CN105950208A - 一种多级雾化进料喷嘴 - Google Patents

Abstract

一种多级雾化进料喷嘴，它包括喷头、外管、内管、原料油入口、一次蒸汽入口、一次蒸汽孔板以及二次蒸汽入口、二次蒸汽孔板；一次蒸汽在一次混合室里对原料油进行第一次雾化，进入内管对原料油进行第二次雾化，二次蒸汽在二次混合室里对原料油进一步冲击、破碎，即第三次雾化，进入喷头后，进行第四级雾化；喷头的喷嘴出口有多种排列形式，使蒸汽携带原料油喷出时形成宽广的幕屏分布，有利于原料油与催化剂的充分接触、反应，同时有效的降低了催化剂的破碎。

Description

一种多级雾化进料喷嘴

技术领域

本发明属于石油炼制领域催化裂化装置，主要涉及一种多级雾化的催化裂化进料喷嘴。

背景技术

原料油进料雾化喷嘴是石油炼制领域催化裂化装置的一个重要设备，其作用是：首先将原料油破碎、雾化为大量的细小液滴，再将原料油滴喷入到催化裂化提升管反应器中，与提升管反应器内的催化剂混合、反应。目前用于催化裂化装置的原料油进料雾化喷嘴的形式有很多，例如，有支管型、喉管型、Y型、螺旋叶型、锥靶型及各类靶型喷嘴，国产喷嘴有单管型喷嘴，即采用单一管腔进料进气混合雾化，使用效果不是很理想。

喷嘴使反应原料成为小液滴，目的是能快速气化并发生反应，雾化不是最终目的，提高反应效果才是目标。为了达到好的反应结果，即需要使液体雾化好，又需要使雾化物流在反应器内分配好，尤其是与催化剂均匀接触是很重要的。

另外，由于要使原料油等液体雾化为细小颗粒，需要较高的压降和气体流速。已有技术中高速的气液雾化物流直接喷入反应器，对催化剂冲刷破碎较严重。

然而在实际使用过程中，上述喷嘴或多或少存在着以下问题：一是原料油的雾化效果有待进一步提高；二是由喷嘴喷入到提升管反应器内的原料油与催化剂接触面不广，反应效果不佳；三是有喷嘴喷出的雾化了的原料油滴喷射速度过高，使催化剂破碎严重。

本发明提出一种多级雾化进料喷嘴，使原料油得到四级雾化，有效的消除大直径液滴，从而达到催化裂化工艺所要求的雾化粒径。同时对喷头的研究发现，喷头喷入提升管反应器的原料油与催化剂接触、反应不充分，是由于以往喷嘴出口的布置形式不利于原料油的扩张，本发明提出了四种喷头结构形式，喷头两侧的喷嘴出口中心线与喷嘴轴线夹角为0-30°，喷头表面由中部向两侧偏转，与径向方向夹角为0-30°，该设置使原料油滴由喷嘴喷入提升管反应器后向两侧扩张，形成宽广的幕屏，与催化剂的接触面更大。另外，喷嘴出口设置了扩张段，原料油滴喷出时经过流通面积扩张段，由于雾化气体密度小，随着流通面积的增加迅速减速，降低了催化剂破碎的情况。

发明内容

本发明的目的是提供一种多级雾化进料喷嘴，经过气体和液体间多次改变速度差，使其能实现对原料油的多级雾化，有效的消除大直径液滴，同时从喷嘴喷出时形成更宽广的幕屏，使得原料油与催化剂更充分的接触、反应；在不影响雾化效果的条件下，实现气液雾化物流与反应器内催化剂的低速接触，减少对催化剂的冲蚀破碎。

