CN103113914A - 一种颗粒可预分配的催化裂化外取热器 - Google Patents

Abstract

一种颗粒可预分配的催化裂化外取热器，适用于炼油厂催化裂化装置，其特征在于：外取热器(4)内部设置有多根具有单独进水口和出水口的单元式换热管(6)，换热管(6)从外取热器(4)的顶部一直延伸至底部，其底端设置有限制换热管(6)横向摆动的导向支架(2)。换热管(6)下部浸没在外取热器(4)底部的密相流化床(11)中。从外取热器(4)中部催化剂进口(10)进来的热催化剂颗粒首先进入到一个环形流化床(17)中，利用环形流化床(17)对颗粒的预分配作用使热颗粒从环形流化床(17)内侧边壁(15)上缘或内侧边壁(15)上设置的溢流槽口(19)均匀地流入密相流化床(11)中。在密相流化床(11)中，热颗粒通过和换热管(6)的边壁接触冷却后再从外取热器(4)底部的催化剂出口(1)流出。密相流化床(11)的流化气体从底部的气体分布器(2)引入，经过密相流化床(11)后和环形流化床(17)的流化气体混合后再一并通过外取热器(4)顶部设置的气体出口(7)进入到催化裂化装置再生器的稀相空间。

Description

一种颗粒可预分配的催化裂化外取热器

技术领域

本发明涉及一种颗粒可预分配的催化裂化外取热器，属于石油加工技术领域。

技术背景

流化催化裂化是国内炼油企业最核心的轻质油品生产工艺之一，它利用分子筛催化剂将低价值的重质原料(蜡油或渣油)裂解成高价值的轻质油品，如汽油、柴油和液化石油气等。在国内，流化催化裂化工艺的核心地位更加突出，它生产了70～80％的商品汽油、约30％的商品柴油以及约30％的丙烯。

催化裂化工艺的一大特点是系统热平衡，即吸热的裂化反应过程所需的热量由放热的烧焦再生过程提供。随着催化裂化原料的重质化和劣质化，装置生焦量以及烧焦再生释放的热量不断增大，已经超过了反应系统的所需的热量，因此，再生系统内安装取热设备逐渐成为重油催化裂化装置实现热平衡不可或缺的一种手段。这类取热设备中热催化剂将和具有液态水流的钢管接触，使管内的液体水变成饱和蒸汽，从而达到取走热量的目的。

由于负荷调节灵活、适应性和可靠性更强，设置在再生器外的催化剂取热器(简称外取热器)获得了更为广泛的应用。工业中应用外取热器有很多型式，其中颗粒从上往下流动的密相外取热器(简称密相下行式外取热器)应用最为广泛，这主要由于其具有取热效率更高、流化空气用量少、调节灵活等特性。根据颗粒循环量调节方式的不同，密相下行式外取热器又可以分为阀控式和气控式两类。

目前，国内应用的密相下行式外取热器一般采用具有单独进水口和出水口的单元式换热管，换热管从外取热器的顶部一直延伸至底部，其目的是当某一个换热管出现损坏时可单独关闭，尽管取热负荷有所降低，但整个外取热器还可以继续使用。常见的单元式换热管如中国专利CN1016271B提出的带有分支管的套管式换热管(又称鼠笼式换热管)、中国专利CN1015901B及CN1023078C中使用的普通套管式换热管、中国专利CN2515637Y提出的带有钉头强化换热元件的套管式换热管、中国专利CN2760486Y、CN201229140Y和CN201229141Y提出的带有纵向翅片强化换热元件的套管式换热管。

