CN102112198A - 用于从气体中分离出固体的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种方法和设备，其在容器内利用旋流器从气体中分离出固体。旋流器的中心离容器中心的距离不相等，但旋流器的入口离中心的距离相等，以平衡进入各旋流器的催化剂细粒的比例。

Description

用于从气体中分离出固体的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于从气体中分离出固体颗粒的设备和方法。本发明特别涉及在流化催化裂化(FCC)领域从产品气体或燃烧气体中分离出催化剂颗粒。

背景技术

FCC为烃类转化过程，其通过将烃类在流化反应区域中和由细分的颗粒材料组成的催化剂接触来实现。与氢化裂解相反地，催化裂化反应的进行不需要大量加入氢或消耗氢。在裂化反应进行时，大量被称为焦炭的高含碳物质沉积在催化剂上。在反应器容器中，从废催化剂中分离出汽状产物。废催化剂通过诸如蒸汽的惰性气体进行汽提，以从废催化剂中汽提出夹带的含烃气体。在再生区域内与氧气的高温再生操作从汽提的催化剂中燃烧掉焦炭。催化剂颗粒通过不同气态流的流化允许催化剂在反应区域和再生区域之间传送。

在FCC工艺中，从产品蒸汽和燃烧气体中有效地分离出催化剂颗粒是非常重要的。在FCC单元中，未从气态流体有效分离出的催化剂颗粒必须在下游通过过滤法、或者通过附加的分离装置——其增加了在FCC单元中使用的分离装置——来进行分离。此外，未从FCC工艺回收的催化剂代表着双重损失。催化剂必须更换，这是材料损失；损失的催化剂将腐蚀下游设备。严重的腐蚀会使设备失效，伴随着生产/运行时间的浪费。因此，在FCC工艺中，从气态流体中有效地分离出催化剂颗粒材料的方法是非常有用的。用于从气体中分离固体的旋流法是公知的，并得到了广泛使用。

在FCC工艺中，在从导管排出时，气态流体与催化剂颗粒固体部分地分离。一般在称为反应器容器的装置中进行这样的分离。反应器容器一般具有入口、上部出口和下部出口，其中，入口用于使废催化剂和气态裂解产品通过提升管反应器、或从提升管反应器进入反应器容器，上部出口用于气态裂解产物，下部出口用于废催化剂。在FCC单元中，气体与固体的再次分离在再生器中进行。常规的再生器一般包括具有废催化剂入口、再生催化剂出口和分配器的容器，该分配器将空气输送到位于容器内的催化剂床中。在两阶段再生器中，提升管可将催化剂和燃烧气体从下部腔室传送到一腔室中——在该腔室中催化剂将被进一步地生成。当催化剂和燃烧气体进入再生器容器或其腔室时，部分分离器可从燃烧气体分离出催化剂。然而，在反应器容器和再生器容器中，有必要进行额外的分离操作，以将夹带的固体催化剂从气体中分离出。

从气流中分离固体颗粒的最常见的方法是离心分离。离心分离器是众所周知的，其操作如下：赋予含有夹带固体颗粒的气体一个切向速度，迫使较重的固体颗粒向外远离较轻的气体，从而向上回收气体并向下收集固体。用于从气态材料中分离颗粒材料的旋流器对于FCC加工领域的技术人员来说是众所周知的。旋流器通常包括入口导管，入口导管与形成旋流器外壁的圆柱形桶的外侧相切。在旋流器操作中，入口导管和桶的内表面配合以形成气态材料和催化剂的螺旋形流动路径，这在旋流器中产生一涡流。与涡流外部相关的离心加速度使催化剂颗粒移向桶的外侧，而气态材料进入涡流内部以用于通过上部气体出口最终排放。气体出口可向下延伸入桶内，以使得气体只能向下运行然后向上离开旋流器。当气体改变方向向上时，气体中夹带的大量较重催化剂颗粒继续向下移动。这些较重催化剂以及其他较重催化剂颗粒在失去角动量后绕旋流器桶的内壁旋转，并最终落到旋流器的底部。之后，催化剂颗粒通过下料腿出口导管离开旋流器，以通过FCC设备再循环。美国专利4,670,410和2,535,140整体上公开了旋流器的布置及其改进。旋流器经常成对布置。主旋流器从容器接收气体和催化剂的混合物，并将部分净化的气体通过气体出口送到次级旋流器以用于进一步分离。

