CN117551470A - 一种催化裂化进料雾化喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种催化裂化进料雾化喷嘴，包括依次连通且同轴设置的蒸汽腔、预混腔、分散腔和喷头，所述蒸汽腔与雾化蒸汽入口相连通，所述蒸汽腔与预混腔之间设有固定板，所述固定板上开设有若干通孔，所述通孔上固定连接有布气管，所述预混腔外侧设置有切向原料油入口，所述预混腔内沿轴线方向上设置有螺旋板，所述布气管贯穿所述螺旋板延伸至分散腔，所述分散腔内设有分散结构。本发明提供催化裂化进料雾化喷嘴，该喷嘴能实现对原料油的多级雾化，有效的消除大直径液滴，同时从喷嘴喷出的原料油雾滴尺寸分布得到明显改善，继而改善原料油与催化剂的接触，优化催化裂化的产品分布。

Description

一种催化裂化进料雾化喷嘴

技术领域

本发明属于催化裂化装置技术领域，具体涉及一种催化裂化进料雾化喷嘴。

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：将原料油破碎、雾化为大量的细小液滴，雾化后的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。在催化裂化(FCC)加工过程中，进料喷嘴性能的优劣对裂化反应、产品分布起着重要作用。雾化良好的原料与高温催化剂接触，能够使得原料油迅速汽化，减少“湿催化剂”(未汽化油粘附在催化剂表面)的形成，改善产品分布，降低催化裂化反再系统中的结焦现象，带来可观的经济效益。

目前，催化裂化进料喷嘴大体分为以下几类：1.喉管式雾化喷嘴，其利用收缩-扩张型喉道提高气体和液体的相对速度，依靠气液两相的速度差实现原料的雾化；2.靶式喷嘴，其原料在高压作用下垂直撞击金属靶，再与横向气流作用进行第一次雾化，形成气液两相流，后在喷嘴出口处加速，实现二次雾化，该喷嘴的雾化效果较好，但是需要较高的进料压力和较多的雾化介质，能耗较高，设备及运行成本较高；3.旋流式喷嘴，气液混合物在气液两相旋流器中快速回旋作用，实现一次雾化，后在喷嘴喷口处实现二次雾化；4.气泡雾化喷嘴，高压雾化蒸汽经多个小孔注入流动的原料油中，使原料中含有大量的气泡，形成均匀的气泡流，用气泡作为动力，利用气泡的产生、运动、变形直到从喷嘴出口喷出、气泡爆破，从而实现原料的雾化。以上各类喷嘴存在雾化粒径较大、喷出速度大、雾化不均匀、能耗高等问题。

专利201610537088.X公布了一种催化原料油预处理方法，其利用乳化管(孔道孔径为1-60000nm)将乳化水分散到原料油中进行油包水型乳化，使所得乳化原料油中油滴的粒径小于50微米，后经喷嘴喷出，其可使原料油得到有效雾化，该方法简单，但该方法中增加了乳化水的使用，继而增加了进入提升管反应器中的水含量，会造成催化裂化催化剂的水热失活，不利于催化裂化反应。且该专利增加了原料油的预处理过程，增加了设备投资。

基于以上问题，本发明提出一种进料雾化喷嘴，以解决现有喷嘴雾化粒径大、雾化不均匀、喷出速度大、能耗高等问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种催化裂化进料雾化喷嘴，该喷嘴能实现对原料油的多级雾化，有效的消除大直径液滴，同时从喷嘴喷出的原料油雾滴尺寸分布得到明显改善，继而改善原料油与催化剂的接触，优化催化裂化的产品分布。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种催化裂化进料雾化喷嘴，所述雾化喷嘴包括依次连通且同轴设置的蒸汽腔、预混腔、分散腔和喷头，所述蒸汽腔与雾化蒸汽入口相连通，所述蒸汽腔与预混腔之间设有固定板，所述固定板上开设有若干通孔，所述通孔上固定连接有布气管，所述预混腔外侧设置有切向原料油入口，所述预混腔内沿轴线方向上设置有螺旋板，所述布气管贯穿所述螺旋板延伸至分散腔，所述分散腔内设有分散结构。

优选的，所述螺旋板与预混腔轴线之间的夹角设置为β，且β＝5°-60°。

优选的，所述分散结构由依次连通且同轴设置的缩径段、直管段和扩径段构成，所述扩径段和缩径段的锥度为4°-15°，所述分散结构至少设置一组。

优选的，所述原料油入口为圆形或矩形，所述原料油入口与预混腔轴线的夹角设置为α，且α＝30°-90°。

优选的，所述螺旋板的起始位置设置在所述切向原料油入口前端，终止位置设置于所述布气管远离固定板的一端；所述螺旋板的旋转方向与原料油进入预混腔后流向分散腔的方向一致，所述螺旋板上设有若干平衡孔。