在目前工业中常用的密相下行式外取热器内，由于换热管排布通常比较紧密(换热管所占横截面积可占外取热器筒体横截面的30～50％)，从进口流入的颗粒不可避免地会对换热管造成冲刷，长期就会造成换热管的冲蚀磨损甚至穿孔失效。尤其当催化剂进口位置位于密相床层料面以上的稀相空间时，这种冲蚀作用更为严重。另一方面，由于密集排布的换热管强化了流化床的壁面效应，限制了颗粒的横向扩散，致使进口侧的热催化剂颗粒很难均匀分散在整个外取热器横截面上。再加上外取热器颗粒出口往往位于催化剂进口一侧，很容易使热颗粒在催化剂进口侧形成短路，造成进口侧附近的换热管取热负荷过大，而远离催化剂进口侧的换热管取热负荷过小。取热负荷大的换热管很可能形成干烧，使局部壁面温度过高，甚至可能超过换热管钢材的受热极限，造成换热管材料失效和爆管泄漏事故。换热管取热负荷不均的另一个危害是可能造成换热管拉裂。由于外取热器底部换热管末端一般都设有导向支架，用以限制换热管的径向位移，起到减振的作用，但这样也限制了换热管之间沿取热器高度方向的相对位移。当换热管取热负荷不均匀时，由于管壁温度不同各换热管的膨胀量将会不同，如果导向支架设计的膨胀余量不够的话，势必会拉伸或压缩个别换热管。情况严重时，很可能在换热管、导向支架的薄弱处形成断裂，甚至造成局部换热管的失效。

中国专利CN2760486Y、CN201229140Y和CN201229141Y对目前工业中常用的长翅片换热管进行了改进，通过采用周向螺旋排布的短翅片、设置膨胀缝、采用非均匀宽度的翅片、增设翅基等措施，以解决长翅片换热管上易出现由于应力集中而导致的裂纹，从而达到提高换热管强度和延长换热管使用寿命的目的。中国专利CN2515637Y提出在常用的套管式单元换热管外壁焊接钉形强化换热元件，以改善翅片式换热管在密相流化床中容易出现管壁颗粒滞留层的问题，从而达到提高换热管换热系数的目的。另外，相比片状翅片，使用钉形强化换热元件也减少了换热管上的焊缝长度，从而缓解了换热管壁应力集中开裂的问题。总体上，虽然上述专利均能在一定程度上改善密相下行式外取热器的可靠性，但并不能对有效改善这类外取热器中存在的换热管取热负荷不均所造成的可靠性下降问题，也不能彻底解决换热管的颗粒冲蚀问题。

发明内容

本发明的目的是在现有技术的基础上，提出一种颗粒可预分配的催化裂化外取热器，通过实现热催化剂颗粒在外取热器横截面上更为均匀的分布，使各换热管的取热负荷更加均匀。另外，本发明还可以从根本上缓解进口颗粒对换热管造成的冲蚀问题。总之，本发明所述催化裂化外取热器可以显著提高设备的可靠性并延长其使用寿命。具体实施方案如下：

1.一种颗粒可预分配的催化裂化外取热器，所述外取热器(4)包括换热管(6)，催化剂出口(1)，催化剂进口(10)，气体分布器(2)，气体出口(7)，每根换热管(6)具有单独的进水口(8)和出水口(9)，换热管(6)从外取热器(4)的顶部一直延伸至底部，换热管(6)下部浸没在外取热器(4)底部的密相流化床(11)中，其特征在于，外取热器(4)中还包括环形流化床(17)，从催化剂进口(10)进入外取热器(4)的热催化剂颗粒首先经过环形流化床(17)的预分配后，再均匀地流入密相流化床(11)中。

2.如权利要求1所述的颗粒可预分配的催化裂化外取热器，其特征在于，热催化剂颗粒经过环形流化床(17)的预分配后，从环形流化床(17)内侧边壁(15)上缘均匀地流入密相流化床(11)中。

3.如权利要求1所述的颗粒可预分配的催化裂化外取热器，其特征在于，热催化剂颗粒经过环形流化床(17)的预分配后，从环形流化床(17)内侧边壁(15)上设置的溢流槽口(19)均匀地流入密相流化床(11)中。

4.如权利要求2或3所述的颗粒可预分配的催化裂化外取热器，其特征在于，环形流化床(17)内侧边壁(15)顶端不低于催化剂进口(10)上缘，且内外侧均设置有耐磨衬里。

5.如权利要求1-4任一项所述的颗粒可预分配的催化裂化外取热器，其特征在于，外取热器(4)催化剂进口(10)上部增设一段比底部密相流化床(11)更大直径的扩大段(16)。

6.如权利要求5所述的颗粒可预分配的催化裂化外取热器，其特征在于，扩大段(16)一直延伸至外取热器(4)顶部，或者仅外取热器(4)催化剂进口(10)上部的一段增设扩大段(16)。

