CN1272407C - 消耗催化剂分布器及一种再生器的操作方法 - Google Patents

消耗催化剂分布器及一种再生器的操作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于改进消耗催化剂和输送气体向流化催化裂化设备的再生器中的分布的方法和装置。消耗催化剂和输送气体向上移动穿过一个消耗催化剂提升管，通过一个偏转圆锥转换成径向向外方向。在沿基本上均匀的径向方向从分布器的外部边缘(周边)排放到再生器中之前，催化剂和输送气体在它们在两个盘之间径向向外移动过程中再次混合。分布器用于提供从其周边的连续排放，从而覆盖再生器的整个横截面。

Description

消耗催化剂分布器及一种再生器的操作方法
本发明涉及用于改进消耗催化剂(spent catalyst)和输送气体(transport gas)向流化催化裂化设备分布的方法和装置。
在如授予Hedrick的美国专利No.5562818中所示的包括再生器、提升管反应器和汽提器的普通流化催化裂化设备(FCCU)中，被精细分割的再生催化剂通过再生器立管从再生器抽出，在反应器提升管的下部与烃原料接触。烃原料和蒸气通过进给喷嘴进入提升管中。原料、蒸气和再生催化剂的混合物的温度是约200℃到约700℃，通过该提升管反应器向上流动，将原料转化成更轻的产品，同时焦碳层沉积在催化剂的表面上，暂时对催化剂进行减活。来自提升管顶部的烃蒸气和催化剂然后穿过旋风分离器，将消耗催化剂与烃蒸气产品流分开。消耗催化剂进入汽提器中，蒸气引入汽堤器，从而从催化剂中去除烃产品。消耗催化剂然后穿过一个消耗催化剂传送管线，进入再生器中，在存在空气且温度为约620℃到约760℃的情况下，消耗催化剂上的焦碳层燃烧而恢复催化剂活性。再生的催化剂然后从再生器流化床抽出经过再生器立管，重复上述循环，在下部提升管中与原料接触。
催化剂再生是FCCU操作中一个关键步骤。该步骤的成功取决于再生器中含氧气体与消耗催化剂的接触效率。尽管许多年来具有一个单独催化剂入口的FCCU是可以接受的，但最近以来，改进再生器中的催化剂分布的潜在益处已经变得明显。催化剂分布的一个理想条件是，分布和混合所消耗的催化剂的时间应当小于焦碳燃烧的时间。当再生器直径增大时，催化剂的径向混合时间变长。同时，当再生温度上升时，需用于燃烧的时间变短。因此，对于包括大直径再生器容器或者其中再生在更高温度下进行的FCCU来讲，改进消耗催化剂分布的益处更加明显。
消耗催化剂分布的另一个重要方面是控制后燃烧，其特征是在再生器的稀释相中显著的温度上升。如果与消耗催化剂一起到来的输送气体，最常见的是空气，没有被很好地分布，气体将在消耗催化剂分布器的排放处形成大气泡，快速上升通过密相流化床，而燃烧时间很少，并将富氧气体释放到稀释相中。这导致输送气体后燃烧和在密相床中的很差的燃烧效率。
有多种现有技术装置使用各种结构来改进再生器中的消耗催化剂分布。图4中示出一个现有技术消耗催化剂分布器。示出消耗催化剂通过位于消耗催化剂提升管10上端侧壁上的分离的槽口43排放消耗催化剂。这种分布器的一个缺点在于，催化剂以较小的径向速度离开槽口，导致再生器中催化剂分布不充分。另一个缺点在于，输送气体在提升管顶部确实与催化剂分离，很少有时间与催化剂再次混合，导致用于再生的输送气体的较差的使用以及更多的后燃烧。
US-A-4595567中公开了用于在消耗催化剂提升管上端以空气/催化剂分布格栅的形式将催化剂分布到FCC再生器中的装置，分布格栅包括多个沿着径向延伸格栅的截面长度的分离的开口，如喷嘴。众所周知，如J.W.Wilson在“流化催化裂化-技术和操作”第145页中讨论的，这种类型的分布器容易腐蚀损坏。
