CN106573216B - 用于流化床反应器的流体注入喷嘴 - Google Patents

用于流化床反应器的流体注入喷嘴 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于循环流化床反应器的液体进料喷嘴组件，其包括：(i)节流阀体预混合器(13)，该节流阀体预混合器(13)用于将液体进料与雾化蒸汽组合以形成包含液体中的气泡的液体进料/蒸汽混合物；(ii)导管(15)，该导管(15)连接到预混合器(13)和排放喷嘴(29)以将由预混合器(13)产生的液体/蒸汽混合物的流输送到喷嘴主体(29)；(iii)排放喷嘴(29)，该排放喷嘴(29)连接到流动导管(15)，以剪切液体进料/蒸汽混合物，从而产生尺寸减小的液体进料液滴；和(iv)分散器，该分散器在排放喷嘴(29)的出口处，用于提供相对于圆柱形射流具有增加的表面积的液体进料的喷射射流。所述喷嘴组件在使用重油进料例如焦油砂沥青的流化焦化单元中是特别有用的。

Description

用于流化床反应器的流体注入喷嘴
技术领域
本发明涉及一种用于将流体注入到循环流化床反应器中的喷嘴组件。更具体地，本发明涉及一种用于将重油例如石油渣油和沥青注入到流化焦化反应器中的喷嘴组件。
背景技术
循环流化床(CFB)反应器是熟知的可用于进行各种多相化学反应的装置，在这种类型的反应器中，流体(气体或液体)以高到足以使固体悬浮的速度通过颗粒状固体材料并且使固体表现得好像流体一样。通过流化在反应器基部通过分布器(栅格、喷雾器或其它装置)注入的流化气体(例如空气、蒸汽或反应气体)来维持流化。CFB反应器现在用于许多工业应用中，其中包括石油重油的催化裂化，烯烃聚合、煤气化、以及水和废料处理。一种主要用途是在循环流化床燃烧器领域中，其中煤或其他高硫燃料在存在石灰石的情况下燃烧以减少SOx排放量；氮氧化物的排放量也由于在床中获得的相对较低的温度而降低。另一个应用是在被称为流化焦化的流化床焦化过程及其变体FiexicokingTM中，这两者都是由ExxonResearch and Engineering Company开发的。
流化床焦化是石油精炼过程，其中重质石油进料，通常是来自分馏的不可蒸馏残余物(渣油)或重油通过在升高的反应温度下的热分解(焦化)转化为更轻、更有用的产物，所述升高的反应温度通常为约480℃至590℃(约900°F至1100°F)，并且在大多数情况下从500℃至550℃(约930°F至1020°F)。可以通过流化焦化过程来处理的重油包括来自加拿大(Athabasca，Alta)、特立尼达、南加利福尼亚(La Brea，Los Angeles)、McKittrick(Bakersfield，California)、Carpinteria(Santa Barbara县，California)、Bermudez湖(委内瑞拉)的焦油砂、焦油坑和沥青湖的重质常压渣油、芳香提取物、柏油和沥青，和类似的沉积物，诸如在德克萨斯州，秘鲁，伊朗，俄罗斯和波兰发现的那些。该过程在具有大反应器容器的单元中进行，该反应器容器包含热焦炭颗粒，所述热焦炭颗粒在所需反应温度下维持在流化状态下，在容器底部注入蒸汽，且焦炭颗粒的平均运动方向是向下通过床。将重油进料加热至可泵送温度，通常在350℃至400℃(约660°F至750°F)的范围内，与雾化蒸汽混合，并且通过在反应器中布置在几个连续水平处的多个进料喷嘴进料。蒸汽被注入到在反应器底部处的汽提段中，并且当它们从上面的反应器的主要部分下降时，向上通过汽提器中的焦炭颗粒。一部分进料液体覆盖流化床中的焦炭颗粒，并且随后被分解成固体焦炭和较轻的产物层，所述较轻的产物作为气体或蒸发的液体散发。反应器压力相对低，以有利于烃蒸气的蒸发，通常在约120-400kPag(约17-58psig)，最通常在约200-350kPag(约29-51psig)的范围内。焦化(热裂化)反应的轻质烃产物蒸发，与流化蒸汽混合并且向上通过流化床进入到焦炭颗粒的密相流化床上方的稀相区中。这种在焦化反应中形成的蒸发的烃产物的混合物继续以约1米至2米每秒(约3英尺至6英尺/秒)的表观速度以蒸汽向上流动通过稀相，夹带一些焦炭的固体颗粒。大部分夹带的固体在一个或多个旋风分离器中通过离心力从气相中分离，并且通过重力经旋风分离器浸入管(dipleg)返回到密相流化床。来自反应器的蒸汽和烃蒸气的混合物随后从旋风分离器气体出口排出到集气室中的洗涤器段中，洗涤器段位于反应段上方，并且通过隔板与反应段分离，所述混合物在洗涤器段中通过与降落到洗涤器段中的洗涤器棚(scrubber shed)的液体接触而骤冷。泵循环回路将冷凝的液体循环到外部冷却器并且返回到洗涤器段的顶排，以提供冷却用于液体产物的最重馏分的骤冷和冷凝。该重馏分通常通过返回到流化床反应区而再循环至熄灭。