优选的，所述布气管为微孔管，所述微孔管可为烧结金属粉末微孔管、金属丝网管或陶瓷粉末烧结管中一种。

优选的，所述微孔管的微孔孔径为50-1000μm，所述微孔管的管壁厚度为5-20mm。

优选的，所述喷口的开口形状为条缝状。

优选的，所述喷口与扩径段之间的空腔形成再混室。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明提供的催化裂化进料雾化喷嘴，在预混腔内通过布气管、螺旋板的设置，使得微纳米气泡快速均匀地分散到原料油中，原料油与雾化蒸汽快速均匀混合，均匀分散有雾化蒸汽的气液混合物分多股分区精确混合；进入各个缩径段以及与各个缩径段对应的直管段和扩径段，气液两相被精确混合均匀，精确混合的各股气液混合物经再混室被再次掺混在一起后从喷口喷出；布气管、螺旋板、多区分散结构(多个缩径段、多个直管段、多个扩径段)、再混室的综合作用使得喷嘴的雾化效果被大大增强，原料油的出雾粒径(索泰尔平均粒径和质量中位径)达30μm左右。

(2)本发明提供的催化裂化进料雾化喷嘴，通过切向原料油入口以及螺旋板的设置使得原料油螺旋进入预混腔中，原料油受到自身表面张力和外力的作用，当原料油流速达到一定值时，原料油受到的外力大于表面张力，使得螺旋板以及原料油主体周边被抛出大量液滴，实现原料油的一次分散；通过布气管和螺旋板的设置使得微纳米级别的小气泡垂直射入原料油中，对原料油产生冲击，实现原料油的二次分散；均匀分散有小气泡的原料油分流股进入各个缩径段，随着气泡流进入到缩径段中，气液两相速度增加，螺旋作用增加，在螺旋作用下原料油被展成薄膜，增大了原料油的表面积，实现原料油的三次分散；气液混合物继续向前流动，在各个直管段内，由于气液两相速度差，雾化蒸汽对原料油产生强烈的撕裂与剪切作用，实现原料油的四次分散。与此同时，气液混合物经过直管段时，雾化蒸汽被压缩，当雾化蒸汽从直管段流入扩径段时，雾化蒸汽体积膨胀，挤压原料油，再次增加了雾化蒸汽对原料油的分散作用；多股气液混合物自扩径段流出后进入再混室掺混，多股气液混合物掺混均匀后经喷口喷出喷嘴，由于喷嘴外部环境压力低于喷嘴内部压力，小气泡雾化蒸汽在喷嘴的喷口处快速膨胀破裂将原料油破碎成液滴，实现原料油的五次分散，原料油被雾化。原料油经过五次分散混合，原料油的雾滴尺寸分布得到明显改善，继而改善了原料油与催化剂的接触，优化催化裂化的产品分布。

(3)本发明提供的催化裂化进料雾化喷嘴，原料油经原料油入口和螺旋板进入预混腔中，雾化蒸汽经过布气管进入预混腔中，螺旋板的设置使得原料油沿着直段做切向运动，并与布气管出来的雾化蒸汽方向垂直，原料油对雾化蒸汽的垂直切割作用促进微纳米小气泡的形成，继而使得雾化蒸汽均匀快速分散在原料油中；与此同时，螺旋板的设置，增长了气液混合物在预混腔中的运动轨迹，继而增加了气液混合物在预混腔中的停留时间，有利于雾化蒸汽和原料油在预混腔中的充分混合，而且螺旋板的设置增加了气液混合物之间的扰动，有利于雾化蒸汽与原料油之间的混合，有利于小气泡更加均匀地分散到原料油中形成均匀的气泡流。

(4)本发明提供的催化裂化进料雾化喷嘴，通过多孔管和螺旋板的设置使得大量的微纳米级小气泡快速均匀地分散到原料油中，微纳米级别气泡的形成，增加了同等体积雾化蒸汽的气泡数量，增大了雾化蒸汽的表面积，气液接触面积变大，从而增强了雾化蒸汽对原料油的剪切作用以及雾化蒸汽爆破对原料油的冲击作用，强化了喷嘴的雾化效果。

(5)本发明提供的催化裂化进料雾化喷嘴，由于微纳米气泡的形成以及微纳米气泡与原料油的均匀混合，相同体积的雾化蒸汽作用效果更加明显，故可适当减小雾化蒸汽消耗量，继而降低了原料油喷出速度。