为解决上述问题，本发明的技术方案是：

一种多级雾化进料喷嘴，所述喷嘴包括喷头、外管、内管、原料油入口、一次蒸汽入口、一次蒸汽孔板以及二次蒸汽入口、二次蒸汽孔板；所述的一次蒸汽孔板设置在原料油入口的与内管之间，在一次蒸汽孔板、原料油入口及内管之间形成环形空腔构成一次蒸汽室并设置一次蒸汽入口，一次蒸汽孔板的下游一侧圆台形区域构成一次混合雾化室；所述的二次蒸汽孔板设置在内管的扩张段与外管之间，在二次蒸汽孔板、外管及内管之间形成环形空腔构成二次蒸汽室，并在二次蒸汽孔板物流上游设置二次蒸汽入口，在二次蒸汽孔板与喷头和内管出口间的凹形区域构成二次混合雾化室；所述的内管具有收缩扩张雾化区，即有扩张段、喉口段，收缩段；所述的一次蒸汽孔板圆周分布多个一次蒸汽喷孔，二次蒸汽孔板圆周分布多个二次蒸汽喷孔，喷头圆周分布多个喷嘴出口。

所述多级雾化喷嘴的内管收缩扩张雾化区由多个流通横截面逐渐收缩、扩张的过程组成，各收缩、扩张角度和各喉口直径根据需要设计；每次收缩形成一次雾化气体加速并增加气体与液体的速度差，提高液体雾化效果；每次流通面积扩张形成雾化气体和气体与液体的速度差降低，为再次加速创造条件。

上述多级雾化进料喷嘴的一次蒸汽孔板围绕原料油入口的出口端圆周分布M个φB的一次蒸汽喷孔，二次蒸汽孔板围绕内管扩张段出口端圆周分布N个φD的二次蒸汽喷孔，M、N、B、D由原料油的处理量决定，二次蒸汽喷孔与喷嘴出口一一对应，即个数、方位均一致。

二次蒸汽喷孔可以设在内管扩张段上。

所述多级雾化进料喷嘴的喷头圆周设置多个喷嘴出口, 喷嘴出口的结构设置为喉管式，即有收缩段、喉口段、扩张段组成，该结构可以使原料油得到第四级雾化，同时在扩张段形成减速区，有效的解决了原料油滴喷射速度过高使催化剂破碎严重的问题；喷嘴出口的布置可设置为圆形均布、椭圆形、或限制竖直方向宽度的布置等多种排列形式；喷头出口端的表面在水平方向设计为倾角为α的切面，α为0-30°，喷嘴出口中心线在水平方向与喷头轴线夹角为β，β为0-30°；以上设置使蒸汽携带原料油由喷嘴出口喷出后呈扇形向水平两侧扩张，形成较宽广的蒸汽幕屏，从而使原料油与催化剂得到充分反应。

所述多级雾化进料喷嘴的喷头圆周设置多个喷嘴出口，喷头出口端面水平轴线上方的喷嘴出口在出口方向向下倾斜C1角度；喷头出口端面水平轴线下方的出口在出口方向向上偏转C2角度；使不同位置的出口物流在反应器内汇集到扁平区域；距喷头出口端面竖直中心线不同距离的出口对应不同的C1和C2数值。

喷头的喷嘴出口内表面或喷嘴出口收缩段内表面或喷嘴出口收缩段和喉口段内表面设置为多叶草形，优先设置为四叶草形，该设置使第四级雾化二次蒸汽对原料油的冲击、破碎能力更强。