当对FCC单元有更大需求时，要求再生器和反应器容器处理更多的催化剂通过量。更多的燃料气体加入再生器容器以燃烧更多的催化剂。反应器容器也经受相同的增长，导致更多的气体产物和催化剂。此外，这些容器中需要更多的旋流器以从容器内的气体中分离出夹带的催化剂。旋流器可以交错布置的方式进行组装，以在容器中安装更多的旋流器。

因为旋流器处理大量的小固体与气体的混合物，金属旋流器的内部将受到腐蚀，这会损害旋流器。通常将耐火材料安装在旋流器和包含旋流器的容器的内部表面，以减轻腐蚀作用。在本领域中也在寻找减轻腐蚀和催化剂损失的其他方法。

发明内容

本发明发现，当再生器容器变大且催化剂再生器中的通过量增加时，以交错方式布置且较靠近容器中心的旋流器将不成比例地吸入较多的催化剂细粒。不成比例的较多较小的催化剂颗粒腐蚀旋流器的内部，并由离开气体带走。本发明发现，通过将交错旋流器的旋流器入口布置在与容器中心等距的位置，内侧旋流器和外侧旋流器吸入的催化剂细粒将更为均衡。

附图说明

图1显示结合有本发明的FCC单元的示意性正视图，

图2是本发明的容器的俯视图，

图3是本发明的一个可替代的容器的俯视图。

具体实施方式

虽然本发明的设备和方法可用于任何固体-气体分离设备中，但其在FCC单元中可立即投入应用。图1示出包括反应器容器10和再生器容器50的FCC单元。再生器竖管12将催化剂以一通过滑阀14调节的速率从再生器容器50传送到反应器提升管18。流化介质——比如来自喷嘴16的蒸汽——将催化剂以较高的密度向上传送通过提升管18，直到多个进料注射喷嘴20(只显示了一个)横向于催化剂颗粒的流动流注射进料。

合适的进料为常规的FCC原料或较高沸点的烃类原料。这种常规原料中最常见的一种是“减压瓦斯油”(VGO)，该减压瓦斯油一般是沸点在343至552℃(650至1025°F)之间、通过真空分馏常压渣油进行制备的烃类材料。在这种组分中，通常焦炭前体和可能污染催化剂的重金属污染物较少。本发明可应用的重烃原料包括来自原油的渣油、重质沥青原油、页岩油、沥青砂提取物、脱沥青渣油、来自煤炭液化的产品、常压和真空蒸馏后的原油。本发明的重质原料也包括以上烃类的混合物，上文的清单并不全面。

产生的混合物继续向上穿过提升管18到达顶部，在顶部处，一对分离臂22切向水平地将气体和催化剂的混合物从提升管18的顶部通过出口24(只显示一个)排入分离容器26，该分离容器26实现气体与催化剂的部分分离。传送管道28将烃类蒸气——其包括汽提的烃、汽提的介质和夹带的催化剂——送到一个或多个位于反应器容器10中的旋流器30，该旋流器将废催化剂从烃类气流中分离出。虽然本发明可在反应器容器10中使用，但是，其未在反应器容器中进行说明，而是在再生器容器50中进行说明。反应器容器10中的收集室34收集从旋流器30分离出的烃类气体流以通往出口喷嘴36，最终进入分馏回收区(未显示)。下料腿38将催化剂从旋流器30排入反应器容器10的较低部分，最终使催化剂和吸附或夹带的烃类穿过限定于分离容器26的壁上的开口42进入汽提区段40。在分离容器26中分离的催化剂直接进入汽提区段40。汽提区段40包括导流片43，44或其他设备，以促进汽提气体和催化剂之间的混合。汽提气体穿过至少一个出口46进入汽提区段40的较低部分并抵达一个或多个分配器(未显示)。废催化剂穿过废催化剂管道48离开汽提区段40，并以一通过滑阀52调节的速率进入再生器容器50。

