CN1094656A - 在容器中分配流体的方法及设备 - Google Patents

Abstract

径向分配流体到流料中的方法，其中流体沿径向 在流料中传输，并与流料隔离，再经位于流料径向的 多个分配区排出。

Description

本发明涉及将流体引入到流料中以快速达到均匀的流体径向分布的方法及其设备。

更具体地说，本发明涉及将流态化固体颗粒引入到流态化固体颗粒床层中，例如将催化剂颗粒引入到催化剂颗粒流态化床层中，如流化催化裂化（FCC）再生器或反应器的床层中，以使引入的固体快速达到径向均匀分布的方法及其设备。

流化催化裂化工艺是通过连续循环催化剂颗粒而进行的，即从裂化烃原料成低沸点产品的反应器（此时裂化生成的含碳物质沉积在催化剂上）经过燃烧含碳物质以恢复催化剂活性的再生器，最后将催化剂颗粒再返回到反应器中。再生器中的燃烧温度部分取决于在催化剂上含碳物质的量和在给定区域燃烧气的供应量。

虽然在其侧壁有单个催化剂进口孔的再生器的运转多年来还算令人满意，但在传统方法中改进径向分布所带来的好处也是明显的。对于有大直径的再生器或在相对高温下进行再生的装置来说，改进催化剂的分布可得到的益处特别明显。例如在加工渣油原料或者在受限的提升空间的场合或者特定的操作方式要求低的再生器流体床层高度与大床层直径相结合的操作中，情况就是这样。最优化的再生条件是催化剂径向混合时间应小于焦炭燃烧时间。当再生器温度较高且加工较重的进料时，焦炭的燃烧速率增加，因而需要降低径向混合时间。当流化床直径增大时，催化剂分布必须更有效以防止径向混合时间的相应增加。如果这个条件不能满足，则在流化床内会形成焦炭、燃烧气体和温度的径向梯度，从而对于给定的鼓风机，导致烟道气中的氧含量及后燃烧增加，并且焦炭燃烧能力下降。

在美国专利4，595，567中，公开了分布催化剂到FCC再生器床层中的设备（被称作空气/催化剂分配格栅），它似乎有许多沿径向延伸的格栅的长度分布的孔口。

美国专利4，150，090公开一种设备，它包括一个轴向安装的输送提升管，该管从FCC再生器下端部伸出并支撑多个径向伸长的流化催化剂分布器凹槽，以向下倾斜的方向位于再生器床层表面。催化剂借助经导管（该管沿凹槽的长度延伸并沿其长度上有几个孔口）供给的流化用气体沿顶部开口的凹槽纵向传输和排出。

在美国专利5，156，817中，公开了向一个或多个侧开口的通道供给催化剂的设备，例如通道限定在例V-形横截面的底部和顶部构件之间，借此催化剂沿通道长度排出，通道在其近端被封死。单个通道在FCC再生器床中形成一个不完整的环形通道。多个通道有不同长度并从固定到床的侧壁的进料管以扇形扩展，最长的通道伸到再生器床层的轴线。

这些设备的缺点在于正常操作时，催化剂沿分配长度即分别沿多个孔口、凹槽和通道排出是不均匀的，出现在分配长度的远端排出较少。这一操作性能可通过使用高压力降来改进，但这可能对装置的压力平衡是有害的。沿分配凹槽安装通风管增加了安装和维持费用。在后几种情况，径向混合受通道或凹槽中的流动模型和流化床层的相互作用的影响，因此径向混合对分配器中流率的变化很敏感，从而影响径向分布的好坏。

我们现在发现，流体引入及随后混入到流料中可用一种简单且可控制的方式来完成，该方式对分配器中流体流量的变化很不敏感。这种方式基于在流料的特定区排出流体，同时一直到排出区以前避免床层和欲分配的流体间的相互作用。令人惊奇地发现，用该方式，在流料中催化剂径向分布梯度很快消失。在流体排出区，流体动能可局部消除，此后流料正常的混合作用促进了进一步径向混合。

因此，本发明提供了一种在流料中径向分配流体的方法，其中流体沿径向传输到流料中且与流料隔离并经位于流料径向的多个分配区排出。

流体沿径向路径传输，每个路径形成单个分配区，该分配区可为传输的流体和流料的接触提供一个或多个场所。

在本发明一个优选的实施方案中，流体在距流料轴线至少四分之一的流料半径处排出，更优选的是在至少半径的4/10处排出，例如在差不多半径的一半处排出。

最好欲分布的流体的动能借冲击或膨胀来耗散。

用于本发明的术语“流体”指液体、气体、固体在流体中的悬浮浆液或指流动的气体和由流动气体使其处于流态化状态的细分散的固体的混合物。适宜的流体含有催化剂颗粒或反应物或可燃物如燃料油，页岩油或焦炭。优选是流体含有流态化固体如流化裂化催化剂颗粒。

