CN101982225B - 一种改进的催化裂化催化剂两段再生方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种改进的催化裂化催化剂两段再生方法及设备，所述的设备包括串联设置的烧焦罐再生段以及密相环流床层再生段，本发明是将含焦炭的待生催化剂从烧焦罐再生段的底部引入烧焦罐再生段，与烧焦罐主风接触发生燃烧反应生成烟气，生成的烟气及其携带的催化剂上行经过烧焦罐再生段顶部的多孔板式分布器进入密相环流床层再生段；控制密相环流床层再生段中心区与外环区内不同的表观气速度而使催化剂颗粒在两个区之间形成内循环流动，进一步得到高效再生。密相环流床层催化剂一部分循环进入烧焦罐再生段底部以提高烧焦罐再生段的温度和颗粒浓度。利用本发明的方法及设备，可改善气固接触，提高主风利用效率，降低装置能耗。
Description
技术领域
本发明属于石油化工技术领域，具体是关于一种改进的催化裂化催化剂两段再生方法以及实现该再生方法的再生设备(再生器)。
背景技术
催化裂化工艺是现代炼油厂最重要的重质原料轻质化手段之一，它利用催化剂将重质的大分子石油烃类裂化成所需的高价值小分子运输燃料和化工原料。该工艺通常采用分子筛酸性催化剂，重质油在提升管反应后，除生成轻质烃类外，还生成一部分焦炭沉积在催化剂表面，造成催化剂活性下降。因此，必须通入含氧气体(通常是空气)烧掉这部分焦炭，以恢复催化剂活性，这一过程在催化裂化中通常称为催化剂再生过程。
现代催化裂化工艺中采用的催化剂多为对积炭极为敏感的Y系列分子筛催化剂，通常要求再生后的催化剂含碳量在0.05～0.1wt％以下。另一方面，为降低催化裂化过程能耗，要求尽可能降低再生过程空气用量，即要提高空气的利用效率，这一指标通常采用主风利用率来衡量，它通常的定义为烧掉单位质量焦炭所需的空气用量。此外，再生过程还需要考虑保护催化剂活性的问题，因为再生过程通常发生在650～730℃范围的高温环境，焦炭中氢元素氧化反应会产生水蒸汽，高温水蒸汽氛围下会加剧催化剂的水热失活，而这种失活是永久性和不可逆的。因此，要求催化剂再生过程要尽可能短，即再生器中催化剂藏量要小。再生器藏量大小反映了再生速度的快慢，通常采用烧焦强度来衡量，它通常的定义为单位质量(ton)的催化剂藏量在单位时间(h)内可烧掉的焦炭质量(kg)，即kg/h.ton。
早期催化剂再生过程一般采用低气速的单段床层再生，再生器气速一般为0.5～0.8m/s，由于受限于床层内气泡与乳相间的传质以及颗粒的强烈返混，气固接触效率低，再生速度慢，再生效果差，催化剂停留时间一般为3～6min，烧焦强度一般不超过100kg/h.ton，再生剂含碳量一般只能达到0.2wt％。
采用分段再生方法，可以改善催化剂的停留时间分布和提高烧焦反应速率，从而有效降低再生过程中的催化剂藏量并显著改善再生效果。随着催化裂化原料的不断重质化，对催化剂再生提出了更高的要求，分段再生方法获得了广泛的应用。
典型的分段再生方法为两段再生，常规的两段再生形式包括单器错流两段再生、单器逆流两段再生、单器并流两段再生以及两器两段再生。这些两段再生过程都采用两个床层再生区，由于床层内依然存在气泡与乳相间传质速率的限制，催化剂再生效果改善幅度有限。为进一步提高再生效果，UOP公司提出了一种烧焦罐两段再生方法，所谓烧焦罐实际上以快速床操作的高速流化床再生器，其气速可达1.2～3.0m/s，在此气速范围内，床层中的气泡消失，颗粒相由低速床中的连续相转变为分散相，基本消除了低速床中存在的气泡与乳相间的传质阻力，使其烧焦强度可以达到500kg/h.ton以上，和单段床层再生相比，催化剂总停留时间和藏量可降低40％～70％之多。