FCC工艺中的提升管18维持在较高的温度条件下——通常包括高于425℃(797°F)的温度。在一个实施例中，反应区维持温度从480℃至590℃(896°F至1094°F)、压力从69至517kPa(ga)(10至75psig)但一般小于275kPa(ga)(40psig)的裂解条件。基于进入提升管底部的催化剂和烃类进料的重量，催化剂和油的比率可高达20∶1，但一般在4∶1到10∶1之间。虽然加氢是业内公知的，但是一般不将氢加入提升管。重量为进料的4％-7％的蒸汽可进入提升管18和反应器容器10。催化剂在提升管中的平均停留时间可小于5秒。该方法中所用的催化剂的类型可从市场上销售的多种催化剂中选取。优选使用包含沸石基材的催化剂，但是如果需要也可使用较早类型的无定形催化剂。

再生器容器50可以是燃烧室类型的再生器，可在高效再生器容器50中使用湍动床-快速流化的混合条件来完全地再生废催化剂。然而，本发明也可使用其他再生器容器和其他流动条件。废催化剂管道48通过废催化剂入口斜道62将废催化剂供给到由外壁56限定的第一或较低腔室54。来自反应器容器10的废催化剂通常包含重量占0.2％-2％、以焦炭形式存在的碳。焦炭虽然主要由碳组成，但也可包含重量占3％-12％的氢以及硫和其他物质。含氧的燃烧气体——一般为空气——通过管道64进入再生器容器50的第一腔室54，并由分配器66进行分配。分配器66中的开口68释放燃烧气体。当进入燃烧区段58时，燃烧气体接触从斜道62进入的废催化剂，并在快速流化流动条件下以在第一腔室54中的至少1.1m/s(3.5ft/s)的燃烧气体空塔速度抬升催化剂。在一个实施例中，燃烧区段58具有48kg/m³至320kg/m³(3至20lb/ft³)的催化剂密度和1.1m/s至2.2m/s(3.5ft/s至7ft/s)的空塔速度。燃烧气体中的氧气接触废催化剂，并燃烧掉催化剂中的含碳沉积物，以至少部分地再生催化剂并产生废气。

在一个实施例中，为了加速在第一腔室54中的焦炭燃烧，来自上部或第二腔室70的密催化剂床59的热的再生的催化剂可通过由控制阀69调节的外部循环竖管67循环进入第一腔室54。热的再生的催化剂通过入口斜道63进入再生器腔室54。通过混合来自密催化剂床59的热催化剂和从反应器管道48进入第一腔室54的相对较冷的废催化剂来循环再生催化剂，这提高了第一腔室54中催化剂和气体的混合物的整体温度。

第一腔室54中的催化剂和燃烧气体的混合物从燃烧区段58上升穿过一截锥形过渡区段57进入第一腔室54的传送和提升管区段60。提升管区段由外壁61限定，以限定出一优选为圆柱形、并优选从燃烧腔室54向上延伸的管。催化剂和气体的混合物以比在燃烧区段58中更高的空塔气体速度前进。气体流速增大是因为：相对于过渡区段57下方较低腔室54的横截面积来说，提升管区段60的横截面积减小。因此，空塔气体速度通常将超过2.2m/s(7ft/s)。提升管区段60将具有小于80kg/m³(5lb/ft³)的较低催化剂密度。

再生器容器50还包括上部或第二腔室70。催化剂颗粒和废气的混合物从提升管区段60的上部排入上部腔室70。基本上所有的再生的催化剂都将离开传送和提升管区段60的顶部，但是也可设想这样的布置：其中部分的再生催化剂从第一腔室54离开。通过分离装置72实现排出，分离装置72从废气中分离出大部分的再生的催化剂。在一个实施例中，沿提升管区段60上流的催化剂和气体撞击提升管区段60的顶部椭圆盖65并倒流。之后，催化剂和气体通过分离装置72的向下朝向的排放口73离开。动量的突然损失和向下的倒流使大部分较重的催化剂落到密催化剂床59上，而较轻废气和仍夹带于其中的一小部分催化剂将上升到第二腔室70中。下落的被分离的催化剂收集在密催化剂床59中。密催化剂床59中的催化剂密度一般保持在640kg/m³至960kg/m³(40至60lb/ft³)的范围内。流化管道74将一般为空气的流化气体通过流化分配器76传送到密催化剂床59。在燃烧器式再生器中，在该方法中，大约不超过2％的总气体需求通过流化分配器76进入密催化剂床59。在这个实施例中，所加入的气体不是为了燃烧，而只是为了流化，因此，催化剂将呈流态地通过竖管67和12离开。通过流化分配器76加入的流化气体可以是燃烧气体。在部分燃烧于第一腔室54中进行的情况下，更多的燃烧气体将通过管道74供给到第二腔室70。

