CN102482587A - 用于烃进料与催化剂接触的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一种设备和方法，用于将偏移介质分配至提升器的轴中心以向外将催化剂推向进料注射器，确保烃进料与催化剂之间更好地接触。

Description

用于烃进料与催化剂接触的设备和方法
发明背景
本发明涉及一种用于将烃进料和催化剂混合的设备和方法。本发明的领域可以为流化床催化裂化(FCC)领域。
FCC为通过使烃在流化反应区中与由细碎颗粒材料组成的催化剂接触而完成的烃转化方法。与加氢裂化相对，催化裂化中的反应在不存在实际加入的氢气或消耗氢气下进行。当进行裂化反应时，足够量的称为焦炭的高度含碳材料沉积在催化剂上以提供焦化或碳化催化剂。该碳化催化剂通常称为废催化剂。然而，该术语可能被曲解，因为碳化催化剂仍具有显著催化活性。将蒸气产物与碳化催化剂在反应容器中分离。可使碳化催化剂经受在惰性气体如蒸汽下汽提以从碳化催化剂中汽提夹带的含烃气体。在再生区操作中用氧气高温再生将焦炭从可能已汽提的碳化催化剂中烧掉。
FCC装置设计得日益更大，因为精炼厂正设法利用规模经济。当FCC装置的反应器提升器以相应增加的直径设计时，壁安装的进料注射器与提升器的轴中心之间的距离增加。当FCC反应器提升器变得更大时，必须注意确保烃进料和催化剂充分接触。催化剂与烃进料之间不足的接触可导致充分更高的干气和焦炭形成及降低的烃进料转化率，均是不理想的性能属性。
寻求改进的设备和方法以使催化剂和烃进料在更大的FCC装置中接触。
发明概述
我们发现在较大的FCC装置中，来自进料注射器的烃进料不能通过流动催化剂渗入提升器的中心。因此，催化剂的高密度芯可在提升器中发展，其不受注入的进料影响。高密度芯可以是非常稳定且存在的，同时通过提升器的明显高度上升导致转化率的缺乏和对理想产物的较差选择性。
我们的用于使催化剂与烃进料接触的方法的一个实施方案包括将提升用气体分配至提升器以使催化剂在反应器提升器中向上上升。将偏移介质分配到提升器的轴中心以使催化剂偏离提升器的中心。将烃进料注入提升器中并使烃进料与催化剂在反应器提升器中接触以将烃进料裂化以产生较轻的气态烃。
我们的用于使催化剂与烃进料接触的设备的一个实施方案包括提升器，其中烃进料与催化剂颗粒接触以催化裂化烃进料中的烃以产生较轻烃的气体产物和碳化催化剂。提升用气体分配器将提升用气体分配至提升器。偏移介质分配器将偏移介质分配至提升器且偏移介质分配器具有对准提升器的轴中心的喷嘴。进料注射器将烃进料注入提升器中。进料注射器在至少一个提升用气体分配器和偏移介质分配器的上方。
附图简述
图1为并入本发明的FCC装置的示意性正视图。
图2为图1的下部局部剖视的透视图。
发明详述
本发明设备和方法用于使催化剂与烃进料接触。本发明可用于任何固体-气体接触装置中。然而，即用性发现于FCC装置中。
图1显示包括反应容器20和再生容器50的FCC装置8。再生器催化剂导管12以通过控制阀14调节的速率通过再生催化剂入口15将再生催化剂由再生容器50输送至反应器提升器10中。再生催化剂导管12在再生催化剂导管交点90处与反应器提升器10相交，所述交点是再生催化剂导管与提升器10相交的最高点。提升用气体分配器16将提升用气体分配至提升器10。提升用气体通常为蒸汽，但可使用其它轻质烃或氢气。提升用气体促使催化剂料流以至少以3m/s(10英尺/秒)行进的相对高密度向上通过提升器10。
多个进料注射器18将进料与催化剂颗粒的流动料流交叉注入以将烃进料分配至提升器10。进料注射器18可以环绕地位于提升器的截头体19上。当烃进料与催化剂在反应器提升器10中接触时，较重的烃进料裂化以产生较轻气态烃产物，同时焦炭沉积在催化剂颗粒上而产生碳化催化剂。提升器具有适当地至少10的纵横比。
