CN105727845A - 一种用于重油加氢裂化的双固相悬浮床反应器及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于重油加氢裂化的双固相悬浮床反应器，包括壳体、锥形底、导流筒和喷嘴，壳体顶部设有物料出口，锥形底设在壳体底部，导流筒同轴设置在壳体内且两端开口，喷嘴设置在锥形底底部；的喷嘴具有松动气出口孔、驱动气出口和液体出口，且松动气出口孔贴近锥形底底部，驱动气出口和液体出口高出所述的松动气出口孔。本发明还公开双固相悬浮床反应器在重油加氢裂化工艺中的应用。本发明的反应器，同时使用两种不同粒径的催化剂，低活性的微米级细颗粒催化剂起到吸焦、吸金属的作用，并在操作中随液相物料一起排出；高活性的百微米级粗颗粒催化剂，在反应中始终保持高活性，并长期滞留在反应器中参与反应，提高了催化剂的使用效率。

Description

一种用于重油加氢裂化的双固相悬浮床反应器及其应用

技术领域

本发明属于煤化工领域，具体涉及一种用于煤焦油、渣油和重油加氢裂化的双固相悬浮床反应器及其应用。

背景技术

重油指沸点大于350℃的烃类组分，在煤焦油、渣油、重质原油中占有很大比例，重油深加工多采用加氢裂化工艺，其核心装置是加氢反应器。现有的加氢反应器包括固定床、沸腾床和悬浮床。传统固定床加氢反应器存在压降大、反应器内温度分布不均、催化剂易失活等缺点，只能适用于轻质重油或馏分油的加氢。而沸腾床和悬浮床反应器能够处理劣质渣油和重质原油，成为了近年来的研究热点。

常见的沸腾床加氢反应器是一种气液固三相流化床，使用数百微米级的粗颗粒催化剂，在操作时气液同时进料使催化剂床层膨胀，催化剂持留在反应器内，不随液体出料而带出。沸腾床反应器具有反应器内温度分布均匀，重油转化率高，原料适应性强等优点，但也存在设备复杂，催化剂易生焦积碳、易吸附重金属而失活的问题。悬浮床加氢反应器使用微米级一次性细颗粒催化剂，催化剂和液相形成浆态相同时进料，催化剂利用效率高，反应器具有转化率高，温度分布均匀等优点，但是细颗粒催化剂无法持留在反应器内，容易随物料一起排出，催化剂回收困难。

现有技术中，中国专利CN103265971A公开了一种非均相煤焦油悬浮床加氢工艺，使用含钼、镍、钴、钨或铁的单金属活性组分或复合多金属组分的粒径为1-100μm的粉状催化剂制备催化剂油浆并与煤焦油及氢气等一同通入一个或多个串联的悬浮床加氢反应器制备轻质油，该工艺中使用的催化剂成本较高且容易跑损；中国专利CN1362477A公开了一种采用沸腾床加工劣质油的工艺技术，该技术中使用流体分布盘或筛板将沸腾床反应器分成不同的反应区，并控制各个反应区的催化剂膨胀比和催化剂置换速度以达到催化剂充分发挥活性的目的，但该反应器结构与操作都比较复杂；中国专利CN104560137A公开了一种内环流式沸腾床反应器，在反应器中设置三相分离区、沸腾区、环流区，取消循环泵和料面监控仪，操作简单，但是进料物流需经气液分布器后方进入反应器内，入口物流动能较小，而一般的加氢裂化反应器都是在低气速和低液速下操作，采用气液分布器难以诱导内部的流体循环。

发明内容

结合现有沸腾床和悬浮床加氢反应器的优缺点，本发明拟同时采用粗颗粒和细颗粒两种催化剂，粗颗粒为高活性催化剂，长期持留在反应器内，以提高加氢活性；细颗粒为一次性低活性催化剂，起催化和吸附作用，吸收焦炭和重金属杂质，随物料一起排出反应器；使本发明的反应器就同时具备沸腾床和悬浮床的特点。

工业加氢反应器要求满足固体悬浮、液相混合、气液传质三方面要求，加氢裂化是个慢速放热反应，催化剂分布不均匀会导致反应不均匀，混合不好易导致产生局部热点，催化剂生焦而失活；除了靠液相强制内部循环措施之外，还可以靠内部安装导流筒进行气升式内部自动循环，从而达到固体悬浮与均匀混合的要求；而后者结构更为简单，属于静设备，且不需要外部提供动力。

