CN1344361A - 改进的流化床催化裂化原料注射器扇形喷嘴头结构 - Google Patents

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CN1344361A CN 00805200 CN00805200A CN1344361A CN 1344361 A CN1344361 A CN 1344361A CN 00805200 CN00805200 CN 00805200 CN 00805200 A CN00805200 A CN 00805200A CN 1344361 A CN1344361 A CN 1344361A
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Abstract

本发明涉及流化催化裂化(FCC)方法,它使用高流量、低压力降的液体雾化方法和装置。该方法包括形成由热原料油和分散气体例如蒸汽组成的流体混合物,使混合物雾化以便形成液滴,然后分配液滴使之进入流化床催化裂化过程。所述装置(180)包括具有改进的喷雾分配器(150)端部的喷嘴(184)。

Description

改进的流化床催化裂化原料注射器扇形喷嘴头结构
本申请是1999年3月18日提交的美国专利申请09/271,813的部分继续申请。
技术领域
本发明涉及流化床催化裂化(FCC)方法，它使用高流量、低压力降的液体雾化方法和装置。该方法包括形成由热原料油和分散气体例如蒸汽组成的流体混合物，使混合物雾化以形成液滴，然后分配液滴使之进入流化床催化裂化过程。该装置包括具有改进的喷雾分配器端部的喷嘴。
背景技术
流体雾化是众所周知的技术，用于多种应用和工艺中。这些应用和工艺包括例如气溶胶喷射，施用杀虫剂和涂层，喷雾脱水，加湿、混合、空调、化学以及石油精炼工艺等。在大多数的应用中，含或者不含雾化剂的加压流体，被强制通过具有相对较小的孔口的雾化喷嘴。在孔口的下游侧发生雾化，雾化的程度由孔口尺寸、通过孔口的压力降、流体的密度、速度和表面张力等因素所决定，这是众所周知的。孔口尺寸越小，压力降越大，雾化程度就越高，液滴尺寸越小。在高流速下提高相对粘稠的流体的雾化程度尤其具有挑战性，所述流体比如是用于流化床催化裂化工艺或所谓的流化催化裂化的重石油原料。流化床催化裂化工艺是成熟工艺，广泛地应用于石油精炼工业，主要用于将高沸点石油转换成更具有价值的低沸点产品，包括汽油和中间馏出物例如煤油、喷气燃料、柴油和燃料油。
在流化床催化裂化过程中，将常混有雾化增进流体例如蒸汽的预热原料进行雾化，使之与向上流经包括催化裂化反应区的提升管的颗粒状的、热的裂化催化剂相接触。在反应区内，原料油滴的尺寸越小，就会导致更多的原料转换成有价值的产品，尤其是在流化床催化裂化原料中混合有重原料例如残油时。不与上升的催化剂颗粒相接触的油主要热裂化成轻气体例如甲烷，焦炭。因此，已经有不断的努力去尝试发现更为经济可行的方法来降低雾化油的液滴尺寸，最好不会发生如下情形(i)在通过雾化器或者喷嘴时不会产生不可接受的高压力降或者(ii)不会增加蒸汽或者其它雾化增进剂的用量。尝试这种努力的例子例如见于美国专利US5289976和US5173175，它们公开了一种原料尺寸的平均值，范围大约在400～1000微米。但是，仍旧有必要对用于流化床催化裂化工艺的重原料油和用于其它工艺的其它流体进行更细的雾化。如果雾化的液滴尺寸能够降低到小于300微米的话，那么它将是极为有利的。