US-A-4150090中公开了一种装置，包括一个轴向位于再生器中心的消耗催化剂提升管，提升管终止于多个靠近再生器流化床表面排放催化剂的径向延伸的流化催化剂分布器槽。该槽具有一个基本上U形的横截面，槽的底部向下倾斜，流化气体沿槽的长度喷射。US-A-5635140中公开了一种对US-A-4150090的改进，具有相似的分布槽，但改进之处在于槽是自充气的。
US-A-5156817中公开了一种装置，用于通过多个由倒置的V形元件限定的沟槽在消耗催化剂提升管上端供应催化剂。催化剂沿在它们的近端关闭的沟槽的长度向下排放。该装置包括多个具有不同长度且从一个单个供应管道成扇形发散的沟槽，最长的沟槽几乎覆盖了再生器的直径。
US-A-5773378中公开了一种装置，用于在消耗催化剂立管的下端分布消耗催化剂。该立管从靠近流化床床面顶部的侧壁进入再生器，输送催化剂通过一个到再生器中心的水平管道，之后是一个垂直向下的带有偏转板端盖的管道，并通过垂直管道下部侧壁上的多个分离的径向槽将催化剂排出。
EP-B-622116中公开了一种装置，通过一个中心消耗催化剂提升管分布消耗催化剂，该提升管终止于一个与多个水平输送管道联接的接头，并在水平管道的端部将催化剂排放到分离的分布点。
这些现有技术消耗催化剂分布器的主要缺点包括：
-由于分离分布而不完全覆盖-现有技术消耗催化剂分布器使用来自一个单独消耗催化剂源的多个分布臂或分离槽口。在两者中的任何一种情况下，消耗催化剂在再生器中的初始分布都留下分布臂之间或分离槽口之间的区域没有覆盖。
-输送气体的较差分布-现有技术消耗催化剂分布器对于输送气体的关注不多。这导致输送气体在再生上的应用较差，且产生更多的后燃烧。
-体积很大的机械结构-现有技术消耗催化剂分布器具有长的水平臂，在再生器的涡流环境下不可靠。它们的体积很大的结构还使它们很难为了改进更新而装入现有的再生器中。
本发明的一个目的是改进再生器中消耗催化剂的分布。另一个目的是同时改进在再生器中对传送气体的分布。又一个目的是通过一个紧凑、坚固和易于在现有FCCU中实施的简单机械装置来实现这种分布。本发明的技术方案如下：
一种用于流化催化设备的再生器中的消耗催化剂分布器，包括：一个管道，具有一个终止于上述再生器内的开口，用于将消耗催化剂和输送气体的混合物引入上述再生器中；一个下盘，该下盘在上述再生器中上述管道的最上端环绕上述管道的上述开口；一个上盘，该上盘向上与上述下盘间隔开并与之刚性联接，从而在其间形成一个基本上开放的空间；一个在其底部连接到上述上盘上的偏转圆锥，上述偏转圆锥指向下方且位于上述管道出口上方的中心，上述偏转圆锥适用于沿基本上均匀的径向向外方向导引上述消耗催化剂和上述传送气体通过形成于上述下盘和上述上盘之间的上述空间，从而从形成于上述下盘和上述上盘之间的上述空间的外部圆周沿基本上均匀的径向向外方向将上述消耗催化剂和输送气体的上述混合物连续地圆周排放到上述再生器中。
一种用于操作流化催化裂化设备的再生器的方法，包括下列步骤：使消耗催化剂和输送气体向上流动穿过一个管道，上述管道终止于上述再生器的内部；在上述管道的上端沿基本上均匀一致的径向向外方向引导上述消耗催化剂和上述输送气体；在一个分布器内部重新混合上述消耗催化剂和上述输送气体；沿一个基本上均匀一致的径向向外方向将上述消耗催化剂和上述输送气体的上述混合物从上述分布器的周边排放到上述再生器中；及从上述分布器的外部周边连续地基本上均匀地圆周排放上述催化剂和上述输送气体的上述混合物。优选地，上述方法使用本发明所述的催化剂分布器。优选地，上述输送气体是空气。
本发明的方法和装置用于改进消耗催化剂和输送气体向流化催化裂化设备中的分布。消耗催化剂和输送气体向上移动穿过一个消耗催化剂提升管，通过一个偏转圆锥转换成径向向外方向。在沿基本上均匀的径向方向从分布器的外部边缘(周边)排放到再生器中之前，在催化剂和输送气体在两个盘之间径向向外移动过程中它们被再次混合。分布器用于提供来自于其周边的连续排放物，从而覆盖再生器的整个横截面。下面描述其它优点和优选实施例。
