CN102553496B - 一种试验用固定流化床反应器 - Google Patents

Abstract

一种试验用固定流化床反应器包括圆柱形的沉降段[I]和倒圆锥形的反应段[II]，圆柱形沉降段[I]与倒圆锥形反应段[II同径固定连接，圆柱形沉降段I的上端由顶盖法兰[1]密封，还包括用于冷却反应器内物料的冷却介质入口管[8]和冷却介质分布器[12]；由原料油进料管[6]、雾化蒸汽进料管[14]和隔热管[15]组成的同心圆组合套管；带有锥形凸起的隔栅板[16]以及用于底部卸出催化剂的锥形塞阀[19]。该反应器可同时适用于催化裂化和催化裂解反应，具有进料温度和状态恒定、原料油雾化良好、剂油接触充分、卸剂干净、反应压力稳定和原料适用范围广的特点，可以提高试验过程的安全性，以及试验结果的准确性与重复性。

Description

一种试验用固定流化床反应器

技术领域

本发明属于石油化工技术领域，主要涉及一种用于试验研究的固定流化床反应器。

背景技术

催化裂化工艺是将重油转化为汽、柴油和液化气等轻质产品的一种重油轻质化工艺，具有原料适应性强、目标产品收率高、经济效益好等特点，是国内外炼油行业核心的二次加工工艺之一。催化裂解工艺是在催化裂化工艺基础上开发的烯烃生产新技术，沿用了催化裂化的成熟工艺，利用高温、大剂油比、短停留时间和专用催化剂，生产以乙烯和丙烯为主的气体产品，已成为实现炼化一体化和提升炼油行业经济效益的重要手段。无论是催化裂化工艺，还是催化裂解工艺，新型催化剂的研制与评价、原料的筛选以及工艺条件的优化始终离不开试验装置。而此类试验装置的核心部分是反应器，主要分为固定床反应器、固定流化床反应器和循环流化床反应器等。其中，固定流化床反应器以其结构简单、造价低、热效率高、床层等温、操作和维修费用低等优点，在催化裂化和催化裂解的新型催化剂开发及工艺研究中取得了广泛的应用。

现有的试验用固定流化床反应器主要分为以下三种型式：第一类为直桶形反应器，如美国专利USP6,069,012所公开的固定流化床反应器。其结构简单，易于加工，低线速时催化剂流化较好，但在高线速时，催化剂床层会发生剧烈的湍动和节涌，造成床层温度波动，压力失稳，因此，该类反应器只适用于反应温度较低的常规催化裂化反应，而不适用于高温、大剂油比、高线速的催化裂解反应。第二类为上部圆柱形、下部倒圆锥形的反应器。如实用新型专利CN 2512495Y和实用新型专利CN 201042664Y所公开的固定流化床反应器。这类反应器结构比较简单，底部倒锥形设计有利于油气与催化剂的按触和混合，能够避免反应器内死床的发生，特别在底部设置了气体分布板，并在反应器中设置了隔栅板后，能够较好地解决高线速时催化剂的湍动和节涌，对于稳定床层的压力和温度起到了很好的作用。但这两个专利的共同技术缺陷有二：一是反应器中隔栅板均为开孔的平板结构，在催化剂流化过程中易在隔栅板未开孔部分的上表面积存，使部分催化剂不能与原料接触反应，影响了试验数据的准确性和卸剂的干净程度；二是反应油气出口温度高，其中的不饱和组分易在过滤器外表面聚合结焦，堵塞过滤器的微孔道，造成反应器压力上升，直接影响试验的准确度和安全性。此外，前者的催化剂加入剂口和卸剂口为反应器顶部的同一个口，卸剂时依靠气流从反应器吹出，存在卸剂不净的问题；后者的进料采用了内油外汽的套管式进料方式，虽然内管中的原料油温度较为稳定，但是外管中的水蒸汽(或雾化气)温度和体积仍会随反应器的温度变化而变化，影响原油料的雾化效果和试验结果的准确度。第三类为多段异径反应器。如实用新型专利CN 201064712Y、CN 2855524Y和CN 201143427Y所公开的固定流化床反应器。这类反应器主要用于高温、大剂油比和高线速的催化裂解反应。CN201064712Y所述的固定流化床反应器是CN 2512495Y的改进型，所不同的是将后者沉降段上部由圆柱状改为圆台状，以提高反应油气在上部高温部位的线速，缩短反应中间产物在催化剂稀相段的共存时间，有效地抑制小分子烯烃之间的缩聚反应，但是，该反应器存在卸剂不净、催化剂在隔栅板上表面积存以及反应油气在过滤器外表面结焦的问题。CN 2855524Y和CN 201143427Y采用形状和结构相同的反应器形式，从下到上依次为集气段、反应密相段、反应稀相段和扩大段，并在集气室顶部设置了气体分布板，这种结构可以使进料气体分布均匀，避免反应过程中催化剂的沟流、湍流现象发生，改善反应条件。二者的不同之处是，CN 201143427Y的反应器顶部向内设置了再生溶液喷雾头，以达到控制稀相段温度和为催化剂补铝的目的。但是这两个专利存在的共性缺点是：催化剂加入口和卸剂口为反应器顶部的同一个口，反应后的催化剂不易卸干净；进料口位于分布板的下方，且靠近分布板，原料油喷到高温分布板的下表面易产生粘附现象近而造成结焦，影响原料油与催化剂充分接触。此外，CN201143427Y通过位于反应器顶部的再生溶液喷雾头向反应器内喷入0.1mol/L的氯化铝溶液，易造成高温催化剂颗粒热崩，对催化剂的性能产生较大的影响。