附图说明

图1是本发明催化裂化进料雾化喷嘴的结构示意图；

图2为本发明喷口的截面结构示意图；

图3为本发明分散结构的一种分布示意图；

图4为本发明分散结构的另一种分布示意图；

图5为本发明切向原料油入口示意图；

图6为本发明斜切原料油入口示意图；

图7为本发明气液混合室内部布气管与螺旋板的结构示意图；

其中，1、喷口；2、扩径段；21、扩径段Ⅰ；22、扩径段Ⅱ；3、直管段；31、直管段Ⅰ；32、直管段Ⅱ；4、缩径段；41、缩径段Ⅰ；42、缩径段Ⅱ；5、布气管；6、分散腔；7、螺旋板；8、预混腔；9、原料油入口；10、固定板；11、雾化蒸汽入口；12、再混室；13、蒸汽腔。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

如图1和图7所示，一种催化裂化进料雾化喷嘴，所述雾化喷嘴包括依次连通且同轴设置的蒸汽腔13、预混腔8、分散腔6和喷头1，所述蒸汽腔13与雾化蒸汽入口11相连通，所述蒸汽腔13与预混腔8之间设有固定板10，所述固定板10上开设有若干通孔，所述通孔上固定连接有布气管5，所述预混腔8外侧设置有切向原料油入口9，所述预混腔8内沿轴线方向上设置有螺旋板7，所述布气管5贯穿所述螺旋板7延伸至分散腔3，所述分散腔3内设有分散结构。

在一些实施例中，所述螺旋板7与预混腔8轴线之间的夹角设置为β，且β＝5°-60°，可以为5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°，优选45°。

具体地，设置了螺旋板，气液混合物进入到缩径段中依靠做螺旋运动，同时由于运动截面积变小，气液两相速度增加，螺旋作用增加，在螺旋作用下原料油被展成薄膜，增大了原料油的表面积，增强了原料油的雾化质量。

在一些实施例中，如图3、图4所示，所述分散结构由依次连通且同轴设置的缩径段4、直管段3和扩径段2构成，所述扩径段2和缩径段4的锥度为4°-15°，可以为4°、5°、6°、7°、8°、9°、10°、11°、12°、13°、14°、15°，优选7°；所述分散结构至少设置一组，也可设置多组。

具体地，设置多个分散结构时，由于经多个缩径段、多个直管段、多个扩径段分区精确混合，使得自气液混合室出来的混合均匀的气液混合物被分散为多股进入各个缩径段，原料油表面积增大，气液接触面积增大，雾化蒸汽对原料油的撕裂和剪切作用增强，喷嘴的雾化效果增强。

在一些实施例中，如图5、图6所示，所述原料油入口9为圆形或矩形，所述原料油入口9与预混腔8轴线的夹角设置为α，且α＝30°-90°，可以为30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°、75°、80°、85°、90°，优选45°。

在一些实施例中，如图7所示，所述螺旋板7的起始位置设置在所述切向原料油入口9前端，终止位置设置于所述布气管5远离固定板10的一端；所述螺旋板7的旋转方向与原料油进入预混腔8后流向分散腔6的方向一致，所述螺旋板7上设有若干平衡孔，所述平衡孔可以使整个螺旋板上液压相当。

在一些实施例中，所述布气管5为微孔管，所述微孔管可为烧结金属粉末微孔管、金属丝网管或陶瓷粉末烧结管中一种。

具体地，设置的微孔管可以使进入预混腔的雾化蒸汽形成微纳米小气泡，继而使得雾化蒸汽均匀快速分散在原料油中。

在一些实施例中，所述微孔管的微孔孔径为50-1000μm，可以为50μm、100μm、150μm、200μm、250μm、300μm、350μm、400μm、450μm、500μm、550μm、600μm、650μm、700μm、750μm、800μm、850μm、900μm、950μm、1000μm，优选200μm；所述微孔管的管壁厚度为5-20mm，可以为5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm、12mm、14mm、16mm、18mm、20mm，优选10mm。