典型烧焦罐两段再生方法如USP 3,844,973所公开的方法，待生催化剂首先进入一高气速的烧焦罐，其表观气速为1.2～3.0m/s，烧焦罐上部设置一缩径的稀相输送管，输送管末端设置有气固分离设备，在较高的气速和分离设备作用下，烧焦罐中部分烧焦的催化剂被输送到上部密相区，此密相区又称二密相区，烧焦罐的烟气则直接进入二密相稀相空间。二密相区至少包括两个催化剂出口，一个用以循环部分催化剂进入烧焦罐，用以提高烧焦罐操作温度，另一个为再生催化剂出口。二密相区操作气速较低，通常只有0.2m/s左右甚至更低。由于二密相气速很低，受气泡和乳相间传质阻力的影响，通入二密相内的空气的利用效率很低。另外，二密相很难保持较好的流化质量，在实际工业应用中常对再生器旋风分离器和再生立管操作形成不利影响，造成催化剂跑损和再生立管不稳定运行等事故。
CN 1023711C公开了一种改进型烧焦罐两段再生方法，它取消了USP4,353,812中烧焦罐的上部稀相管段及其末端分离设备，另外，也取消了二密相段的空气分布器，所有烧焦空气全部由烧焦罐底部进入。烧焦罐顶部设置了一个低压降的板式分布器，烧焦罐中催化剂再生形成的烟气以及随之夹带的催化剂颗粒一并通过板式分布器的开孔进入二密相段。这样，二密相段的操作气速大大提高，很大程度上改善了气固的接触效率和空气的利用效率，可以使用较小的主风量达到同样的再生效果，且催化剂总藏量也有所降低。但是，由于二密相段仍有不少的催化剂藏量，烧焦罐烟气中的水蒸汽在二密相段仍需与催化剂接触一段时间方能离开，因此仍有一定程度的催化剂水热失活问题。
CN 1065286A公开了一种两段再生方法，它由一段底部烧焦管(气速2～8m/s)和一段上部湍动床烧焦段(1～3m/s)构成，湍动床烧焦段一部分催化剂返回烧焦管，用以提高烧焦管反应温度。尽管烧焦管气固接触效果更好，但其催化剂浓度较低，为达到相同的再生效果，需要较大的高度，有可能破坏与反应系统间的压力平衡，形成催化剂循环问题。另一方面，这种方法床层烧焦段气速过高，有可能形成催化剂跑损问题。
综上所述，现有催化裂化烧焦罐两段再生方法及设备还存在很大的改进空间。
发明内容
本发明的一个目的在于对现有催化裂化烧焦罐两段再生方法及设备进行改进，提出一种烧焦罐和密相环流床层再生串联的两段再生设备。
本发明的另一目的在于提供一种将烧焦罐和密相环流床层串联的两段再生方法。
密相环流流化床是近些年来发展出来的一种新型流化床反应器。它借鉴了气液环流反应器的原理，床层通常设置一圆形隔流板，将流化床分隔为内外环两个区，但两个区的底部和顶部部分联通，两个区内各设置一个气体分布器，通过控制两个区内不同的表观气速形成不同的床层密度，在密度差的作用下，颗粒在两个区之间以更高的流率形成内循环流动，从而使气固两相流动的湍动程度加剧，进一步提高了气固间的传质效率。
一方面，本发明提供了一种催化裂化催化剂两段再生设备，该设备包括串联设置的烧焦罐再生段以及密相环流床层再生段，其中：
所述烧焦罐再生段底部设置待生催化剂入口及烧焦罐主风入口，顶部设置多孔板式分布器，以使待生催化剂与烧焦罐主风在该烧焦罐再生段反应后产生的烟气及其携带的催化剂经过所述多孔板式分布器进入密相环流床层再生段；
所述密相环流床层再生段顶部设置烟气出口，底部密相段内设置一隔流筒，将密相环流床层再生段分为中心区与外环区两个区，外环区域底部设置催化剂出口；
并且，该催化裂化催化剂两段再生设备设置有将部分密相环流床层催化剂返回烧焦罐再生段底部的循环管路。
另一方面，本发明还提供了一种催化裂化催化剂两段再生方法，该方法中是利用本发明所述的设备进行催化裂化催化剂再生，该方法包括：