7.如权利要求1-6任一项所述的颗粒可预分配的催化裂化外取热器，其特征在于：环形流化床(17)底部设置气体分布板(14)或设置气体分布管(18)。

8.如权利要求3所述的颗粒可预分配的催化裂化外取热器，其特征在于，溢流槽口(19)面向密相流化床(11)的一侧设有防冲罩(20)。

9.如权利要求1-8任一项所述的颗粒可预分配的催化裂化外取热器的应用，热催化剂颗粒通过和换热管(6)的边壁接触冷却后再从外取热器(4)底部的催化剂出口(1)流出，密相流化床(11)的流化气体从底部的气体分布器(2)引入，经过密相流化床(11)后和环形流化床(17)的流化气体混合，从气体出口(7)离开外取热器(4)。

10.如权利要求9所述的颗粒可预分配的催化裂化外取热器的应用，其特征在于，密相流化床(11)的表观气速为0.1～0.8m/s，环形流化床(17)的表观气速为0.03～0.3m/s。

通过上述措施，进入外取热器的热颗粒将从密相流化床外围多点进入密相流化床内。环形流化床的合理设计还可以进一步改善从各点进入外取热器密相床层的颗粒流率的均匀性。相比传统的单颗粒入口外取热器，颗粒在外取热器横截面上分布的均匀性将大大改善，从而使各换热管的取热负荷更加均匀，可大大减缓一系列由此引起的设备失效问题，降低设备故障率并延长其使用寿命。另一方面，由于环形流化床、溢流槽口以及防冲罩的设置，也可以从根本上减缓催化剂进口侧颗粒对换热管的直接冲刷，避免了由此引起的换热管冲蚀失效问题。

本发明可用于所有需要利用冷却催化剂取走多余热量的催化裂化装置，不仅可以替换或改造现有的密相下行式外取热器，也可以替代其他类型的换热设备(包括内取热器)，以增强催化裂化装置取热设备的可靠性并延长其使用寿命。

附图说明

图1为普通催化裂化密相下行式外取热器的一种典型型式；

图2为本发明催化裂化外取热器的一种典型型式；

图3为本发明催化裂化外取热器的另一种典型型式；

图4为本发明催化裂化外取热器的另一种典型型式；

图5为本发明催化裂化外取热器的另一种典型型式；

图6为环形流化床内侧边壁上颗粒溢流槽口的示意图；

图7为一种改进的颗粒溢流槽口示意图。

图中：1-催化剂出口，2-密相流化床气体分布器，3-导向支架，4-外取热器，5-传热强化元件，6-换热管，7-气体出口，8-换热管进水口，9-换热管出水口，10-催化剂进口，11-密相流化床，12-环形流化床流化风入口，13-环形流化床流化风预分布腔，14-环形流化床底部气体分布板，15-环形流化床内侧边壁，16-扩大段，17-环形流化床，18-环形流化床底部气体分布管，19-溢流槽口，20-防冲罩。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明所提供的颗粒可预分配的催化裂化外取热器的结构特点及其使用方法，但本发明并不因此而受到任何限制。

对比例1

图1给出了普通催化裂化密相下行式外取热器的一种典型形式，如图所示，该型外取热器实际上是一个设置有多根单元式换热管的流化床，包括催化剂出口(1)、密相流化床气体分布器(2)、导向支架(3)、传热强化元件(5)、换热管(6)、气体出口(7)、换热管进水口(8)、换热管出水口(9)、催化剂进口(10)等结构。换热管(6)从外取热器(4)的顶部一直延伸至底部，换热管(6)底部段浸没在外取热器(4)底部的密相流化床(11)中。热催化剂颗粒D从外取热器(4)中部的催化剂进口(10)流入到密相流化床(11)中，和换热管(6)壁接触冷却后，冷催化剂E再从底部的催化剂出口(1)流出。密相流化床(11)的流化气体C从底部的气体分布器(2)引入，经过密相流化床(11)后通过气体出口(7)离开外取热器(4)。为了提高外取热器(4)的取热负荷，常采用在换热管(6)上焊接传热强化元件(5)(如翅片或钉头传热强化元件等)以增加传热面积。通常，换热管(6)为套管式设计，液体水A从换热管进水口(8)进入，到达换热管底部后折流向上，和热催化剂换热后一部分液态水变成饱和蒸汽，最后气液混合物B从连接环形通道的换热管出水口(9)离开。