发明内容
本发明涉及用于雾化液体的方法和装置。该方法和装置可用于使并且将热原料油雾化并注入流化催化裂化装置的反应区，以获得相对小的液滴尺寸，以及雾化油滴或者液滴尺寸的均匀分布。
尤其是，本发明的装置涉及喷雾分布装置，例如渐开扇型喷雾分配器，其内部构成在上下游端均开口的扇形空腔，最好与雾化孔口的下游端相邻，用来控制雾化喷雾的形状。
在另一个实施例中，本发明包括一种用于将液体雾化成液滴喷雾的方法，然后使液滴流经雾化分配装置，以便形成分布开的液滴喷雾。
在一种优选实施例中，本发明的装置主要包括包含空腔的本体，在空腔中包括撞击混合区和剪切混合区，其中空腔沿流体流动的方向延伸穿过所述本体。最好，所述本体包含一种能够将邻近本体上游端的流体流分成两个单独的流的装置，并且每一个流有一入口供其进入空腔并进入撞击混合区。该装置还可以包括与其下游端相邻布置的一个雾化分配装置，其流体入口与一个与其流体连通的剪切混合区的流体出口相邻。雾化分配装置最好是喷雾分配器。最佳的喷雾分配器是一个三维构件，具有：
(1)沿第一轴的方向相距一长度L的前表面与后表面，以及
(2)在前表面和后表面开口的连续的内部扇形通道，该通道具有(a)相距固定高度h的平的、平行的顶表面和底表面，该高度是
在平行于第二轴的方向测量得出的，该第二轴垂直于第一轴，以
及
(b)均与顶表面和底表面相接触的第一和第二弯曲侧面，其中
(i)第一和第二侧面在前表面有最大间距w1，以及
(ii)在后表面处的最大间距w2，w1小于w2，w1与w2均是沿平行于第三轴的方向进行测量的，该第三轴同时垂直于第一和第二轴。
在涉及流化催化裂化方法的最佳实施例中，本发明包括以下步骤：
(a)使由气相和包含流化床催化裂化原料油的液相组成的两相流体的两个流分别进入有压的撞击混合区，其中每一个撞击流的一部分与另一个流相混合，形成单一撞击混合流体流，其中液相的表面积增加，比在混合前的两个流中的表面积更大；
(b)使在步骤(a)中形成的混合流进入在撞击混合区下游与之相邻并直接流体连通的剪切混合区，以便主要通过剪切混合进一步混合混合流，从而进一步增大液相的表面积；
(c)使剪切混合流流经一雾化装置进入一低压膨胀区使之雾化，在低压膨胀区内所述气体膨胀，形成包括雾化液滴的喷雾；以及
(d)使雾化的喷雾通过喷雾分配器流入提升管反应区，在这里，它在能有效地使油催化裂化而产生低沸点碳氢化合物的反应条件下与颗粒状的、热的、再生裂化催化剂相接触，喷雾分配器是一个三维构件，具有
(1)沿第一轴的方向相距一长度L的前表面与后表面，以及
(2)在前表面和后表面开口的连续的内部扇形通道，该通道具有
(a)相距固定高度h的平的、平行的顶表面和底表面，该高度是
在平行于第二轴的方向测量得出的，该第二轴垂直于第一轴，以
及
(b)均与顶表面和底表面相接触的第一和第二弯曲侧面，其中
(i)第一和第二侧面在前表面有最大间距w1，以及
(ii)在后表面处的最大间距w2，w1小于w2，w1与w2均是沿平行于第三轴的方向进行测量的，该第三轴同时垂直于第一和第二轴。
对低沸点的碳氢化合物进行回收，并且对至少一部分用一种或者多种改良操作例如分馏法进行改良。裂化反应产生用过的催化剂颗粒，它含有可反萃的碳氢化合物和焦炭，这是众所周知的。在分离区将低沸点的碳氢化合物从用过的催化剂颗粒中分离出来，用过的催化剂颗粒在反萃区进行反萃，以便除去可反萃的碳氢化合物，从而产生反萃过的、焦结的催化剂颗粒。反萃过的、焦结的催化剂颗粒进入再生区，在其中在一定条件下与含氧气体接触，以便燃烧掉焦炭，生成热的再生裂化催化剂颗粒，然后将它们返送回提升管反应区。