经加热并有一定压力的原料油经原料油入口进入一次混合雾化室，一次蒸汽经一次蒸汽入口进入一次蒸汽室，并通过一次蒸汽孔板上圆周分布多个的一次蒸汽喷孔加速后进入一次混合雾化室，对原料油进行冲击、破碎，形成第一级雾化，同时由于一次蒸汽孔板上圆周分布的多个蒸汽喷孔环绕原料油入口，形成蒸汽包围着原料油并高速携带着原料油流动，减少大液滴在边壁区域的聚集，强化雾化效果；一次蒸汽携带原料油进入内管中，由于内管的收缩段成锥形，流通面积收缩后又通过喉口段及扩张段，使得一次蒸汽对原料油进行进一步的冲击、破碎，使原料油得到第二次雾化，由于内管中可以设置多组扩张段、喉口段和收缩段，使蒸汽携带原料油多次加速减速，此时冲击破碎能力更强，雾化效果更好；二次蒸汽经二次蒸汽入口进入二次蒸汽室，并通过二次蒸汽孔板上圆周分布多个的二次蒸汽喷孔加速后进入二次混合雾化室，与上述通过内管扩张段流入二次混合雾化室的原料油混合，对其进一步雾化，即使原料油得到第三次雾化；二次蒸汽携带一次蒸汽、原料油进入喷头上的喷嘴出口，由于喷嘴出口有收缩段、喉口段，流通面积收缩使得二次蒸汽在收缩段加速对原料油进行进一步的冲击、破碎，形成第四级雾化。经过四级雾化，可有效的消除大直径液滴，使得进入提升管反应器的原料油与催化剂充分接触、反应，从而提高反应收率。

由于对各喷嘴出口方向进行了设计控制，在水平方向进行β角扩张，在竖直方向进行C1和C2角方向流动到喷头出口端外反应要求的雾化物流喷射距离L处汇合，使多孔流出的油汽物流在反应器内形成扁平分布带，可以充分的与反应器内的催化剂接触气化、反应。C1和C2值由L决定。

本发明的多级雾化进料喷嘴，与现有技术相比，具有如下的有益效果：

1、对原料油的四级雾化可有效的消除大直径液滴，从而达到催化裂化工艺所要求的雾化粒径；

2、该喷嘴出口布置形式使蒸汽携带原料油喷出后形成较宽广且扁平的蒸汽油气幕屏，从而使原料油与催化剂得到充分接触、反应，提高收率；

3、该喷嘴出口设置有减速区，解决了原料油滴喷射速度过高使催化剂破碎严重的问题。

附图说明

图1-图10均为多级雾化进料喷嘴结构图，具体地：

图1：多级雾化进料喷嘴结构示意图；

图2：内管8设置多组缩放段的多级雾化进料喷嘴结构示意图；

图3：A-A剖视图的结构示意图；

图4：B-B剖视图的结构示意图；

图5：二次蒸汽喷孔10A设置在内管8扩张段13上的多级雾化进料喷嘴结构示意图；

图6-9：喷头12的四种结构的示意图；

图10：D-D剖视图的结构示意图。

图中：1、原料油入口，2、一次蒸汽入口，3、一次蒸汽室，4、一次蒸汽孔板，5、一次混合雾化室，6、二次蒸汽入口，7、外管，8、内管，9、二次蒸气室，10、二次蒸汽孔板，11、二次混合雾化室，12、喷头，13、扩张段，14、喉口段，15、收缩段，4A、一次蒸汽喷孔，10A、二次蒸汽喷孔、12A、喷嘴出口，12B、喷嘴出口扩张段，12C、喷嘴出口喉口段，12D、喷嘴出口收缩段，α、喷头出口端表面水平方向倾斜角度，β、喷嘴出口中心线水平方向角度，A1、内管扩张段角度，B1、内管收缩段角度，A2、喷嘴出口扩张角度，B2、喷嘴出口收缩角度，C1、喷头水平轴线上方喷嘴出口竖直方向倾斜角，C2、喷头水平轴线下方喷嘴出口竖直方向倾斜角，a、喷嘴出口竖直方向分布位置，b、喷嘴出口水平方向分布位置，L、反应要求的雾化物流喷射距离，φ1、喷嘴出口喉口直径，φ2、多叶草直径，φ3、内管喉口段直径。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明，旨在帮助读者理解本发明的特点和实质，但附图和具体实施方式内容并不限制本发明的可实施范围。