上述下盘是水平的。
上述下盘以从上述水平位置向上30°到从上述水平位置向下30°范围内的角度倾斜。
上述下盘以从上述水平位置向上15°到从上述水平位置向下15°范围内的角度倾斜。
上述上盘是水平的。
上述上盘以从上述水平位置向上30°到从上述水平位置向下45°范围内的角度倾斜。
上述上盘以从上述水平位置向上10°到从上述水平位置向下30°范围内的角度倾斜。
上述下盘的直径与上述再生器的直径之比在0.10至0.50范围内。
上述下盘的直径与上述再生器的直径之比在0.20至0.35范围内。
上述下盘的直径与上述上盘的直径之比在0.80至1.25范围内。
上述偏转圆锥的底部的直径与上述管道的直径之比在0.30至1.00范围内。
图1示出用于分布消耗催化剂的优选方法和装置。
图2示出图1中优选方法和装置的顶视图。
图3A和3B示出消耗催化剂分布器的一个优选实施例的细节。
图4是现有技术消耗催化剂分布器的示意图。
催化剂再生是FCCU操作中一个关键步骤。该步骤的成功取决于再生器中空气与所消耗的催化剂的接触效率。催化剂分布的一个理想条件是，所消耗的催化剂的分布和混合时间应当小于焦碳燃烧的时间。流化领域公知的是，在流化床中在垂直方向混合比在水平方向混合相对较快。本发明主要关注于改进径向分布和混合。
图1中示出本发明中用于在再生器中分布所消耗催化剂的优选方法和装置。所消耗的催化剂和输送气体，最常见的是空气，向上穿过提升管道10进入再生器12中，再生器12具有多个空气分布环13并形成一个流化床床面(bed level)14。所消耗的催化剂和输送气体向上流动到达管道10的上端，通过位于流化床床面14下面的分布器15，沿箭头16所示的基本上一致的径向方向一起出来。消耗催化剂和输送气体在流化床14中沿径向快速混合，从而开始再生过程。燃烧气体通过再生器12的上部18出来，而再生的催化剂通过管道17出来。
图2中示出图1中优选方法和装置的顶视图。消耗催化剂和输送气体经过管道10上升，在分布器15的周围沿基本上均匀一致的径向方向16出来。分布器15用于从其周边提供连续的圆周排放，并如下面所述覆盖整个再生器12。
图3A和3B中分别以一个侧视图和一个顶视图示出图1和2中所示的分布器15的优选实施例。分布器15包括一个下盘31和一个上盘32。形成分布器15的盘31、32的直径与再生器12的直径相比是小的。分布器/再生器的直径比可以在0.10(10％)到0.50(50％)范围内，但最好在0.20(20％)到0.35(35％)范围内。下盘31与管道10刚性联接。虽然所示的下盘31是水平的，但它也可以向上或向下倾斜。该倾斜角的范围可以是从水平方向向上约30°到向下约30°，但最好在从水平方向向上约15°到向下约15°的范围内。上盘32通过多个隔板34与下盘31刚性联接。虽然所示的上盘32向下倾斜，但它也可以向上倾斜。该倾斜角的范围可以是从水平方向向上约30°到向下约45°，但最好在从水平方向向上约10°到向下约30°的范围内。虽然图中所示的上盘32与盘31大致相同，但两个直径的比可以在约0.8到约1.25范围内。如图3B中所示，隔板34最好在到达分布器15的周边之前终止。这使得催化剂和传送气体在经过隔板34之后再次汇合，从而再次填充间隙。因而，在图3A和3B中所示的优选实施例中，分布器15适于从其周边连续地、基本上均匀地排放催化剂和输送气体，从而覆盖再生器12的整个横截面。但如果隔板34延伸到分布器15的周边，则除了一小部分再生器没有被覆盖之外，分布器15的基本结构仍可工作。上盘32还包括一个刚性地连接在盘32中心处的偏转圆锥33。偏转圆锥33与提升管道10的直径比可在约0.30(30％)到约1.00(100％)范围内，但最好是在0.40(40％)到约0.80(80％)范围内。消耗催化剂与输送气体的混合物向上穿过管道10，由偏转圆锥33沿基本上均匀的径向向外的方向导流。偏转圆锥33的功能是辅助改变流动方向。分布器15的基本结构没有偏转圆锥33仍能够工作，但催化剂和传送气体在两个盘之间的重新混合的效率将下降，通过分布器15的整个压降将升高。