附图说明
图1(a)至1(d)是本发明的雾化喷嘴的各种视图的示意图，图1(a)和图1(c)分别是从喷嘴的下游端和上游端看的视图，图1(b)是剖面侧视图，图1(d)是局部剖面顶视图。
图2(a)至图2(d)是用于说明图1中的由叠放的金属板制成的喷嘴的示意图，包括作为喷嘴一部分的雾化分配器。
图3(a)至图3(d)是用于说明本发明的雾化喷嘴的另一个实施例的各种视图的示意图，图3(a)和图3(c)分别是从喷嘴的下游端和上游端看的视图，图3(b)是剖面侧视图，图3(d)是局部剖面顶视图。
图4(a)至图4(d)是三个不同视图的示意图，示出了图3中的喷嘴和一优选的喷雾分配器的组合。
图5是带有上游流体管的雾化喷嘴和喷嘴头(tip)的剖面示意图。
图6(a)至图6(c)是与图3和图4中所示的相类似的本发明的雾化喷嘴的视图，但是其中剪切混合区包括一雾化孔口。
图7是带有本发明的喷嘴的流化床催化裂化原料喷射设备的侧视图。
图8是用于本发明的方法中的流化催化裂化工艺简图。
具体实施方式
流入混合喷嘴10中的两相流体可以是气相连续的或者液相连续的(gas-continuous or liquid-continuous)，或者也可以是泡沫，不能确定是一相连续或者两相连续。这还可以进一步通过参考例如开孔海绵和闭孔海绵来理解。海绵一般具有1∶1的空气与固体的体积比。开孔海绵的气体(空气)与固体均是连续的，而闭孔海绵固态是连续的，包含不连续的(离散的)气室。在开孔海绵中，固态可以说是薄膜和条带(就如在气-液两相泡沫中那样)形式。在闭孔空海绵中，可以想像，气体是分散在固态中的离散小气球的形式。一些海绵介于开孔还绵和闭孔还绵之间，正如某些两相流体包括气相和液相。不可能存在这样的海绵，即它是气相连续的，而不是固态连续的，但是可能存在仅仅气相连续的两相气液流体。因此，当它流入且流经本发明的混合喷嘴时产生的流体的特定形态不总是确知的。尽管如此，在本发明的实施例中，流入喷嘴内的流体中必须存在足够的气体用于碰撞和剪切混合，以便提高液相的表面积。这反映在雾化前或者雾化过程中采取的以下措施：(i)降低任何液相薄膜的厚度；(ii)降低任何液相流的厚度和/或长度；以及(iii)减小流体中的任何液滴的尺寸。在本发明的实践中，在喷嘴中的和穿过孔口的冲击和剪切混合将仅发生于包括气相和液相的两相流体中。流体中气体的体积最好占绝大多数(例如气体的体积与液体的体积比至少为2∶1)，以实现有效的剪切混合。流经喷嘴的单相流体(例如液体)的动能的增加直接与通过喷嘴的压力降成比例。在包括气相和液相的两相流体中，(i)在撞击混合区；(ii)在喷嘴剪切混合区，以及(iii)当流体流经一个比孔口(降压口)上游的流体管的横剖面积更小的孔口时，气相速度相对于液相速度增加。气相与液相之间的速度差导致液体形成带状体(ligamentation)，尤其是对于粘稠液体比如热的流化床催化裂化原料油。形成带状体(ligamentation)意味着液体可以形成拉长的小珠或者细流。在剪切混合的过程中速度差减小。这样，使两相流体流经降压孔或者撞击混合，将会在气相和液相之间产生速度差，从而由于液体剪切成延长的条带和/或分散的液滴，而导致在气体中产生液相的条带和/或液体的分散。