常规FCC原料和较高沸点烃原料是合适的进料。最通常的这类常规原料为“减压瓦斯油”(VGO)，其通常为通过将常压渣油真空分馏而制备的沸程为343-552℃(650-1025°F)的烃材料。这类馏分一般在可用于污染催化剂的焦炭前体和重金属污染物方面是低的。可应用本发明的重质烃原料包括来自原油的重质底部产物、重质沥青原油、页岩油、焦油砂提取物、脱沥青残渣、来自煤液化的产物、常压和减压还原原油。用于本发明的重质原料还包括以上烃的混合物且前述列举是不全面的。还预期较轻的再循环或先前裂化的进料如石脑油可以为合适的原料。
反应容器20与提升器10下游连通。如本文所用，术语“连通”意指在操作上容许所列组件之间的物料流动。术语“下游连通”意指至少一部分流入下游连通组件中的物料可在操作上流自它连通的组件。术语“上游连通”意指至少一部分流自上游连通组件的物料可在操作上流入它连通的组件中。在反应容器中，将碳化催化剂和气体产物分离。所得气体产物烃和碳化催化剂的混合物向上连续通过提升器10进入反应容器20中，在其中将碳化催化剂和气体产物分离。一对分离臂22可将气体和催化剂的混合物通过一个或多个出口24(仅显示一个)从提升器10的顶部切向和水平地排到分离容器26中，该分离容器可进行气体与催化剂的部分分离。输送导管28将烃蒸气(包括汽提的烃、汽提介质和夹带的催化剂)运送至反应容器20中的一个或多个旋风分离器30中，其将碳化催化剂与烃气流分离。分离容器26部分置于反应容器20中并可被认为是反应容器20的一部分。反应容器20中的收集室34聚集来自旋风分离器30的分离烃气流以进入出口喷嘴36并最终进入分馏回收区(未显示)中。浸入管38将催化剂由旋风分离器30排到反应容器20中的下部床29中。具有吸附或夹带烃的催化剂可最终从下部床29穿过在分离容器26壁中限定的口42进入任选的汽提段40中。在分离容器26中分离的催化剂可经由床41直接进入任选的汽提段40中。流化导管45将惰性流化气体(通常为蒸汽)通过流化分配器46送入汽提段40中。汽提段40含有挡板43、44或其它装置以促进汽提气体与催化剂之间的接触。汽提的碳化催化剂以与当它进入时或如果它未经受汽提的话它具有的夹带或吸附烃浓度相比更低的夹带或吸附烃浓度离开反应容器20的分离容器26的汽提段40。碳化催化剂通过废催化剂导管48离开反应容器20的分离容器26并以通过滑动阀51调节的速率进入再生容器50中。废催化剂导管48与提升器10的出口24下游连通。任选第一部分碳化催化剂通过废催化剂导管48离开分离容器26，而已在反应器提升器10中焦化的第二部分碳化催化剂离开反应容器20的分离容器26并以通过控制阀53调节的速率经过碳化催化剂导管52返回提升器10。任选碳化催化剂导管52与反应容器20下游连通且在碳化催化剂导管交点94与提升器10相交并限定提升器10的碳化催化剂入口97。碳化催化剂交点94为碳化催化剂导管52与提升器10交叉的最高点。碳化催化剂导管交点94在提升用气体分配器16上方，所以来自那里的提升用气体可使催化剂在提升器10中向上上升至进料注射器18。碳化催化剂导管52与提升器10的出口24下游连通并与提升器10的碳化催化剂入口97上游连通。
FCC方法的提升器10保持在高温条件下，其通常包括425℃(797°F)以上的温度。在一个实施方案中，反应区保持在裂化条件下，其包括提升器出口24处480-621℃(896-1150°F)的温度和69-517kPa(ga)(10-75psig)但通常小于275kPa(ga)(40psig)的压力。催化剂∶油的比基于进入提升器底部的催化剂和进料烃的重量可以为至多30∶1，但通常为4∶1-10∶1，并可以为7∶1-25∶1。通常不将氢气加入提升器中，尽管氢气加入是本领域中已知的。可使蒸汽以等价于进料的2-35重量％进入提升器10和反应容器20中。然而，通常蒸汽比率对于最大汽油生产为2-7重量％，对于最大轻质烯烃生产为10-15重量％。催化剂在提升器中的平均停留时间可以小于5秒。本方法中所用催化剂的类型可选自多种市售催化剂。包含沸石材料如Y型沸石的催化剂是优选的，但如果需要的话可使用老式无定形催化剂。另外，形状选择性添加剂如ZSM-5可包含在催化剂组合物中以提高轻质烯烃生产。
