外围并且其中来自至少两个注射喷嘴的喷雾形态相同或不同。 
26)如项目21所述的装置，其中至少两个注射喷嘴位于催化剂料流的外围并且其中来自至少两个注射喷嘴的喷雾形态相同或不同。 
27)一种注射烃进料至流化的流动中的催化剂颗粒的料流中的方法，其包括：引导进料进入至少一个围绕在所述的流化的流动中的催化剂颗粒的料流的外围的喷嘴组件，注射进料穿过至少两个位于所述喷嘴组件中的注射喷嘴进入流化的流动中的催化剂颗粒的料流中，其中至少两个注射喷嘴产生不同的喷雾形态，并且每个喷嘴产生基本平坦的喷雾形态以便总的进料在流过喷嘴组件的催化剂颗粒的料流的截面上基本均匀分散，其中基本平坦的喷雾形态具有从1∶2到1∶5的由喷雾的厚度和相对于由垂直于喷雾的流动的方向的喷雾的宽度表示的长宽比。 
28)如项目27所述的方法，其中流化的流动中的催化剂颗粒位于流体催化裂化器的催化裂化区中。 
29)如项目27所述的方法，其中喷嘴组件包括4到16个注射喷嘴。 
30)如项目28所述的方法，其中喷嘴组件包括4到16个注射喷嘴。 
31)如项目27所述的方法，其中将烃进料雾化并且雾化进料具有的平均液滴大小低于1000微米。 
32)如项目28所述的方法，其中将烃进料雾化并且雾化进料具有的平均液滴大小低于1000微米。 
33)如项目29所述的方法，其中将烃进料雾化并且雾化进料具有的平均液滴大小低于1000微米。 
34)如项目30所述的方法，其中将烃进料雾化并且雾化进料具有的平均液滴大小低于1000微米。 
35)如项目27所述的方法，其中喷嘴具有矩形的或椭圆形的孔并且喷嘴相对于垂直于催化剂流动的轴的平面成0°到75°角。 
36)如项目28所述的方法，其中喷嘴具有矩形的或椭圆形的孔并且喷嘴相对于垂直于催化剂流动的轴的平面成0°到75°角。 
37)如项目29所述的方法，其中喷嘴具有矩形的或椭圆形的孔并且喷嘴相对于垂直于催化剂流动的轴的平面成0°到75°角。 
38)如项目31所述的方法，其中喷嘴具有矩形的或椭圆形的孔并且喷嘴相对于垂直于催化剂流动的轴的平面成0°到75°角。 
39)如项目34所述的方法，其中喷嘴具有矩形的或椭圆形的孔并且喷嘴相对于垂直于催化剂流动的轴的平面成0°到75°角。 
40)项目27-39中任一项的方法，其中喷嘴的喷雾夹角为覆盖30°到115°。 
41)项目27-39中任一项的方法，其中在至少两个注射喷嘴中，至少一个喷嘴延伸进入流化的流动中的催化剂颗粒的料流中，其距离为从升管壁到中心线距离的10到50％。 
42)项目40的方法，其中在至少两个注射喷嘴中，至少一个喷嘴延伸进入流化的流动中的催化剂颗粒的料流中，其距离为从升管壁到中心线距离的10到50％。 
43)项目27-39中任一项的方法，其中至少两个注射喷嘴位于催化剂料流的外围并且其中来自至少两个注射喷嘴的喷雾形态相同或不同。 
44)项目40的方法，其中至少两个注射喷嘴位于催化剂料流的外围并且其中来自至少两个注射喷嘴的喷雾形态相同或不同。 
45)项目41的方法，其中至少两个注射喷嘴位于催化剂料流的外围并且其中来自至少两个注射喷嘴的喷雾形态相同或不同。 
46)项目42的方法，其中至少两个注射喷嘴位于催化剂料流的外围并且其中来自至少两个注射喷嘴的喷雾形态相同或不同。 

Claims (46)

