CN111715154B - 一种循环流化床反应装置 - Google Patents
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Abstract
一种循环流化床反应装置，包括反应器和沉降器，沉降器位于反应器上的上方，反应器的出口位于沉降器内部，沉降器内设置初旋分器、初旋升气管以及罩体；罩体包括上下两部分，罩体的上部分呈圆台状，圆台的下底面为罩体的下部分，罩体的下部分呈圆柱性结构；罩体最下端的开口的面积大于反应器出口的面积；圆台上底面的外圆周边与初旋升气管的外周连接，或者圆台上底面的外圆周边与初旋分器的入口以上的外周连接。在本申请的循环流化床反应装置中，在不改变气量、沉降器直径的情况下，大幅度的降低了输送分离高度。另外，油气和催化剂的分离效率提高。
Description
技术领域
本申请涉及一种循环流化床反应装置，具体的，涉及烷烃催化脱氢、裂解的反应装置，更具体的，烷烃催化脱氢、裂解的沉降器内快速分离油气与催化剂的反应装置，属于石油化工领域。
背景技术
在石油领域的烷烃催化脱氢、烷烃催化裂解和裂化流化床反应中，为油气与催化剂的分离效率是很重要的因素。有成熟的技术。研究人员对这方面的研究，主要针对的是重油催化裂化。早期的催化裂化加工的是蜡油，反应后的油气比较“轻”，沉降器不容易结焦，一般在距提升管出口一定的距离加一块挡板、弧形等管道使油气和催化剂向下流动，利用惯性实现油气和催化剂的初步分离，多数催化剂沉降到汽提段，携带少量催化剂的油气进入旋分器，通过1～2级旋分，将油气中百分之九十九以上的催化剂回收回来，通过旋分器的料腿落入汽提段。随着催化裂化加工原料的变“重”，采用这种简单的油气与催化剂初分的方式，油气中的重组分容易在沉降器内沉积下来，形成焦炭，导致沉降器结焦，于是诞生了初旋+顶旋这种结构，即提升管出口与分离效率不高的大的旋分器(初旋)直连，分离出绝大多数催化剂后的油气直接进入二级旋分器(顶旋)，进一步回收催化剂。这样，绝大多数的油气不会进入沉降器，沉降器内的油气仅仅是气提蒸汽从催化剂孔道中气提出来的少量油气，这部分油气通过初旋和顶旋连接处的缝隙被吸入顶旋，因而沉降器内油气的浓度极低，沉降器内基本不会结焦。初旋有多种不同的结构形式。
催化裂化的催化剂再生器不存在结焦的问题，但为了降低进入旋分器催化剂的浓度，对于采用前置烧焦罐-二再结构的再生器，烧焦罐的稀相输送管末端采用烟气与催化剂快分结构，该快分结构可以是简单的伞帽等形状的挡板，也可以是倒L形、弧形等管道。在快分结构的作用下，多数催化剂顺重力场流动，进入密相，而烟气则携带少量催化剂向上流动，这样，烟气和催化剂实现了快速分离，极大降低了进入旋分器的催化剂的浓度。
但是，对于烷烃催化脱氢、催化裂解的循环硫化床反应装置，采用上述的技术油气、延期与催化剂的分离效果都不够理想，为此，特提出本申请。
发明内容
本申请的一个目的是提供一种循环流化床反应装置，该反应装置的沉降器内的气固分离效果高，且催化剂磨损降低。
本申请的另一个目的是提供一种循环流化床反应装置，降低了在沉降器内的输送分离高度。
本申请的一种循环流化床反应装置，包括反应器和沉降器，沉降器位于反应器上的上方，反应器的出口位于沉降器内部，沉降器内设置初旋分器、初旋升气管以及罩体；罩体包括上下两部分，罩体的上部分呈圆台状，圆台的下底面为罩体的下部分，罩体的下部分呈圆筒状结构；罩体最下端的开口的面积大于反应器出口的面积；圆台上底面的外圆周边与初旋升气管的外周连接，或者圆台上底面的外圆周边与初旋分器的入口以上的外周连接。
本申请的循环床反应装置可以应用在烷烃催化脱氢反应、烷烃催化裂解反应等。
在本申请的循环流化床反应装置中，在不改变气量、沉降器直径的情况下，大幅度的降低了输送分离高度。另外，油气和催化剂的分离效率提高。
附图说明
图1本申请的循环流化床反应装置的结构示意图
图2本申请的沉降器的罩体与初旋分器结构示意图
图3本申请沉降器的另一种实施方式的结构示意图。
图4本申请的循环流化床反应-再生装置的结构示意图