在过去几年中，FCC装置已被设计成日益更大的尺寸，因为精炼厂正设法更多地利用规模经济。当FCC反应器提升器也已日益设计成具有增加的直径时，壁安装的进料注射器与提升器的轴中心之间的距离增加。来自更大商业FCC装置的新近γ断层扫描数据显示来自环绕地安装在提升器壁周围的进料注射器的进料和蒸汽注射仅透入提升器内部0.6米(2英尺)。同样，我们发现直径大于1.2米(4英尺)的提升器可在提升器的轴中心中发展催化剂的高密度芯。高密度芯可以非常稳定且对于总提升器的显著部分是存在的。这产生几种执行缺陷。蒸气环的形成导致在提升器中心的热催化剂核化和在壁上增加的颗粒滑动和反混。代价是充分更高的干气和焦炭形成，和降低的烃进料转化率。
在本发明中，偏移介质分配器100将偏移介质分配至提升器10，在那里预期发展中心轴芯以使催化剂偏离提升器的中心并与烃进料接触。将偏移介质分配器与提升用气体分配器16和进料注射器18分开。
偏移介质分配器100最好地显示于图2中，所述图2为提升器10下端的近透视图。偏移介质分配器100包含管，所述管具有延伸到提升器10中的水平段102和与提升器10的轴中心(通过提升器10的中心线“A”显示)一致地竖直延伸的竖直段104。弯管103可连通水平段102和竖直段104。偏移介质分配器终止于竖直段104顶部的喷嘴106处。喷嘴106对准中心线A的轴中心。雾化装置108如内旋流叶片在图2中以虚影描绘于竖直段104的放大部分110内以剪切偏移介质并在它通过喷嘴106离开以前将它雾化。喷嘴106可以为圆锥体，其具有用于将偏移介质向上喷雾到催化剂的轴中心的开口上部基底。在一个实施方案中，喷嘴106的圆锥体的上部基底可将其中的开孔关闭。喷嘴106可具有其它合适的构造。具有锥形扣环的夹壳联轴器(split couplings)(未显示)可用于将偏移介质分配器100的装配组件固定在一起。支座112如例如通过焊接在偏移介质分配器100上而固定的管可由固定在与偏移介质分配器100的入口116相对的提升器10一侧的壁上的搁板114上以将偏移介质分配器100稳定在提升器10中。支座112可例如通过焊接在搁板114上而固定。偏移介质分配器100会经受来自向上流动的催化剂的严重腐蚀。因此，偏移介质分配器100、支座112和搁板114应由耐用材料如钨铬钴合金构成和/或涂有如提升器10内壁其余部分的耐熔物质。
偏移介质可以为氢气、干气、轻质石油气体(LPG)、石脑油或其它烃。蒸汽可用作偏移介质。当偏移介质进入提升器中并接触热催化剂时，它会膨胀。液体偏移介质会气化至更大体积。含烃偏移介质可裂化成更小的烃，由此提高它的摩尔数和它的体积。膨胀的偏移介质提供原动力以使热催化剂偏离更接近进料注射器的轴芯以改善烃进料与催化剂之间的接触。
还预期将烃作为烃进料通过偏移介质分配器100供入提升器10中。烃进料可以为由在出口36下游的分馏回收区中回收的来自提升器10的先前裂化产物再循环的轻质烃。石脑油和LPG可再循环至提升器10中以提高轻质烯烃的收率。在这种情况下，较轻的偏移介质可与轻质烃进料混合以充当雾化介质。烃进料和较轻雾化介质均充当偏移介质。雾化介质可与烃进料在偏移介质分配器100内或外部混合。在这种情况下，较轻的雾化介质应为气体，即使烃进料为液体或部分液体以实现烃进料的雾化。因此，当将轻质烃供入偏移介质分配器100中时，轻质烃如干气优于蒸汽作为雾化介质，因为相对于通过进料注射器18注入提升器10中的较重烃进料的通常较高温度，轻质烃雾化介质较不可能在轻质烃进料的较低温度下冷凝。用作偏移介质和雾化介质的干气可由先前在提升器10中裂化、在出口36下游的分馏回收区中回收并再循环至偏移介质分配器100的较轻气态烃得到。
进料注射器18适当地在提升用气体分配器16和偏移介质分配器100中的一个或两个上方。提升用气体分配器16使由进料注射器18下方的催化剂入口15和97进入的催化剂上升至进料注射器18。偏移介质分配器适当地在再生催化剂导管交点90和/或碳化催化剂导管交点94上方，所述交点一方面在提升用气体分配器16与偏移介质分配器100之间。本发明最有利的是在烃进料注射器水平处直径为至少1.2米(4英尺)的提升器，因为烃进料可由注射器18注入达不到中心线A显示的提升器中心的点。