本发明提供的双固相悬浮床反应器，包括壳体、锥形底、导流筒和喷嘴，所述壳体顶部设有物料出口，锥形底设在壳体底部，导流筒同轴设置在壳体内且两端开口，喷嘴设置在锥形底底部；所述的喷嘴具有松动气出口孔、驱动气出口和液体出口，且松动气出口孔贴近锥形底底部，驱动气出口和液体出口高出所述的松动气出口孔。

本发明中，所述的喷嘴为三套管结构，中心为所述的液体出口，外环为所述的松动气出口孔，内环为所述的驱动气出口。

作为优选的效果，喷嘴可以为一个或多个，各喷嘴呈阶梯形三套管结构，中心管为喷嘴液体出口，内环隙管为驱动气出口，外环隙管为松动气出口，三管同心放置，松动气出口贴近所述锥形底底部；由于喷嘴的液体出口和驱动气出口位于锥形底底部正上方一定高度处，松动气通过松动气出口射流进入反应器，可以有效促进锥形底底部固相的悬浮，防止出现死区；同时驱动气和夹带了细颗粒催化剂的液相分别通过驱动气出口和液体出口高速射流进入反应器，进一步的，绝大部分驱动气直接进入导流筒内，驱动气和液相通过射流强烈混合并产生大量气泡在导流筒和降液管(即由导流筒和壳体之间的环形区域)之间形成较大的密度差，该密度差会推动液相在导流筒和降液管之间的内循环流动，促进反应器内物料的混合，使反应充分进行并且保证反应器内的温度均匀。

优选的，所述松动气出口孔的外法线方向与锥形底母线夹角为0-30°；驱动气出口和液体出口位于同一水平面上，距离锥形底底部高度为所述锥形底高度的30％-50％。

优选的，所述驱动气出口射流方向与锥形底中轴线夹角为10-35°，驱动气出口和液体出口的面积之比为0.3-3，驱动气出口和松动气出口孔的面积之比为0.5-2。

优选的，所述的物料出口包括气体出口和液体出口，所述导流筒的正上方设有开口朝上的分液漏斗，分液漏斗的底部与壳体侧面的液体出口相连。分液漏斗位于导流筒正上方，液相通过分液漏斗出料，可以避免催化剂短路和跑损，起催化剂增浓的作用。

本发明中，气液剧烈混合并产生大量气泡上升通过导流筒后，在导流筒上方分流，细颗粒催化剂随液相物料一起上行并进入分液漏斗从液体出口排出，粗颗粒催化剂随液相物料下行回到降液管参与循环。优选的，所述分液漏斗位于导流筒上方0.2-0.5倍壳体高度处，用于收集液体产物。

优选的，所述锥形底锥角为50°-70°，锥形底高度为壳体高度的8％-10％。

优选的，所述导流筒的高度与壳体高度之比为0.5-0.8，导流筒直径与壳体直径之比为0.5-0.8。

本发明中，在三套管喷嘴、锥形底和导流筒的共同作用下，反应器可以达到如下目标：沸腾床加氢催化剂颗粒充分悬浮，悬浮床加氢催化剂颗粒被带出，底部无沉积，流动无死区。

另外，本发明还提供双固相悬浮床反应器在重油加氢裂化工艺中的应用，采用上述的双固相悬浮床反应器进行重油加氢裂化，并在所述壳体内装填粗颗粒催化剂，所述粗颗粒催化剂的粒径为200～2000μm；所述喷嘴将细颗粒催化剂与物料一同加入反应器内，所述细颗粒催化剂的粒径为0.1～10μm。

本发明的双固相悬浮床反应器同时采用粗颗粒和细颗粒两种催化剂，粗颗粒为高活性催化剂，长期持留在反应器内，起主要的催化作用；细颗粒为一次性低活性催化剂，起催化和吸附作用，吸收焦炭和重金属杂质，随物料一起排出反应器。反应器内初始装填高活性的粗颗粒催化剂，而低活性的细颗粒催化剂随液相物料一起进入反应器；细颗粒催化剂粒径0.1-10μm，具有吸焦、吸重金属的作用，该催化剂属于一次性催化剂，容易随物料一起被排出；粗颗粒催化剂粒径200-2000μm，可以加速液化油大分子的进一步裂化，该类催化剂不会被物料带出，持留在反应器内，可以长期保持高活性，失活的大颗粒催化剂再定期排出反应器。

