CN101322924A - 一种催化剂混合设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种催化剂混合设备，以解决现有催化剂混合设备分别存在的提升介质对下料斜管的下料产生的阻遏作用较大、不能很好地将多股不同性质的催化剂混合均匀等问题。本发明在每个下料斜管(6)与筒体(4)的接口处分别水平设置一个导流管(7)，其出口端(71)与垂直于导流管轴向的平面相倾斜。筒体内设有提升介质分布器(5)，其顶部出口(51)不低于各导流管出口端的顶端。筒体顶部圆锥段(9)的顶部设有折流筒(3)。导流管的出口端绕导流管轴心线的倾斜方向能够使催化剂由各导流管流出后在水平方向上覆盖筒体与提升介质分布器之间的圆环形区域。本发明主要用于石油炼制与石油化工行业烃类原料流化催化裂化领域的提升管反应器。
Description
技术领域
本发明属于石油炼制与石油化工行业的烃类原料流化催化裂化领域，涉及提升管反应器所使用的一种催化剂混合设备。
背景技术
在某些类型的流化催化裂化(FCC)提升管反应器中(例如中国专利CN100338185C公开的双提升管催化裂化装置中的重油提升管反应器)，需要将多股不同性质(主要是不同温度和不同活性)的催化剂送入催化剂混合设备内进行混合，混合后的催化剂再进入提升管反应器，与由提升管反应器上原料油喷嘴喷出的原料油雾滴接触后进行催化裂化反应。对催化剂进行混合的目的主要是为了使提升管反应器能够在大剂油比、低接触温度的优化工艺条件下操作(剂油比为提升管反应器内催化剂的重量循环量与提升管反应器原料油的重量流量之比，接触温度是指催化剂与原料油接触时的催化剂温度)，以提高反应的转化率和选择性，达到降低FCC汽油烯烃含量和硫含量等目的。
CN100338185C图1所示的催化剂混合设备，为设于重油提升管反应器底部的催化剂混合罐。它包括一个圆柱形的筒体，筒体的顶部设有圆锥段，底部设有封头，封头内设有蒸汽分布器；蒸汽分布器通入的水蒸汽具有流化、混合和提升催化剂的作用。有两根下料斜管连接于筒体的下部。这种催化剂混合设备存在的主要问题是：(1)蒸汽分布器通入的水蒸汽会对下料斜管的下料产生较大的阻遏作用，从而会造成催化剂混合设备内下料不稳、产生压力波动(因下料不稳引起的主要是在径向上的压力波动)，影响到整个提升管反应器系统的平稳操作；(2)不同性质的催化剂以不同的流量经两根下料斜管流入催化剂混合设备中，并在惯性作用下继续流动，易于产生偏流，对不同性质催化剂的有效混合有不利影响，无法将其混合均匀；(3)蒸汽分布器通入的一股水蒸汽，既作为混合介质又作为提升介质，造成催化剂混合设备中的催化剂藏量较大；催化剂的效率相对较低，操作弹性较低。CN201020348Y公开的一种细粉固体介质的流态化混合器，主要特征是至少有两根下料斜管在不同的轴向高度上与筒体相连，筒体内同轴设置有内套管。自各下料斜管在筒体内壁上的各个入口的下方分别以向下倾斜的螺旋方式设置一层通道底板。筒体的下部设有流化介质分布器，底面设有提升介质管。该专利用作催化剂混合设备时，对不同性质的催化剂有一定的均匀混合、提升作用。缺点是：(1)提升介质管通入的提升介质也会对下料斜管的下料产生较大的阻遏作用；(2)通道底板为螺旋结构，使其结构较为复杂，不易于加工和安装。
此外，上述两种催化剂混合设备还共同存在着如下的问题：没有设置出口再分配装置，混合催化剂进入提升管反应器后其径向颗粒密度将形成“边壁密、中间稀”的分布状态。即催化剂向提升管反应器的边壁集中，造成提升管反应器边壁区域的催化剂密度高、中心区域的催化剂密度低；中心区域的有效反应区较少、原料油与催化剂接触不均匀，降低了反应效率。模拟试验表明，目前工业装置中提升管反应器内催化剂的径向密度分布，边壁区域比中心区域要高出2～3倍甚至更多。