将含焦炭的待生催化剂从烧焦罐再生段的底部引入烧焦罐再生段，并引入一股烧焦罐主风，待生催化剂上的焦炭与烧焦罐主风接触发生燃烧反应生成烟气，反应生成的烟气及其携带的催化剂上行经过所述烧焦罐再生段顶部的多孔板式分布器的分布孔进入密相环流床层再生段；
控制密相环流床层再生段中心区与外环区内不同的表观气速度而使催化剂颗粒在两个区之间形成内循环流动，从而使催化剂在密相环流床层再生段内进一步得到高效的再生，部分催化剂从密相环流床层再生段外环区底部引出，返回烧焦罐再生段底部以调节烧焦罐再生段内操作温度和颗粒浓度。反应后的烟气从密相环流床层再生段顶部的稀相空间排出。
本发明的技术主要是将烧焦罐快速床和密相环流流化床耦合，使待生催化剂顺序经过烧焦罐再生段与密相环流床层再生段两段再生，充分利用主风效率，提高气固接触效率，降低装置能耗，并保护催化剂活性，降低新鲜催化剂补充速率。
根据本发明的具体实施方案，本发明的催化裂化催化剂两段再生设备中，所述密相环流床层再生段中心区与外环区的截面积之比优选为1～2∶1；所述密相环流床层再生段隔流筒为圆形隔流筒，其直径为烧焦罐再生段顶部设置的板式分布器直径的1.0～1.5倍，以使烧焦罐再生段产生的烟气及其携带的催化剂经过所述多孔板式分布器大部分进入密相环流床层再生段的中心区。
根据本发明的具体实施方案，本发明的催化裂化催化剂两段再生设备中，所述将部分密相环流床层催化剂返回烧焦罐再生段底部的循环管路是从密相环流床层再生段外环区底部引出部分催化剂，并从烧焦罐再生段底部引入烧焦罐再生段内，且该循环管路上设置催化剂流量调控阀。
根据本发明的具体实施方案，本发明的催化裂化催化剂两段再生设备中，可在所述密相环流床层再生段外环区设置至少两个催化剂出口，一个出口用以循环部分催化剂进入烧焦罐再生段底部，用以提高烧焦罐再生段的操作温度和颗粒浓度，其颗粒流量可以通过阀控制以达到所需的烧焦罐操作温度和适宜的颗粒浓度；另一个出口为再生催化剂出口。
根据本发明的具体实施方案，本发明的催化裂化催化剂两段再生方法中，待生催化剂(待生剂)首先进入第一段烧焦罐再生器(烧焦罐再生段)，本发明中优选控制所述烧焦罐再生段内表观气速为1.0～3.0m/s，操作温度为630～740℃，催化剂停留时间0.5～1.2min。烧焦罐主风(空气)由烧焦罐底部进入(可设置气体分布器)，和待生剂上的焦炭发生燃烧反应生成烟气。第一段烧焦罐再生器烟气及夹带的催化剂经过设置在烧焦罐顶部的板式分布器进入第二段密相环流床层再生器(密相环流床层再生段)。所述密相环流床层再生段操作温度680～750℃，催化剂停留时间1.0～2.0min。
第一段烧焦罐再生器烟气大部进入密相环流床层再生器中心区，表观气速(即第一段烧焦罐再生器烟气流量和密相环流床层再生段中心区截面积之比)为0.5～3.0m/s，优选0.8～2.0m/s。因为气速较高，因此密相环流床层再生器内环区床层颗粒浓度较小。本发明中，同时在密相环流床层再生段外环区底部引入另一股主风(例如空气)进入外环(可在所述密相环流床层再生段外环区底部设置环形气体分布器，用以向密相环流床层再生段外环区通入另一股主风)，该股主风流量占催化裂化催化剂两段再生设备主风总流量的1～15％，对应表观气速0.02～0.2m/s。由于密相环流床层再生段外环区通气量少，颗粒浓度较大。在内外环密度差的作用下，颗粒在中心区、外环区之间形成循环流动，其中，内环颗粒流动方向总体向上，而外环颗粒流动方向总体向下。再生后的催化剂颗粒一部分循环进入烧焦罐，用以提高第一段烧焦罐再生器操作温度和颗粒浓度，另一部分即为再生催化剂引出密相环流床层再生段。经过密相环流床层再生段形成的烟气通过密相环流床层再生段稀相空间排出再生器，进入下游烟气能量回收系统。