为了简单起见，图1示出了安置在径向偏置位置的旋流器82和86。旋流器82、86安置在相同的竖直位置，但这不是必需的。内旋流器82更靠近容器50中心地布置；而外旋流器86布置得更远离容器50的中心。旋流器82和86装配有入口82a和86a以接收废气和夹带的催化剂颗粒的混合物。入口导管82b和86b将气体和催化剂颗粒的混合物传送到旋流器桶82c和86c。入口导管82b和86b提供通道，该通道将气体和催化剂颗粒的混合物传输并切向分配到引导混合物进行旋转的圆柱形旋流器桶82c、86c内，以使得密度较大的催化剂移向桶的外部，而较轻的气体移向桶的内部。旋转实现催化剂与气体的初级向心分离。废气——其与进入旋流器82、86之前并位于再生器容器50的上部腔室70时相比具有较少的催化剂——通过与桶82c、86c连通的气体出口82d、86d从旋流器82和86排出。分离出的催化剂通过与桶82c、86c连通的下料腿82e、86e从旋流器分配进入位于所述再生器容器50上部腔室70的底部上的密床59中。在一个方面，可将来自气体出口82d、86d的废气传送到稳压室90，气体从稳压室离开再生器容器50。在一个方面，旋流器82、84可包括一个或多个位于桶和下料腿之间的截锥形送料斗，并包括位于下料腿底部的挡板阀，以防止往下料腿的回流。

图1示出本发明的一个方面，其中，放置在径向偏置位置的旋流器对78和80分别包括主旋流器82和86以及次级旋流器84和88。旋流器对78、80放置在同一竖直位置，但这不是必需的。也没有必要将旋流器组合成对，但是这样的话可以进一步分离气体与固体。内旋流器对78更靠近容器50的中心地放置，而外旋流器对80更远离容器50的中心地放置。部分被净化的废气——其与上部腔室70中的废气相比具有较少的催化剂颗粒——从气体出口82d和86d穿过入口导管84b、88b进入次级旋流器84和88。气体出口82d、86d与入口导管84b，88b连通。后者将气体和催化剂颗粒的混合物传输并切向分配到引导混合物进行旋转的圆柱形旋流器桶84c、88c内，以使得密度较大的催化剂移向桶的外部，而较轻的气体移向桶的内部。旋转实现催化剂与气体的次级向心分离。废气——其与进入次级旋流器84、86之前并位于再生器容器50的上部腔室70时相比具有较少的催化剂——通过与桶84c、88c连通的气体出口84d、88d从旋流器84和88排出。分离出的催化剂通过与桶84c、88c连通的下料腿84e、88e从旋流器分配进入位于所述再生器容器50上部腔室70的底部上的密床59中。在一个方面，可将来自气体出口84d、88d的废气传送到稳压室90，气体从稳压室离开再生器容器50。在一个方面，次级旋流器84、88可包括一个或多个位于桶和下料腿之间的截锥形送料斗，并包括位于下料腿底部的挡板阀，以防止往下料腿的回流。分离出的废气通过排气管道94从再生器容器50中排出。

从再生器腔室54中排出的催化剂的10％至30％(重量比)存在于位于提升管区段60出口上方的气体中，并进入旋流器分离器98，99。来自密催化剂床59的催化剂通过再生器竖管12传送回反应器容器10，随着FCC工艺的继续，催化剂在反应器容器10中再次接触进料。为了获得完全的再生，本发明的再生器容器移除1kg的焦炭一般需要14kg的空气。当再生更多的催化剂时，在常规反应器容器中需要处理更多的进料。一般地，再生器容器50在第一腔室54中的温度为594℃至704℃(1100°F至1300°F)，在第二腔室100中的温度为649℃至760℃(1200°F至1400°F)。