未立即蒸发的进料组分覆盖反应器中的焦炭颗粒，并且随后被分解成固体焦炭和较轻的产物层，所述较轻的产物作为气体或蒸发的液体散发。在进料与流化床接触期间，一些焦炭颗粒可能变得不均匀地或过重地被进料覆盖，并且在与其它焦炭颗粒的碰撞期间可能粘在一起。这些较重的焦炭颗粒可能无法被注入到汽提段底部的蒸汽有效地流化，使得它们随后从反应器段向下进入汽提段，在汽提段处，它们可能粘附并且积聚在汽提段中的棚(shed)上，主要在棚的最上排上。通常，汽提器段具有多个挡板，通常称为“棚”，它们的形状为倒置的通道部分的形式，其横向延伸穿过汽提器主体的若干叠加的排或层。焦炭在其向下通过汽提器的过程中经过这些棚，并且暴露于从在棚下面的容器底部的分布器进入的蒸汽，并在其沿汽提器向上移动时被再分配。来自反应器的、主要由碳和较少量的氢，硫，氮以及微量的钒、镍、铁和衍生自进料的其它元素组成的固体焦炭经过汽提器并且离开反应器容器到达燃烧器，在燃烧器中，焦炭在流化床中利用空气部分燃烧，以使其温度从约480℃升高至700℃(约从900°F升高至1300°F)，之后热的焦炭颗粒再循环至流化床反应区，以便为焦化反应提供热并且用作焦炭形成的核。
同样由Exxon Research and Engineering Company开发的FlexicokingTM过程(灵活焦化过程)实际上是流化焦化过程，其在包括反应器和燃烧器的单元中操作，所述反应器和燃烧器在如上所述的该过程的变型中通常称为加热器，但也包括用于通过与空气/蒸汽混合物反应而气化焦产物以形成低热值燃料气体的气化器。在这种情况下，加热器在贫氧环境下操作。包含夹带的焦炭颗粒的气化器产物气体返回加热器以提供反应器热需求的一部分。从气化器发送到加热器的焦炭的返回流提供热需求的剩余部分。离开加热器的热焦炭气体在被处理用于净化之前用于产生高压蒸汽。将焦炭产物从反应器中连续移出。考虑到灵活焦化过程和流化焦化过程之间的相似性，术语“流化焦化”在本说明书中用于指并被理解为流化焦化和灵活焦化两者，除非当必须区分时。
流化焦化单元的汽提段位于反应器的下部中。来自反应器的焦炭颗粒进入到汽提器中，在汽提器中，焦炭颗粒与来自位于汽提段底部的分布器的汽提蒸汽接触，以便从在该单元底部排出的焦炭中除去烃汽相产物。由于反应器的充分混合的性质，进入汽提器的一定量的焦炭仍然覆盖有可裂化的烃材料。对于该材料，汽提器用作额外的反应段，在其中可发生裂化和干燥。当该材料前进通过汽提器时，发生另外的裂化反应。为此，在汽提器中非常期望活塞流动行为，以便最小化作为烃携带物输送到燃烧器或加热器的可裂化材料的量，在燃烧器或加热器中，可裂化材料被有效地降级为焦炭。使用基本流化焦化装置，与灵活焦化装置不同，该现象不是非常不利的，因为量很小，但在灵活焦化装置的情况下，该材料被送到加热器，在加热器中，材料被暴露于高温、氧不足的环境。进入加热器的未反应材料可能裂解以形成全范围的汽相产物。这些产物然后被携带到加热器顶部，在那里它们可能冷凝到表面上，导致容量和/或运行长度限制。
密相流化床通常表现为充分混合的反应器。然而，使用冷流动力学和示踪剂研究的模型模拟已经显示，显著量的润湿焦炭可以快速地绕过反应段并且接触汽提器棚，在汽提器中，湿膜的一部分转化为焦炭，将焦炭颗粒结合在一起。随着时间的推移，来自汽相的烃物质在颗粒之间的间隙中冷凝，产生非常硬且难以去除的沉积物。流化焦化单元中的当前实践是提高反应器温度以加速热裂化反应。这使得焦炭更快地干燥，从而减少进入汽提器的润湿焦炭的量。然而，较高的反应器温度增加了烃蒸汽的再裂化速率，并且降低了C4+液体产率，导致经济借项。
以前已经进行了其他尝试以不同程度的成功来克服这个问题。一种方法是例如通过将汽提器与位于汽提器棚下方的蒸汽分布器装配在一起来改善汽提器操作，例如，如Hsiaotao Bi等人在"Flooding of Gas-Solids Countercurrent Flow in FluidizedBeds(流化床中的气体-固体逆流流动)",In Eng.Chem.Res.2004,43,5611-5619中报道的。
减少反应器结垢和增加液体产率的另一种方法是在进料进入床时改进进料的雾化，预期改进的雾化将减轻油以液体形式被携带进入汽提器中的程度。在流化焦化过程中使用的常规雾化喷嘴使用蒸汽来帮助将加热的渣油或沥青喷射到热焦炭颗粒的流化床中：渣油滴和夹带的焦炭颗粒的有效接触对于改善反应器可操作性和液体产物产率是重要的。注射的喷雾在床中形成射流，流化的焦炭颗粒被夹带在其中。对于性能不佳的雾化喷嘴的一个主要问题是液体-固体附聚体倾向于在床中形成，导致在固体上的高的局部液体负载，并且形成大的湿进料/焦炭附聚体。这些较重的附聚体可能倾向于朝向反应器的下段分离，并且污染反应器的内部，特别是在汽提段中。通过增强的进料雾化性能，雾化进料和焦炭固体之间的接触将得到改善，导致反应器可操作性的整体改善，由于减少的汽提器结垢而具有较长的流动长度，和/或由于较低的反应器温度运行而具有较高的液体产物产率。也可以通过使用改进的进料喷嘴来促进较高的液体进料速率。
在US 6,003,789(Base)和CA 2 224 615(Chan)中描述了所提出的用于在流化焦化单元中使用的蒸汽辅助喷嘴。在该喷嘴中，其通常安装到流化焦化装置的侧壁，使得其延伸通过壁到焦炭颗粒的流化床中，产生重油/蒸汽混合物的气泡流动流并且在喷嘴孔处雾化。所使用的喷嘴具有圆形流道，其依次包括：进口；具有减小的直径的第一收缩段；具有扩大的直径的扩散器段；具有减小的直径的第二收缩段；和孔出口。汇聚段使流动混合物加速并且通过伸长和剪切应力流动机制诱导气泡尺寸减小。第二收缩段被设计成比第一收缩段更快地加速混合物流，因此，由第一收缩段产生的气泡在第二收缩段中进一步减小尺寸。扩散器段允许混合物在被第二次加速之前减速和慢下来。目的是将离开喷嘴的液滴的平均直径减小到相对精细的尺寸，通常约为300μm，因为据报道重油油滴与加热的焦炭颗粒碰撞的最高概率发生在当液滴和加热的颗粒具有相似的直径时；因此认为200μm或300μm的液滴尺寸是期望的。