发明内容
本发明的目的是提供一种催化剂混合设备，以解决现有的催化剂混合设备分别存在的上述提升介质对下料斜管的下料产生的阻遏作用较大、不能很好地将多股不同性质的催化剂混合均匀、结构较为复杂等问题。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：一种催化剂混合设备，包括一个圆柱形的筒体，筒体的顶部设有圆锥段，底部设有封头，圆锥段与提升管反应器的底部相连，至少有两根下料斜管连接于筒体的下部，其特征在于：筒体内在每个下料斜管与筒体的接口处分别水平设置一个导流管，导流管的出口端与垂直于导流管轴向的平面相倾斜，筒体内设有提升介质分布器，提升介质分布器的顶部出口不低于各导流管出口端的顶端，筒体内在各导流管的下方设有流化介质分布器，所述圆锥段的顶部设有圆柱形的折流筒，折流筒位于提升管反应器内，其顶部出口位于提升管反应器上原料油喷嘴出口的下方，所述导流管出口端绕导流管轴心线的倾斜方向能够使催化剂由各导流管流出后在水平方向上覆盖筒体与提升介质分布器之间的圆环形区域。
采用本发明，具有如下的有益效果：(1)本发明的催化剂混合设备，流化介质分布器至提升介质分布器顶部出口的区段为湍流混合区，提升介质分布器顶部出口至圆锥段与折流筒连接处的区段为快速流化混合区，圆锥段与折流筒的连接处至原料油喷嘴出口的区段为出口再分配区。多股不同性质的催化剂(两股或两股以上)由各导流管流出后进入湍流混合区，在由流化介质分布器通入的流化介质的作用下处于湍流床状态，流化并进行混合。流化介质线速通常为0.02～0.3米/秒，因此上说流化介质对下料斜管的下料产生的阻遏作用很小，不影响下料的流畅性。之后催化剂由湍流混合区向上流入快速流化混合区，在由提升介质分布器通入的提升介质的作用下被快速混合和提升。由于提升介质分布器的顶部出口不低于各导流管出口端的顶端，因此提升介质线速的大小对下料斜管的下料不产生阻遏作用，没有任何影响。这样，就消除了提升介质对下料斜管下料所产生的较大的阻遏作用；下料斜管可以稳定、通畅地下料，不产生压力波动，有利于整个提升管反应器系统的平稳操作；(2)各股催化剂由各导流管流入湍流混合区。可以根据下料斜管的设置数量和连接方位，调节导流管出口端绕导流管轴心线的倾斜方向，使催化剂由各导流管流出后改变流动方向，能够在水平方向上覆盖筒体与提升介质分布器之间的圆环形区域，消除或减轻偏流现象以及由其所产生的压力波动；这有利于各股催化剂的有效、均匀混合，避免走短路(即催化剂未经混合而流入提升管反应器)。湍流混合区内的催化剂在由流化介质分布器通入的流化介质的作用下处于湍流床状态；在导流管和流化介质的作用下，不同性质的催化剂得到很大程度的整流、混合，并且催化剂的径向波动被有效降低。由于湍流床具有高返混混合特性，使得不同性质的催化剂能够得到较好的混合。之后混合催化剂由湍流混合区向上流入快速流化混合区；在快速床条件下，在由提升介质分布器通入的提升介质作用下进一步得到完全、均匀、充分的混合和整流，并被快速提升，且消除了催化剂径向波动引起的不良效果。总之，各股催化剂流经湍流混合区和快速流化混合区后，能够得到完全、均匀的混合并得到提升；(3)在湍流混合区，是由流化介质分布器通入流化介质使催化剂处于湍流床状态；而在快速流化混合区，催化剂是靠提升介质分布器通入的提升介质的作用得到进一步混合和快速提升。由于提升介质线速的大小对下料斜管的下料没有影响，提升介质线速可以达到1.3～4米/秒。这样，就可以快速提升催化剂，减少催化剂混合设备中的催化剂藏量，提高催化剂的效率；并且还使得整个过程中催化剂的循环量控制变得更为简单，操作弹性更大；(4)本发明在圆锥段的顶部设有折流筒，位于出口再分配区。催化剂混合设备内混合好的催化剂流经折流筒、由折流筒的顶部出口流入提升管反应器的中心区域，可以改变提升管反应器内催化剂径向颗粒密度“边壁密、中间稀”的分布状态，使其分布在径向上更加均匀。