在一些实施例中，如图2所示，所述喷口1的开口形状为条缝状。

在一些实施例中，所述喷口1与扩径段2之间的空腔形成再混室12。

本发明所述固定连接可为焊接、螺纹或法兰连接等。

本发明提供的催化裂化进料雾化喷嘴，其工作原理如下：原料油通过原料油入口9和螺旋板7螺旋进入到预混腔8中，原料油做螺旋运动，在螺旋板7和原料油主体周边抛出大量液滴，实现原料油的一次分散。雾化蒸汽通过雾化蒸汽入口11经布气管5和螺旋板7形成微纳米级的小气泡后垂直射入原料油中，对原料油产生冲击，实现原料油的二次分散。与此同时，布气管5上的微纳米孔和螺旋板7的设置促使微纳米小气泡形成，预混腔8中螺旋板7的设置使得小气泡均匀快速地分散到原料油中。气液混合物在预混腔8中螺旋掺混，小气泡均匀地进入到原料油中，之后气液混合物均匀进入到各个缩径段4中，气液两相速度增加，螺旋作用增加，在螺旋作用下原料油被展成薄膜，增大了原料油的表面积，实现原料油的三次分散。随后气液混合物进入到各个直管段3，在直管段3处，气液两相加速运动，气液两相之间的速度差使得原料油被雾化蒸汽破碎成很小的液滴，形成气液两相雾化流，实现原料油的四次分散；气液两相雾化流经各个扩径段2进入再混室12中，多股气液混合物再次掺混均匀后经喷口1喷出喷嘴，原料油中掺混的小气泡在喷口1处快速膨胀破裂将原料油破碎成液滴，实现五次分散，原料油被雾化。

实施例1

一种催化裂化进料雾化喷嘴，所述雾化喷嘴包括依次连通且同轴设置的蒸汽腔13、预混腔8、分散腔6和喷头1，所述蒸汽腔13与雾化蒸汽入口11相连通，所述蒸汽腔13与预混腔8之间设有固定板10，固定板10与预混腔8和蒸汽腔13固定连接，所述固定板10上开设有若干通孔，所述通孔上固定连接有布气管5，所述蒸汽腔内的雾化蒸汽通过通孔进入布气管5，再通过布气管5进入预混腔8与原料油混合，所述预混腔8外侧设置有切向原料油入口9，所述预混腔8内沿轴线方向上设置有螺旋板7，所述布气管5贯穿所述螺旋板7延伸至分散腔3，所述分散腔3内设有分散结构。

在本实施例中，所述螺旋板7与预混腔8轴线之间的夹角设置为β，且β＝45°。

在本实施例中，如图3，所述分散结构由依次连通且同轴设置的缩径段4、直管段3和扩径段2构成，所述扩径段2的锥度为7°，所述缩径段4的锥度为10°，所述分散结构设置6组。

在本实施例中，如图3所示，所述直管段ⅠⅠ32的直径为直管段Ⅰ31直径的2倍，所述缩径段ⅠⅠ42大口径端的直径为缩径段Ⅰ41大口径端直径的2倍；所述缩径段Ⅰ、直管段Ⅰ、扩径段Ⅰ设置3组，所述缩径段ⅠⅠ、直管段ⅠⅠ、扩径段ⅠⅠ设置3组。

在本实施例中，所述原料油入口9为圆形，所述原料油入口9与预混腔8轴线的夹角设置为α，且α＝45°。

在本实施例中，所述螺旋板7的起始位置设置在所述切向原料油入口9前端，终止位置设置于所述布气管5远离固定板10的一端；所述螺旋板7的旋转方向与原料油进入预混腔8后流向分散腔6的方向一致，所述螺旋板7上设有若干平衡孔。

在本实施例中，所述布气管5为微孔管，所述微孔管为烧结金属粉末微孔管。

在本实施例中，所述微孔管的微孔孔径为100μm，所述微孔管的管壁厚度为10mm。

在本实施例中，所述喷口1的开口形状为矩形条缝状。

在本实施例中，所述喷口1与扩径段2之间的空腔形成再混室12。

在本实施例中所述固定连接为焊接。

将上述实施例中所述的喷嘴应用于180万吨/年催化裂化装置中，单只喷嘴处理量为35t/h，原料油(常压渣油)预热温度为180℃，原料油入口压力为0.6MPa，雾化蒸汽消耗量为1400kg/h，雾化蒸汽入口压力为0.7MPa，催化裂化反应器温度为550℃，压力为0.2MPa，原料油的出雾粒径为30μm左右，改善了原料油与催化剂之间的接触，优化催化裂化的产品分布。

实施例2

一种催化裂化进料雾化喷嘴，所述雾化喷嘴包括依次连通且同轴设置的蒸汽腔13、预混腔8、分散腔6和喷头1，所述蒸汽腔13与雾化蒸汽入口11相连通，所述蒸汽腔13与预混腔8之间设有固定板10，所述固定板10上开设有若干通孔，所述通孔上固定连接有布气管5，所述预混腔8外侧设置有切向原料油入口9，所述预混腔8内沿轴线方向上设置有螺旋板7，所述布气管5贯穿所述螺旋板7延伸至分散腔3，所述分散腔3内设有分散结构。