US 6,003,789的喷嘴背后的目的是产生细小油滴的喷雾，根据传统观点，这将导致焦炭颗粒和油滴之间更好的接触。由House,P.在Ind.Eng.Chem.Res.,43(18),5663“Injection of a Liquid Spray into a Fluidized Bed:Particle-Liquid Mixing andImpact on Fluid Coker Yields(将液体喷雾注入流化床：颗粒-液体混合和对流化焦化器的影响)”中的概念中详述的随后方法提出，应当增强液滴和热焦炭颗粒之间的初始接触和混合，而不必考虑喷雾中液滴的尺寸。提出了使用引流管的喷嘴，并且在美国专利7,025,874(Chan)中也描述了这种类型的喷嘴。该喷嘴装置通过利用从喷嘴孔流出的液体射流的动量来吸引固体进入引流管混合器中并且引起固体和液体在混合器中的强烈混合来运行，并且通过这样做，增强了单个液滴和颗粒接触的概率。因此，更多的焦炭颗粒可能被油薄薄地覆盖，导致液体产率的提高；附聚体的产生将减少，导致结垢的减少，并且可以降低反应器操作温度，同时通过减少液体蒸发过程的传质限制而仍然获得高液体产物产率。实际组件包括用于产生延伸通过反应器的侧壁的射流的雾化喷嘴和水平地定位在反应器内并与喷嘴对准的开口的引流管型混合器，使得来自喷嘴的雾化射流将移动通过管并且将焦炭颗粒流和流化气体输送到管中，在该管中，发生焦炭和液滴的混合。引流管优选具有文丘里段，以促进管内的低压条件，以辅助焦炭颗粒和流化气体的引入。然而，由于考虑到流化床中的组件的结垢，该装置尚未在商业上成功。
例如在基础专利中所示的喷嘴上的圆形出口孔产生从喷嘴出口喷出的圆柱形液体羽流；该羽流具有最小的面积与周长比，并且这对固体颗粒渗透到射流的中心核心造成了显著的阻碍，可能导致热焦炭颗粒和注入的油流之间的接触小于最佳。
在US 7,140,558(McCracken)中描述了改进的混合布置；该装置在本文中称为双侧流动调节器，其将油和蒸汽带入主流动导管中，通过与主流动导管成锐角并且相对于彼此成一定角度设置的进料管道通向喷嘴，另外，限流器被设置在蒸汽管线中的某点处，在该点处其进入主管道，使得蒸汽在其进入主管道时被加速。喷嘴的混合段的这种构造被称为提供流动特性的改进。
US2012/0063961(Chan)描述了一种用于循环流化床反应器的改进的液体进料喷嘴组件，该喷嘴组件具有节流阀体预混合器，以将重油液体进料与喷嘴主体上游的雾化蒸汽组合以形成液体进料/蒸汽混合物，且下游管道通向适于剪切液体进料/蒸汽混合物的排放喷嘴主体，以在排放喷嘴的出口处通过分散器形成具有减小尺寸的液体进料液滴，以提供相对于圆柱形射流具有增加的表面积的液体进料的喷雾。喷嘴组件在使用重油进料例如焦油砂沥青的流化焦化单元中特别有用。
位于喷嘴尖端上游的预混合器在喷嘴性能中起重要作用。预混合器将蒸汽与沥青紧密混合，在通向喷嘴的导管中产生气泡流。分散的气泡流的质量对于所得到的雾化性能是关键的。良好的预混合器在宽范围的蒸汽和沥青流率(flow rate)下产生稳定的气泡流，导致用于进料喷嘴的大的操作窗口。这种大的操作窗口减小了进入脉动状态的可能性，在脉动状态下，雾化很差，导致形成大的湿的附聚体。
但是与在US 7,140,558中描述的BFC预混合器相比，在US 2012/0063961中描述的喷嘴组件及其相对的冲击式蒸汽射流在更宽的操作条件范围内提供非常稳定(较小动态压力脉动)气泡流，根据操作经验已经发现，在蒸汽注入端口下游的区域中出现的马蹄形涡流的形状中，在具有中等程度的磨损的文丘里管喉段附近存在潜在腐蚀担忧。
因此，需要一种喷嘴组件，其能够最小化在雾化蒸汽和重油进料会合和混合的区域中的腐蚀，同时仍然保持蒸汽和沥青的充分混合，并且在混合器的下游具有受控的低压脉动。
发明内容
我们现在已经设计了用于重油进料注射器组件的改进的预混合部分。在US2012/0063961中描述的方式中，将蒸汽和沥青混合以在通向雾化喷嘴的管道中产生分散的气泡流的改性预混合器具有汇聚-发散的喉道段，但是特征在于，雾化气体(通常是蒸汽)通过恰好在汇聚段上游的两个或更多个孔引入，其将进料引入喉道而不是文丘里管的喉道内部。已经发现这种构造增强了蒸汽和沥青的混合，导致改善的稳定性和减轻的腐蚀。
因此，根据本发明，重油进料和雾化蒸汽之间的改进的混合可以通过使用预混合器来实现，该预混合器在喷嘴组件中收缩-扩张段的入口处，呈带径向端口的节流阀体蒸汽注射器的形式。该混合器为喷嘴的操作提供了改进的稳定性，并且还使得能够在更广泛的条件范围内使用更宽的操作窗口。当与具有改进的流动调节器和分散器构造的喷嘴一起使用时，可以实现焦炭颗粒和反应器中的油之间的改善的接触。
喷嘴组件包括预混合器，所述预混合器通过流体导管以流体流动关系连接到排放喷嘴，所述排放喷嘴将雾化的进料作为喷雾排放到在反应器内部循环的颗粒上。在反应器壁外部和喷嘴尖端内部的油和蒸汽连接之间的流动导管通常在当前反应器中延伸约40-150cm长。下面描述的优选的节流阀体预混合器使流动在更长(可能超过150cm的长度)的管道上稳定，同时保持用于蒸汽/油速率的宽操作窗口对于在高相对蒸汽速率下的喷射脉动或在高油速率下阻塞具有减小的可能性。
可以通过在预混合器和排放喷嘴之间的流动导管中使用特定流动调节器或稳定器来增强预混合器的稳定效果。来自排放喷嘴的喷射图案也可以被增强，并且通过在排放喷嘴的孔处使用适当的分散器来改善流体床中的油和颗粒之间的接触。