如图1所示，一种多级雾化进料喷嘴，所述喷嘴包括喷头12、外管7、内管8、原料油入口1、一次蒸汽入口2、一次蒸汽孔板4以及二次蒸汽入口6、二次蒸汽孔板10；所述的一次蒸汽孔板4设置在原料油入口1与内管8之间，在一次蒸汽孔板4、原料油入口1及内管8之间形成环形空腔构成一次蒸汽室3并设置一次蒸汽入口2，一次蒸汽孔板4的下游圆台形区域构成一次混合雾化室5；所述的二次蒸汽孔板10设置在内管8扩张段13与外管7之间，在二次蒸汽孔板10、外管7及内管8之间形成环形空腔构成二次蒸汽室9，并在二次蒸汽孔板10物流上游设置二次蒸汽入口6，在二次蒸汽孔板10与喷头12和内管8出口间的凹形区域构成二次混合雾化室11；所述的内管8具有收缩扩张雾化区，即有扩张段13、喉口段14和收缩段15；所述的一次蒸汽孔板4圆周分布多个一次蒸汽喷孔4A，二次蒸汽孔板10圆周分布多个二次蒸汽喷孔10A，喷头12圆周分布多个喷嘴出口12A。

如图2所示，所述多级雾化进料喷嘴的内管8可以有多个收缩扩张雾化区，即拥有多组扩张段13、喉口段14和收缩段15，本例中为3组。

如图3、4所示，上述多级雾化进料喷嘴的一次蒸汽孔板4围绕原料油入口1的圆周分布M个φB的一次蒸汽喷孔4A，二次蒸汽孔板10围绕内管8扩张段13圆周分布N个φD的二次蒸汽喷孔10A，M、N、B、D由原料油的处理量决定，二次蒸汽喷孔10A与喷嘴出口12A一一对应，即个数、方位均一致。

如图5所示，二次蒸汽喷孔10A可以设在内管8扩张段13上。

如图6、7、8所示，喷头12圆周设置多个喷嘴出口12A, 喷嘴出口12A的结构设置为喉管式，即有收缩段12D、喉口段12C、扩张段12B组成，该结构可以使原料油得到第四级雾化，同时在扩张段12B形成减速区，有效的解决了原料油滴喷射速度过高使催化剂破碎严重的问题；喷嘴出口12A的布置可设置为圆形均布、椭圆形、或限制竖直方向宽度的布置等多种排列形式；喷头12出口端的表面在水平方向设计为转向角为α的切面，α为0-30°，喷嘴出口12A中心线在水平方向与喷头轴线夹角为β，β为0-30°；以上设置使蒸汽携带原料油由喷嘴出口12A喷出后呈扇形向两侧扩张，形成较宽广的蒸汽幕屏，从而使原料油与催化剂得到充分反应。

如图10所示，喷头12出口端面水平轴线上方的喷嘴出口12A在出口方向向下偏转C1角度；喷头12出口端面水平轴线下方的喷嘴出口12A在出口方向向上偏转C2角度；使不同位置的出口物流在反应器内汇集到扁平区域；距喷头12出口端面竖直中心线不同距离的出口对应不同的C1和C2数值。

如图9所示，喷头12的喷嘴出口12A内表面或喷嘴出口12A收缩段12D内表面或喷嘴出口12A收缩段12D和喉口段12C内表面设置为多叶草形，优先设置为四叶草形，该设置使第四级雾化二次蒸汽对原料油的冲击、破碎能力更强。