根据本发明的具体实施方案，本发明的烧焦罐再生段顶部的板式分布器为低压降分布器，其压降为2～7kPa。烧焦罐再生段的烟气及其携带的催化剂均是通过该板式分布器的分布孔进入密相环流床层再生段中。为了保证在高温环境下长周期使用，板式分布器可以为凸形板式分布器，也可以是凹形板式分布器。
在本发明的一具体实施方案中，本发明所述的催化裂化催化剂两段再生设备中，所述烧焦罐再生段底部向下延伸连接有稀相输送管，烧焦罐主风以及待生催化剂均首先进入稀相输送管底部，再一并进入到烧焦罐再生段中，本发明中优选控制稀相输送管的气速为3～7m/s。由于稀相输送管中气速较高，颗粒湍动强度较大，有助于两股催化剂更好的接触换热。
综上所述，本发明的技术具有如下优点：
1、由于采用烧焦罐快速床和密相环流流化床耦合的两段再生方式，进一步提高了气固接触效率，提高了主风的利用效率，降低了装置的能耗；
2、由于催化剂引出口均设置在颗粒浓度较大的密相环流流化床外环区，有助于改善再生立管的操作，使再生立管的操作和反应温度的控制更加平稳；
3、由于大部分烟气只经过烧焦罐和密相环流床层再生段内环区，降低了烟气中水蒸汽和催化剂的接触时间，有助于保护催化剂活性，降低新鲜催化剂补充速率。
附图说明
图1为本发明一具体实施例的催化裂化两段再生设备的结构示意图；
图2为本发明另一具体实施例的催化裂化两段再生设备的结构示意图；
图3A与图3B分别为本发明的催化裂化两段再生设备中烧焦罐顶部采用的板式分布器的两种不同结构的示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明所提供的催化裂化两段再生方法及设备的特点及所带来的技术效果，但本发明并不因此而受到任何限制。
实施例一
图1显示了本发明催化裂化两段再生设备的一种具体结构。如图所示，本实施例的催化裂化两段再生设备在利用本发明的催化裂化两段再生设备进行催化剂的烧焦再生时，含焦炭的待生催化剂(待生剂)经待生立管1从烧焦罐再生器2底部进入烧焦罐再生段(即第一段烧焦罐再生器)，其表观气速为1.0～3.0m/s，操作温度630～740℃，催化剂停留时间0.5～1.2min。一股主风由气体分配器10均匀进入到第一段烧焦罐再生器底部，其流量占再生器主风总流量的85～99％，这股主风和待生剂上的焦炭发生燃烧反应生成烟气，烟气经过一个设置在烧焦罐顶部的板式分布器3进入密相环流床层再生器5(即第二段密相环流床层再生器)。板式分布器3为低压降分布器，其压降为2～7kPa，和传统流化床气体板式分布器不同，第一段烧焦罐再生器的烟气及其携带的催化剂均需通过其分布孔进入密相环流床层再生器。为了保证在高温环境下长周期使用，其形式可以为图3A所示的凸形板式分布器，也可以是图3B所示的凹形板式分布器。
本实施例中，控制密相环流床层再生器操作温度680～750℃，催化剂停留时间1.0～2.0min，其中设置了一个圆形隔流筒6，将密相环流床层再生器5分为内外环两个区，内外环两个区的截面积之比为1～2∶1。隔流筒6直径为板式分布器3的1.0～1.5倍，使从烧焦罐进入烟气大部进入到密相环流床层再生器5内环区。外环区底部引入另一股主风，通过设置在外环底部的气体分布器7均匀进入外环，这股主风的流量占再生器主风总流量的1～15％，对应表观气速(即从分布器7引入的主风体积流量与外环截面积之比)0.02～0.2m/s。密相环流床层再生器5外环区至少设置两个催化剂出口，一个出口8用以循环部分催化剂进入烧焦罐底部，用以提高第一段烧焦罐再生器操作温度和颗粒浓度，其颗粒流量通过阀9控制以达到所需的烧焦罐操作温度和适宜的颗粒浓度；另一个出口4为再生催化剂出口。经过密相环流床层再生器5形成的烟气通过密相环流床层再生器5稀相空间11排出再生器，进入下游烟气能量回收系统。