1.一种用于注射烃进料至流化的流动中的催化剂颗粒的料流中的装置，其包括：管道部分，所述管道部分容纳了在流化的流动中的催化剂颗粒的料流；在所述管道部分中的至少一个喷嘴组件，该喷嘴组件围绕在所述的流化的流动中的催化剂颗粒的料流的外围并且包括至少两个注射喷嘴以注射烃进料，其中至少两个注射喷嘴产生不同的喷雾形态，并且每个喷嘴产生基本平坦的喷雾形态以便总的进料基本均匀分散在流过管道部分的催化剂颗粒的截面上，其中基本平坦的喷雾形态具有从1∶2到1∶5的由喷雾的厚度和相对于由垂直于喷雾的流动的方向的喷雾的宽度表示的长宽比。
2.如权利要求1所述的装置，其中装置是进料注射器组件，流化的流动中的催化剂颗粒位于流体催化裂化单元中的升管反应器中，而管道部分位于升管反应器中。
3.如权利要求1所述的装置，其中喷嘴组件包括4到16个注射喷嘴。
4.如权利要求2所述的装置，其中喷嘴组件包括4到16个注射喷嘴。
5.如权利要求1所述的装置，其中将烃进料雾化并且雾化进料具有的平均液滴大小低于1000微米。
6.如权利要求2所述的装置，其中将烃进料雾化并且雾化进料具有的平均液滴大小低于1000微米。
7.如权利要求3所述的装置，其中将烃进料雾化并且雾化进料具有的平均液滴大小低于1000微米。
8.如权利要求4所述的装置，其中将烃进料雾化并且雾化进料具有的平均液滴大小低于1000微米。
9.如权利要求1所述的装置，其中喷嘴具有矩形的或椭圆形的孔并且喷嘴相对于垂直于催化剂流动的轴的平面成0°到75°角。
10.如权利要求2所述的装置，其中喷嘴具有矩形的或椭圆形的孔并且喷嘴相对于垂直于催化剂流动的轴的平面成0°到75°角。
11.如权利要求3所述的装置，其中喷嘴具有矩形的或椭圆形的孔并且喷嘴相对于垂直于催化剂流动的轴的平面成0°到75°角。
12.如权利要求4所述的装置，其中喷嘴具有矩形的或椭圆形的孔并且喷嘴相对于垂直于催化剂流动的轴的平面成0°到75°角。
13.如权利要求5所述的装置，其中喷嘴具有矩形的或椭圆形的孔并且喷嘴相对于垂直于催化剂流动的轴的平面成0°到75°角。
14.如权利要求8所述的装置，其中喷嘴具有矩形的或椭圆形的孔并且喷嘴相对于垂直于催化剂流动的轴的平面成0°到75°角。
15.前述权利要求中任一项的装置，其中喷嘴的喷雾夹角为覆盖30°到115°。
16.如权利要求1-14中任一项所述的装置，其中喷嘴具有矩形的或椭圆形的孔并且喷嘴相对于垂直于催化剂流动的轴的平面成0°到75°角。
17.如权利要求15所述的装置，其中喷嘴具有矩形的或椭圆形的孔并且喷嘴相对于垂直于催化剂流动的轴的平面成0°到75°角。
18.如权利要求1-14中任一项所述的装置，其中在至少两个注射喷嘴中，至少一个喷嘴延伸进入流化的流动中的催化剂颗粒的料流中，其距离为从升管壁到中心线距离的10到50％。
19.如权利要求15所述的装置，其中在至少两个注射喷嘴中，至少一个喷嘴延伸进入流化的流动中的催化剂颗粒的料流中，其距离为从升管壁到中心线距离的10到50％。
20.如权利要求16所述的装置，其中在至少两个注射喷嘴中，至少一个喷嘴延伸进入流化的流动中的催化剂颗粒的料流中，其距离为从升管壁到中心线距离的10到50％。
21.如权利要求17所述的装置，其中在至少两个注射喷嘴中，至少一个喷嘴延伸进入流化的流动中的催化剂颗粒的料流中，其距离为从升管壁到中心线距离的10到50％。
22.如权利要求1-14中任一项所述的装置，其中至少两个注射喷嘴位于催化剂料流的外围并且其中来自至少两个注射喷嘴的喷雾形态相同或不同。
23.如权利要求15所述的装置，其中至少两个注射喷嘴位于催化剂料流的外围并且其中来自至少两个注射喷嘴的喷雾形态相同或不同。
24.如权利要求16所述的装置，其中至少两个注射喷嘴位于催化剂料流的外围并且其中来自至少两个注射喷嘴的喷雾形态相同或不同。