当流体流入喷嘴的流体入口并且流经雾化孔口时，将产生附加剪切变形。附加剪切变形使得雾化喷雾中的最终的液滴尺寸进一步减小。雾化区比雾化孔口的上游压力相比，雾化区的压力较低。因此，流经雾化孔口的流体中的气体快速膨胀，从而导致液态细流和/或液滴分散进雾化区。在雾化过程中，液态细流分解成两个或者更多个液滴。雾化孔口可以是位于剪切混合区下游的分散的、易识别的孔口，也可以是位于剪切混合区内的横截面积最小的区域的形式存在。在后一种情况下，在喷嘴的剪切混合区中流体开始雾化。从技术上最严格地讲，雾化有时指的是当将蒸汽或者其它雾化汽混合或者注入即将被雾化的液体中时发生的液体表面积的增大。然而，在本发明的上下文中，雾化指的是当流体流经雾化孔口时，液相分解，或者开始分解成气相中的离散质量，并且一直向下游持续，从而使液体雾化成分散于气相中的液滴雾。
现在参看图1，示出了本发明的雾化喷嘴10的一个实施例的四种示意图。这样，喷嘴10用圆柱形本体12表示，其内部包括单一的、基本上是纵向的空腔14，其两端开口，具有与喷嘴的纵轴相重合的纵轴。空腔14的上游端和下游端位于喷嘴的相应的上游端16和下游端18，以便流体流过。空腔14的横截面基本上呈矩形，并且垂直于纵轴，分成三个连续的区域，与相邻区域直接流体连通。从上游端开始，向下游方向，空腔14包括流体膨胀区20，紧随其后的是撞击混合区22，然后是剪切混合区或者喉部24。空腔的上游开口包括一对对称相同的、圆缺形流体开孔26，26’，在本实施例中，它们由流体流分离装置28分隔开。本实施例中的装置28包括基本上呈矩形的板，它将喷嘴的圆形入口端等分，以便在喷嘴的紧上游将流体流分成两个分离的且等量的流，流入并且流经开孔26，26’。板的两平行边缘中的每一个构成相应流体入口的弦部。空腔14的下游端包括一个非圆形出口孔口30。在本实施例中，该孔口为方形，虽然也可以采取其它形状，但是非圆形孔口最好。该出口孔口可以包括雾化装置的至少一部分，也可以不包括。如图中所示，空腔14由两不同的相对侧壁对(36-38-23)-(36’-38’-23’)和34-34’组成。壁34和34’是完全相同的，平坦的，相互平行的矩形，而36-38-23和36’-38’-23’是对称的。在一对壁上的相同点距离纵轴对每个壁来说是等距的，壁(36-38-23)-34和(36’-38’-23’)-34’的相交各自形成直角。壁36-38-23和36’-38’-23’在上游以垂直于喷嘴的纵轴的拱形或者圆形开始，基本上与上游原料管和喷嘴的流体入口的圆形的形状相一致。这种形状一直持续至喉部24的入口处的台阶38-38’，在那，其形状变化为平坦的形状，一直持续(23和23’)到方形出口30处，以便更有效地利用撞击动量。这种形状的出口比圆形或者弓形的出口能够产生分布更为均匀的雾化液滴尺寸。两个对称相同的圆缺形流体开孔26，26’沿直径方向相对，在径向上与纵轴等距离地间隔。这两个圆缺形的流体开孔的横截面积之和小于小膨胀区20的横截面积，但是大于紧接20下游的撞击混合区20的横截面积，以便减小进入混合区的流体的压力降。横截面指的是垂直于流经喷嘴的流体的平均方向的横截面。在本实施例中，它也是垂直于喷嘴的纵轴方向的横截面积，这对于本发明的喷嘴是很具代表性的。下面所提及的所有的横截面都是指垂直于流体流动的方向的面积。