如流化领域公知的，由于在管道10的上端流动方向突然从垂直向上方向变成径向向外方向，催化剂与输送气体之间发生某种程度的分离。催化剂的速度也由于流动方向的改变而降低。图3A和3B中所示的优选实施例允许催化剂和输送气体在从分布器15的周边排放到再生器流化床14中之前一起径向向外移动时，在形成于上盘32和下盘31之间的空间中由输送气体对催化剂进行再次加速。
在两个盘之间催化剂的再次加速以及催化剂与输送气体之间的再次混合是很关键的。由于分布器15具有相对较小的直径，将消耗催化剂和输送气体分布到再生器12中依赖于从分布器15的周边的排放物的基本上的径向来喷射。发现，该再次加速过程允许催化剂在从分布器15出来之前在径向方向再次获得动量。这将使催化剂被排放到距分布器15相当远的距离，从而提供对再生器12的基本上均匀的覆盖。还发现，输送气体在这个再加速过程中由催化剂再次分散，从而使在分布器15的出口点(周边)气泡更小。消耗催化剂和输送气体沿径向以相当大的动量排出分布器15。这改进了在再生流化床14中消耗催化剂与输送气体的径向混合。更小的气泡与更快速的混合相结合的效果提高了输送气体用于再生的使用的有效性。如果输送气体在管道10的上端分离出来而不与催化剂再次混合，则将在分布器15的周边形成大气泡。由于大气泡上升很快，输送气体中的氧气将有很少的时间在再生流化床14中燃烧。这降低了用于再生的输送气体的有效性，而富氧气体在流化床床面14上方释放会导致后燃烧。
上面的讨论已经清楚地显示，本发明的方法和装置相对于现有技术中的消耗催化剂分布器提供了若干个优点，即：
(a)通过连续排放而完全覆盖-本发明用于提供从分布器15的周边的基本上均匀的圆周排放，从而覆盖整个再生器12的横截面。现有技术消耗催化剂分布器使用多个分布臂或者分离槽口。在这些情况中，消耗催化剂的初始分布只能覆盖再生器的一部分，而留下分布臂之间或分离槽口之间的部分区域没有覆盖。
(b)同时分布输送气体-输送气体在从分布器15的周边出来之前在分布器15中再次混合。这使得在分布器15的出口点(周边)的气泡更小，提高了输送气体的燃烧效果，并减少了后燃烧。
(c)在再生器流化床中的快速径向混合-消耗催化剂和输送气体都在径向方向以相当的动量从分布器15出来。这改进了消耗催化剂和输送气体在再生器流化床14中的混合，并提高了输送气体的燃烧有效性。
(d)紧凑的机械结构-本发明的优选实施例具有相对较小的直径。它具有易于安装在多数再生器中的坚固的紧凑结构。现有技术分布器具有长的水平臂，在再生器的涡流环境下不可靠。它们的体积很大的结构还使它们很难装入现有再生器中来更新改进。
图3A和3B中所示的本发明的消耗催化剂分布系统安装在受让人的FCCU中的一个上，代替具有图4中所示结构的现有技术分布器。图4中所示的消耗催化剂和输送气体向上流过终止于端盖42的管道10。消耗催化剂和输送气体通过位于管道10侧壁上其上端的多个槽口43排出。
下面的非限定性例子中示出了结果。
例
该例中，在安装根据图3A和3B的本发明的消耗催化剂分布器的一个实施例之前和之后，在再生器上进行性能测试。图4表示用本发明一个实施例替换的现有技术消耗催化剂分布器。下面的表1表示在安装之前和之后某些性能参数的对比。
表1
  性能参数   之前   之后
  重量％CRC(再生催化剂上的碳)   0.17   0.13，降低24％
  补充氧气进给速度   200吨/天   55吨/天，降低73％