25.如权利要求18所述的装置，其中至少两个注射喷嘴位于催化剂料流的外围并且其中来自至少两个注射喷嘴的喷雾形态相同或不同。
26.如权利要求21所述的装置，其中至少两个注射喷嘴位于催化剂料流的外围并且其中来自至少两个注射喷嘴的喷雾形态相同或不同。
27.一种注射烃进料至流化的流动中的催化剂颗粒的料流中的方法，其包括：引导进料进入至少一个围绕在所述的流化的流动中的催化剂颗粒的料流的外围的喷嘴组件，注射进料穿过至少两个位于所述喷嘴组件中的注射喷嘴进入流化的流动中的催化剂颗粒的料流中，其中至少两个注射喷嘴产生不同的喷雾形态，并且每个喷嘴产生基本平坦的喷雾形态以便总的进料在流过喷嘴组件的催化剂颗粒的料流的截面上基本均匀分散，其中基本平坦的喷雾形态具有从1∶2到1∶5的由喷雾的厚度和相对于由垂直于喷雾的流动的方向的喷雾的宽度表示的长宽比。
28.如权利要求27所述的方法，其中流化的流动中的催化剂颗粒位于流体催化裂化器的催化裂化区中。
29.如权利要求27所述的方法，其中喷嘴组件包括4到16个注射喷嘴。
30.如权利要求28所述的方法，其中喷嘴组件包括4到16个注射喷嘴。
31.如权利要求27所述的方法，其中将烃进料雾化并且雾化进料具有的平均液滴大小低于1000微米。
32.如权利要求28所述的方法，其中将烃进料雾化并且雾化进料具有的平均液滴大小低于1000微米。
33.如权利要求29所述的方法，其中将烃进料雾化并且雾化进料具有的平均液滴大小低于1000微米。
34.如权利要求30所述的方法，其中将烃进料雾化并且雾化进料具有的平均液滴大小低于1000微米。
35.如权利要求27所述的方法，其中喷嘴具有矩形的或椭圆形的孔并且喷嘴相对于垂直于催化剂流动的轴的平面成0°到75°角。
36.如权利要求28所述的方法，其中喷嘴具有矩形的或椭圆形的孔并且喷嘴相对于垂直于催化剂流动的轴的平面成0°到75°角。
37.如权利要求29所述的方法，其中喷嘴具有矩形的或椭圆形的孔并且喷嘴相对于垂直于催化剂流动的轴的平面成0°到75°角。
38.如权利要求31所述的方法，其中喷嘴具有矩形的或椭圆形的孔并且喷嘴相对于垂直于催化剂流动的轴的平面成0°到75°角。
39.如权利要求34所述的方法，其中喷嘴具有矩形的或椭圆形的孔并且喷嘴相对于垂直于催化剂流动的轴的平面成0°到75°角。
40.权利要求27-39中任一项的方法，其中喷嘴的喷雾夹角为覆盖30°到115°。
41.权利要求27-39中任一项的方法，其中在至少两个注射喷嘴中，至少一个喷嘴延伸进入流化的流动中的催化剂颗粒的料流中，其距离为从升管壁到中心线距离的10到50％。
42.权利要求40的方法，其中在至少两个注射喷嘴中，至少一个喷嘴延伸进入流化的流动中的催化剂颗粒的料流中，其距离为从升管壁到中心线距离的10到50％。
43.权利要求27-39中任一项的方法，其中至少两个注射喷嘴位于催化剂料流的外围并且其中来自至少两个注射喷嘴的喷雾形态相同或不同。
44.权利要求40的方法，其中至少两个注射喷嘴位于催化剂料流的外围并且其中来自至少两个注射喷嘴的喷雾形态相同或不同。
45.权利要求41的方法，其中至少两个注射喷嘴位于催化剂料流的外围并且其中来自至少两个注射喷嘴的喷雾形态相同或不同。
46.权利要求42的方法，其中至少两个注射喷嘴位于催化剂料流的外围并且其中来自至少两个注射喷嘴的喷雾形态相同或不同。
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