在本实施例和本发明的任何典型的实施例中，流向空腔的流体开孔都是使速度增加的流体开孔，这是因为与被分离成两个流之前的流体流的横截面积相比较，它们的横截面积更小。这可以例如从图5中看出。看图1(b)，包括气相和含待雾化液体的液相的两相流体流从上游进入并通过喷嘴10中的空腔14，它由装置28分成两个等量的流，每一个流通过位于喷嘴的上游端的相应的开孔26和26’流入喷嘴内。在图1(a)所示的实施例中，由于撞击到分离装置28上，压力降对某些用途来说可能太高，因此可以采用能够将流体引入喷嘴的低压力降装置。这样，包括气相和液相的两相混合物的来自任何方便的料源的两个分离的流体流可以从沿径向间隔布置的、基本上尺寸相等的流体开孔流入喷嘴中。在本实施例中，必须限定为两个分离喷嘴入口供料的原料管路的尺寸，以便取得希望的流体入口速度。看图1(b)，每一个分离流通过增速开孔26和26’流入空腔的相应的顶部和底部。当流体流经每一开孔进入空腔时，由于开孔的横截面积与上游的导管的横截面积相比较更小，因此流体速度增加。这就产生了剪切力，这是因为更轻的气相比更重的液相加速更快。此后，每一个流流入膨胀区，它是一个受控膨胀区20(图3(b)和3(d)中的110)，即与在雾化区中一样，不允许流体自由膨胀。该轻微膨胀区位于两个流体入口和撞击混合区的上游端之间，使得压力降减小，如果不存在膨胀区的话，压力降则不会减小。两个流体流的四周部分直接碰撞或者撞击到直角台阶38-38’上，并在撞击混合区22内，径向向内地直接相互碰撞。在本实施例中，直角台阶38-38’垂直于喷嘴和空腔的纵轴，在碰撞流体之间的夹角为180°。这样，当沿图中的垂直方向进行剖视时，流体撞击表面垂直于喷嘴的纵轴。该径向直角撞击使两个流的径向向内分量指向纵轴上的一个点，以便产生最可能大的撞击混合。当流体继续向下游运动时，它进入剪切区，该剪切区沿下游方向其横截面积减小，以提高流动速度，从而主要在剪切力作用下进一步降低液滴的尺寸。在本实施例中，由于从撞击混合区到剪切混合区，没有发生突变，因此大部分的剪切混合开始于台阶38-38’下游。确定剪切混合区的一对相对侧壁23和23’是倾斜的，朝向方形出口孔口30沿下游方向向内收敛。剪切混合区的横截面积从该下游壁开始的逐渐减小导致流体速度提高，从而在下游喷嘴出口孔口30处达到最大流速。
喷嘴10可以根据专业人员的判断用各种方法制造。可以用失蜡或者熔模铸造工艺，或者锻造和其它的铸造工艺。喷嘴可以由陶质或者金属材料制成，或者二者的组合材料制成。喷嘴的制造采用多个叠放的、相对薄的金属板或者小板，以便形成其中具有流体通道装置的部件，这在例如美国专利US3881701A和US5455401A中公开过，用于火箭发动机和等离子体切割。这种制造技术也可用于制造本发明的喷嘴，包括总体上在图1-6中公开和显示的实施例，本发明的喷嘴就是使用这种技术制造的。然而，本发明并不局限于仅仅使用这种技术制造喷嘴。图2(a)所示的是图1中的喷嘴10的横剖面侧视图，由多个层叠的金属板50-62制成。在各金属板上加工有所要求的通道，例如孔、槽或者口。然后把它们叠起来，用螺栓和/或扩散键结合起来，形成最终的喷嘴。这样，在图2中，从喷嘴的上游端开始，板50由具有如图1(a)所示的分流板28限定的两个圆缺形开孔的圆盘。图2(d)示出了板56，它包括肩部38和38’。在图2(d)中，板56是一个实心的金属板，在其中央部分具有大体上为矩形的空腔15。这就示出了邻近撞击混合肩的空腔14的相对尺寸和形状。