根据本发明，雾化蒸汽在节流阀体预混合器中被引入油流中，该节流阀体预混合器由在流动导管中的汇聚-发散收缩部或喉道的正上游的径向蒸汽注入端口限定。雾化蒸汽通过径向布置的进口端口以比油流更高的压力注入；在收缩部的下游发生的强烈混合导致喷雾的改进的稳定性。
使用这种预混合器产生的油/焦炭颗粒接触的改进可以通过在喷嘴组件的反应器端部处的普通圆形孔来实现，但是通过在US2012/0063961中描述的排放喷嘴的孔处使用多叶分散器，可以利用所造成的在焦炭颗粒上的油的膜厚度减小来实现进一步的改进。该分散器提供具有增加的表面积的喷射羽流，所述喷射羽流具有与分散器中的流道的形状相对应的喷射图案，导致在进料射流和床中的固体之间的接触方面以及在通过液体射流夹带固体方面的显著改进。
在其优选形式中，在排放喷嘴的孔处的分散器包括主体，该主体具有中心流道和多个分散叶片，所述中心流道从主体的后部(进料侧)通向分散器的排放端，所述多个分散叶片在主体内并且与中心流道连通。在优选形式中，多叶分散器具有苜蓿叶构造，通常包括从中心轴线周围对称地布置并且从流动导管通向中心流道敞开的三个或四个发散的准锥体形流道。这些分散叶片形成油喷雾液滴的分散图案，具有与分散器主体中的叶片的构造匹配的构造。每个叶片由形成在分散器的主体中的壁限定，其中每个叶片的壁限定中空锥体的一段；中空锥体的轴线与中心流道对称地相交，使得每个中空锥体沿着其长度向流道敞开，以限定增大的多叶片出口通道，其横截面面积从分散器主体的后部向前部增加。在这种形式中，分散器具有苜蓿叶构造，是三叶或四叶的，具有在主体中形成的三个或四个叶片。
分散器通常被制造为在流道的端部处的来自圆形喷嘴主体的延伸部，其扩展到更宽的、非圆形的多叶片开口，这增加了喷嘴孔的周长与面积比。使用分散器，从喷嘴孔流出的液体射流也将是相应的非圆形形式，不仅大大增强了液体分散，而且增加了射流和固体流化床之间的界面和夹带的表面积。作为叶形分散器的替代，相对于普通圆形喷雾图案的表面积而言，可以使用简单的扇形分散器来增加喷雾的表面积。
连接预混合器与排放喷嘴的流动导管还用于控制喷雾稳定性和有效性。尽管在预混合器和喷嘴之间的普通圆柱形流动导管对于本预混合器构造是有效的，并且对于多叶分散器更是如此，但是对喷雾中的液滴尺寸的控制可以通过在预混合器和排放喷嘴之间的流动导管中使用流动稳定器或调节器来实现。
喷嘴组件可用于将流体注入到各种类型的循环流化床反应器中，在该循环流化床反应器中需要流化床的组分和注入的流体之间的良好接触。喷嘴组件在流化焦化反应器中是特别有用的，但是在遇到类似问题的其它CFB反应器中是潜在有用的。
在用于流化焦化单元的优选形式中，该单元的反应器包括：
密相床反应段，所述密相床反应段由反应器壁限定，通常为其主要横截面在最上面的截头锥体形构造，
基底区域，所述基底区域在密相床反应段下面，在基底区域处注入流化气体以流化密相床反应段中细分散(finely-divided)的固体焦炭颗粒的密相床，
重油进口，所述重油进口的进料注入喷嘴位于反应器壁的外围周围，在基底区域上方的多个高度处，
集气室或洗涤器段，所述集气室或洗涤器段位于所述密相床反应段上方并且与所述密相床反应段分隔开，
旋风分离器，所述旋风分离器在密相床反应段的顶部处，每个旋风分离器具有：旋风分离器进口，其用于离开的气体和焦炭颗粒的流动；旋风分离器气体出口，其排出到反应段上方的集气室中；以及旋风分离器浸入管，其用于使从旋风分离器中的气体分离的焦炭颗粒返回到密相床反应段；汽提段，其在反应器的基底区域处，包括用于汽提蒸汽的汽提器棚和分布器。
反应器将通过焦炭管线以如下的正常方式在单元中联接到燃烧器/加热器：冷焦炭输送管线将焦炭从汽提器的底部带到燃烧器/加热器，并且热焦炭回流管线将热焦炭从燃烧器/加热器带回到反应器，在灵活焦化装置的情况下，气化器段如上所述跟随加热器容器。
在流化焦化装置中，进料进口喷嘴设置在反应器的上端处，并且基本水平地围绕反应器的外围；这些进料进口喷嘴将重油进料引导到反应器中。它们各自具有如上所述的进料喷嘴组件，优选具有改进的预混合器和流动调节器并且具有多叶分散器，以便为从喷嘴进入反应器的喷雾提供最佳构造。
本发明以其优选形式提供了一种循环流化床反应器，该循环流化床反应器具有：反应器壁，所述反应器壁具有围绕竖直轴线的圆形横截面；用于流化气体的下部进口；和用于液体重油进料和雾化蒸汽的喷嘴组件，所述喷嘴组件接近反应器的在下部流化气体进口上方的上部区域并在反应器壁周围。喷嘴组件各自基本水平地延伸通过反应器壁进入反应器中，在反应器内具有排放喷嘴孔，并且每个喷嘴组件在远离排放喷嘴的端部处具有用于液体重油进料的进口。每个喷嘴组件包括：
预混合器段，所述预混合器段将液体重油进料与雾化蒸汽组合以形成包含气泡的液体进料/蒸汽混合物；预混合器段包括在从进料进口到排放喷嘴的方向上的连续的汇聚和发散区域以及连接汇聚区域和发散区域的中心喉道段，多个径向蒸汽进口端口位于汇聚区域的入口处；
流动导管段，所述流动导管段跟随并且连接到预混合器段的出口，从预混合器段延伸到排放喷嘴，以将由预混合器产生的液体/蒸汽混合物的流输送到排放喷嘴；
排放喷嘴，所述排放喷嘴具有跟随并且连接到流动导管段的汇聚入口，以剪切液体进料/蒸汽混合物，并且在所述混合物从喷嘴离开时产生减小尺寸的液体进料液滴。
