CN108889341A - 一种流化床催化剂再生方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种石油和化工领域气固相流化床催化反应过程的催化剂再生技术，特别是涉及一种流化床催化剂再生方法。催化剂再生反应区分成循环流化床再生区、流化床再生区和湍流流化床与流化床串联再生区三段，使催化剂再生在三个不同催化剂流化条件和反应条件下进行；本发明通过再生器结构改进和催化剂流态化条件的分区控制及含氧气体的合理分配，使催化剂再生反应流态化条件得到优化，再生过程中气体的氧含量更高，在再生器主体不变的条件下，实现三区再生，提高再生反应速度和氧气利用率、降低能耗；降低再生器内的催化剂藏量，改进再生剂的性能。

Description

一种流化床催化剂再生方法

技术领域

本发明涉及一种石油和化工领域气固相流化床催化反应过程的催化剂再生技术，特别是涉及一种流化床催化剂再生方法。

背景技术

气固流化床反应过程是化工领域常用的方式。炭氢化合物催化反应过程常伴随催化剂的积炭失活，需要对催化剂再生。尤其是石油烃催化裂化、流化床甲醇制烃类反应过程，使用微球型催化剂连续循环流化床方式。

无论是装置投资，操作能耗，还是维护费用，催化剂再生过程在流化床催化过程中都占有主要地位。降低再生过程烟气中过剩氧含量，降低再生系统的气体压降，降低催化剂藏量，对流化床催化剂再生过程都有重要意义。

针对催化裂化工艺，国内开发了循环流化床和密相流化床上下串联的再生技术。循环流化床中反应后的气体和催化剂全部进入直径扩大的密相流化床继续反应。这种技术的密相流化床反应区反应介质传递速度和氧含量都较低，需要靠增加催化剂藏量、延长反应时间弥补。

循环流化床流态化状态下，由于气体成为连续相，反应介质的传递提高的较多，但也存在着催化剂密度低的问题，尤其是随着反应的进行，炭和氧的含量都迅速降低，反应效率下降。循环流化床和密相流化床串联烧焦形式中密相流化床传递效率较低。

中国石油华东勘探设计院开发了循环流化床单段烧焦再生技术，催化剂在循环流化床内完成再生反应。虽然循环流化床流态化形式解决了反应介质传递问题，可以减少催化剂的藏量，但由于随着反应的进行，气体中的氧含量和催化剂的炭含量都逐渐降低，循环流化床单段烧焦技术后部炭含量已经是再生剂水平，氧也基本消耗完，反应效率很低，需要增加反应器体积，增加建设投资。

CN201611009075.1公开一种流化床催化剂再生方法，由催化剂再生和气固分离组成，设有催化剂再生反应区和气固分离区，催化剂再生反应区由循环流化床再生区和湍流流化床与流化床串联再生区两段组成，气固分离区分成下方的与循环流化床再生区连接的气固预分离区和上方的后续气固分离区；该再生方法中，再生过程分成同轴并列的循环流化床再生区和湍流流化床与流化床串联再生区两段再生，每段再生都采用新鲜空气，提高了再生效率，循环流化床再生烟气设置催化剂预分离器，能够降低烟气的粉尘排放量；该再生方法，将已有上下串联再生技术的流化床再生区设置为与循环流化床循环并列，并增加湍流流化床再生区，该方法中，循环流化床再生区的催化剂和气体直接全部进入气固预分离区，然后来自循环流化床的气体在气固分离后的稀相区再和湍流流化床再生区的气体混合并进行后续气固分离，循环流化床再生区的催化剂没有经过重力沉降，催化剂预分离区的催化剂分离负荷高，增加气固分离的压降和催化剂破碎率；该方法中，由于两个再生区再生反应后的气体的条件不可能完全相同，含氧量、温度、碳氧化物含量都可能不一致，由于再生器稀相催化剂密度很低，两区的的气体在再生器稀相混合很容易因后续反应(燃烧)引起气体超温，形成安全隐患；另外该方法中催化剂需要通过气固分离后进入湍流流化床再生区，增加了设备难度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种既能提高反应介质的传递效率，也能提高反应介质含量的高效的流化床催化剂再生方法，实现反应速率高、催化剂藏量少、氧气消耗少、经济性好催化剂再生目标。