具体实施方式
为了更好的理解本申请的发明内容，下面将结合本申请具体实施方式、实施例以及附图，对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施方式用于说明本申请，但不用来限制本申请的范围。
下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。除非另外说明，否则所有的百分数、比率、比例、或份数按重量计。
定义：
密相段：该段床层直径较大，气速较低，催化剂流化密度较高，有利于气固两相的接触和反应。
稀相段：该段床层直径较小，气速较高，催化剂流化密度较低。目的：线速度提高，使油气快速离开反应器，减少烯烃的二次反应；催化剂密度低，也有利于减少二次反应，尤其是焦炭的生成；催化剂输送的需要。
术语“质量空时”是指催化剂的质量与每小时的进料质量之比。
术语“表观气速”为当床层流态化后流体逸出床层物料后的速度。它是循环流化床一个重要的操作参数。
术语“油气”在本申请中反应装置内的所有反应物以及产物的总和。
术语“安息角”，亦作休止角，是斜面使置于其上的物体处于沿斜面下滑的临界状态时，与水平表面所成的最小角度(即随着倾斜角增加，斜面上的物体将越容易下滑；当物体达到开始下滑的状态时，该临界状态的角度称为休止角)。
本申请中，裂解原料通常包括碳原子数大于等于4的烷烃，优选为：正丁烷、戊烷、己烷等。脱氢原料通常包括丙烷和乙烷。
除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本申请方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。
本申请的一种循环流化床反应装置，包括反应器以及沉降器。反应器采用现有技术所公开的任一结构。反应器的一部分伸入到沉降器内。
沉降器位于反应器上的上方，反应器的出口位于沉降器内，沉降器内设置初旋分器、初旋升气管以及罩体；罩体包括上下两部分，罩体的上部分呈圆台状，圆台的下底面为罩体的下部分，罩体的下部分呈圆筒状结构；罩体最下端的开口的面积大于反应器出口的面积；圆台上底面的外圆周边与初旋升气管的外周连接，或者圆台上底面的外圆周边与初旋分器的入口以上的外周连接。
罩体的下部分圆筒状结构与轴向方向垂直的横截面可以是相等也可以不等。即罩体的下部分可以是从上到下逐渐缩径的圆筒，也可以是从上到下逐渐扩径的圆筒。优选，罩体的下部分为圆柱状结构。
初旋分器为现有技术公开的任一种结构，通常包括初旋分器本体以及下料腿，下料腿位于本体的下方。
在一实施方式中，初旋分器的下料腿的出口低于反应器的出口。优选的，
在一实施方式中，罩体的圆台状部分的圆台母线和下底面的夹角θ大于催化剂颗粒的安息角。如此，以确保落在锥面上的催化剂颗粒能自由滑落。
在某些实施方式中，罩体最下端开口的面积大于等于稀相输送管出口的面积。优选的，罩体最下端开口的面积为反应器出口的面积的1.5～5倍，更优选2～3倍。
本申请的沉降器内，在罩体之外，还设有旋分器。可以设置两个以上的旋分器。或者设置两个以上的一级旋分器，以及两个以上的二级旋分器。在罩体外设置的旋分器的通过升气管与沉降器内的集气室连通。
在某些实施方式中，初旋升气管的出口不与一级旋分器的入口相连。
在某些实施方式，初旋升气管的出口与一级旋分器的入口承插式连接，初旋升气管与一级旋分器入口两者的管壁之间有空隙，可以供沉降器内地油气进入旋分器内。
在本申请中，沉降器内的罩体的顶端距反应器出口的距离比较远。在某些情况下，的罩体的顶端距反应器出口的距离大约一个旋分器高度的距离。另外，在圆台状下方还有圆柱形的部分。从反应器出口排出的油气，一部分油气从罩体下端开口边缘流入沉降器；另一部分油气进入罩体内，通过初旋分离器的入口直接进入沉降器的上部。这样，与油气全部进入沉降器向上流动的情况相比，本申请的油气从沉降器上、下两个方向流入旋分器，如此，表观气速降低很多，从而减少了油气向上流动携带的催化剂量、并降低了输送分离高度(TDH)。