如图1(b)所示，从57到62的收敛壁的相对侧壁之间的距离(每一块板的开口的垂直尺寸)，逐渐递减，逼近相对的、平的、成角度的喉部壁23和23’。虽然每一块相继的板57-62的径向向内的台阶不是足够大，不能对流体施加如板56所能施加的那样大的径向向内的动量，但它们继续向流体施加径向向内的撞击混合分量。图2(a)在喷嘴的下游端还包括雾化喷雾分配器64(这里还称为“喷嘴头’或者‘扇形喷嘴头’)，用于使雾化液滴产生基本上为扇形的平面喷雾。喷嘴64的其它视图示于图2(b)和图2(c)中。该分配器采用焊接、螺栓连接、铜焊或者其它的连接方式与喷嘴相连，从而形成喷嘴的一部分。在本实施例中，分配器64包括翼缘63用于与喷嘴相连。在翼缘中央还有孔口70，垂直于流体流动的方向，与喷嘴出口(图1中的30)相邻并具有同样的形状和尺寸。孔口70向下游开口，进入大体上呈发散的平面扇形的通道，形成扇形喷雾分配头，它由相对的侧壁对66-66’和74-74’确定，从而确定了扇形雾化区68。通道在其前表面(也就是说通道的上游端)和后表面(也就是说通道的下游端)是开口的。如图2(a)所示，可看出在下游方向，区域68在垂直方向轻微收敛，以便当流体在水平方向如图2(c)所示发散时，控制剪切混合的速度，喷嘴头在下游终止于孔口72，后者垂直于向外流动的喷雾方向进行定位，并且沿基本上垂直于由38-38’所施加的撞击流体流动方向的方向上具有最长的尺寸。从喷嘴的孔口30流出的流体通过孔口70流入受控膨胀区。正如上面所述，这就进一步使流体受剪切，从而进一步减小了分散于流体中的液滴的尺寸。膨胀区68的压力小于孔口30和70上游的压力，其结果是气相迅速膨胀，使液滴雾化，从而产生雾化液滴的喷雾。这进一步使液滴受剪切，扇形的雾化喷嘴头使液滴产生扇形喷雾，这一直持续至通过区域68，进入示于图7中的低压下游位置。
图3示意了本发明的雾化喷嘴100的另一实施例。在本实施例中，就象图中所示的本发明的撞击和剪切混合喷嘴的其它实施例一样，每一个分裂流基本上平行于流体的总体流动方向流入喷嘴的内部空腔中，在这些实施例中，流体的总体流动方向平行于空腔和喷嘴的纵轴。这些流是等量的、对称的，分别从如图中所示的在直径方向上分开的、相对的顶部和底部流入空腔。在空腔的撞击混合区，垂直于纵轴的径向向内的流动分量产生撞击混合。在撞击混合区内形成的单一流基本上平行于所述纵轴流入剪切混合区，流出所述喷嘴。图3(a)和图3(b)分别是从上游端看的喷嘴的视图和局部剖面的侧视图。这样，图中所示的喷嘴100为一个圆柱体102，在其内包含单一的、纵向空腔104，沿与喷嘴的纵轴重合的纵轴对称。空腔104的两端开口，以便流体流过，其流体入口和出口端如图所示延伸通过喷嘴的流体上游端106和下游端108。空腔104包括连续的相互间均流体连通的三个区域，从空腔的上游端开始依次是(i)流体膨胀区110；(ii)流体撞击混合区112和流体剪切混合区114，撞击和剪切混合区基本上是矩形的横截面。与图1所示的喷嘴的情形一样，从上游而流入喷嘴100的流体是包括气相和液相的两相流体，其中液相包括期望被雾化的液体。喷嘴的上游端106包括一对对称相同的流体入口孔口116和116’，沿直径方向相对并径向间隔一定距离，距离中心等距，形状为圆缺形。与图1所示的情形一样，在本实施例中，两个入口也是在径向距离中心等距布置，并且由基本上是矩形的分流板118隔开，后者等分喷嘴的圆形入口端，并由所述分流板的两个平行边缘119和119’分别构成相应流体入口的弦部。