综上所述，现有的几种典型的固定流化床反应器，在进料口与卸剂口的位置布置、隔栅板的形式、进料温度和状态维持以及抑制反应油气过滤器结焦等方面或多或少地存在一定的局限性。

发明内容

本发明的目的是针对现有的固定流化床反应器存在的不足，提供一种改进型的固定流化床反应器。该反应器具有进料温度和状态恒定、原料油雾化良好、剂油接触充分、卸剂干净、反应压力稳定、反应油气过滤器通畅的特点，可同时适用于催化裂化和催化裂解反应，拓宽原料的适用范围，提高试验过程的安全性及试验结果的准确性与重复性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种试验用固定流化床反应器包括圆柱形的沉降段和倒圆锥形的反应段，圆柱形沉降段与倒圆锥形反应段同径固定连接，圆柱形沉降段的上端由顶盖法兰密封，还包括用于冷却反应器内物料的冷却介质入口管和冷却介质分布器；由原料油进料管、雾化蒸汽进料管和隔热管组成的同心圆组合套管；带有锥形凸起的隔栅板以及用于底部卸出催化剂的锥形塞阀。

所述的冷却介质分布器位于反应器内沉降段的上部，与冷却介质入口管相连并固定在顶盖法兰的下表面上，冷却介质分布器由空心管加工而成，形状为单圈圆环状或椭圆状或多圈圆环状或树枝状，未端密封，在空心管下部开有若干小孔。

所述的隔栅板置于反应段与沉降段的结合部，固定在由原料油进料管、雾化蒸汽进料管和隔热管组成的同心圆组合套管上，其直径略小于沉降段的内径，隔栅板的未开孔部分为向上凸起的锥形结构，其底角α为30°～70°。

所述的组合套管穿过顶盖法兰的中心，其结构从内向外依次为原料油进料管、雾化蒸汽进料管和隔热管；原料油进料管、雾化蒸汽进料管顶部互不相通，其下部在与雾化喷嘴连接处相通；隔热管的长度略小于雾化蒸汽进料管，其两端与雾化蒸汽进料管的外壁密封。

所述的锥形塞阀固定在反应段底部，其阀芯结构为圆锥形。

所述的顶盖法兰上设有压力表。

所述的冷却介质体为氮气、氦气或饱和水蒸汽等惰性介质。

所述的固定流化床反应器沉降段的高径比，倒圆锥形反应段的锥角和高度，热电偶套管的插入深度，催化剂加料口、反应油气过滤器以及顶盖法兰的形式均采用本领域此类反应器的惯常设计。

本发明具有如下的有益效果：(1)在反应段底部设置锥形塞阀及催化剂卸料管，密封效果好，既可以防止卸剂阀高温卡死，又可以使催化剂顺利而干净地卸出。(2)在沉降段与反应段结合部设置上表面带有锥形凸起的开孔隔栅板，能够破坏反应器床层中形成的大气泡，改善催化剂的流化状态；锥形凸起能够有效防止沉降段下落的催化剂积存，使其重新回到反应段，有利于催化剂与原料油充分接触，提高试验数据的平行性，并为催化剂完全卸出奠定了基础；同时，这种结构布置有助于提高隔栅板的稳定性。(3)在沉降段上部设置冷却介质分布器，可以在反应过程中向反应器上部吹入惰性冷却介质体，对沉降段上部的高温油气强制降温，减少其中的不饱和组分在反应油气过滤器表面上的聚合结焦倾向，保证油气过滤器通畅，从而达到适应高温反应、稳定反应压力、改善流化效果的目的，增强该固定流化床反应器对催化裂解反应和不同品质原料的适应性。(4)原料油进料管、雾化蒸汽进料管和隔热管所采用的同心圆组合套管结构，大大地减少反应器内高温对原料油和雾化蒸汽的影响，避免原料油在进料管和雾化喷嘴处结焦，保证试验过程中原料油的温度和雾化状态稳定，延长试验时间，拓宽原料的适应范围，提高试验的成功率。(5)在反应器顶部设置压力表，可以随时监控反应器内的压力，提高了试验过程的安全性。