在某些实施方式中，在沉降器内，罩体的最下端低于反应器出口。也就是，罩体最下端所在的平面低于反应器出口所在的平面。便于反应器出口排出的油气既可以进入罩体内，也可以直接进入罩体外的沉降器内。
在某些实施方式中，沉降器包括密相段和稀相段，罩体的最下端高于稀相段和密相段之间的分界面，即，罩体的最下端位于沉降器的稀相段内。优选的，罩体的最下端高于稀相段和密相段之间的分界面0.5m以上，更优选，在1m以上。
在某些实施方式中，初旋分离器的入口不与反应器出口相连。
在某些实施方式中，初旋分离器的升气管出口与一级旋分器入口处于同一水平面上，或者初旋分离器的升气管出口高于一级旋分器入口。
本申请的反应器可以包括密相段和稀相段，稀相段和密相段均为等径圆筒结构，且稀相段的直径小于密相段的直径。也可以不分密相段和稀相段，反应器为直管，反应器为等经的罐体。
在某些实施方式，初旋分离器的本体与反应器同轴设置。初旋分离器本体的中心线与罩体的中心线重合。
本申请的反应装置可以用于烷烃催化脱氢、烷烃催化裂解反应。
对于烷烃催化脱氢制烯烃，主要是指丙烷脱氢制丙烯和丁烷脱氢制丁烯，对于循环流化床，凸显出油气、烟气与催化剂分离的问题。
烷烃脱氢的单程转化率受热力学平衡的限制，转化率随压力的增加呈指数下降。单程转化率降低，意味着在新鲜原料加工量不变的情况下，循环量增加，总进料量增大，由此导致投资、能耗的增加。因此，烷烃脱氢反应压力要尽可能低。在设计压降低到一定程度后，继续降低压降的方法只有油气与催化剂的初分环节。
如果只依靠惯性分离，在反应器稀相输送管出口采用简单的快分结构，压降会很低，但分离效率不高。通常，如图3所示在反应器出口的上部设有常规伞帽形状阻挡件，油气和催化剂的分离效率可达75％，阻挡件呈倒L形，油气和催化剂的分离效率可达可达85％。因此，进入旋分器的油气中的催化剂浓度都不可能太低。进入旋分器油气中的催化剂浓度高，会加剧催化剂的磨损，从而剂耗增加。
此外，在旋分器分离效率不变的情况下，进入旋分器的气体中催化剂含量越低，剂耗就越低。因此，油气与催化剂的初分效率，直接影响着剂耗。
如果采用现有的其它分离效率高的初分技术，一方面压降会比较大，至少要几个千帕，另一方面催化剂磨损会比较严重。尤其是，烷烃脱氢是较强的吸热反应，反应热和部分原料的升温热全靠再生剂供给。脱氢反应温度一般在600℃左右，催化剂再生温度约在700℃，温差较小。因此，反应的剂/油气比高，催化剂的循环速率高。催化剂循环速率高，必须尽可能的降低催化剂的磨损以降低剂耗。磨损除与催化剂本身的机械强度密切相关外，与气速关系密切，气速越高，磨损越严重。采用初旋等压降较高的快分技术，催化剂的分离效率可达90％左右，但所有的催化剂都要经过初旋，这必然加剧催化剂的磨损。
除了本申请公开技术特征，其他烷烃催化脱氢或者烷烃催化裂解反应装置所采用的结构或者部件可以采用现有技术所公开的内容和结构，以保证上述反应顺利的进行。
本申请的反应装置的沉降器具有如下的优点：
1)输送分离高度(TDH)与气速的关系密切，表观气速越大，TDH越高。本申请反应装置中，在不改变气量、沉降器直径的情况下，沉降器内减少了油气向上流动携带的催化剂量，从而大幅度降低TDH。
2)降低了油气进入旋分器前催化剂的浓度，有利于降低催化剂的磨损和跑损。由罩体下缘出来的油气向上流动的气速降低，不仅TDH降低，夹带催化剂的量也减少了，这有利于降低旋分器入口油气催化剂的浓度。由初旋分器出来的油气本身由于其气固分离效率较高，携带的催化剂比较少。另外由初旋分器的升气管向上喷出的油气，由于升气管出口与旋分器入口处于同一轴向位置或略高，因而总体需要转向向下进入旋分器，这有利于这部分油气携带的催化剂的沉降。因此，可进一步降低油气进入旋分器前催化剂的浓度。进入旋分器的催化剂浓度低了，催化剂磨损降低，跑损减少。
3)反应器出口与初旋分器入口不直接相连，部分油气直接进入沉降器开放空间，因而与采用通常的初旋分器相比，压降减小。
本申请的反应装置在发生烷烃催化脱氢反应时，所采用的催化剂可以现有技术所有的烷烃催化脱氢催化剂。譬如，发明人自己专利ZL2011 1012 3675.1公开的环保型非贵金属催化剂。