喷嘴组件利用汇聚-发散预混合器段以在紧接汇聚段之前的压力下将雾化蒸汽引入重油流中，该汇聚段变窄到节流阀体的喉道。通过在预混合器和喷嘴孔之间的流动导管中使用收缩膨胀流动调节器或稳定器，进一步改善通过使用预混合器赋予的进料流动的稳定性。
附图说明
在附图中：
图1以截面示出包括节流阀体预混合器的喷嘴组件；
图2示出优选的预混合器主体的放大截面；
图3示出用于在预混合器和排放喷嘴之间的流动导管中使用的流动稳定器-调节器的截面；
图4示出用于流动稳定器-调节器的替代构造的截面；
图5A示出多叶分散器的纵向截面；
图5B示出图5A的多叶分散器的末端处的横截面。
具体实施方式
喷嘴组件
在图1中示出用于在流化床中产生改进的进料分散体的完整的喷嘴组件。喷嘴组件10延伸通过反应器的壁11进入其内部12，喷嘴组件10包括具有法兰14的节流阀体预混合器段13，法兰14固定到喷嘴组件10的排放端或下游端。法兰14可以适当地焊接到预混合器段的端部上或以任何其它合适的方式(例如，通过螺纹)附接。从预混合器延伸到排放喷嘴的流动导管15在其进口或上游端处装配有法兰18，以提供与预混合器法兰14的流体流动连接。具有圆形横截面的流动导管15(其在反应器内部的末端具有排放喷嘴29)与预混合器段一起以常规方式通过贯穿螺栓(未示出)被保持在外部支撑护罩17的法兰端18上。导管20被通过法兰连接到预混合器段13的进口侧，并且延伸到清洁端口21，该清洁端口21在操作中通常由法兰盖板(未示出)封闭。设置清洁端口以允许通过如下方式来清理掉喷嘴组件的污垢：通过使清洁杆穿过未覆盖的清洁端口远至排放喷嘴端，并且如果杆足够小，则使清洁杆穿过喷嘴的内端处的排放孔。
为重油进料提供进口端口22，并且雾化蒸汽通过两个径向相对的蒸汽进口管线23、24进入预混合器的主体中的蒸汽进口端口30、31(如图2所示)。进口端口30、31被布置在汇聚区域的开始处，形成到预混合器段中的节流阀体缩窄部的入口，在预混合器段中，重油进料与注入的蒸汽的剧烈混合开始。蒸汽管线还在其外端设置有清洁端口25、26，通常由带法兰的盖板覆盖，以允许清洁杆被传递到预混合器的主体中的进口端口。
导管15引导通过反应器的壁11并且在反应器内部被包封在护罩28中远至排放喷嘴主体，主要用于结构支撑并且保护导管免受在反应器中循环的固体的腐蚀。
预混合器
预混合器的目的是在反应器中产生稳定的两相流以便有效雾化。图2中详细地示出更具优势的节流阀体预混合器段的优选构造，该预混合器段混合蒸汽和重油进料以在通向雾化喷嘴的管道中产生分散的“气泡”流。预混合器13具有蒸汽进口端口30、31，所述蒸汽进口端口30、31允许蒸汽从位于汇聚段32的开始处的进口管线23、24通向喉道33，然后到达扩散器段34；蒸汽通过位于汇聚喉道段正前面的端口以比油的压力更高的压力引入。通过预混合器的通道的进口直径和出口直径通常是相同的。
蒸汽端口在蒸汽与液体进料混合的位置处产生高速蒸汽射流，并且蒸汽/油混合物在最大剪切下进入预混合器的喉道从而产生分散的气泡流。端口的数量可以根据使用要求和组件的尺寸而变化，并且通常从两个到六个是合适的，在大多数情况下是从两个到四个。已经发现两个端口给出良好的结果，并且还可以使端口足够大以减小变得被污染的可能性。对称的径向端口布置是优选的，例如，两个端口在直径上相对并且具有四个端口在象限处。蒸汽端口优选地成对地相对，以通过来自端口的相对的蒸汽射流彼此冲击而促进进料的混合和雾化；来自非相对端口的蒸汽的撞击对预混合器壁的腐蚀也减轻。气体和液体恰好在喉道区域的入口处混合被认为对于良好的混合、具有减小的压力脉动的稳定气泡流动和在喉道段本身中减轻的腐蚀是最佳的。如果需要，则蒸汽管线可以设有如所示出的不带法兰的清洁端口，该清洁端口将允许清洁杆向下通过，远至节流阀体的汇聚段上游的段。
预混合器的显著性能标准是：在喉道的入口处的汇聚角，喉道直径和长度，来自喉道的发散角，进入和离开直径。这些值最好根据进料特性(主要是粘度)和所需的流速凭经验设定。通常，优选小汇聚/发散角，通常为约3°至约15°(锥体半角)，优选在4°和8°之间的值，但是在较高的流速下，由不稳定性指数所表示的性能差异倾向于消失，使得较大的半角值例如20°是可接受的。汇聚角和发散角通常基本相同，以提供对称的汇聚/发散区域，优选地在汇聚区域和发散区域之间具有圆柱形中心区域。
具有9270千克/时容量的预混合器的典型近似尺寸如下表1所示(尺寸全部以mm为单位)。
表1
参数
进口直径 40
出口直径 40
汇聚长度 85
发散长度 85
喉道长度 25
喉道直径 25
端口直径 10
汇聚/发散角 5.7°
原始的(如在US 2012/0063961中的)和本修改的喉道的最大腐蚀速率与混合器下游的液体体积分数的标准偏差一起在表2中示出，其用于量化混合。
表2
喉道类型 最大腐蚀速率(10<sup>-6</sup>m/s) 液体体积分数的标准偏差
原始 1.9 0.135
修改后 0.31 0.123
不同的材料，例如硬合金，也可以用于构造预混合器的喉道区域，或可替代地，可以通过热等静压制造，以便减轻腐蚀。
在具有较小气体端口(例如约7mm)的较宽范围的液体流速下，流动稳定性保持相对更恒定，但是同样，在较高的液体流速下，差异趋于消失，使得较大的端口是优选的，因为它们具有更大的耐污染性。此外，使用较大的气体端口降低了蒸汽的速度并且使腐蚀最小化。较小的喉道直径有利于流动稳定性，尽管较大的直径导致较小的压降，但是在这里，喉道尺寸必须根据喷嘴组件的期望流速来选择。