本发明发现，当旋流器的入口更靠近容器的中心且更远离壁时，相比于入口更远离容器的中心且更靠近壁的旋流器能够吸入更大比例的细小催化剂颗粒。本发明发现，通过将交错的内主旋流器82和外主旋流器86的入口82a、86a布置成和容器的中心等距、并和容器50的壁等距，如果容器是圆柱形的，则内主旋流器和外主旋流器接收同等比例的催化剂细粒，即在10％重量比的范围之内。图1所示的外主旋流器86相比于内主旋流器82离再生器容器50的上部腔室70的中心更远，并离再生器容器50的上部腔室70的外壁92更近。图1所示的内主旋流器82离再生器容器50的上部腔室的中心更近，并离再生器容器50的上部腔室的外壁更远。然而，主旋流器82和86的入口与上部腔室的中心和外壁92的距离基本上相同。

图2是再生器容器50的上部腔室70的俯视图。旋流器82、86的入口82a、86b可由具有两个竖直侧面82f、82g和86f、86g的入口导管82b、86b限定。外旋流器82、86的入口导管82b、86b可向外张开以捕获颗粒。在连接两个侧面82f、82g和86f、86g的外边缘的假想线82i、86i的中间具有入口中心82h、86h。入口中心82h和86h基本上和再生器容器50的上部腔室70的中心C等距，图中用半径为R的圆显示。在另一方面，由入口导管82b、86b限定的入口82a、86a的外边缘或边缘可限定一平面(未显示)，且入口中心82h、86h可位于所述平面的中心。图2显示桶82d、86d大体上是圆柱形的。旋流器的中心是桶中心82j、86j——其位于由桶82d、86d的最顶层截面限定的圆的中心。桶中心82j、86j距容器50的中心C的距离是显著不同的。桶中心86j距中心C的距离(以外半径R₀显示)比桶中心82j距中心C的距离(以内半径R_i显示)大。在图2的实施例中，内旋流器82和外旋流器86的朝向是不同的，因此，其入口82a、86a的入口中心82h、86h和容器的中心C等距(半径R)。然而，旋流器82、86仍以交错的方式布置，以在再生器容器50内绕提升管60和分离装置72实现更大的旋流器密度。内旋流器82顺时针旋转，以使得入口导管82b将入口82a指向壁92。外旋流器86逆时针旋转，从而，入口导管86b使得入口86a偏离壁92地指向且更为朝向容器50的中心C。旋流器82和86分别与次级旋流器84和88连通，以用于进一步分离气体和催化剂。

图3是替代实施例中再生器容器50的上部腔室70的俯视图。图3中和图2结构相同的元件将使用相同的附图标记。和图2中的元件相对应、但结构不同的元件将标记以单引号(“′”)。旋流器82′、86′的入口82a、86a可由具有两个竖直侧面82f′、82g′和86f′、86g′的入口导管82b′、86b′限定，且竖直侧面82f′、82g′和86f′、86g′相比于图2中的元件更呈长形。在连接两个侧面82f′、82g′和86f′、86g′的外边缘的假想线82i、86i的中间具有入口中心82h、86h。入口中心82h和86h基本上和再生器容器50的上部腔室70的中心C等距，图中用半径为R的圆显示。在另一方面，由入口导管82b′、86b′限定的入口82a、86a的外边缘或边缘可限定一平面(未显示)，且入口中心82h、86h可位于所述平面的中心。图3显示桶82d、86d大体上是圆柱形的。旋流器的中心是桶中心82j、86j——其位于由桶82d、86d的最顶层截面限定的圆的中心。桶中心82j、86j距容器50的中心C以及壁92的距离是显著不同的。桶中心86j距中心C的距离(以外半径R₀显示)比桶中心82j距中心C的距离(以内半径R_i显示)大。在图3的实施例中，内旋流器82′的长形入口导管82b′使入口82a延伸到与外旋流器86′的入口86a相同的距离，因此，其入口82a、86a的入口中心82h、86h和容器的中心C等距(半径R)。入口导管82b′比入口导管86b′更长。然而，旋流器82、86仍以交错的方式布置，以在再生器容器50内绕提升管60和分离装置72实现更大的旋流器密度。旋流器82和86分别与次级旋流器84和88连通。