转回图1，再生容器50与反应容器20下游连通。在再生容器50中，焦炭通过与含氧气体如空气接触而从转移至再生容器50中的碳化催化剂中燃烧以提供再生催化剂。再生容器50可以为燃烧器型再生器，其可在高效再生容器50中使用混杂湍流床-快速流化床条件以使碳化催化剂完全再生。然而，其它再生容器和其它流动条件可适于本发明。废催化剂导管48将碳化催化剂通过废催化剂入口滑槽62供入由外壁56限定的第一或下部室54中。来自反应容器20的碳化催化剂通常含有0.2-2重量％的量的碳，所述碳以焦炭的形式存在。尽管焦炭主要由碳组成，但它可含有3-12重量％的氢以及硫和其它材料。含氧燃烧气体(通常为空气)通过导管64进入再生容器50的下部室54中并通过分配器66分配。当燃烧气体进入下部室54中时，它接触由滑槽62进入的碳化催化剂并在快速流化流动条件下使催化剂以可能至少1.1m/s(3.5ft/s)的下部室54中燃烧气体的表观速度上升。在一个实施方案中，下部室54可具有48-320kg/m3(3-20lb/ft3)的催化剂密度和1.1-2.2m/s(3.5-7ft/s)的表观气体速度。燃烧气体中的氧接触碳化催化剂并使含碳沉积物从催化剂中燃烧以使催化剂至少部分再生并产生废气和再生催化剂。
在一个实施方案中，为加速焦炭在下部室54中的燃烧，可使来自上部或第二室70中的致密催化剂床59的热再生催化剂经由通过控制阀69调节的外部再循环催化剂导管67再循环至下部室54中。热再生催化剂通过入口滑槽63进入下部室54中。再生催化剂的再循环，通过将来自致密催化剂床59的热催化剂与进入下部室54中的来自废催化剂导管48的相对较冷的碳化催化剂混合，使下部室54中催化剂和气体混合物的总体温度上升。
下部室54中的催化剂和燃烧气体的混合物通过截头锥体过渡段57上升至下部室54的运输提升器段60中。提升器段60限定优选为圆柱形且优选由下部室54向上延伸的管。催化剂和气体的混合物以比下部室54中更高的表观气体速度行进。提高的气体速度是由于相对于过渡段57下方的下部室54横截面积降低的提升器段60的横截面积。因此，表观气体速度可通常超过2.2m/s(7ft/s)。提升器段60可具有小于80kg/m3(5lb/ft3)的较低催化剂密度。
再生容器50还可包含上部或第二室70。催化剂颗粒和烟道气的混合物从提升器段60的上部排到上部室70中。基本完全再生的催化剂可离开运输提升器段60的顶部，但还预期其中部分再生催化剂从下部室54离开的配置。排出通过分离装置72进行，所述分离装置将大部分再生催化剂与烟道气分离。在一个实施方案中，沿提升器段60向上流的催化剂和气体冲击提升器段60的椭圆形顶盖65并反向流动。催化剂和气体然后通过分离装置72的向下定向的排出口73离开。动量的突然损失和向下逆流导致大部分较重催化剂降至致密催化剂床59中且较轻烟道气和次要部分的催化剂仍夹带于其中以在上部室70中向上上升。旋风分离器82、84进一步将催化剂与上升气体分离并使催化剂通过浸入管85、86沉积在致密催化剂床59内。烟道气离开旋风分离器82、84并收集在增压室88中以进入再生容器50的出口喷嘴89中并可能进入烟道气或能量回收系统(未显示)中。致密催化剂床59中的催化剂密度通常保持在640-960kg/m3(40-60lb/ft3)。流化导管74通过流化分配器76将流化气体(通常为空气)输送至密集催化剂床59中。在燃烧器型再生器中，方法内总气体需求的不大于2％通过流化分配器76进入致密催化剂床59中。同样，加入气体不是用于燃烧目的，但仅用于流化目的，所以催化剂会通过催化剂导管67和12流动地离开。通过流化分配器76加入的流化气体可以为燃烧气体。在部分燃烧在下部室54中进行的情况下，将更大量的燃烧气体通过流化导管74供入上部室70中。