在此外取热器中，从催化剂进口(10)流入外取热器(4)中的热催化剂颗粒D会冲刷换热管(6)，长期就会造成换热管的冲蚀磨损甚至穿孔失效。尤其当催化剂进口(10)位置位于密相流化床(11)料面以上的稀相空间时，这种冲蚀作用将更为严重。另外，密集排布的换热管会限制颗粒的横向扩散，致使热颗粒很难均匀分散在整个外取热器的横截面上，再加上外取热器催化剂出口(1)往往位于催化剂进口(10)一侧，很容易使热颗粒在催化剂进口(10)侧形成短路流，造成附近的换热管取热负荷过大，而远离催化剂进口侧的换热管取热负荷较小。取热负荷大的换热管可能形成干烧，致使局部壁面温度过高，甚至可能超过换热管材料的受热极限，造成管壁材料失效和爆管事故。另外，取热负荷不均可能导致各换热管(6)管壁温度和膨胀量的不同，当导向支架(3)设计不合理时，其对换热管(6)纵向相对位移的限制和束缚作用将拉伸或压缩个别换热管，情况严重时，可能在换热管(6)、导向支架(3)的薄弱处形成断裂甚至造成局部换热管的失效。

实施例1

图2给出了本发明催化裂化外取热器的一种典型型式，它和图1所示的普通外取热器不同的地方在于：从外取热器(4)中部催化剂进口(10)进来的热催化剂颗粒D首先进入到一个环形流化床(17)中，热催化剂颗粒D进入环形流化床(17)后在流化风F的作用下迅速分散在环形流化床(17)的横截面上，然后再从环形流化床(17)内侧边壁(15)的上缘溢流进入密相流化床(11)中。流化风F从气体入口(12)首先进入流化风预分布腔(13)中，再通过底部设置的气体分布板(14)进入环形流化床(17)中。密相流化床(11)的流化气体C从底部的气体分布器(2)引入，经过密相流化床(11)后和环形流化床(17)的流化气体F混合后再一并从气体出口(7)离开外取热器(4)。在该外取热器(4)中，底部密相流化床(11)的表观气速范围为0.1～0.8m/s。环形流化床(17)的表观气速范围为0.03～0.3m/s。环形流化床(17)内侧边壁(15)的顶端应不低于催化剂进口(10)上缘，且内外侧均设置有耐磨衬里，以避免催化剂进口(10)进入的热催化剂颗粒D对换热管(6)的冲蚀。为方便环形流化床(17)的设置，可在外取热器(4)催化剂进口(10)上部增设一段比底部密相流化床(11)更大直径的扩大段(16)。

和图1所示的外取热器(4)相比，进入外取热器(4)的热催化剂颗粒D将从密相流化床(11)的外缘多点进入床内，环形流化床(17)的合理设计还可以进一步提高各点进入密相流化床(11)颗粒流率的均匀性，相比之下，热催化剂颗粒在外取热器(4)横截面上分布的均匀性将大大提高，从而使各换热管(6)的取热负荷更加均匀，可大大减缓一系列由此引起的设备失效问题，降低设备故障率并延长其使用寿命。另一方面，由于环形流化床(17)的设置，也可以从根本上减缓了催化剂进口(10)颗粒D对换热管(6)的直接冲刷，避免了由此引起的冲蚀失效问题。

实施例2

图3给出了本发明催化裂化外取热器的另一种典型型式。总体上，该设计和图2所示的外取热器基本一致，不同之处在于环形流化床(17)底部设置了气体分布管(18)，而非图2中所示的气体分布板(14)。相比之下，该设计较图2所示的方案结构更为简单。

实施例3

图4给出了本发明催化裂化外取热器的另一种典型型式，该设计和图3所示的外取热器基本一致，不同之处在于扩大段(16)的设计，和图2和图3所示的外取热器结构不同的是，该设计中扩大段(16)没有一直延伸至外取热器(4)顶部，而仅为局部一段，再向上的外取热器(4)直径又过渡为和密相流化床(11)相同的直径，该结构比较适宜于针对已有外取热器的改造。