节流阀体预混合器的一个非常有利的特征是其通过在宽流速范围内维持流动稳定性而有助于在预混合器和喷嘴之间使用更长的流动导管。虽然双向流动调节器提供了与具有短流动导管(小于等于约80cm长)的节流阀体预混合器相当的性能，但是在较长(例如130cm或更长)的导管中的流动，在超过约1.8重量％的气/液比下，在冷流动测试中趋向于快速失稳。
预混合器必须被设计成适应重油与伴随的蒸汽流的期望流率以便良好的雾化。通常，蒸汽/油比率将在油的0.3-1.2重量％的范围内，通常相当小，在0.4-0.9蒸汽/油比率的范围内，其中比率为约0.86可能是典型的。蒸汽的进料头压力通常在1500kPag至2000kPag(约200psig至290psig)的范围内。
流动调节器
通过在宽范围的喷嘴操作条件下使用预混合器形成的分散的、稳定的气泡流的维持增强了特定喷嘴组件的操作灵活性。在通向喷嘴的导管中，液体是连续的相，并且气体(蒸汽)气泡存在于液体中。在喷嘴出口处发生相转化，并且气体变成连续相，导致液滴分散在气体中。预混合器和流动调节器中的剪切造成气泡尺寸的减小。当分散的气泡流没有完全被携带到喷嘴孔时，喷嘴将倾向于将液体进料的小块送到固体的流化床中。喷嘴组件利用在预混合器和排放喷嘴之间的具有恒定横截面的普通管状流动导管良好地运行，如图1所示。但是预混合器13下游的管道15中的湍流可以进一步稳定，并且借助于流动导管中的流动稳定器或调节器，在分配喷嘴之前保持分散的气泡流。在其最简单的形式中，流动调节器包括在导管中的减小的横截面流动面积的区域，其在排放喷嘴的上游产生加速的混合流。因此，在其最简单的形式中，流动调节器将包括位于预混合器和排放喷嘴之间的导管中的套环。该套环可以具有普通矩形截面或者其在可以每一侧上具有成角度的表面，在任一种情况下，流动调节器优选地定位成用于朝向流动导管的排出端的改进的流动稳定性，优选地在其在预混合器和排放喷嘴之间的长度的第二半内，即，与离预混合器相比离排放喷嘴更近。与普通流动导管相比，将流动调节器设成接近预混合器在基本上所有气体流速下仅提供有限的稳定性改进；沿着预混合器和排放喷嘴之间的流动导管大约50％的位置提供了显著的改进，而在排放喷嘴的几个导管直径内，例如2个至10个，优选2个至5个管道直径内的位置提供了在排放喷嘴处最佳的流动稳定性。
图3示出流动调节器的一种优选形式，其中调节器35包括环形收缩部，该环形收缩部提供渐进汇聚区域，接着是渐进发散区域，其类似于预混合器的渐进发散区域。这种形式的流动调节器可以被加工并且例如通过焊接或螺纹连接到导管中。流动调节器35具有限定一段锥体的汇聚入口区域36和再次限定一段锥体的发散排出段37连同中间圆柱形喉道段39。流动沿箭头所示的方向发生。
图4中示出流动调节器的可替代构造。像图3的调节器，该段被设计成(通过跨喷嘴主体的压降)产生适当的剪切力以形成小的、均匀的进料液滴，同时还提供足够的动量以将从喷嘴井排出的射流中的液滴输送到固体床中。流动调节器40具有从一端延伸到另一端的轴向流道41，其在上游端具有适当的连接器以连接到导管15的端部；该连接器可以是例如焊接或螺纹衬套。在其另一端处，流动调节器被焊接、螺纹连接或以其它方式附接到排放喷嘴29的主体上。流动导管中的中心通道依次包括：汇聚区域42，其收窄到喉道43，随后是发散扩散区域44，其后是在排放喷嘴29的主体中的第二汇聚区域45区域，然后是喷嘴孔本身46。在这种情况下，与图3的流动调节器相比，流动调节器相当长并且在扩散区域45中具有平缓的发散。已经发现即使当使用普通喷嘴(无分散器)操作时，这种形式的流动调节器仍提供具有平均液滴尺寸小于200微米的细小液滴的喷雾，这提供到床中的更佳的渗透，但是可以利用流动分散器来改进床中的油/焦炭颗粒接触。
在通向流动调节器段的预混合器下游的喷嘴主体中的圆形导管15的直径和长度也将影响分散的气泡流的稳定性，并且因此影响喷嘴的雾化性能。在导管中的过长的停留时间将导致气泡的聚结和两相流动的不稳定性。因此，在选择导管直径/长度比上，在将导管中的流体停留时间保持最小的需要和导管中的压降对喷嘴的总压力要求的贡献之间存在平衡。
流动稳定器或调节器的环形收缩膨胀可以以类似于具有相等的进入和排出角度的节流阀体预混合器的优选形式的方式方便地制造，或者可替代地，具有长的、逐渐扩大的发散膨胀区域跟随缩窄的喉道。这个长的发散区域可以延伸到排放喷嘴的汇聚部分开始的点，或者其可以未到达该点就停止。连接预混合器和喷嘴的流道中的汇聚/发散流动调节器与喷嘴主体中的汇聚流道的组合非常有效地对混合物中的液体油滴施加剪切以在离开排放喷嘴时减小它们的尺寸。
对于任一形式的流动调节器，第一汇聚区域的目的是使来自预混合器的蒸汽/油混合物加速，以通过伸长和剪切应力减小气泡尺寸。此后，扩展直径的发散或扩散器段允许混合物减速，使得可以在喷嘴中的下一个汇聚段中获得足够的加速度，以进一步减小气泡尺寸，并且优选地用于以比在第一收缩段中更大的加速度使混合物加速，以便在混合物进入排放孔之前进一步通过伸长和剪切应力来减小气泡尺寸，并且以分布在蒸汽中的相对微小的油滴的射流的形式出现。
喷嘴组件优选根据以下考虑设计：
流动调节器上游侧的汇聚区域应使混合物加速，以由于在汇聚区域下游的随后发散(扩散)区域中的流动的膨胀而产生相对小的气泡流。位于喷嘴主体中恰好在孔之前的流道的端部处的第二汇聚区域应当使混合物加速比由第一汇聚区域实现的加速更多。提供大约两倍加速度的区域是适当且优选的。