由下部室54排出的10-30重量％的催化剂存在于来自提升器段60的出口73上方的气体中并进入旋风分离器82、84中。再生容器50通常可需要10kg空气/kg除去的焦炭以实现完全再生。当更多的催化剂再生时，更大量的进料可在常规反应器提升器中加工。再生容器50通常具有在下部室54中594-704℃(1100-1300°F)和上部室70中649-760℃(1200-1400°F)的温度。来自致密催化剂床59的再生催化剂通过再生催化剂导管12由再生容器50输送回反应器提升器10中。再生催化剂通过控制阀14和再生催化剂导管12提供的入口15行进至提升器10中，当FCC方法继续时，它在那里再次接触进料。再生催化剂导管交点90在提升用气体分配器16上方，所以来自那里的提升用气体可使催化剂在提升器10中向上上升至进料注射器18。
我们还发现当碳化催化剂料流和再生催化剂料流均供入提升器10中时；它们在接触烃进料以前不倾向于混合。因此，进料可在改变的温度下遭遇催化剂，导致非选择性地裂化成具有相对更不理想的产物的组成。为确保碳化催化剂与再生催化剂之间的混合，再生催化剂导管交点90在碳化催化剂导管交点94上方且再生催化剂入口15在碳化催化剂入口97上方。蒸汽可对沸石催化剂具有脱铝作用且该脱铝作用随温度成比例地提高。通过使更冷的碳化催化剂在流化气体(其通常为来自喷嘴16的蒸汽)与来自再生催化剂导管12的再生催化剂之间到达提升器内，碳化催化剂具有在再生催化剂料流遭遇蒸汽以前将再生催化剂冷却的机会。因此，再生催化剂仅在使脱铝作用最小化的降低的温度下遭遇蒸汽。
没有进一步描述，相信本领域技术人员可使用先前的描述，最完整程度地使用本发明。因此，前述优选的具体实施方案应理解为仅是说明性的，且不以任何方式限制公开内容的其余部分。
在前文中，除非另有指出，所有温度以℃描述，所有份和百分数以重量计。
由先前描述中，本领域技术人员可容易地确定本发明的主要特征，且可不偏离其精神和范围地作出本发明的各种变化和改进以使它适于各种用途和条件。

Claims (10)

1.一种用于使催化剂与烃进料接触的设备，所述设备包括：提升器，其中所述烃进料与催化剂颗粒接触以催化裂化所述烃进料中的烃以产生较轻烃的气体产物和碳化催化剂；
用于将提升用气体分配至所述提升器的提升用气体分配器；
用于将偏移介质分配至所述提升器的偏移介质分配器；所述偏移介质分配器具有对准提升器轴中心的喷嘴；
用于将烃进料注入所述提升器中的进料注射器，所述进料注射器在所述提升用气体分配器和所述偏移介质分配器中的至少一个的上方。
2.根据权利要求1的设备，其进一步包括：
与所述提升器连通的再生容器，所述再生容器用于将来自碳化催化剂的碳与含氧气体燃烧以提供再生催化剂；
与所述再生器连通的再生催化剂导管；所述再生催化剂导管在所述提升用气体分配器上方的再生催化剂导管交点提供所述提升器的入口。
3.根据权利要求2的设备，其中所述偏移介质分配器在所述再生催化剂导管的所述交点的上方。
4.根据权利要求1的设备，其中所述偏移介质分配器包括延伸到所述提升器中并与所述提升器的轴中心一致地竖直延伸的管。
5.根据权利要求1的设备，其进一步包括与所述提升器连通的碳化催化剂导管，所述碳化催化剂导管在所述提升用气体分配器与所述偏移介质分配器之间的碳化催化剂导管交点提供与所述提升器交叉的入口。
6.根据权利要求1的设备，其中所述再生催化剂导管交点在所述碳化催化剂导管交点的上方。
7.根据权利要求1的设备，其中所述提升器在烃进料注射器水平处具有至少1.2m(4英尺)的直径。
8.根据权利要求1的设备，其中所述提升器具有至少10的纵横比。
9.根据权利要求1的设备，其中所述偏移介质分配器具有用于将偏移介质雾化的装置。
10.一种使催化剂与烃进料接触的方法，所述方法包括：
将提升用气体分配至提升器以使所述催化剂在所述反应器提升器中向上升；
将偏移介质分配至所述提升器的轴中心以使催化剂偏离提升器的中心；将烃进料注入所述提升器中；和
使所述烃进料与所述催化剂在所述反应器提升器中接触以将所述烃进料裂化以产生较轻气体烃。
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