下面结合具体附图以及具体实例进一步说明：
实施例1
本实施例以烷烃催化脱氢反应装置为例，结合如附图1、图2进一步具体说明本申请的反应装置。
如图1所示，烷烃催化脱氢反应装置包括反应器2和反应器的沉降器7。反应器2包括密相段和稀相输送管5，稀相输送管5伸入沉降器7内。
沉降器7包括伞帽旋流快分组件，所述的伞帽旋流快分组件包括初旋分器6和罩体19。如图2所示，初旋分器6从上到下依次包括圆柱体61、倒椎体64以及下料腿65，初旋分器6的入口62设在圆柱体61的上部，气流从入口62沿着切向方向进入初旋分器6内。在初旋分器6的顶部设有升气管63，且与初旋分器6相通，将进入初旋分器6内的油气或烟气经升气管63排出。罩体19包括两部分，上部分为圆台状，下部分为圆柱体状，罩体可以是一体成型。罩体19的上端(即圆台的上底面)边缘与升气管63的外周连接，将初旋分器6至于罩体内。罩体19的下端面低于稀相输送管5出口，且罩体19的下端面位于沉降器的稀相段内。
罩体19的圆台状上部的母线与下底面的夹角大于催化剂颗粒的安息角。也就是说，圆台的夹角大小根据使用的催化剂颗粒的安息角有关，可以保证催化剂向下流动。
罩体19下端的开口横截面积大于稀相输送段5出口的横截面积
在本实施例中，初旋分器6的圆柱体61、倒椎体64、罩体19以及反应器2的各中心线相重合。下料腿的出口要远离稀相输送管5的出口，也就是说，下料腿的出口不能远离稀相输送管5的出口，否则，粗旋分器6的催化剂由于受到稀相输送管5向上的气流，不利于从下料腿排出。
在本实施例中，初旋分器6入口62与稀相输送管5的出口不连接。
在沉降器7内，罩体19之外的空间还设有旋分器8、以及集气室20。在本实施例中，设有两套旋分器，每套旋分器包括一级旋分器81、二级旋分器82，二级旋分器82通过升气管与集气室20连通。一级旋分器81的入口与初旋分器6的入口62在同一水平面，或者一级旋分器81的入口略低于初旋分器6的入口62。
参考图4，上述的反应装置与再生装置相连接实现烷烃脱氢循环反应。本实施例的再生装置包括再生器10和再生器沉降段14，再生器包括再生密相段和再生稀相段，再生密相段和再生稀相段均为等径结构，再生稀相段伸入到再生器沉降段14内。再生器10的外部设有外循环管13，外循环管13的一端与再生器沉降器14连接，另一端与再生器10的下部连接，供高温催化剂循环到再生器10的下部。在再生器沉降器14内设有两层格栅3。再生斜管16的一端与再生器沉降器14的下侧部连接，另一端与反应器2的密相段相连通，以便于再生催化剂从再生装置输送入反应器2内。待生斜管9的一端与反应器的沉降器7下侧部连接，另一端与再生器10连接，以便于待生催化剂从反应装置输送入再生反应装置内。
烷烃脱氢循环流化床具体的工艺流程包括：烷烃催化脱氢原料1经反应器密相段的下部进入反应器2内，在反应器2的密相段内油气和催化剂充分接触进行催化脱氢反应。然后催化脱氢后的油气以及催化剂通过稀相输送管5进入反应器沉降器7内。一部分油气进入罩体19内，另一部分进入到罩体外的沉降器内，通过初旋分器4以及旋分器8进行快速气固分离。油气18进入集气室20内经沉降器出口排出反应装置，离开反应器进入后续的分离系统。沉降下来的待生剂经气提介质4(譬如水蒸汽)气提后经待生斜管9进入再生器10的密相段内。再生器密相段的底部喷入空气11、燃料12经再生器底部以及密相段侧壁两个入口进入再生器密相段，同时烧除待生催化剂表面的焦炭。再生烟气与催化剂并流向上通过稀相段进入再生器沉降段14进行气固分离，烟气17离开再生器，经能量回收、洗涤除尘后排放。沉降下来的再生催化剂剂经气提介质15(譬如氮气)气提后，经再生斜管16从反应器侧面经催化剂分布器进入反应器2的密相段内。如此反复循环进行反应。
下面是利用本申请实施例1提供的烷烃催化脱氢的反应装置进行的脱氢反应，具体反应工艺以及反应结果如见实验例2。
实验例1-2反应条件如下：
其他反应条件，原料：99.9wt％的丙烷