附图说明

图1为本发明固定流化床反应器的结构示意图。

图中，I、沉降段，II、反应段，1、顶盖法兰，2、顶盖螺栓，3、催化剂加料口，4、热电偶套管，5、雾化蒸汽入口，6、原料油进料管，7、反应油气导出管，8、冷却介质入口管，9、压力表，10、下法兰，11、反应油气过滤器，12、冷却介质分布器，13、冷却介质喷射孔，14、雾化蒸汽进料管，15、隔热管，16、隔栅板，17、隔栅板开口，18、雾化喷嘴，19、锥形塞阀，20、阀座螺栓，21、催化剂卸料管，22、阀芯，23、阀杆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更详细的说明，其目的在于更好地说明本发明的内容，但本发明的保护范围不受所举之例的限制。

如图1所示，一种试验用固定流化床反应器由圆柱形的沉降段I和倒圆锥形的反应段II组成，圆柱形沉降段I的下部与倒圆锥形反应段II的上部同径并焊接固定连接。圆柱形沉降段I的上端由顶盖法兰1密封，顶盖法兰1与设置在沉降段I顶部外侧的下法兰10固定连接。在顶盖法兰1上设有催化剂加料管3，热电偶套管4，压力表9，由原料油进料管6、雾化蒸汽进料管14和隔热管15组成的同心圆组合套管，以及置于该顶盖法兰1上下两侧且相互连通的反应油气导出管7和反应油气过滤器11、冷却介质入口管8和冷却介质分布器12。所述同心圆组合套管的上端穿过顶盖法兰1、下端位于倒圆锥形反应段II内，在同心圆组合套管的下端连接有雾化喷嘴18，该雾化喷嘴18是常规产品。组合套管的结构从内向外依次为原料油进料管6、雾化蒸汽进料管14和隔热管15，原料油进料管6、雾化蒸汽进料管14顶部互不相通，其下部均与雾化喷嘴18连接处相通。为了便于密封焊接，隔热管15的长度略小于雾化蒸汽进料管14，其两端与雾化蒸汽进料管14的外壁密封，在雾化蒸汽进料管14顶部侧向设有雾化蒸汽入口5。反应油气过滤器11和冷却介质分布器12位于反应器沉降段I的内腔上部，反应油气过滤器11以螺纹压紧方式固定在顶盖法兰1的下表面上，冷却介质分布器12以焊接方式固定在顶盖法兰1的下表面上，反应油气过滤器11的作用是实现反应油气与催化剂分离；冷却介质分布器12的作用是向反应器上部喷入惰性气体，使反应油气降温，从而达到抑制反应油气过滤器11外表面堵塞，稳定反应压力和温度的目的。所述冷却介质分布器12由入口管和分布管两部分组成，入口管和分布管相通，分布管为空心管加工而成，其上均布若干用于喷出冷却介质的喷射孔或喷射管。分布管形状为单圈环状或螺旋状或多圈圆环状或树枝状，其未端密封。在沉降段I与反应段II内的结合部设有隔栅板16，该隔栅板固定在组合套管上，直径略小于沉降段I的内径。所述隔栅板16的主体为板状结构，在垂直于板面方向上均匀地开若干小孔，所开小孔的形状为圆形或椭圆形或三角形或正方形或长方形或其它多边形的一种或多种，优选圆形或椭圆形或三角形或长方形或正方形小孔。隔栅板的上表面未开孔部分加工成锥形凸起，其底角α为30°～70°，优选40°～60°，下表面为平面结构。在反应段II的底部设有由阀座、阀芯22、阀杆23和相应的密封组件组成锥形塞阀19，阀芯22结构为圆锥形，所述锥形塞阀19通过阀座螺栓20固定在反应段II的底部，锥形塞阀19的出口与催化剂卸剂管21相通。