流化床催化剂再生的反应过程，主要是氧、炭反应以及氧、氢的反应，而且氢反应速度更快。提高反应效率，关键是利用好催化剂流态化技术，形成良好的流态化形式，平衡好反应介质传递和反应介质含量的关系。

为达上述目的，本发明提供了一种流化床催化剂再生方法，催化剂再生采用流态化形式，用于炭氢化合物流化床催化反应的催化剂再生；采用以下技术方案：

一种流化床催化剂再生方法，由催化剂再生反应和气固分离组成，在再生器内完成，再生器设有催化剂再生反应区和气固分离区；再生反应区使催化剂再生在三个不同催化剂流化条件和反应条件下进行；

催化剂再生反应区分成循环流化床再生区、流化床再生区和湍流流化床与流化床串联再生区三段，循环流化床再生区与流化床再生区上下串联设置，湍流流化床与流化床串联再生区设置在外侧；循环流化床再生区为第一再生区(又称第一段催化剂再生区)，流化床再生区为第二再生区(又称第二段催化剂再生区)，湍流流化床与流化床串联再生区为第三再生区(又称第三段催化剂再生区)；

第三再生区通过横截面积变化分成下部的湍流流化床再生区(湍流流化床也简称湍流床)和上部的第二流化床再生区，湍流流化床再生区横截面积小于第二流化床再生区；循环流化床再生区分为循环流化床再生上区和循环流化床再生下区，循环流化床再生上区直径小于循环流化床再生下区；湍流流化床再生区与循环流化床再生区同轴并列布置，湍流流化床再生区设置在循环流化床再生上区壳体和循环流化床再生区壳体之间的环形空间内，形成环形的湍流流化床再生区；循环流化床再生区和流化床再生区上下设置，其间设置流通孔板，该孔板将循环流化床再生区和流化床再生区隔开，孔板的开孔同时成为循环流化床再生区的气体和催化剂流出通道；离开循环流化床再生区的气体和催化剂一并向上通过该孔板进入上部的流化床再生区，继续进行催化剂再生反应；含氧气体在流化床再生区反应后离开流化床再生区的催化剂床层，进入再生器稀相区，进一步靠重力沉降降低催化剂携带量后，进入气固分离区完成催化剂分离后流出再生器；

待生催化剂先进入循环流化床再生下区，与含氧气体接触反应，含氧气体在循环流化床再生下区底部经过气体分布器进入，一边与催化剂上的焦炭反应一边向上输送催化剂，催化剂和气体通过孔板向上进入流化床再生区继续再生，气体中的氧气被继续利用；然后流化床再生区内的催化剂进入外侧的第三再生区完成催化剂再生；流化床再生区的气体向上进入气固分离器区，先在稀相区靠重力降低催化剂含量后，再进入两级串联旋风分离器，进行气固分离；第三再生区和第一再生区之间设置催化剂回流管，部分第三再生区的催化剂经催化剂回流管返回循环流化床再生下区；再生剂从第三再生区流出再生器；

部分压缩含氧气体从气体分布器进入循环流化床再生区，实现催化剂再生反应后再通过孔板进入上方的流化床再生区，使剩余氧气继续反应；部分压缩含氧气体从湍流流化床再生区底部的第二气体分布器进入第三再生区，实现高含氧的气体和低含炭的催化剂接触反应，完成催化剂再生反应过程；

气体离开流化床再生区和第三再生区，在上方的稀相区，靠重力降低催化剂含量后再进入两级串联旋风分离器进行气固分离。

上述的流化床催化剂再生方法中，具体实施时，第二流化床再生区内的催化剂与流化床再生区内的催化剂可以直接混合，从而使第三再生区内再生反应后的气体与流化床再生区内的气体在流化床条件下混合，流化床内的催化剂吸收因流化床再生区与第二流化床再生区内的气体如一氧化碳再反应产生的热量，避免高温。