  消耗催化剂提升管和分布器中的压降   P磅/平方英寸   (P-0.75)磅/平方英寸
  催化剂与油的比   7.0   6.5，降低7％
  循环再生器有效性系数   E％   (E+25)％
改进再生器中消耗催化剂和输送气体的分布的益处可有利地以多种方式应用。在上述实施例中，操作者能够以相当小的补充氧气运行再生器，并减少已再生催化剂上的碳，同时保持所需的焦碳燃烧能力。这两个优点都给操作者带来了相当大的经济上的好处。降低消耗催化剂提升管和分布器中的压降是有利的，以保持消耗催化剂输送气体鼓风机上的载荷不增加。降低催化剂与油的比率使操作者能够对于在流化催化裂化器中循环的每磅催化剂处理更多桶的油。总之，通过使用本发明的方法和实施例，在燃烧焦碳过程中再生器的循环有效性提高了25％。

Claims (14)

1.一种用于流化催化设备的再生器中的消耗催化剂分布器，包括：
一个管道，具有一个终止于上述再生器内的开口，用于将消耗催化剂和输送气体的混合物引入上述再生器中；
一个下盘，该下盘在上述再生器中上述管道的最上端环绕上述管道的上述开口；
一个上盘，该上盘向上与上述下盘间隔开并与之刚性联接，从而在其间形成一个基本上开放的空间；
一个在其底部连接到上述上盘上的偏转圆锥，上述偏转圆锥指向下方且位于上述管道出口上方的中心，上述偏转圆锥适用于沿基本上均匀的径向向外方向导引上述消耗催化剂和上述传送气体通过形成于上述下盘和上述上盘之间的上述空间，从而从形成于上述下盘和上述上盘之间的上述空间的外部圆周沿基本上均匀的径向向外方向将上述消耗催化剂和输送气体的上述混合物连续地圆周排放到上述再生器中。
2.如权利要求1所述的分布器，其中上述下盘是水平的。
3.如权利要求1所述的分布器，其中上述下盘以从上述水平位置向上30°到从上述水平位置向下30°范围内的角度倾斜。
4.如权利要求3所述的分布器，其中上述下盘以从上述水平位置向上15°到从上述水平位置向下15°范围内的角度倾斜。
5.如权利要求1-4中任一项所述的分布器，其中上述上盘是水平的。
6.如权利要求1-4中任一项所述的分布器，其中上述上盘以从上述水平位置向上30°到从上述水平位置向下45°范围内的角度倾斜。
7.如权利要求6所述的分布器，其中上述上盘以从上述水平位置向上10°到从上述水平位置向下30°范围内的角度倾斜。
8.如权利要求1-4中任一项所述的分布器，其中上述下盘的直径与上述再生器的直径之比在0.10至0.50范围内。
9.如权利要求8所述的分布器，其中上述下盘的直径与上述再生器的直径之比在0.20至0.35范围内。
10.根据权利要求1-4中任一项所述的分布器，其中上述下盘的直径与上述上盘的直径之比在0.80至1.25范围内。
11.根据权利要求1-4中任一项所述的分布器，其中上述偏转圆锥的底部的直径与上述管道的直径之比在0.30至1.00范围内。
12.一种用于操作流化催化裂化设备的再生器的方法，包括下列步骤：
使消耗催化剂和输送气体向上流动穿过一个管道，上述管道终止于上述再生器的内部；
在上述管道的上端沿基本上均匀一致的径向向外方向引导上述消耗催化剂和上述输送气体；
在一个分布器内部重新混合上述消耗催化剂和上述输送气体；
沿一个基本上均匀一致的径向向外方向将上述消耗催化剂和上述输送气体的上述混合物从上述分布器的周边排放到上述再生器中；及
从上述分布器的外部周边连续地基本上均匀地圆周排放上述催化剂和上述输送气体的上述混合物。
13.根据权利要求12所述的方法，其中使用根据权利要求1-11中的任一项所述的催化剂分布器。
14.根据权利要求12-13中的任一项所述的方法，其中上述输送气体是空气。
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