经加热并有一定压力的原料油经原料油入口1进入一次混合雾化室5，一次蒸汽经一次蒸汽入口2进入一次蒸汽室3，并通过一次蒸汽孔板4上圆周分布多个的一次蒸汽喷孔4A加速后进入一次混合雾化室5，对原料油进行冲击、破碎，形成第一级雾化，同时由于一次蒸汽孔板4上圆周分布的多个蒸汽喷孔4A环绕原料油入口1，形成蒸汽包围着原料油并高速携带着原料油流动，减少大液滴在边壁区域的聚集，强化雾化效果；一次蒸汽携带原料油进入内管8中，由于内管8的收缩段15成锥形，流通面积收缩后又通过喉口段14及扩张段13，使得一次蒸汽对原料油进行进一步的冲击、破碎，使原料油得到第二次雾化，由于内管8中可以设置多组扩张段13、喉口段14和收缩段15，使蒸汽携带原料油多次加速减速，此时冲击破碎能力更强，雾化效果更好；二次蒸汽经二次蒸汽入口6进入二次蒸汽室9，并通过二次蒸汽孔板10上圆周分布多个的二次蒸汽喷孔10A加速后进入二次混合雾化室11，与上述通过内管8扩张段13流入二次混合雾化室11的原料油混合，对其进一步雾化，即使原料油得到第三次雾化；二次蒸汽携带一次蒸汽、原料油进入喷头12上的喷嘴出口12A，由于喷嘴出口12A有收缩段12D、喉口段12C，流通面积收缩使得二次蒸汽在收缩段12D加速对原料油进行进一步的冲击、破碎，形成第四级雾化。经过四级雾化，可有效的消除大直径液滴，使得进入提升管反应器的原料油与催化剂充分接触、反应，从而提高反应收率。

由于对各喷嘴出口12A方向进行了设计控制，在水平方向进行β角扩张，在竖直方向进行C1和C2角方向流动到喷头12出口端外反应要求的雾化物流喷射距离L处汇合，使多孔流出的油汽物流在反应器内形成扁平分布带，可以充分的与反应器内的催化剂接触气化、反应。C1和C2值由L决定。

实施例

一个喷嘴原料油进料量25t/h，进料温度250℃，进料压力0.7MPa（G），反应器内压力0.2MPa（G）；雾化蒸汽1.0t/h，蒸汽温度250℃，蒸汽压力0.8MPa（G）。

按图1所示本发明结构，喷嘴设计实例如下：

进油口1规格DN80，蒸汽口2规格DN50，蒸汽口6规格DN40，外管7内径132mm，内管8外径89mm，φ3=35mm，B1=20°，A1=12°，4A个数M=10，φB=8mm，10A个数N=12，φD=5mm，12A数量=12, φ1=8mm，B2=15°，A2=8°α=β=15°，C1=C2=5°，L=400mm，蒸汽口2蒸汽量700kg/h，蒸汽口6蒸汽量300kg/h，12个12A按图6所示的圆形布置。

Claims (10)

1.一种多级雾化进料喷嘴，其特征在于，它包括喷头（12）、外管（7）、内管（8）、原料油入口（1）、一次蒸汽入口（2）、一次蒸汽孔板（4）以及二次蒸汽入口（6）、二次蒸汽孔板（10）；所述的一次蒸汽孔板（4）设置在原料油入口（1）与内管（8）之间，在一次蒸汽孔板（4）、原料油入口（1）及内管（8）之间形成环形空腔构成一次蒸汽室（3）并设置一次蒸汽入口（2），一次蒸汽孔板（4）的下游一侧圆台形区域构成一次混合雾化室（5）；所述内管（8）包括一次混合雾化区（5）和收缩扩张区；所述的二次蒸汽孔板（10）设置在内管（8）扩张段（13）与外管（7）之间，在二次蒸汽孔板（10）、外管（7）及内管（8）之间形成环形空腔构成二次蒸汽室（9），并在二次蒸汽孔板（10）物流上游设置二次蒸汽入口（6），在二次蒸汽孔板（10）与喷头（12）和内管（8）出口间的凹形区域构成二次混合雾化室（11）；所述的内管（8）具有扩张段（13）、喉口段（14），收缩段（15）；所述的一次蒸汽孔板（4）圆周分布多个一次蒸汽喷孔（4A），二次蒸汽孔板（10）圆周分布多个二次蒸汽喷孔（10A），喷头（12）圆周分布多个喷嘴出口（12A）。

2.如权利要求1所述的多级雾化进料喷嘴，其特征在于，内管（8）收缩扩张雾化区由多个流通横截面逐渐收缩、扩张的过程组成，各收缩段（15）角度B1、扩张段（13）角度A1和各喉口（14）直径φ3根据需要设计；每次收缩形成一次雾化气体加速并增加气体与液体的速度差，提高液体雾化效果；每次流通面积扩张形成雾化气体和气体与液体的速度差降低，为再次加速创造条件。