上述的流化床催化剂再生方法，进一步地，对流化催化裂化及流化床甲醇制烃技术使用的微球型催化剂，流化床的气体表观流速一般在0.7m/s以下；湍流流化床的气体表观流速在1.2m/s以下，循环流化床气体表观流速则大于1.2m/s。本发明中，所述流化床，湍流床和循环流化床是气固流态化专业的常用术语。

上述的流化床催化剂再生方法，进一步地，循环流化床再生上区设计为等径筒体或包含向上横截面积逐渐增加的形式；当循环流化床再生上区设计为包含向上横截面积逐渐增加的形式时，气体在离开循环流化床再生区前速度逐渐降低，这时，或者循环流化床再生上区壳体设计为逐渐扩径的锥体，向上横截面积逐渐增加，或者循环流化床再生上区壳体包含等径段和上部的扩径段，扩径段的壳体直径逐渐扩大，扩径段向上横截面积逐渐增加。

上述的流化床催化剂再生方法，进一步地，催化剂再生过程需要取热时，催化剂取热器的催化剂入口设在第三再生区。

上述的流化床催化剂再生方法，进一步地，所述气体分布器和第二气体分布器为空气分布器，使用管式分布器或分布板。

本发明的任务是这样实现的：

新鲜含氧气体一般使用压缩空气，部分压缩空气从空气分布器进入循环流化床再生下区；待生催化剂从待生催化剂管在循环流化床再生区底部空气分布器以上进入循环流化床再生下区，与从空气分布器来的压缩空气接触，实现催化剂上的炭和氢与氧气反应，同时在气体的输送下，气体和催化剂一起向上进入循环流化床再生上区继续反应，在循环流化床再生区完成氢反应和部分炭反应，在循环流化床再生上区气体流速降低，然后气体和催化剂通过孔板进入流化床再生区即第二再生区，气体中的剩余氧气在流化床状态下继续进行催化剂再生；第二再生区的催化剂在重力作用下继续进入外侧的第三再生区，与新鲜的压缩空气接触完成再生；再生催化剂从设在第三再生区的再生催化剂出口引出；部分再生催化剂经催化剂回流管返回循环流化床再生下区，提高该区催化剂的温度；

气体由稀相空间和两组以上两级串联旋风分离器分离出催化剂后从烟气出口流出再生器。

发明效果：

上表列出了本发明方法与已有循环流化床流化床串联两种不同方法的催化剂再生过程相关参数：

本发明与现有循环流化床流化床串联技术相比，其有益效果是：

通过再生器结构改进和催化剂流态化条件的分区控制及含氧气体的合理分配，使催化剂再生反应流态化条件得到优化，再生过程中气体的氧含量更高，在再生器主体不变的条件下，实现三区再生，使第三再生区实现湍流流化床和高含氧再生反应条件，提高了再生反应介质的传递速度和氧气含量，很好的解决了流化床再生反应存在的催化剂再生反应介质含量低和反应介质传递速度慢的问题；

由于催化剂再生反应效率提高，循环流化床再生区出口的催化剂含炭量可以提高，增加该再生区焦炭含量，自然提高再生反应速度，可以使再生区反应后烟气中氧含量降低，提高氧气利用率、降低能耗；

可以降低再生器内的催化剂藏量，缩短催化剂在再生器的停留时间，在催化剂消耗不变的情况下降低金属积累量，降低再生催化剂的金属污染，改进再生剂的性能；

可以使循环流化床上方的流化床再生区催化剂料位高度降低，使需要的含氧气体压力降低，能耗降低。

本发明相对于CN201611009075.1公开的流化床催化剂再生方法，在一区循环流化床再生和三区的湍流流化床与流化床串联再生中间增加了二区的流化床再生反应，现有装置改造容易，由于一区和三区的结合，可以降低循环流化床再生区的再生负荷比例，提高循环流化床再生区出口的催化剂碳含量和气体氧含量，提高循环流化床再生区的再生效率；可以使CN201611009075.1和已有循环流化床与流化床串联的再生方式二区流化床催化剂料位高度降低，压降降低，降低能耗；相对于CN201611009075.1，本发明的循环流化床再生区和第三再生区再生反应后的气体都经过流化床过程，可以防止操作波动引起的氧含量不均匀产生的局部超温或尾燃；并且设设备简化，便于实施。