本发明通过设置折流筒，可以为后续反应过程提供混合均匀的催化剂颗粒，增加提升管反应器中心区域的有效反应区、使原料油与催化剂接触均匀，增强气固接触效率、改善反应条件、提高反应效率和目的产品收率。模拟试验表明，本发明可使提升管反应器内边壁区域与中心区域的催化剂径向密度分布之比(按重量)达到1.3～1.8∶1；(5)与CN201020348Y公开的催化剂混合设备相比，本发明的结构较为简单，易于加工、制造和安装。本发明与CN100338185C图1所示的催化剂混合设备相比结构虽然稍复杂，但性能要比其优越得多。
综上所述，本发明可以避免提升介质对下料斜管的下料产生的阻遏作用，能够很好地将多股不同性质的催化剂混合均匀并输送到提升管反应器内，并且结构简单、易于实施。本发明主要用于石油炼制与石油化工行业的烃类原料流化催化裂化提升管反应器中，新建装置与改造装置都可以采用。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。附图和具体实施方式并不限制本发明要求保护的范围。
附图说明
图1是本发明与两根下料斜管相连的一种催化剂混合设备沿轴向的剖视图；
图2是图1中的A-A剖视图；
图3是本发明与两根下料斜管相连的另一种催化剂混合设备在图1中A-A位置的剖视图；
图4是本发明与三根下料斜管相连的一种催化剂混合设备在图1中A-A位置的剖视图；
图5是本发明与三根下料斜管相连的另一种催化剂混合设备在图1中A-A位置的剖视图；
图6是本发明与三根下料斜管相连的第三种催化剂混合设备在图1中A-A位置的剖视图。
图1至图6中，相同附图标记表示相同的技术特征。
具体实施方式
参见图1、图2所示本发明的一种催化剂混合设备。该催化剂混合设备包括一个圆柱形的筒体4。筒体4的顶部设有圆锥段9，底部设有封头；封头通常为半球形封头。圆锥段9的形状为截头圆锥管，与提升管反应器1的底部相连。至少有两根下料斜管6连接于筒体4的下部。下料斜管6绕筒体4的圆周方向布置，其数量与需要混合的不同性质催化剂的股数相同，最常见的是两根或三根；图1、图2所示的催化剂混合设备与两根下料斜管6相连。
筒体4内在每个下料斜管6与筒体4的接口处分别水平设置一个导流管7。导流管7的出口端71与垂直于导流管7轴向的平面相倾斜。导流管7横截面的形状和尺寸根据下料斜管6与筒体4的接口而定，其横截面形状大致为椭圆形。
筒体4内设有提升介质分布器5，提升介质分布器5为现有部件。附图所示的提升介质分布器5由位于下部的直管和位于上部的倒置截头圆锥管组成；其中直管固定于筒体4底部的封头上。提升介质分布器5还可以采用现有的直筒型或伞帽型的提升介质分布器。提升介质分布器5的顶部出口51不低于各导流管7出口端71的顶端。筒体4内在各导流管7的下方设有流化介质分布器8。图1、图2所示的流化介质分布器8为圆环形，其结构和作用与现有流化催化裂化装置所使用的圆环形流化介质分布器相同。流化介质分布器8环绕提升介质分布器5设置，其水平高度一般位于筒体4的底部。流化介质分布器8还可以采用现有流化催化裂化装置所使用的其它常规结构的流化介质分布器。
圆锥段9的顶部设有圆柱形的折流筒3。参见图1，折流筒3位于提升管反应器1内，其顶部出口位于提升管反应器1上原料油喷嘴2出口的下方。
导流管7出口端71绕导流管7轴心线的倾斜方向，以能够使催化剂由各导流管7流出后在水平方向上覆盖筒体4与提升介质分布器5之间的圆环形区域为准。它同与催化剂混合设备相连的下料斜管6的数量、连接方位有关。下面结合图1至图6举例说明。
图1和图2所示的催化剂混合设备，下料斜管6为两根。两根下料斜管6的轴心线在水平面上投影的夹角为150～180度；图1、图2所示为180度。两个导流管7的短边72均位于导流管7的顶部。