这样，从上游流入喷嘴的流体被分成两个相同的流，每一个流入并通过各自的流体入口116和116’，流入喷嘴的内部。在如图4所示的实施例中，每一个流体入口的横截面积小于上游的流体管的横截面积的一半。这意味着流入相应入口的每一个流的流速大于上游的流体流速。这对两相流体产生剪切作用，从而增大了液相的表面积。看图3(b)，图4(a)和图5，流入且流经喷嘴100的流体流由装置118分成两个相等的流，每一个流通过各相应的大小相等的孔口116和116’流入喷嘴。尽管按照这种方式将单一流分成两个单独的流是十分容易的，但本发明并不局限于本实施例。在图3所示的实施例中，由于在分离装置上的撞击而产生的压力降对某些应用来说可能太高，可以采用低压力降装置，或者可以将来自任何方便料源的两个独立流最好是通过剪力发生孔注入腔104的上游端。同样，与图1所示的情形一样，流体入口、膨胀区110和撞击混合区的上游开孔的横截面积关系在此也适用。当每一个流流入纵向穿过喷嘴延伸的、端部开口的单一整体式空腔104时，它立刻流入就在撞击混合区112上游的膨胀区110，以便能在没有过大的压力降的情况下转为径向向内方向。这不是不受控制的膨胀，但是它使得使流体流经入口而形成的小液滴产生合并的可能性减到最小。当每一个流继续向下游时，其外周边部分与一装置相接触，该设备将径向向内的流动分量施加于其外周边部分，从而使每一个流的一部分径向向内流动，与另一个流的径向向内的流动相互迎面撞击和碰撞。这引起猛烈的无序混合，将动能转换成增加的液相表面的张力势能。这种表面积的增加最终表现为最终雾化液滴喷雾的液滴尺寸更小。从壁125和125’径向向内延伸的弓形的圆周或外围肩部122和122’在每一流体流撞击到它上面时，将径向向内的流动分量施加于每一个流体流，从而使一个流的一部分撞向冲它而来的相对流的一部分。这样，径向向内的流发生相互正面撞击，从而产生猛烈的混合，进一步增加流体液均相的表面张力势能。径向向内的流动分量垂直于喷嘴的纵轴。肩部122和122’的表面均垂直于喷嘴纵轴，平行于喷嘴的平面(106和108)端部，从而伴随着平行于喷嘴的流体出口孔口128和混合腔。虽然可以少许偏离正交位置，但是最好肩部表面在喷嘴的纵轴的90°±5°之内。这还是图1所示的喷嘴的情形。在实践中，本发明的喷嘴的流体出口孔口最好不是圆形的，理由前面已经给出。这样，出口孔口128的尺寸在一个维度将比其它维度更长，基本上为矩形的撞击混合区的较长维度最好垂直于流体出口孔口的最长维度。扰动的流体从撞击混合区流入并且流经剪切混合区114，该剪切混合区也可以称为喉部。该区域也由两对相对的大体上平行的侧壁130-130’和126-126’形成，它们相交成90°，以便形成基本上是矩形的横截面。如图3(b)和3(d)所示，本实施例中的剪切混合区由这两对径向相对的壁确定，其中一对126和126’沿下游方向向内收敛，另一对130和130’沿下游方向向外发散。其产生的净效果是垂直于流体流动方向的剪切混合区的横截面积基本上保持不变，或者是先收敛，然后从约比最小横截面积大10～50％的地方发散。在本实施例中，横截面积保持不变。这种壁的发散和收敛的设计能够产生比图1所示的实施例具有更低的流体压力降的剪切混合区。当与图1所示的实施例相比较时，它还降低了在剪切混合区24内产生聚合的可能性。通向剪切混合区114的孔口入口132由径向向内的肩部边缘122-122’和壁124-130，124’-130’的交叉来确定。通向剪切混合区的孔口入口的横截面积小于116和116’的横截面积之和。这使得流体流入剪切混合区时速度增大。在本实施例中，剪切混合区的两对相对的壁的发散和收敛使得液体的流动在出口孔口128处基本上呈矩形的形状，如图3(c)所示。这使得流体平稳地从喷嘴100流入扇形雾化喷雾分配头150，如图4所示。