用于本发明的术语“流体”是指容器中的物料，按本发明流体注入到该容器中。这类容器可以有任何横截面几何形状如圆形，正方形且优选圆形。任何尺寸的流料都可从本发明受益，例如直径高达20m或更高。适宜的流料是待处理或反应的气体或液体或浆化或流态化的含有催化剂和反应物的固体物料，依据流体的性能流料可以有比较小或比较大的径向横截面积，流体可间歇或连续地引入到流料中并停留足够的时间，为处理或反应提供必需的接触。适宜的流料是处于流动状态的物料，借助局部速度的波动达到分散效果。优选的是，流体床层包括流化催化裂化装置的反应器，汽提器或再生器的床层，夹带产品气体或带有由裂化反应生成的含碳沉积物的催化裂化颗粒引入到这些床层中，以便反应，除去产品气体或沉积物的燃烧。

适宜的含有细分散的固体颗粒的流体可呈稀相或密相传输，优选呈稀相传输。

用于本发明的术语“径向”是指有关流料轴线或单个流体进料处（从该处流体传输到分配区）的真正半径或径面。

用于本发明的术语“分配区”是指基本固定的分配区域，宜为径向传输的流体料流横截面的30-300%，它可为流体和流料的接触提供一个或多个场所。

按照本发明的另一个实施方案，提供一个径向分配流体到流料中的设备，它有多个径向延伸到流料中的流体输送臂的供料管，其特征在于所述臂有封闭的长度和在距流体导管末端处或附近有一个或多个出口孔。

本发明的设备可以在流体导管上另有一个出口孔。

按照本发明适宜的设备有长度至少为流料半径 1/4 ，例如至少为该半径的 4/10 或该差不多半径一半的流体输送臂。

本发明的设备还可在出口孔处有用于耗散欲分配流体动能的装置。

优选的用于耗散流体动能的装置是冲击或膨胀装置。用于本发明的术语“冲击装置”是指供与出口孔配合的装置，借此从出口孔出来的流体冲击在其上，例如它是位于流体料流流路上的一个冲击面。冲击装置的例子包括防溅板和冲击挡板，它可为经分布的流体提供一个或多个冲击面。用于本发明中的术语“膨胀装置”是指膨胀流体体积的装置，例如在径向方向增大横截面面积的流体输送臂或放置在分配区或其下游的流体可渗透填料。导向装置如隆起的边缘或通道可安装在流体输送臂上，以促进流体料流的膨胀。

适宜的冲击装置安装在流体输送臂上或在再生器壁上。防溅板和冲击挡板应与流体料流有一定的角度，以便与流体料流有一个冲击表面存在，从而耗散料流流动动量和动能。

冲击表面与流体料流流动方向的适宜角度取决于料流密度和速度。具体地说，冲击装置可安装成与料流流动方向成90到165度。

流体可以从靠近流体输送臂端出口孔（例如在其底部或侧部）分布，这里所述的臂有一个封闭的末端，或从流体输送臂的末端壁的孔口分布。因此很清楚，所述臂沿整个长度封闭。

在本发明一个特别优选的实施方案中，流体输送臂有一个靠近末端和在其底部或侧部的开口。防溅板可安装在底部开口下方。该设备提供了特别好的流体分散。防溅板防止催化剂穿过床层下端并防止由于对流化床内部元件的冲击而对其引起的磨蚀，这对于流态化催化剂在催化裂化催化剂再生器的催化床层的下部分布是特别有好处的。

冲击装置可为单面或多面结构或可为锥形结构甚或包括提供逐渐减小冲击程度的一个或多个曲面。多面冲击装置的面彼此分开一定距离。

适宜的膨胀装置包括公知的流体膨胀器，安装在流体输送臂出口处或与该出口一体化。因此可以预计这种臂结构在径向使横截面积增大。臂出口要在横截面上稍有水平伸长以限制流体的垂直分散。也可在流体分配区安装流体可渗透的规整填料来实现膨胀。