图3所示的催化剂混合设备，下料斜管6为两根。两根下料斜管6的轴心线在水平面上投影的夹角小于150度(该夹角可以小至两根下料斜管6互不碰撞的程度)；图3所示为90度。两个导流管7的短边72和长边73均处于水平位置，且两个长边73相邻。
图4所示的催化剂混合设备，下料斜管6为三根。其中两根下料斜管6的轴心线在水平面上投影的夹角小于110度(该夹角可以小至两根下料斜管6互不碰撞的程度)；图4所示为90度。与这两根下料斜管6相连的两个导流管7的短边72和长边73均处于水平位置，且两个长边73相邻。第三根下料斜管6的轴心线在水平面上的投影位于以上述两根下料斜管6的轴心线在水平面上投影夹角的对顶角的角平分线为零度线、自该角平分线顺时针或逆时针变动15度所形成的角度范围内；图4所示是位于角平分线上。变动的角度以γ表示，γ为0～15度。与第三根下料斜管6相连的导流管7的短边72位于该导流管7的顶部。
图5所示的催化剂混合设备，下料斜管6为三根。任意相邻两根下料斜管6的轴心线在水平面上投影的夹角为110～130度；图5所示为120度。三个导流管7的短边72均位于导流管7的顶部。
图6所示的催化剂混合设备，下料斜管6为三根。其中两根下料斜管6的轴心线在水平面上投影的夹角为150～180度；图6所示为180度。与这两根下料斜管6相连的两个导流管7的短边72和长边73均处于水平位置。第三根下料斜管6的轴心线在水平面上的投影位于以上述两根下料斜管6的轴心线在水平面上投影夹角的角平分线为零度线、自该角平分线顺时针或逆时针变动15度所形成的角度范围内；图6所示是位于角平分线上。变动的角度以δ表示，δ为0～15度。与第三根下料斜管6相连的导流管7同与其它两根下料斜管6相连的两个导流管7的长边73相邻，其短边72位于该导流管7的顶部。
参见图1至6，上述导流管7的短边72，是指导流管7的管壁上自导流管7出口端71至筒体4内壁的最短的一条母线；长边73是指与短边72相对的一条母线。
以上以工程上常见的几种典型情况为例，对导流管7的设置进行了举例说明。对于实际上可能遇到的更多情况(主要是指下料斜管6的数量、由外部设备的排列而确定的下料斜管6与催化剂混合设备的连接方位)，则需要根据本发明的说明，灵活调节导流管7出口端71绕导流管7轴心线的倾斜方向，使各股催化剂由各导流管7流出后改变流动方向、能够在水平方向上覆盖住筒体4与提升介质分布器5之间的圆环形区域，避免出现各股催化剂集中流向某些区域而使其它区域没有催化剂分布的现象，那么基本上就满足要求。由于导流管7是水平设置的，在下料斜管6内倾斜向下流动的催化剂由导流管7流出后，基本上改变为在水平方向上流动，参见图1。图1至图6中，未注明附图标记的箭头表示催化剂由导流管7流出后的主要流动方向。
参见图1以及图2、图3，导流管7的出口端71与垂直于导流管7轴向的平面之间的夹角α一般是大于0度、小于等于30度。夹角α最好是大于等于3度、小于等于30度。夹角α主要根据下料斜管6与催化剂混合设备的连接方位、下料斜管6内的催化剂流量、筒体4的内直径D3而定，以有利于各股催化剂由各导流管7流出后变为在水平方向上流动并能够在水平方向上覆盖住筒体4与提升介质分布器5之间的圆环形区域为原则加以选取。导流管7短边72的长度L一般为30～300毫米。
参见图1，本发明催化剂混合设备其它的主要结构参数一般如下：折流筒3的内直径D2为提升管反应器1内直径D1的0.5～0.95倍，筒体4的内直径D3为提升管反应器1内直径D1的1～3倍。折流筒3的顶部出口至原料油喷嘴2出口的距离H1为提升管反应器1内直径D1的0.1～2倍，折流筒3的高度H2为提升管反应器1内直径D1的0.2～4倍，提升介质分布器5的顶部出口51至圆锥段9与折流筒3连接处的距离H3为提升管反应器1内直径D1的1～6倍，流化介质分布器8至提升介质分布器5的顶部出口51的距离H4为提升管反应器1内直径D1的1.2～3倍。