附图说明

图1：本发明的流化床催化剂再生方法实施方式一装置结构示意图。

图中编号说明：

11、含氧气体入口；12、气体分布器；13、待生催化剂管；14、循环流化床再生区壳体；15、循环流化床再生区即第一再生区，15-1、循环流化床再生下区，15-2、循环流化床再生上区；16、循环流化床再生上区壳体；17、孔板；21、第二含氧气体入口；22、第二气体分布器；23、再生催化剂出口；24锥形壳体；25、第三再生区即湍流流化床和流化床串联再生区；25-1、湍流流化床再生区，25-2、第二流化床再生区；26、催化剂料位；27、流化床再生区即第二再生区；28、催化剂回流管；31、再生气体出口；32、第一级旋风分离器；33、第二级旋风分离器；34、气固分离区壳体；35、稀相区；D1、循环流化床再生下区直径；D2-1、循环流化床再生上区下直径；D2-2、循环流化床再生上区出口直径；D3、气固分离区直径；H1、循环流化床再生下区高度；H2、湍流流化床高度；L、湍流流化床宽度；H3、流化床再生区即第二再生区催化剂料位；H4、循环流化床再生上区高度；H5循环流化床再生上区扩张段高度；α、循环流化床再生上区扩张段椎角。

具体实施方式

以下结合附图及实施例详细说明本发明的技术方案，本发明的保护范围包括但是不限于此。本发明中未详细提及的设备结构，均可采用所属领域的常规技术。

采用压缩空气作为催化剂再生介质；

一种流化床催化剂再生方法，采用如图1所示的再生器，再生器壳体由循环流化床再生区壳体14、锥形壳体24、气固分离区壳体34组成；再生器内设有催化剂再生反应区和稀相区35；催化剂再生反应区由循环流化床再生区、流化床再生区和湍流流化床与流化床串联再生区三段(区)组成；在循环流化床再生区壳体14上部和锥型壳体24内设置循环流化床再生上区壳体16，循环流化床再生上区壳体16顶部设置孔板17；循环流化床再生区15为第一再生区，流化床再生区27为第二再生区，湍流流化床与流化床串联再生区为第三再生区25；循环流化床再生区15与流化床再生区27上下串联设置，第三再生区25设置在外侧；

第三再生区25分成高度为H2的湍流流化床再生区25-1和上部的第二流化床再生区25-2，湍流流化床再生区25-1横截面积小于第二流化床再生区25-2；湍流流化床再生下区25-1内气体的表观流速按0.5m/s～1.0m/s控制；

循环流化床再生区15分为高度H4的循环流化床再生上区15-2和高度为H1的循环流化床再生下区15-1，循环流化床再生上区15-2的直径D2-1小于循环流化床再生下区15-1的直径D1；循环流化床再生下区15-1内的气体表观流速按1.5m/s～2.5m/s控制，循环流化床再生上区15-2内的气体表观流速按1.6m/s～3.0m/s控制；循环流化床再生上区15-2设计为包含向上横截面积逐渐增加的形式，循环流化床再生上区壳体16包含直径为D2-1的等径段和高度为H5的扩张段，该扩张段的壳体直径按锥角α逐渐扩大，使气体流速降低，气体流速按出口表观流速小于2.0m/s控制；循环流化床上区出口直径D2-2取决于扩张段锥角α和扩张段高度H5；孔板17设在循环流化床再生区和流化床再生区27之间，孔板开孔率根据需要的压降确定，同时过孔气体流速不大于30m/s；孔板17将循环流化床再生区15和流化床再生区27隔开，孔板27的开孔同时成为循环流化床再生区15的气体和催化剂流出通道，离开循环流化床再生区15的气体和催化剂一并向上通过该孔板17进入上部的流化床再生区27；

湍流流化床再生区25-1与循环流化床再生区15同轴并列布置，湍流流化床再生区25-1设置在循环流化床再生上区壳体16和循环流化床再生区壳体14之间的环形空间内，形成环形的湍流流化床再生区25-1；