3.如权利要求1所述的多级雾化进料喷嘴，其特征在于，多级雾化进料喷嘴的一次蒸汽孔板（4）围绕原料油入口（1）的圆周分布M个φB的一次蒸汽喷孔（4A），二次蒸汽孔板（10）围绕内管（8）扩张段（13）圆周分布N个φD的二次蒸汽喷孔（10A），M、N、B、D由原料油的处理量决定，二次蒸汽喷孔（10A）与喷嘴出口（12A）一一对应，即个数、方位均一致。

4.如权利要求1所述的多级雾化进料喷嘴，其特征在于，二次蒸汽喷孔（10A）可以设置在内管（8）扩张段（13）上。

5.如权利要求1所述的多级雾化进料喷嘴，其特征在于，喷头（12）圆周设置多个喷嘴出口（12A）, 喷嘴出口（12A）的结构设置为由收缩段（12D）、喉口段（12C）、扩张段（12B）组成。

6.如权利要求1或5所述的多级雾化进料喷嘴，其特征在于，喷嘴出口（12A）的布置可设置为圆形均布、椭圆形、或限制竖直方向宽度的布置等多种排列形式。

7.如权利要求1或6所述的多级雾化进料喷嘴，其特征在于，喷头（12）出口端的表面在水平方向设计为倾斜角为α的切面，α为0-30°，喷嘴出口（12A）中心线在水平方向与喷头轴线夹角为β，β为0-30°；以上设置使蒸汽携带原料油由喷嘴出口（12A）喷出后呈扇形向两侧扩张，形成较宽广的蒸汽幕屏，从而使原料油与催化剂得到充分反应。

8.如权利要求1或7所述的多级雾化进料喷嘴，其特征在于，喷头（12）出口端面水平轴线上方的喷嘴出口（12A）在出口方向向下偏转C1角度；喷头（12）出口端面水平轴线下方的喷嘴出口（12A）在出口方向向上偏转C2角度；使不同位置的出口物流在反应器内汇集到扁平区域；距喷头（12）出口端面竖直中心线不同距离的出口对应不同的C1和C2数值，C1和C2由反应要求的雾化物流喷射距离L值决定。

9.如权利要求1所述的多级雾化进料喷嘴，其特征在于，喷头(12)的喷嘴出口（12A）内表面或喷嘴出口（12A）收缩段（12D）内表面或喷嘴出口（12A）收缩段（12D）和喉口段（12C）内表面设置为多叶草形，该设置使第四级雾化二次蒸汽对原料油的冲击、破碎能力更强。

10.如权利要求1所述的多级雾化进料喷嘴，其特征在于，一次蒸汽通过一次蒸汽孔板（4）上圆周分布多个的一次蒸汽喷孔（4A）加速后进入一次混合雾化室（5），对原料油进行冲击、破碎，形成第一级雾化；一次蒸汽携带原料油进入内管（8）中，由于内管(8)的收缩段（15）成锥形，流通面积收缩后又通过喉口段（14）及扩张段（13），使得一次蒸汽对原料油进行进一步的冲击、破碎，使原料油得到第二次雾化；二次蒸汽通过二次蒸汽孔板（10）上圆周分布多个的二次蒸汽喷孔（10A）加速后进入二次混合雾化室（11），与上述通过内管（8）扩张段（13）流入二次混合雾化室（11）的原料油混合，对其进一步雾化，即使原料油得到第三次雾化；二次蒸汽携带一次蒸汽、原料油进入喷头（12）上的喷嘴出口（12A），由于喷嘴出口（12A）有收缩段（12D）、喉口段（12C），流通面积收缩使得二次蒸汽在收缩段（12D）加速对原料油进行进一步的冲击、破碎，形成第四级雾化。