催化剂：采用专利ZL201110123675.1中一种烷烃脱氢催化剂，催化剂的载体为氧化铝，还包括氧化锌、氧化钨、以及氧化钠制备成的催化剂。氧化锌与氧化钨的质量比约8.4，氧化钠的含量适量。
床层平均温度：600℃。
实验例1
实验例1：稀相输送管出口线速10m/s，采用简单的如附图3所示的半球形阻挡件，阻挡件下缘的横截面积是稀相输送管出口横截面积的3倍。阻挡件距离稀密相界面2m，与反应器的稀相输送管出口垂直距离为该半球半径的1/2。沉降器内的表观气速为0.6m/s。测得稀相输送管出口的催化剂浓度(也可称为催化剂的流化密度)为40kg/m3，旋分器入口的催化剂浓度为10kg/m3，该结构的气固分离效率为75％。该结构的压降为1.3kPa。
实验例2
本实验例采用实施例1的反应装置进行烷烃。罩体的圆台部分母线与底面的夹角为45°，底面的面积与实施例1的下部分圆柱状的横截面面积相同，罩体的下缘与稀相输送管出口间的垂直距离为该罩体圆柱状结构的半径的一半。总气体量的一半通过初旋分器、初旋分器的入口线速为5m/s。稀相输送管出口的催化剂浓度仍然为40kg/m3，一级旋分器入口的催化剂浓度为3kg/m3，该结构的气固分离效率为92.5％。该结构的压降低于1kPa。
本申请做了详尽的描述，其目的在于让熟悉本领域的技术人员能够了解本申请的内容并加以实施，并不能以此限制本申请的保护范围，凡根据本申请的精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本申请的保护范围内。
Claims (11)
1.一种循环流化床反应装置，包括反应器和沉降器，沉降器位于反应器上的上方，反应器包括密相段和稀相输送管，反应器的稀相输送管的出口位于沉降器内部，沉降器内设置初旋分器、初旋升气管以及罩体；初旋分器置于罩体内；罩体包括上下两部分，罩体的上部分呈圆台状，圆台的下底面与罩体的下部分连接，罩体的下部分呈圆筒状结构；罩体最下端的开口的面积大于反应器出口的面积；圆台上底面的外圆周边与初旋升气管的外周连接，或者圆台上底面的外圆周边与初旋分器的入口以上的外周连接；其中，
初旋分器包括初旋分器本体以及下料腿，下料腿位于本体的下方，初旋分器的入口位于本体上，初旋分器的入口与稀相输送管的出口不连接；
初旋分器的下料腿的出口低于反应器的稀相输送管的出口，沉降器的轴向方向上，下料腿的出口与稀相输送管的出口无重叠部分，初旋分器的本体与反应器同轴设置；且初旋分器本体的中心线与罩体的中心线重合；
初旋分器本体的顶部设有初旋升气管，且与初旋分器本体连通；罩体的最下端低于反应器的稀相输送管的出口。
2.根据权利要求1所述的反应装置，其特征在于，罩体的圆台状部分的圆台母线和下底面的夹角θ大于催化剂颗粒的安息角。
3.根据权利要求1-2任一项所述的反应装置，其特征在于，在沉降器内，沉降器包括密相段和稀相段，罩体的最下端位于沉降器的稀相段内。
4.根据权利要求1-2任一项所述的反应装置，其特征在于，在沉降器内，在罩体之外，还设有旋分器，初旋分器的初旋升气管的出口不与旋分器的入口相连。
5.根据权利要求1所述的反应装置，其特征在于，罩体的下部分呈圆柱状结构。
6.根据权利要求1-2任一项所述的反应装置，其特征在于，罩体最下端开口的面积为反应器出口的面积的1.5~5倍。
7.根据权利要求1-2任一项所述的反应装置，其特征在于，罩体最下端开口的面积为反应器出口的面积的2~3倍。
8.根据权利要求3所述的反应装置，其特征在于，罩体的最下端高于稀相段和密相段之间的分界面0.5m以上。
9.根据权利要求3所述的反应装置，其特征在于，罩体的最下端高于稀相段和密相段之间的分界面1m以上。
10.根据权利要求4所述的反应装置，其特征在于，初旋分器的初旋升气管的出口与旋分器入口处于同一水平面上，或者初旋分器的初旋升气管出口高于旋分器入口。
11.一种权利要求1所述的反应装置用于烷烃催化脱氢反应、烷烃催化裂解反应、或催化剂再生反应中。
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