催化剂料位26与孔板17高度差H3，高度H3部分即流化床再生区催化剂料位，形成流化床再生区27；湍流流化床再生区25-1上方和催化剂料位26之间成为第二流化床再生区25-2，该区气体表观流速按小于0.7m/s控制；

气固分离区直径D3按稀相区气体表观流速小于0.7m/s确定；设多组并列的两级串联旋风分离器，每组两级串联旋风分离器设有第一级旋风分离器32和第二级旋风分离器33；

待生催化剂先经待生催化剂管13进入循环流化床再生下区15-1，与新鲜含氧气体(空气)接触反应，新鲜含氧气体在循环流化床再生下区15-1底部由含氧气体入口11经过气体分布器12进入，一边与催化剂上的焦炭反应一边向上输送催化剂，完成氢反应和约70％～80％的炭反应，使催化剂的炭含量降至0.2％～0.3％，气体中的氧含量降低到3％左右；催化剂和气体通过孔板17向上进入流化床再生区27继续再生，气体中的氧气被继续利用；然后流化床再生区27内的催化剂进入外侧的第三再生区25，部分新鲜压缩含氧气体从湍流流化床再生区25-1底部的第二气体分布器22经第二含氧气体入口21进入第三再生区25，实现高含氧的气体和低含炭的催化剂接触反应，向第三再生区25提供催化剂再生总需要的10～30％的空气，完成催化剂再生反应过程；流化床再生区27的气体中氧气降至小于2％后向上进入气固分离器区，先在稀相区35靠重力降低催化剂含量后，再进入两级串联旋风分离器，进行气固分离；气体分布器12和第二气体分布器22为空气分布器；

第三再生区25和第一再生区之间设置催化剂回流管28，部分第三再生区25的催化剂经催化剂回流管28返回循环流化床再生下区15-1；再生剂含炭量降至0.05％以下后从第三再生区25流出再生器，第三再生区25的空气量按再生反应后气体中氧含量低于3％控制；

第二再生区和第三再生区25的气体在稀相区35混合，然后进入两级串联的旋风分离器分离出催化剂后从再生气体出口31流出再生器。

具体实施时，再生器壳体、循环流化床再生上区壳体、气体分布器、孔板根据需要设置隔热、耐磨材料。

实施例

实施条件：

再生器出口操作压力：0.3MPaG；再生负荷：20吨焦炭/小时；焦炭氢含量：7％w；使用压缩空气作为再生气体；空气温度200℃；待生催化剂量2000吨/小时。

循环流化床再生下区直径D1＝8500mm，循环流化床再生上区直径D2-1＝6940mm，扩张段出口直径D2-2＝8200mm；稀相沉降区壳体直径D3＝12000mm；循环流化床再生下区高度H1＝12000mm，循环流化床再生上区高度H4＝6000mm，H5＝4000mm，湍流流化床再生高度H2＝3500mm，催化剂料位高度H3＝3000mm；孔板开孔率8％，孔径100mm；循环流化床再生区炭反应量80％，氢反应量100％；再生器出口气体氧含量2％；

催化剂回流管23流量1500吨/小时；

第三再生区完成20％炭反应；湍流床再生区气体表观流速0.8m/s；循环流化床再生区出口温度670℃，流化床再生区温度690℃，湍流流化床再生温度670℃；外取热器催化剂入口设置在湍流床再生区外的再生器壳体上；

按完全再生，焦炭转化为二氧化炭设计。

实施效果：

第三再生区再生后气体氧含量3％，催化剂再生后排出的气体氧含量2.0％，再生催化剂炭含量0.03％。

Claims (6)

1.一种流化床催化剂再生方法，由催化剂再生反应和气固分离组成，在再生器内完成，再生器设有催化剂再生反应区和气固分离区；使催化剂再生在三个不同催化剂流化条件和反应条件下进行；

催化剂再生反应区分成循环流化床再生区、流化床再生区和湍流流化床与流化床串联再生区三段，循环流化床再生区(15)为第一再生区，流化床再生区(27)为第二再生区，湍流流化床与流化床串联再生区为第三再生区(25)；