进一步的，所述粗颗粒催化剂为钼基催化剂，且钼含量不小于5.0wt％；所述细颗粒催化剂为铁基催化剂，其中铁含量不小于5.0wt％。

进一步的，所述双固相悬浮床反应器采用的操作条件为：液相体积空速0.3～1.0h^-1，氢油比500～1500，细颗粒催化剂重量含量0.5～5％，粗颗粒催化剂重量含量0.1～30％。

在本发明所提供的方法中，可以根据处理规模的大小，设置一个或者多个的双固相悬浮床反应器，可以根据具体要求将多个的反应器串联使用，也可将双固相悬浮床反应器与固定床反应器串联使用。

本发明的双固相悬浮床反应器优点是：

(1)采用的双固相悬浮床反应器，同时使用两种不同粒径的催化剂，低活性的微米级细颗粒催化剂起到吸焦、吸金属的作用，并在操作中随液相物料一起排出；高活性的百微米级粗颗粒催化剂，在反应中始终保持高活性，并长期滞留在反应器中参与反应，提高了催化剂的使用效率。

(2)采用的双固相悬浮床反应器设置三套管喷嘴、锥形底、导流筒，环流区内的物料在喷射推力以及导流筒和降液管间的密度差共同作用下，形成稳定的内循环，取消了操作复杂、价格昂贵的循环泵，结构简单，能耗降低，提高了反应器的有效使用空间。

(3)采用的双固相悬浮床反应器，其底部设置的三套管喷嘴可以在保证较高喷射气速的情况下，有效抑制气体的附壁作用同时减少反应器底部的固体沉积和死区。

(4)采用的双固相悬浮床反应器，在优选的操作条件和结构下，能够达到反应器内部固体的悬浮和充分混合，底部无沉积，流动无死区以及反应器内部温度的均匀分布。

(5)采用的双固相悬浮床反应器，可根据处理对象的不同，用于悬浮床工艺和沸腾床工艺，操作弹性大。

附图说明

图1为双固相悬浮床反应器的结构示意图；

图2为图1中A-A向的喷嘴剖视图；

附图标记说明

图1：1.气体出口，2.分液漏斗，3.液体出口，4.壳体，5.喷嘴，6.松动气入口，7.液体入口，8.驱动气入口，9.锥形底，10.导流筒。

图2：11.松动气出口孔，12.驱动气出口，13.喷嘴液体出口。

具体实施方式

参见附图，对本发明的具体实施方式作详细说明，应该指出的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，不用于限制本发明。

在本喷射环流反应器中，壳体的尺寸没有特别的规定，可以根据实际生产需要而定。

本双固相悬浮床反应器同时使用两种不同粒径的催化剂：一种是粒度为0.1～10μm的细颗粒一次性铁基催化剂，可选自于天然或人工合成的含铁类矿物，包括铁盐、铁的氧化物、铁的硫化物及铁单质，铁含量不小于5.0wt％；一种是粒度为200～2000μm的高活性钼基粗颗粒催化剂，钼含量不小于5.0wt％，载体为氧化铝，钼基催化剂中还含有钴、镍活性组分，其中钴含量0.01～10.0wt％、镍含量0.01～10.0wt％。细颗粒催化剂重量含量0.5～5％，粗颗粒催化剂重量含量0.1～30％。细颗粒与物料一同加入反应器内，处于均匀悬浮和连续进料/排料状态，细颗粒催化剂具有流动性好、比表面高的特点，除催化加氢作用外，还用于吸附反应生成的焦炭原料中的金属和其它杂质，将其排出反应器。而粗颗粒催化剂则处于完全悬浮状态并长期滞留在反应器内部而不跑损，长期使用后部分失活的粗颗粒催化剂将通过反应器底部的二级喷嘴反向抽吸定期排出置换。反应器采用的操作条件为：液相体积空速0.3～1.0h^-1，氢油比500～1500。

本双固相悬浮床反应器包括壳体4、锥形底9、导流筒10和喷嘴5；导流筒10置于壳体4内部，锥形底9置于壳体4底部，喷嘴5为三套管结构并位于锥形底9底部；分液漏斗2位于导流筒正上方；在壳体顶部为气体出口1和液体出口3。