供料导管可全部或部分位于流料中。优选的是供料导管基本垂直安装在流料中且优选是一个下流管或提升管。优选的是，导管基本上与流料同心安装但也可偏心安装，只需分布器臂出口在流料中规则排列以确保出口的径向均匀性。按照本发明为分布一种或多种流体可在流料中安装多个设备且可在流料中同心或偏心安装，即可有一个主要设备同轴安装在流料中，以便优化径向分布以及一个或多个偏心安装在流料中的次要设备，以便部分径向分布或分散。部分位于流料中的供料导管直宜经装有流体的容器底部轴向伸到流体中，且与外部输送流体的直管相联。全部位于流料中的供料导管可与输送流体的直管相联，该直管经流体容器侧壁伸到流体床层下部。在另一个优选的实施方案中，导管可经一个同轴环绕的降液管进入到装有流体容器中流料表面上方。

对于用于流态化固体输送，流化用气体宜在供料导管底部引入。优选的传输气体是诸如水蒸汽或空气的惰性气体。传输气体的表观速度要足以使提升管中的固体提升且不会导致流体中断。对于传输流化裂化催化剂的适宜气体表观速度是1到25m/s，优选2至12m/s。通过控制流化用气体和固体的供量，可控制提升管中流化固体流动。适宜的提升管固体流量维持在200到3000，优选在600到1500kg/m²/s。

本发明的设备有多个沿径向延伸到流料中的流体输送臂。这些臂可基本在流料横截面的真正半径上延伸，或在径向平面即与横截面成一定角度（适宜在一直到60度）的平面上延伸。优选的是，臂数目应在设备机械负荷接受的条件给出最优分布。本发明的设备优选有2到10个臂，更优选3到8个臂，例如4个臂。这些臂可有相同或不同的长度，且优选有相同的长度。这些臂可以有任何所希望的横截面形状，但优选的是连续无角的横截面。

对于使用流态化固体，控制流体料流在流体输送臂中的速度能减少料流中固体的沉积。在臂中适宜的料流速率维持在最小速率以上，宜大于3m/s，优选大于6m/s。

流体供料导管在其头部宜有一个管接头，流体输送臂从该接头径向伸长。在本发明设备的优选的实施方案中，轴向提升管或下流管有均匀分配固体流到这些臂的设备。适宜的设备例如包括公知的提升管顶部盲孔T型弯头，它可与导向叶片组合。最优选的设备是包括一个倒锥形体的设备，其中固体流正中地撞击在锥形体的顶部上，并径向均匀地使流体分配到分配器臂中。内部导向叶片宜从锥形体伸到管接头区域，以改进流体分散。这后一个设备的优点在于，由于固体料流方向的动量变化引起的压力降被大大降低，由此降低了流态化固体的磨损和分配器设备的磨蚀。

现在参照图1-5通过非限制实施例说明本发明。

图1是安装在有流料的容器中的径向臂分配器的俯视图;

图2是在臂（示出2个臂）下有防溅板的流体分配器设备的纵向截面视图;

图3是带有导向叶片的提升管顶部管接头视图;

图4是沿图2    X-X线的横截面图，示出了防溅板的装配;

图5是包括本发明催化剂分配器设备的流体催化裂化装置的再生器侧面示意图。

如俯视图1所示，流体分配设备优选安装在装有流料的圆形横截面容器中。分配器设备包括引流体到容器中的供料管（未示出）的管接头（2），流体输送臂（3，4，5，6）从管接头沿径向延伸。在该优选的实施方案中，示出4个臂，每个说明臂出口结构的一个供选择的实施方案。臂（3）在末端（3a）开口，使流体经该开口端流出。臂（4）在末端的侧壁有出口孔（4a）。臂（5）在其底部有一个出口孔（5a）。臂（6）在末端有增大横截面区域，使流体经开口端（6a）流出。可与臂（3，4，5，6）相连的冲击装置未示出。流体输送臂（6）以增大横截面臂端（6a）的形式提供流体料流膨胀的设备。在容器底部的流体排出孔口示为（7），用于从容器（1）排出流体。孔口优选位于引起分配流体最小扰动的地方。

按照本发明使用图1所示的流体分配设备的方法通常按如下步骤进行。流体经封闭管被引入到装有流体的容器中并在管接头（2）处分成几股料流，在料流中（但不与料流接触）径向输送到分配区，这四个分配区（3a，4a，5a，6a）说明四个实施方案。在分配区的流体出口分别用箭头示出（臂（5）未用箭头示出）。一旦注入，流体即与流料接触并被流料的作用进一步分布。通过进入的流体在与流料接触前传输到离散的分配区可形成均匀的流体径向分布。从容器（1）中排出流体对径向分布的破坏作用可通过仔细确定排出口（7）位置而减小。