第三再生区(25)通过横截面积变化分成下部的湍流流化床再生区(25-1)和上部的第二流化床再生区(25-2)，湍流流化床再生区(25-1)横截面积小于第二流化床再生区(25-2)；循环流化床再生区(15)分为循环流化床再生上区(15-2)和循环流化床再生下区(15-1)，循环流化床再生上区(15-2)直径小于循环流化床再生下区(15-1)；湍流流化床再生区(25-1)与循环流化床再生区(15)同轴并列布置，湍流流化床再生区(25-1)设置在循环流化床再生上区壳体(16)和循环流化床再生区壳体(14)之间的环形空间内，形成环形的湍流流化床再生区(25-1)；流化床再生区(27)设置在循环流化床再生上区(15-2)上方，其间设置流通孔板(17)，该孔板(17)将循环流化床再生区(15)和流化床再生区(27)隔开，孔板(17)的开孔同时成为循环流化床再生区(15)的气体和催化剂流出通道，离开循环流化床再生区(15)的气体和催化剂一并向上通过该孔板(17)进入上部的流化床再生区(27)，继续进行催化剂再生反应；含氧气体在流化床再生区(27)反应后离开流化床再生区的催化剂床层，进入再生器稀相区(35)，进一步靠重力沉降降低催化剂携带量后，进入气固分离区完成催化剂分离后流出再生器；

待生催化剂先进入循环流化床再生下区(15-1)，与含氧气体接触反应，含氧气体在循环流化床再生下区(15-1)底部经过气体分布器(12)进入，一边与催化剂上的焦炭反应一边向上输送催化剂，催化剂和气体通过孔板(17)向上进入流化床再生区(27)继续再生，气体中的氧气被继续利用；然后流化床再生区(27)内的催化剂进入外侧的第三再生区(25)完成催化剂再生；流化床再生区(27)的气体向上进入气固分离器区，先在稀相区(35)靠重力降低催化剂含量后，再进入两级串联旋风分离器，进行气固分离；

第三再生区(25)和循环流化床再生区(15)之间设置催化剂回流管(28)，部分第三再生区(25)的催化剂经催化剂回流管(28)返回循环流化床再生下区(15-1)；再生剂从第三再生区(25)流出再生器；

部分压缩含氧气体从气体分布器(12)进入循环流化床再生区(15)，实现催化剂再生反应后再通过孔板(17)进入上方的流化床再生区(27)，使剩余氧气继续反应；部分压缩含氧气体从湍流流化床再生区(25-1)底部的第二气体分布器(22)进入第三再生区(25)，实现高含氧的气体和低含炭的催化剂接触反应，完成催化剂再生反应过程；

气体离开流化床再生区(27)和第三再生区(25)，在上方的稀相区(35)，靠重力降低催化剂含量后再进入两级串联旋风分离器进行气固分离。

2.如权利要求1所述的流化床催化剂再生方法，其特征在于：流化床的气体表观流速在0.7m/s以下；湍流流化床的气体表观流速在1.2m/s以下，循环流化床气体表观流速大于1.2m/s。

3.如权利要求1所述的流化床催化剂再生方法，其特征在于：循环流化床再生上区(15-2)设计为等径筒体或包含向上横截面积逐渐增加的形式。

4.如权利要求3所述的流化床催化剂再生方法，其特征在于：循环流化床再生上区(15-2)设计为包含向上横截面积逐渐增加的形式，气体在离开循环流化床再生区(15)前速度逐渐降低；或者循环流化床再生上区壳体(16)设计为逐渐扩径的锥体，或者循环流化床再生上区壳体(16)包含等径段和上部的扩径段，扩径段的壳体直径逐渐扩大。

5.如权利要求1所述的流化床催化剂再生方法，其特征在于：催化剂再生过程需要取热时，催化剂取热器的催化剂入口设在第三再生区(25)。

6.如权利要求1所述的流化床催化剂再生方法，其特征在于：所述气体分布器(12)和第二气体分布器(22)为空气分布器，使用管式分布器或分布板。