上述固定流化床反应器沉降段的高径比，倒圆锥形反应段的锥角和高度，热电偶套管的插入深度，催化剂加料口、反应油气过滤器以及顶盖法兰的形式均采用本领域此类反应器的惯常设计。

本发明在试验开始时，关闭锥形塞阀19，经过称重的催化剂通过催化剂加料口3加入反应器中，将反应器升温到反应温度。将加热到预定温度的原料油从原油料进料管6自上而下引入，加热到预定温度的雾化蒸汽从雾化蒸汽入口5进入，沿原料油管6和雾化蒸汽进料管14组成的环形空间与原料油同向下行，两者在雾化喷嘴18处相遇，原料油被分散为微小的液滴，从雾化喷嘴18高速喷出，迫使反应段II底部静止的催化剂床层流化起来。原料油微滴与高温催化剂接触发生裂化反应，反应油气和雾化蒸汽组成的混合气体夹带着部分催化剂向上运动，通过隔栅板开孔17进入沉降段I中，由于此段的平均直径大于反应段II的平均直径，上升气流线速降低，夹带的催化剂颗粒逐渐发生沉降分离，下落的催化剂通过隔栅板开孔17重新落入反应段II中。由于隔栅板16上表面未开孔部分为锥形，下降的催化剂不会在隔栅板16上积存，从而提高了催化剂参与反应的均等性和试验结果的准确性。上升的高温油气与冷却介质分布器12向下喷出的冷却介质(氮气、氦气或饱和水蒸汽)相遇并混合，其温度降低，结焦倾向明显受到抑制，降温后的混合气体透过反应油气过滤器11的孔道进入反应油气导出管7，进入油气收集和计量系统。

反应结束后，停止进油，按照常规的方法进行催化剂汽提和烧焦，汽提过程得到的残留油气并入反应油气中，烧焦过程产生的烟气经冷却后进入烟气系统进行冷却、计量和组成分析。

上述试验过程完成后，如需用再生催化剂继续进行试验，可按上述步骤重新进行；如果要卸出反应器中的催化剂，待自然降温后，打开反应器底部的锥形塞阀19，沿催化剂卸料管21卸净反应器中的催化剂即可。

Claims (6)

1.一种试验用固定流化床反应器，包括圆柱形的沉降段[I]和倒圆锥形的反应段[II]，圆柱形沉降段[I]与倒圆锥形反应段[II]同径固定连接，圆柱形沉降段[I]的上端由顶盖法兰[1]密封，其特征在于：还包括用于冷却反应器内物料的冷却介质入口管[8]和冷却介质分布器[12]；由原料油进料管[6]、雾化蒸汽进料管[14]和隔热管[15]组成的同心圆组合套管；带有锥形凸起的隔栅板[16]以及用于底部卸出催化剂的锥形塞阀[19]。

2.根据权利要求1所述的试验用固定流化床反应器，其特征在于：所述的冷却介质分布器[12]位于反应器内沉降段[I]的上部，与冷却介质入口管[8]相连并固定在顶盖法兰[1]的下表面上，冷却介质分布器[12]由空心管加工而成，形状为单圈圆环状或椭圆状或多圈圆环状或树枝状，未端密封，在空心管下部开有若干小孔。

3.根据权利要求1所述的试验用固定流化床反应器，其特征在于：所述的隔栅板[16]置于反应段[II]与沉降段[I]的结合部，固定在由原料油进料管[6]、雾化蒸汽进料管[14]和隔热管[15]组成的同心圆组合套管上，其直径略小于沉降段[I]的内径，隔栅板[16]的未开孔部分为向上凸起的锥形结构，其底角α为30°～70°。

4.根据权利要求1所述的试验用固定流化床反应器，其特征在于：所述的组合套管穿过顶盖法兰[1]的中心，其结构从内向外依次为原料油进料管[6]、雾化蒸汽进料管[14]和隔热管[15]；原料油进料管[6]、雾化蒸汽进料管[14]顶部互不相通，其下部在与雾化喷嘴[18]连接处相通、两端与雾化蒸汽进料管[14] 的外壁密封。

5.根据权利要求1所述的试验用固定流化床反应器，其特征在于：所述的锥形塞阀[19]固定在反应段[II]底部，其阀芯[22]结构为圆锥形。

6.根据权利要求1或2所述的试验用固定流化床反应器，其特征在于：在所述的顶盖法兰[1]上设有压力表[9]。 

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