按照反应器内的不同流动状态又可以把反应器从上到下分为气液分离区、沉降区、内循环区以及射流区。

射流区由二级喷嘴5和锥形底9组成。喷嘴5包括松动气出口孔11，驱动气出口12，喷嘴液体出口13，其中松动气出口孔11贴近锥形底9底部，同时松动气出口孔11的外法线方向与锥形底9母线夹角为0-30°；驱动气出口12和喷嘴液体出口13位于同一水平面上，距离锥形底9底部高度为所述锥形底高度的30％-50％，同时驱动气出口12射流方向与反应器中轴线夹角为10-35°，驱动气出口12和喷嘴液体出口13的面积之比为0.3-3，驱动气出口12和松动气出口孔11的面积之比为0.5-2。锥形底9的锥角角度为50°-70°，锥形底9开口与壳体4相连，锥形底9可以避免底部沉积，有效的减少反应器的流动死区。

内循环区设有导流筒10。导流筒10的两端开口安装在壳体4内部，导流筒10底部位于喷嘴5的正上方，根据操作要求可以调节导流筒10底部到喷嘴液体出口13的距离，导流筒10的尺寸根据壳体4的尺寸而定，导流筒10的高度与壳体4高度之比为0.5-0.8，导流筒10直径与壳体4直径之比为0.5-0.7。

气液分离区位于反应器顶部。在反应器壳体4顶部设置气体出口1和液体出口3，两者的共同作用下壳体4顶部附近会形成高度基本固定的液位，气液固物料到达液位后，气体会从液体中分离并上行到气体出口1离开反应器，分离气体后的液体进入分液漏斗2然后从液体出口3离开反应器。

下面简单介绍本双固相悬浮床反应器工作原理，在操作中，气相来自外部的压缩机，其中松动气通过松动气入口6再通过松动气出口孔11喷射进入反应器，驱动气通过驱动气入口8再通过驱动气出口12喷射进入反应器，细颗粒催化剂(重量含量0.5～5％)和液相配制成一定比例，经过离心泵一起通过液体入口6再通过喷嘴液体出口10喷射进入反应器。

驱动气出口12高于锥形底9的底部，操作时可以有效抑制高速喷射时气体对锥形底壁面的附壁作用，同时调整驱动气出口12的喷射角度可以使绝大部分气相首先进入到导流筒10内部，即使在高压环境中也可以在导流筒10内部产生较大的气含率；松动气出口孔11贴近锥形底底部，保持一定的喷射气量，可以有效的避免固体颗粒在锥形底底部的沉积，减少流动的死区。

初始时刻反应器中装填了粗颗粒催化剂(重量含量0.1～30％)，松动气出口孔11，驱动气出口12，喷嘴液体出口13的二级喷射作用可以在射流区快速带动两种催化剂颗粒浮升。

由于气相喷射造成的密度差，导流筒10和降液管组成的环流区内会形成物料的快速循环流动，细颗粒催化剂很容易均匀悬浮，而较重的粗颗粒催化剂在循环流动和射流的带动下同样可以实现均匀的悬浮，最终在环流区内实现了良好的固相悬浮和物料混合。

物料快速上升通过导流筒10，在导流筒10上方的沉降区分流，部分气液固流体下行回到环流区参与循环，部分气液固流体上行到气液分离区，分离后的清液(含细颗粒催化剂)进入分液漏斗2，再经过液体出口3排出反应器，气体从塔顶气体出口1离开反应器；需要指出的是，较重的粗颗粒催化剂在到达沉降区后几乎全部沉降，长期持留在反应器内。

在本发明中，加氢反应条件没有特别限定，可以按照如下操作条件：反应温度400-490℃，反应压力15-21MPa，液相体积空速0.3～1.0h^-1，氢油比500～1500。细颗粒粒径为：0.1～10μm，粗颗粒粒径为200～2000μm。

以下结合实施例对本发明的双固相悬浮床反应器的特性作进一步说明：

实施例

参考图1，进行双固相悬浮床反应器的冷模实验，实验中选用壳体内径1.21m，壳体高12m，锥形底锥角60°，锥形底高度1.05m，喷嘴液体出口和松动气出口位于同一水平面上并位于驱动气出口正上方0.35m，导流筒底部距离喷嘴液体出口正上方0.7m，与壳体同心设置，导流筒直径0.8m，导流筒长度8.4m，气液物料喷射进料。