圆锥段9主要是起连接、过渡作用，其高度与圆锥角角度无严格要求。附图所示提升介质分布器5下部直管的内直径根据快速流化混合区11提升介质的线速而定，上部倒置截头圆锥管的圆锥角β一般为5～15度。采用其它现有结构的提升介质分布器时，其主要结构参数一般也是根据快速流化混合区11提升介质的线速、还要根据筒体4的内直径D3而定。
参见图1，本发明的催化剂混合设备，流化介质分布器8至提升介质分布器5顶部出口51的区段为湍流混合区10，提升介质分布器5顶部出口51至圆锥段9与折流筒3连接处的区段为快速流化混合区11，圆锥段9与折流筒3的连接处至原料油喷嘴2出口的区段为出口再分配区12。湍流混合区10的高度为H4，快速流化混合区11的高度为H3，出口再分配区12的高度为H1+H2。
图3至图6所表示的催化剂混合设备与图1和图2所示催化剂混合设备的区别，仅在于下料斜管6的数量、连接方位以及由此而导致的导流管7的设置数量和设置方式不同；除此之外各部件的结构、位置、结构参数等均相同。
参见图1，本发明的催化剂混合设备在使用时安装在提升管反应器1的底部。每个下料斜管6与筒体4的接口以及各导流管7，基本上处于相同的轴向高度。筒体4、圆锥段9、折流筒3、提升介质分布器5、流化介质分布器8以及提升管反应器1，一般是同轴设置。筒体4、封头、圆锥段9、折流筒3、下料斜管6和导流管7均内衬有隔热耐磨衬里；有关部件的内直径均自隔热耐磨衬里的表面计算。
下面以图1、图2所示的催化剂混合设备应用于流化催化裂化提升管反应器为例，说明本发明的操作过程。两股不同性质的催化剂分别经两根下料斜管6以及两个导流管7进入催化剂混合设备内的湍流混合区10。在导流管7的作用下，催化剂改变流动方向，在水平方向上覆盖了筒体4与提升介质分布器5之间的圆环形区域。经流化介质分布器8通入流化介质，使湍流混合区10内的催化剂在湍流床状态下流化。流化介质一般为水蒸汽或干气，流化介质线速一般为0.02～0.3米/秒。湍流床具有高返混混合特性，使不同性质的催化剂在湍流混合区10内得到很大程度的整流、混合。然后，混合催化剂由湍流混合区10向上流入快速流化混合区11；在快速床条件下，在由提升介质分布器5通入的提升介质的作用下进一步得到完全、均匀、充分的混合和整流，并被快速提升。提升介质一般为水蒸汽或干气，提升介质线速一般为1.3～4米/秒。最后，在催化剂混合设备内混合好的催化剂经由折流筒3的顶部出口流入提升管反应器1的中心区域，在出口再分配区12内再分配后与由原料油喷嘴2喷入的原料油均匀接触并发生反应。上述两股不同性质的催化剂，可以是高温再生催化剂和低温待生催化剂，例如CN100338185C所述来自再生器的高温再生催化剂和来自轻烃提升管反应器的低温待生催化剂。
当催化剂混合设备的进料为三股不同性质的催化剂(例如来自再生器的高温再生催化剂、来自外取热器的低温再生催化剂和来自轻烃提升管反应器的低温待生催化剂)，或三股以上时，本发明相应地与相同数量的下料斜管6连接，并设置相同数量的导流管7，按与上述图1、图2所示催化剂混合设备基本相同的过程和条件进行操作，完成不同性质催化剂的混合、提升和再分配过程。需要混合的各股不同性质催化剂之间的配比，根据工艺条件而定。
Claims (9)