在与容器中心的距离中所使用的术语“显著”为从中心算的半径的5％。

示例

建立模型以确定进入呈交错关系的旋流器的细粒的比例。细粒定义为直径小于等于48微米的固体颗粒。针对基础案例——其中旋流器的入口和容器中心的距离不同——进行评估。将在旋流器的中心和容器的中心不等距、但旋流器的入口和容器的中心等距的情形下进入旋流器的细粒比例与基础案例的细粒比例进行比较。结果如下表所示。

案例	床	内旋流器	外旋流器
				基础案例	38	35	27
入口在同一半径上	42	30	28

上面的表格显示，在两种情形中，48微米的催化剂颗粒的大约40％(重量比)将被捕获至位于容器底部的床中。在基础案例中，进入内旋流器的催化剂颗粒比进入外旋流器的催化剂颗粒多30％(重量比)。内旋流器中催化剂细粒数量的不成比例将使内旋流器遭受额外的腐蚀。然而，在入口位于同一半径上的情形中，进入内旋流器的催化剂细粒只多出7％(重量比)。本发明极大地平衡了内旋流器和外旋流器之间的细粒进入，使得基本相同数量的细粒进入两个旋流器。

Claims (10)

1.一种用于从气体中分离出固体颗粒的方法，所述方法包括：

将气流排入容器内；

将固体颗粒流排入所述容器内；

将携带固体颗粒的气流送入位于所述容器中的至少两个旋流器的各自入口，所述两个旋流器的入口的入口中心离所述容器的中心的距离基本相等；

使携带固体的气体在与所述入口连通的桶中旋转，以在所述旋流器中实现所述固体颗粒与所述气体的向心分离，所述两个旋流器的所述桶的桶中心离所述容器的容器中心的距离显著不同；

将分离出的气体通过与所述桶连通的气体出口从所述旋流器排出；以及

将分离出的固体通过与所述桶连通的下料腿从所述旋流器分配到所述容器的底部。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括使相同比例的固体细粒通过两个旋流器的各自入口。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括在次级旋流器中将从所述气体出口排出且携带有较少固体的气体从固体中分离出。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括将所述气体通过一位于提升管的附件中的开口排入所述容器、并实现固体颗粒与气体的部分分离，所述提升管终止于所述容器的中心。

5.一种用于从气体中分离出固体颗粒的容器，所述容器包括：

排放入口，其将气流排入容器内；以及

至少两个位于所述容器内的旋流器，每个旋流器具有用于使携带固体颗粒的气体进入所述旋流器的入口、与所述入口连通以使携带固体的所述气体在其中旋转而实现固体颗粒与气体的向心分离的桶、与所述桶连通以将分离出的气体从所述旋流器排出的气体出口、以及与所述桶连通以将分离出的固体从所述旋流器分配到所述容器的底部的下料腿；

其中，两个旋流器的所述桶的桶中心离所述容器的容器中心的距离显著不同，而所述两个旋流器的入口的入口中心离所述容器的中心的距离基本相等。

6.根据权利要求5所述的容器，其特征在于，所述入口由具有两个侧面的导管限定，且所述入口中心位于连接两个侧面的外边缘的假想线的中心。

7.根据权利要求5所述的容器，其特征在于，所述桶呈圆柱形，且所述桶中心为所述圆柱形的顶层截面的圆中心。

8.根据权利要求5所述的容器，其特征在于，所述排放入口包括终止于所述容器的中心的管，且所述管包括一附件，所述附件具有设计成实现固体颗粒与气体的粗分离的开口。

9.根据权利要求5所述的容器，其特征在于，所述两个旋流器的朝向不同。

10.根据权利要求5所述的容器，其特征在于，所述两个旋流器具有不同长度的导管。

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