实施例二
图2显示了本发明另一种技术方案的实施例。和实施例一不同的是，烧焦罐再生器2底部设置了一稀相输送管12，其气速3～7m/s，烧焦罐主风以及沿待生立管1和密相环流床层再生器催化剂循环管8输送的催化剂均首先进入稀相输送管12底部，再一并进入到烧焦罐2中。由于稀相输送管12中气速较高，颗粒湍动强度较大，有助于两股催化剂更好的接触换热。
应用实例一
通过建立催化剂再生器模型，对本发明实施例一所述再生方法和CN1023711C所述再生方法的性能进行了对比，以此反映两种再生方法的优劣。该再生器模型应用计算流体模型(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)来计算再生器各部分内的气固两相的流动特性，通过进一步耦合催化剂烧焦反应动力学模型，从而可以直接预测再生器的主要性能参数，如催化剂藏量、再生剂含碳量、主风利用率和烧焦强度等。表1对比了相同第一段烧焦罐再生器和密相环流床层再生器结构参数、相似操作条件下采用两种再生方法的再生效果的对比，可以看出本发明在再生剂含碳量、主风利用率、催化剂总藏量和总烧焦强度等四个核心性能指标上均优于CN1023711C。
表1本发明与CN 1023711C性能的对比
| 项目 | 本发明 | CN 1023711C |
| 第一段气速，m/s | 1.8 | 1.8 |
| 第一段温度，℃ | 680 | 680 |
| 第一段催化剂停留时间，s | 50 | 50 |
| 分布板3形式 | 凸形分布板 | 凸形分布板 |
| 分布板3压降，kPa | 4.5 | 4.5 |
| 第二段温度，℃ | 710 | 710 |
| 第二段停留时间，s | 130 | 125 |
| 总主风量，Nm3/h | 6800 | 6800 |
| 生焦量，kg/s | 2.8 | 2.8 |
| 再生剂含碳量，wt％ | 0.09 | 0.05 |
| 主风利用率，Nm3/kg焦炭 | 10.3 | 9.6 |
| 催化剂总藏量，ton | 56.3 | 53.2 |
| 总烧焦强度，kg/h.ton | 177 | 188 |
Claims (11)
1.一种催化裂化催化剂两段再生方法，该方法中是利用一种催化裂化催化剂两段再生设备进行催化裂化催化剂再生，所述设备包括串联设置的烧焦罐再生段以及密相环流床层再生段，其中，
所述烧焦罐再生段底部至少设置有待生催化剂入口及烧焦罐主风入口，顶部设置多孔板式分布器，以使待生催化剂与烧焦罐主风在该烧焦罐再生段中发生燃烧反应后产生的烟气及其携带的催化剂经过所述多孔板式分布器进入密相环流床层再生段；
所述密相环流床层再生段顶部设置烟气出口，底部密相段内设置一隔流筒，将密相环流床层再生段分为中心区与外环区两个区；外环区底部设置再生催化剂出口；
并且，该催化裂化催化剂两段再生设备设置有将部分密相环流床层催化剂返回烧焦罐再生段底部的循环管路；
该方法包括：
将含焦炭的待生催化剂从烧焦罐再生段的底部引入烧焦罐再生段，并引入一股烧焦罐主风，待生催化剂上的焦炭与烧焦罐主风接触发生燃烧反应生成烟气，反应生成的烟气及其携带的催化剂上行经过所述烧焦罐再生段顶部的多孔板式分布器的分布孔进入密相环流床层再生段；