图2所示的流体分布设备包括一个提升管进料管（10），它在其顶部有一个管接头（2），有多个臂（5）（示出2个）从该接头沿径向分散。臂（5）在其底部有一个流体出口孔口（5a），在该孔口安装防溅板（8），用于改进径向流体分散。管接头（2）包括一个倒锥形体（9），它有用于分配流体料流到流体输送臂中的内部导向叶片（未示出）。

使用图2示出的流体分配设备的本发明方法通常按下方式进行。流体经密封导管（10）输入到有流料的容器中并在导管顶部由管接头（2）分离，经密封的流体输送臂（5）传输到流体分配区（5a）。流体在流体分配区（50）被排出并冲击防溅板（8），耗散其动能，借此通过与流料相互作用进行分布。通过在与提升管相邻处安装倾斜臂出口段减少催化剂堆的形成和磨蚀。

倒锥形体流体料流分配器示于图3，它包括一个带有4个导向叶片（12）的顶盖，叶片应安装得使导向叶片之间的空间与流体输送臂出口相联。

如图4所示，图2的流体输送臂出口包括在该臂底部有单个孔口（5a），有两个冲击面（8）的防溅板由支撑构件（14）经该孔口悬吊着。

示于图5中的流化催化裂化装置的再生器包括一个装有用于输送流体催化裂化催化剂到流化床（15）中的提升管进料管（10）的圆柱形容器（16）。流化气体在进料管（10）底部输入。该进料管在管接头（2）处有一个流化催化剂分配器，管接头（2）带有出口孔（17）的流体输送臂。催化剂排出孔口（7）示于容器底部。流态化喷嘴（18）用于使催化剂床层处于流化态。

本发明的方法，例如使用示于图5的流态化催化剂分配装置的方法，通常按如下方式进行。流态化催化剂经提升进料管（10）输入到再生器（16）中，并用在提升管底部输入的流化气体（未示出）传输到管接头（2）。催化剂沿催化剂输送臂（17）传输到位于流态化催化剂床层中的分配区（17a）。催化剂进行快速的径向分布。催化剂床层借助经喷嘴（18）引入的气体维持在流态化状态，并借助催化剂床层中流体的能量进行催化剂的进一步分布。

Claims (16)

1、一种将流体径向分配到流料中的方法，其中流体在流料中径向传输，并与流料隔离，再经位于流料径向的多个分配区排出。

2、按照权利要求1的方法，其中流体沿各个径向路径传输，每个路径形成单个所述的分配区。

3、按照权利要求1或2的方法，其中流体在距流料轴线至少四分之一流料半径处排出。

4、按照权利要求1到3任一权利要求的方法，其中流体在每个分配区耗散流体动能后排出。

5、按照权利要求1到4任一权利要求的方法，其中动能的耗散是通过冲击或膨胀待分配的流体来完成的。

6、按照权利要求1到5任一权利要求的方法，其中流体包括流化用气体和流态化固体的混合物。

7、按照权利要求6的方法，其中流体含有流化催化裂化催化剂颗粒。

8、按照权利要求6或7任一权利要求的方法，其中流料包括流态化催化剂床层，例如流化催化裂化反应器、汽提器或再生器的床层。

9、一种径向分配流体到流料中的设备，包括有多个流体传输臂的流体导管，所述臂径向延伸到流料中，其特征在于所述臂有一封闭长度和在距流体导管的末端或接近该末端有一个或多个出口孔。

10、按照权利要求9的设备，其中在流体导管上另加有一个或多个出口孔。

11、按照权利要求9或10任一权利要求的方法，其中流体传输臂的长度至少为流料半径的四分之一。

12、按照权利要求9到10任一权利要求的方法，其中流体在每个出口孔耗散流体动能后排出。

13、按照权利要求11的方法，其中耗散流体动能的设备包括冲击或膨胀设备，例如防溅板，冲击挡板，在径方向横截面增大的流体输送臂或装有流体可渗透填料的出口孔。

14、按照权利要求9到13任一权利要求的方法，其中流体输送臂在其底部或侧部有一个出口孔，该臂有一个封闭的末端。

15、按照权利要求9到13任一权利要求的方法，其中流体输送臂沿整个长度封闭并在末端壁有一个出口孔。

16、使用权利要求9到15任一权利要求的一个或多个设备的应用，这些设备用于分配流态化催化剂到流化床中例如流化催化裂化催化剂再生器的流化床中。

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