如果由第一汇聚区域和扩散区域产生的细小气泡要进一步减小尺寸，则需要使它们经受相对增加的伸长和剪切应力；并且为此，扩散区域应当充分地增加流道的直径，使得可以在第二汇聚区域中实现期望的加速。然而，需要限制该汇聚区域的长度以避免气泡的过度重新组合。发现3°汇聚是令人满意的，而在该区域中的6°汇聚(总角度)不太有用。因此，第二汇聚区域中的汇聚角通常在2°至6°的范围内，优选为3°至5°。
分散器
如上所述，普通圆柱形喷嘴，即具有紧跟其后的锥形出口的汇聚入口可以与优选的预混合器一起使用，但是通过在喷嘴孔处使用分散器可以改进油-固体接触。分散器的目的是从中心线将液体抽走以最大化与固体的液体接触。这允许进料用更薄的膜更一致且均匀地覆盖焦炭颗粒。由于在较薄的膜中扩散路径较短，因此倾向于较少的二次裂化，导致改进的液体产率。因此，产率的进一步提高主要是由于在喷嘴上使用分散器。在早期测试中评估了几种类型的分散器；这些包括“忍者星(ninja star)”、多孔的、多叶片的例如苜蓿和风扇设计。基于图案形成器(patternator)通量测量，未发现“忍者星”和双叶片设计在将重油滴拉离液体核心方面是有效的。为射流提供平坦、双叶片或扇形喷雾图案的苜蓿和双叶片或扇形图案在射流与流化床的相互作用中具有类似的性能；优选的多叶片苜蓿构造基于喷射/床相互作用测试，其对于具有增加的固体夹带的具有更高的周长面积比的分散器通常表现出更好的性能。图案形成器是用于测试来自喷嘴的喷射图案的仪器。它取代了机械图案化，并且其高速度和高分辨率允许其用于其中喷雾的均匀性和图案是重要的各种应用。该技术由En'Urga Inc.of West Lafayette,IN开发。该仪器由En'Urga描述为由美国专利6184989覆盖。
苜蓿分散器的具体实施例在图5A和图5B中示出。分散器50具有从在喷嘴主体的汇聚区域的端部处的进口51到出口孔52的、在横截面上逐渐增加的的流道。这允许蒸汽在离开狭窄的喷嘴通道时随着压力减小而膨胀，并且在这样做时，将油/蒸汽混合物分散成由分散器几何形状决定的膨胀图案。多叶分散器具有机加工到主体中的四个叶片53，每个叶片的壁限定一段中空锥体。几个中空锥体的轴线与分散器的中心轴线对称地相交，以便为分散器提供增大的横截面面积，从而允许蒸汽膨胀并且将油射流分解成细小的喷雾。多叶分散器中的叶片的数量可以根据进料特性和可用的物理空间来选择；通常从两个到六个叶片是合适的，并且在大多数情况下，四个将是最合适的数量。双叶片设计在端视图中将类似于八字形，其将提供类似于风扇但具有变窄的腰部区域的图案，有助于阻止到射流的强中央核心的形成；三叶片设计将类似于三叶苜蓿等。在使用中，已经发现当在“x”方向而不是“+”在方向上使用时，四叶苜蓿提供更好的油/焦炭接触，即，叶片与水平方向呈45°/135°，与“+”的竖直/水平定向相反。

Claims (20)

1.一种循环流化床反应器，所述循环流化床反应器具有：反应器壁，所述反应器壁具有围绕竖直轴线的圆形横截面；用于流化气体的下部进口；和用于液体重油进料和雾化蒸汽的进料注入喷嘴组件，所述进料注入喷嘴组件在所述下部流化气体进口上方并在所述反应器壁周围，所述喷嘴组件各自延伸通过所述反应器壁进入所述反应器中，且在所述反应器内具有排放孔并且在远离所述排放孔的端部处具有用于液体重油进料的进料进口；每个进料注入喷嘴组件包括：
预混合器段，所述预混合器段将液体重油进料与雾化蒸汽组合以形成包含液体中的气泡的液体进料/蒸汽混合物，所述预混合器段包括连续的汇聚区域和发散区域，并且多个径向蒸汽进口端口位于所述汇聚区域的入口处；
流动导管段，所述流动导管段跟随并且连接到所述预混合器段的出口，从所述预混合器段延伸到排放喷嘴，以将由所述预混合器产生的液体/蒸汽混合物的流输送到所述排放喷嘴；
排放喷嘴，所述排放喷嘴具有跟随并且连接到所述流动导管段的汇聚入口，以剪切所述液体进料/蒸汽混合物，并且在从所述排放喷嘴离开时产生尺寸减小的液体进料液滴。
2.根据权利要求1所述的循环流化床反应器，其中所述预混合器段包括连接所述汇聚区域和发散区域的中心圆柱形喉道段。
3.根据权利要求1所述的循环流化床反应器，其中所述喷嘴组件具有流动导管段，所述流动导管段包括连续的汇聚区域和发散区域，以减小来自所述预混合器的液体进料/蒸汽混合物中的气泡的尺寸。
4.根据权利要求1所述的循环流化床反应器，其中所述喷嘴组件具有流动导管段，所述流动导管段包括通过扩散区域分隔开的串联的汇聚区域。
5.根据权利要求1所述的循环流化床反应器，所述循环流化床反应器包括在所述排放喷嘴的出口处的多叶分散器，以产生相对于圆柱形射流具有增加的表面积的相应成形的液体射流羽流。
6.根据权利要求5所述的循环流化床反应器，其中所述分散器具有主体，所述主体包括圆形横截面的中心流道和在所述主体中的多个叶片，每个叶片的壁限定一段中空锥体，且所述中空锥体的轴线与所述分散器的中心轴线对称地相交，以在所述分散器主体中限定具有增加的横截面面积的增大的多叶片出口通道。
7.一种流化焦化反应器，所述流化焦化反应器具有：反应器壁，所述反应器壁具有围绕竖直轴线的圆形横截面；用于流化气体的下部进口；和用于液体重油进料和雾化蒸汽的进料注入喷嘴组件，所述进料注入喷嘴组件在所述下部流化气体进口上方并在所述反应器壁周围，所述喷嘴组件各自延伸通过所述反应器壁进入所述反应器中，且在所述反应器内具有排放喷嘴孔并且在远离所述排放喷嘴的端部处具有用于液体重油进料的进口；每个进料注入喷嘴组件包括：