实施例4

在图5所示结构中，环形流化床(17)内置在密相流化床(11)中，焊接在密相流化床(11)的器壁上，环形流化床(17)底部设置了气体分布管(18)或图2中所示的气体分布板结构。

实施例5

在图2至图5所示的不同外取热器结构中，热催化剂颗粒D是从环形流化床(17)内侧边壁(15)的上缘溢流进入密相流化床(11)中，为了更好地控制热催化剂颗粒D从环形流化床(17)向密相流化床(11)的流动，可以设置如图4所示的颗粒溢流槽口(19)。图6是沿图2中M-M向的剖视图，如图所示，这些颗粒溢流槽口(19)实际上是在环形流化床(17)内侧边壁(15)上开设的豁口，豁口的位置优选设在两个换热管(6)之间的位置，以进一步减缓颗粒可能对换热管(6)的冲蚀。

实施例6

图7显示了一种改进的颗粒溢流槽口的示意图，和图4相比，所有颗粒溢流槽口(19)面向密相流化床(11)的一侧均焊接有防冲罩(20)，其目的是改变颗粒流动方向，以进一步减缓颗粒横向流动对换热管(6)的冲蚀。

Claims (10)

1.一种颗粒可预分配的催化裂化外取热器，所述外取热器(4)包括换热管(6)，催化剂出口(1)，催化剂进口(10)，气体分布器(2)，气体出口(7)，每根换热管(6)具有单独的进水口(8)和出水口(9)，换热管(6)从外取热器(4)的顶部一直延伸至底部，换热管(6)下部浸没在外取热器(4)底部的密相流化床(11)中，其特征在于，外取热器(4)中还包括环形流化床(17)，从催化剂进口(10)进入外取热器(4)的热催化剂颗粒首先经过环形流化床(17)的预分配后，再均匀地流入密相流化床(11)中。

2.如权利要求1所述的颗粒可预分配的催化裂化外取热器，其特征在于，热催化剂颗粒经过环形流化床(17)的预分配后，从环形流化床(17)内侧边壁(15)上缘均匀地流入密相流化床(11)中。

3.如权利要求1所述的颗粒可预分配的催化裂化外取热器，其特征在于，热催化剂颗粒经过环形流化床(17)的预分配后，从环形流化床(17)内侧边壁(15)上设置的溢流槽口(19)均匀地流入密相流化床(11)中。

4.如权利要求2或3所述的颗粒可预分配的催化裂化外取热器，其特征在于，环形流化床(17)内侧边壁(15)顶端不低于催化剂进口(10)上缘，且内外侧均设置有耐磨衬里。

5.如权利要求1-4任一项所述的颗粒可预分配的催化裂化外取热器，其特征在于，外取热器(4)催化剂进口(10)上部增设一段比底部密相流化床(11)更大直径的扩大段(16)。

6.如权利要求5所述的颗粒可预分配的催化裂化外取热器，其特征在于，扩大段(16)一直延伸至外取热器(4)顶部，或者仅外取热器(4)催化剂进口(10)上部的一段增设扩大段(16)。

7.如权利要求1-6任一项所述的颗粒可预分配的催化裂化外取热器，其特征在于：环形流化床(17)底部设置气体分布板(14)或设置气体分布管(18)。

8.如权利要求3所述的颗粒可预分配的催化裂化外取热器，其特征在于，溢流槽口(19)面向密相流化床(11)的一侧设有防冲罩(20)。

9.如权利要求1-8任一项所述的颗粒可预分配的催化裂化外取热器的应用，热催化剂颗粒通过和换热管(6)的边壁接触冷却后再从外取热器(4)底部的催化剂出口(1)流出，密相流化床(11)的流化气体从底部的气体分布器(2)引入，经过密相流化床(11)后和环形流化床(17)的流化气体混合，从气体出口(7)离开外取热器(4)。

10.如权利要求9所述的颗粒可预分配的催化裂化外取热器的应用，其特征在于，密相流化床(11)的表观气速为0.1～0.8m/s，环形流化床(17)的表观气速为0.03～0.3m/s。

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