控制密相环流床层再生段中心区与外环区内不同的表观气速度而使催化剂颗粒在两个区之间形成内循环流动，从而使催化剂在密相环流床层再生段内进一步得到高效的再生，再生后的催化剂颗粒一部分从密相环流床层再生段外环区底部引出返回至烧焦罐再生段底部以调节烧焦罐再生段内操作温度和颗粒浓度，另一部分即为再生催化剂从外环区底部设置的再生催化剂出口引出密相环流床层再生段；反应后的烟气从密相环流床层再生段顶部的稀相空间排出。
2.根据权利要求1所述的催化裂化催化剂两段再生方法，其中，所述密相环流床层再生段中心区与外环区的截面积之比为1～2∶1；所述密相环流床层再生段隔流筒为圆形隔流筒，其直径为烧焦罐再生段顶部设置的板式分布器直径的1.0～1.5倍，使烧焦罐再生段产生的烟气及其携带的催化剂经过所述多孔板式分布器大部分进入密相环流床层再生段的中心区。
3.根据权利要求1或2所述的催化裂化催化剂两段再生方法，其中，所述烧焦罐再生段内表观气速为1.0～3.0m/s，操作温度630～740℃，催化剂停留时间0.5～1.2min；所述密相环流床层再生段操作温度680～750℃，催化剂停留时间1.0～2.0min。
4.根据权利要求1或2所述的催化裂化催化剂两段再生方法，其中，在密相环流床层再生段外环区底部引入另一股主风进入外环，该股主风流量占催化裂化催化剂两段再生设备主风总流量的1～15％，对应表观气速0.02～0.2m/s。
5.根据权利要求1或2所述的催化裂化催化剂两段再生方法，其中，所述烧焦罐再生段顶部的板式分布器为低压降分布器，其压降为2～7kPa。
6.根据权利要求1或2所述的催化裂化催化剂两段再生方法，其中，所述烧焦罐再生段底部向下延伸连接有稀相输送管，烧焦罐主风以及待生催化剂均首先进入稀相输送管底部，再一并进入到烧焦罐再生段中，该方法中控制稀相输送管的气速为3～7m/s。
7.一种用于实现权利要求1～6任一项所述催化裂化催化剂两段再生方法的催化裂化催化剂两段再生设备，该设备包括串联设置的烧焦罐再生段以及密相环流床层再生段，其中，
所述烧焦罐再生段底部至少设置有待生催化剂入口及烧焦罐主风入口，顶部设置多孔板式分布器，以使待生催化剂与烧焦罐主风在该烧焦罐再生段中发生燃烧反应后产生的烟气及其携带的催化剂经过所述多孔板式分布器进入密相环流床层再生段；
所述密相环流床层再生段顶部设置烟气出口，底部密相段内设置一隔流筒，将密相环流床层再生段分为中心区与外环区两个区；外环区底部设置再生催化剂出口；
并且，该催化裂化催化剂两段再生设备设置有将部分密相环流床层催化剂返回烧焦罐再生段底部的循环管路。
8.根据权利要求7所述的催化裂化催化剂两段再生设备，其中，所述密相环流床层再生段中心区与外环区的截面积之比为1～2∶1；所述密相环流床层再生段隔流筒为圆形隔流筒，其直径为烧焦罐再生段顶部设置的板式分布器直径的1.0～1.5倍，以使烧焦罐再生段产生的烟气及其携带的催化剂经过所述多孔板式分布器大部分进入密相环流床层再生段的中心区。
9.根据权利要求7所述的催化裂化催化剂两段再生设备，其中，所述将密相环流床层催化剂返回烧焦罐再生段底部的循环管路是从密相环流床层再生段外环区底部引出部分催化剂，并从烧焦罐再生段底部引入烧焦罐再生段内，且该循环管路上设置催化剂流量调控阀。
10.根据权利要求7所述的催化裂化催化剂两段再生设备，其中，所述烧焦罐再生段顶部设置的多孔板式分布器为凸形板式分布器或凹形板式分布器；所述密相环流床层再生段外环区底部设置环形气体分布器，用以向密相环流床层再生段外环区通入主风。
11.根据权利要求7所述的催化裂化催化剂两段再生设备，其中，所述烧焦罐再生段底部向下延伸连接有稀相输送管，烧焦罐主风以及待生催化剂均首先进入稀相输送管底部，再一并进入到烧焦罐再生段中。
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