预混合器段，所述预混合器段将所述液体重油进料与雾化蒸汽组合以形成包含液体中的气泡的液体进料/蒸汽混合物，所述预混合器段包括连续的汇聚区域和发散区域以及连接所述汇聚区域和发散区域的中心喉道段，且多个径向蒸汽进口端口位于所述汇聚区域的入口处；
流动导管段，所述流动导管段跟随并且连接到所述预混合器段的出口，从所述预混合器段延伸到排放喷嘴，以将由所述预混合器产生的液体/蒸汽混合物的流输送到所述排放喷嘴；
排放喷嘴，所述排放喷嘴具有汇聚入口，所述汇聚入口跟随并且连接到所述流动导管段，以剪切所述液体进料/蒸汽混合物，并且在从所述排放喷嘴离开时产生尺寸减小的液体进料液滴。
8.根据权利要求7所述的流化焦化反应器，其中所述预混合器段包括连接所述汇聚区域和发散区域的中心圆柱形喉道段。
9.根据权利要求7所述的流化焦化反应器，其中所述喷嘴组件具有流动导管段，所述流动导管段包括连续的汇聚区域和发散区域，以减小来自所述预混合器的液体进料/蒸汽混合物中的气泡的尺寸。
10.根据权利要求7所述的流化焦化反应器，其中所述喷嘴组件具有流动导管段，所述流动导管段包括通过扩散区域分隔开的串联的汇聚区域。
11.根据权利要求7所述的流化焦化反应器，其中所述进料注入喷嘴各自包括在所述排放喷嘴的出口处的多叶分散器，以产生相对于圆柱形射流具有增加的表面积的相应成形的液体射流羽流。
12.根据权利要求11所述的流化焦化反应器，其中所述分散器具有主体，所述主体包括圆形横截面的中心流道和在所述主体中的多个叶片，每个叶片的壁限定一段中空锥体，且所述中空锥体的轴线与所述分散器的中心轴线对称地相交，以在所述分散器主体中限定具有增加的横截面面积的增大的多叶片出口通道。
13.一种具有流化床焦化反应器的流化焦化单元，所述流化床焦化反应器包括：
密相床反应段，所述密相床反应段具有围绕竖直轴线的圆形横截面并且由反应器壁限定，
基底区域，所述基底区域在所述密相床反应段下面，在所述基底区域处注入流化气体以流化所述密相床反应段中细分散的固体焦炭颗粒的密相床，
多个重油进口，所述多个重油进口在所述基底区域上方的多个高度处位于所述反应器壁的外周周围，
洗涤器段，所述洗涤器段在所述反应段上方并且与所述密相床反应段分隔开，
至少一个旋风分离器，所述至少一个旋风分离器在所述密相床反应段的顶部处，每个旋风分离器具有用于离开所述反应段的气体和焦炭颗粒的进口、排入到所述洗涤器段中的旋风分离器气体出口、以及用于使从所述旋风分离器中的气体分离的焦炭颗粒返回到所述密相床反应段中的旋风分离器浸入管，
汽提段，所述汽提段在所述反应器的所述基底区域处，
进料注入喷嘴组件，所述进料注入喷嘴组件各自延伸通过所述反应器壁进入所述反应器中，且在所述反应器内具有排放孔并且在远离所述排放喷嘴的端部处具有用于液体重油进料的进口；每个进料注入喷嘴组件包括：
预混合器段，所述预混合器段将所述液体重油进料与雾化蒸汽组合以形成包含液体中的气泡的液体进料/蒸汽混合物，所述预混合器段包括连续的汇聚区域和发散区域，并且多个径向蒸汽进口端口位于所述汇聚区域的入口处；
流动导管段，所述流动导管段跟随并且连接到所述预混合器段的出口，从所述预混合器段延伸到排放喷嘴，以将由所述预混合器产生的液体/蒸汽混合物的流输送到所述排放喷嘴；
排放喷嘴，所述排放喷嘴具有汇聚入口，所述汇聚入口跟随并且连接到所述流动导管段，以剪切所述液体进料/蒸汽混合物，并且在从所述排放喷嘴离开时产生尺寸减小的液体进料液滴。
14.根据权利要求13所述的流化焦化单元，其中所述预混合器段包括连接所述汇聚区域和发散区域的中心圆柱形喉道段。
15.根据权利要求13所述的流化焦化单元，其中所述喷嘴组件具有流动导管段，所述流动导管段包括连续的汇聚区域和发散区域，以减小所述液体进料/蒸汽混合物中的气泡的尺寸。
16.根据权利要求13所述的流化焦化单元，其中所述喷嘴组件具有流动导管段，所述流动导管段包括通过扩散区域分隔开的串联的汇聚区域。
17.根据权利要求13所述的流化焦化单元，其中每个进料注入喷嘴组件包括在所述排放喷嘴的出口处的分散器，以产生相对于圆柱形射流具有增加的表面积的相应成形的液体射流羽流，所述分散器具有主体，所述主体包括具有圆形横截面的中心流道和在所述主体中的多个叶片，每个叶片的壁限定一段中空锥体，且所述中空锥体的轴线与所述分散器的中心轴线对称地相交，以在所述分散器主体中限定具有增加的横截面面积的增大的多叶片出口通道。
18.根据权利要求17所述的流化焦化单元，其中所述分散器具有包括四个叶片的主体，每个叶片的壁限定一段中空锥体，且所述中空锥体的轴线与所述分散器的中心轴线对称地相交，以在所述分散器主体中限定具有增加的横截面面积的增大的四叶片出口通道。
19.根据权利要求13所述的流化焦化单元，其中所述反应器在所述单元中通过焦炭管线联接到燃烧器/加热器，所述焦炭管线包括：冷焦炭输送管线，所述冷焦炭输送管线将焦炭从所述汽提器的底部输送到所述燃烧器/加热器；和热焦炭回流管线，所述热焦炭回流管线将热焦炭从所述燃烧器/加热器带回到所述反应器。
20.根据权利要求17所述的流化焦化单元，所述流化焦化单元包括焦炭气化器段，所述焦炭气化器段通过焦炭输送管线连接到所述加热器/燃烧器。
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