1、一种催化剂混合设备，包括一个圆柱形的筒体(4)，筒体(4)的顶部设有圆锥段(9)，底部设有封头，圆锥段(9)与提升管反应器(1)的底部相连，至少有两根下料斜管(6)连接于筒体(4)的下部，其特征在于：筒体(4)内在每个下料斜管(6)与筒体(4)的接口处分别水平设置一个导流管(7)，导流管(7)的出口端(71)与垂直于导流管(7)轴向的平面相倾斜，筒体(4)内设有提升介质分布器(5)，提升介质分布器(5)的顶部出口(51)不低于各导流管(7)出口端(71)的顶端，筒体(4)内在各导流管(7)的下方设有流化介质分布器(8)，所述圆锥段(9)的顶部设有圆柱形的折流筒(3)，折流筒(3)位于提升管反应器(1)内，其顶部出口位于提升管反应器(1)上原料油喷嘴(2)出口的下方，所述导流管(7)出口端(71)绕导流管(7)轴心线的倾斜方向能够使催化剂由各导流管(7)流出后在水平方向上覆盖筒体(4)与提升介质分布器(5)之间的圆环形区域。
2、根据权利要求1所述的催化剂混合设备，其特征在于：下料斜管(6)为两根，两根下料斜管(6)的轴心线在水平面上投影的夹角为150～180度，两个导流管(7)的短边(72)均位于导流管(7)的顶部。
3、根据权利要求1所述的催化剂混合设备，其特征在于：下料斜管(6)为两根，两根下料斜管(6)的轴心线在水平面上投影的夹角小于150度，两个导流管(7)的短边(72)和长边(73)均处于水平位置，且两个长边(73)相邻。
4、根据权利要求1所述的催化剂混合设备，其特征在于：下料斜管(6)为三根，其中两根下料斜管(6)的轴心线在水平面上投影的夹角小于110度，与这两根下料斜管(6)相连的两个导流管(7)的短边(72)和长边(73)均处于水平位置，且两个长边(73)相邻，第三根下料斜管(6)的轴心线在水平面上的投影位于以上述两根下料斜管(6)的轴心线在水平面上投影夹角的对顶角的角平分线为零度线、自该角平分线顺时针或逆时针变动15度所形成的角度范围内，与第三根下料斜管(6)相连的导流管(7)的短边(72)位于该导流管(7)的顶部。
5、根据权利要求1所述的催化剂混合设备，其特征在于：下料斜管(6)为三根，任意相邻两根下料斜管(6)的轴心线在水平面上投影的夹角为110～130度，三个导流管(7)的短边(72)均位于导流管(7)的顶部。
6、根据权利要求1所述的催化剂混合设备，其特征在于：下料斜管(6)为三根，其中两根下料斜管(6)的轴心线在水平面上投影的夹角为150～180度，与这两根下料斜管(6)相连的两个导流管(7)的短边(72)和长边(73)均处于水平位置，第三根下料斜管(6)的轴心线在水平面上的投影位于以上述两根下料斜管(6)的轴心线在水平面上投影夹角的角平分线为零度线、自该角平分线顺时针或逆时针变动15度所形成的角度范围内，与第三根下料斜管(6)相连的导流管(7)同与其它两根下料斜管(6)相连的两个导流管(7)的长边(73)相邻，其短边(72)位于该导流管(7)的顶部。
7、根据权利要求2至6中任何一项所述的催化剂混合设备，其特征在于：导流管(7)的出口端(71)与垂直于导流管(7)轴向的平面之间的夹角大于0度、小于等于30度，导流管(7)短边(72)的长度为30～300毫米。
8、根据权利要求7所述的催化剂混合设备，其特征在于：导流管(7)的出口端(71)与垂直于导流管(7)轴向的平面之间的夹角大于等于3度、小于等于30度。
9、根据权利要求7所述的催化剂混合设备，其特征在于：折流筒(3)的内直径为提升管反应器(1)内直径的0.5～0.95倍，筒体(4)的内直径为提升管反应器(1)内直径的1～3倍，折流筒(3)的顶部出口至原料油喷嘴(2)出口的距离为提升管反应器(1)内直径的0.1～2倍，折流筒(3)的高度为提升管反应器(1)内直径的0.2～4倍，提升介质分布器(5)的顶部出口(51)至圆锥段(9)与折流筒(3)连接处的距离为提升管反应器(1)内直径的1～6倍，流化介质分布器(8)至提升介质分布器(5)的顶部出口(51)的距离为提升管反应器(1)内直径的1.2～3倍。
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