在本实施例中，所述螺旋板7与预混腔8轴线之间的夹角设置为β，且β＝60°。

在本实施例中，如图4所示，所述分散结构由依次连通且同轴设置的缩径段4、直管段3和扩径段2构成，所述扩径段2的锥度为8°，所述缩径段4的锥度为12°，所述分散结构设置9组。

在本实施例中，如图4所示，所述直管段ⅠⅠ32的直径为直管段Ⅰ31直径的2倍，所述缩径段ⅠⅠ42大口径端的直径为缩径段Ⅰ41大口径端直径的2倍；所述缩径段Ⅰ、直管段Ⅰ、扩径段Ⅰ设置5组，所述缩径段ⅠⅠ、直管段ⅠⅠ、扩径段ⅠⅠ设置4组。

在本实施例中，所述原料油入口9为矩形，所述原料油入口9与预混腔8轴线的夹角设置为α，且α＝60°。

在本实施例中，所述螺旋板7的起始位置设置在所述切向原料油入口9前端，终止位置设置于所述布气管5远离固定板10的一端；所述螺旋板7的旋转方向与原料油进入预混腔8后流向分散腔6的方向一致，所述螺旋板7上设有若干平衡孔。

在本实施例中，所述布气管5为微孔管，所述微孔管为陶瓷粉末烧结管。

在本实施例中，所述微孔管的微孔孔径为200μm，所述微孔管的管壁厚度为12mm。

在本实施例中，所述喷口1的开口形状为两边圆弧形的条缝状。

在本实施例中，所述喷口1与扩径段2之间的空腔形成再混室12。

本发明所述固定连接为法兰连接等。

将上述实施例中所述的喷嘴应用于140万吨/年催化裂化装置中，单只喷嘴处理量为30t/h，原料油(减压渣油)预热温度为210℃，原料油入口压力为0.6MPa，雾化蒸汽消耗量为1200kg/h，雾化蒸汽入口压力为0.7MPa，催化裂化反应器温度为540℃，压力为0.23MPa，原料油的出雾粒径为35μm左右，改善了原料油与催化剂之间的接触，优化催化裂化的产品分布。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种催化裂化进料雾化喷嘴，其特征在于，所述雾化喷嘴包括依次连通且同轴设置的蒸汽腔(13)、预混腔(8)、分散腔(6)和喷头(1)，所述蒸汽腔(13)与雾化蒸汽入口(11)相连通，所述蒸汽腔(13)与预混腔(8)之间设有固定板(10)，所述固定板(10)上开设有若干通孔，所述通孔上固定连接有布气管(5)，所述预混腔(8)外侧设置有切向原料油入口(9)，所述预混腔(8)内沿轴线方向上设置有螺旋板(7)，所述布气管(5)贯穿所述螺旋板(7)延伸至分散腔(6)，所述分散腔(6)内设有分散结构。

2.根据权利要求1所述的一种催化裂化进料雾化喷嘴，其特征在于，所述螺旋板(7)与预混腔(8)轴线之间的夹角设置为β，且β＝5°-60°。

3.根据权利要求1所述的一种催化裂化进料雾化喷嘴，其特征在于，所述分散结构由依次连通且同轴设置的缩径段(4)、直管段(3)和扩径段(2)构成，所述扩径段(2)和缩径段(4)的锥度为4°-15°，所述分散结构至少设置一组。

4.根据权利要求1所述的一种催化裂化进料雾化喷嘴，其特征在于，所述原料油入口(9)为圆形或矩形，所述原料油入口(9)与预混腔(8)轴线的夹角设置为α，且α＝30°-90°。

5.根据权利要求2所述的一种催化裂化进料雾化喷嘴，其特征在于，所述螺旋板(7)的起始位置设置在所述切向原料油入口(9)的前端，终止位置设置于所述布气管(5)远离固定板(10)的一端；所述螺旋板(7)的旋转方向与原料油进入预混腔(8)后流向分散腔(6)的方向一致，所述螺旋板(7)上设有若干平衡孔。

6.根据权利要求1所述的一种催化裂化进料雾化喷嘴，其特征在于，所述布气管(5)为微孔管，所述微孔管的微孔孔径为50-1000μm，所述微孔管的管壁厚度为5-20mm。

7.根据权利要求1所述的一种催化裂化进料雾化喷嘴，其特征在于，所述喷口(1)的开口形状为条缝状。

8.根据权利要求1所述的一种催化裂化进料雾化喷嘴，其特征在于，所述喷口(1)与扩径段(2)之间的空腔形成再混室(12)。