操作条件：见表-1

实验与计算得出了关于细颗粒催化剂以及粗颗粒催化剂流化情况的数据见表-2。

表-1

表-2

本双固相悬浮床反应器中的循环液速为12cm/s，大于粗颗粒催化剂的沉降速度7.23cm/s以及细颗粒催化剂的沉降速度0.10cm/s，即是说，在导流筒区域内，两种催化剂颗粒都能得到充分的悬浮和循环。同时，在导流筒上方由于流道扩大并且远离循环区域，气液相的表观速度均迅速下降，大致等于以塔截面积计算的表观速度，此时粗颗粒加氢催化剂颗粒临界流化气速为7.9cm/s，大于操作气速2.8cm/s，因此粗颗粒催化剂在离开内循环区域后难以保持悬浮状态，会自由沉降到内循环区，不会被液相带出，而细颗粒催化剂的临界流化气速为0.29cm/s，仍然小于操作气速，故细颗粒催化剂在床内处于均匀悬浮状态并跟随液相出料带离反应器。

因此，通过适当的反应构型设计和操作条件的选取，可以实现在操作条件下细颗粒催化剂被带出而粗颗粒催化剂不被带出，并且保证物料的充分混合和固体的悬浮。

Claims (10)

1.一种用于重油加氢裂化的双固相悬浮床反应器，其特征在于，包括壳体(4)、锥形底(9)、导流筒(10)和喷嘴(5)，所述壳体顶部(4)设有物料出口，锥形底(9)设在壳体(4)底部，导流筒(10)同轴设置在壳体(4)内且两端开口，喷嘴(5)设置在锥形底(9)底部；

所述的喷嘴(5)具有松动气出口孔(11)、驱动气出口(12)和液体出口(13)，且松动气出口孔(11)贴近锥形底(9)底部，驱动气出口(12)和液体出口(13)高出所述的松动气出口孔(11)。

2.如权利要求1所述的双固相悬浮床反应器，其特征在于，所述的喷嘴(5)为三套管结构，中心为所述的液体出口(13)，外环为所述的松动气出口孔(11)，内环为所述的驱动气出口(12)。

3.如权利要求1所述的双固相悬浮床反应器，其特征在于，所述松动气出口孔(11)的外法线方向与锥形底(9)母线夹角为0-30°；驱动气出口(12)和液体出口(13)位于同一水平面上，距离锥形底(9)底部高度为所述锥形底高度的30％-50％。

4.如权利要求3所述的双固相悬浮床反应器，其特征在于，所述驱动气出口(12)射流方向与锥形底(9)中轴线夹角为10-35°，驱动气出口(12)和液体出口(13)的面积之比为0.3-3，驱动气出口(12)和松动气出口孔(11)的面积之比为0.5-2。

5.如权利要求1所述的双固相悬浮床反应器，其特征在于，所述的物料出口包括气体出口(1)和液体出口(3)，所述导流筒(10)的正上方设有开口朝上的分液漏斗(2)，分液漏斗(2)的底部与壳体侧面的液体出口(3)相连。

6.如权利要求1所述的双固相悬浮床反应器，其特征在于，所述锥形底(9)锥角为50°-70°，锥形底(9)高度为壳体(4)高度的8％-10％。

7.如权利要求1所述的双固相悬浮床反应器，其特征在于，所述导流筒(10)的高度与壳体(4)高度之比为0.5-0.8，导流筒(10)直径与壳体(4)直径之比为0.5-0.8。

8.一种双固相悬浮床反应器在重油加氢裂化工艺中的应用，其特征在于，采用如权利要求1-7任一项所述的双固相悬浮床反应器进行重油加氢裂化，并在所述壳体内装填粗颗粒催化剂，所述粗颗粒催化剂的粒径为200～2000μm；

所述喷嘴将细颗粒催化剂与物料一同加入反应器内，所述细颗粒催化剂的粒径为0.1～10μm。

9.如权利要求8所述的双固相悬浮床反应器在重油加氢裂化工艺中的应用，其特征在于，所述粗颗粒催化剂为钼基催化剂，且钼含量不小于5.0wt％；所述细颗粒催化剂为铁基催化剂，其中铁含量不小于5.0wt％。

10.如权利要求9所述的双固相悬浮床反应器在重油加氢裂化工艺中的应用，其特征在于，所述双固相悬浮床反应器采用的操作条件为：液相体积空速0.3～1.0h^-1，氢油比500～1500，细颗粒催化剂重量含量0.5～5％，粗颗粒催化剂重量含量0.1～30％。