这样，看图4(a)、图4(b)和图4(c)，可以看出它们分别与图3(a)、图3(b)和图3(c)相似，除了与图4中的喷嘴102的下游孔口出口相邻并与之连接的雾化喷雾分配头150以外。为了清楚起见并易于理解本发明，图3中省略了雾化喷雾分配头150。这样，雾化喷雾分配头150包括大体上为扇形的本体152，它在内包含扇形通道或者空腔154，后者由相对的且向外发散的壁(侧壁)155和155’来确定，侧壁155和155’用来控制雾化流体的膨胀，使之形成扇形喷雾。正如前面讨论的，壁可以在大约垂直于发散的方向弯曲。壁的曲率最好象如图4(b)所示那样使通道的体积增加。分配头的流体入口158是在通道的前端(也就是说上游端)的开口，在形状上同与之相连的喷嘴的流体出口128相对应。分配头的出口160在通道的后端(也就是说下游端)，它更大，以允许液滴的雾化喷雾继续膨胀，从而形成扇形喷雾。在通道154内的压力低于喷嘴空腔内的压力。因此，侧壁在通道前表面相距宽度w1、在通道后表面相距宽度w2。当采取曲面侧壁时，在侧壁间距最宽处测量w1和w2，沿将通道的顶表面与底表面分开的线进行测量，它通常位于通道的中央。w1最好至少为1.5L，其中L是沿大体平行于流体流动的方向测量的从前表面到后表面的通道长度。w2最好至少大约为1.5w1。
应当注意，通道的顶表面和底表面虽然通常最好是相互平行的、平的表面，但是也可以是曲面。还有，它们可以呈扇形发散，使间距从上游端至下游端增大。还应当注意，尽管侧壁一般具有相同的曲率，但曲率也可以彼此独立的进行选择。最好是，其弯曲部分是圆形的(也就是说从侧面看是圆弧形，如图4(b)所示)，每一侧壁的曲率半径可以彼此独立的进行选择。最佳的曲率半径大约是h/2，其中h为沿大约平行于侧壁且大约垂直于流体流动的方向测量的通道高度。尽管不是必须的，每一侧壁的曲率半径中心一般位于平行于顶表面和底表面的线附近，该线最好位于上表面和下表面之间的中点处，且大致垂直于通道中流体的流动方向。
从喷嘴流出且流入低压雾化空腔154的混合流体雾化形成液滴的扇形喷雾，并且继续流出分配头的出口端156，流入流化床催化裂化设备的提升管反应区，如图7所示。图5所示的是雾化喷嘴和分配头与上游流体管一起的断面示意图。流体管164为从上游源流出的流体提供流体通道，以便将其分成两个单独的相等流，流入相应的喷嘴入口116和116’。
图6是本发明的雾化喷嘴的另一个实施例，其中剪切混合区实际上是包括剪切混合雾化的复合作用区，这是因为在剪切混合区内有一个雾化区。图6中的雾化喷嘴170与图3和图4所示的喷嘴100相同，除了流体入口孔口和剪切混合区的形状不同之外。这样，喷嘴170包括一个圆柱体本体172，它在内包含一个整体式空腔174，用于使流经喷嘴的两相流体进行碰撞和剪切混合。如图6(a)所示，如果上游原料管(例如图5中的164)足够大到允许有可接受的喷嘴进入压力降的话，那么流体入口117和117’就不必是完整的圆缺形。剪切混合区115具有复杂的形状，在下游流体出口128之前，从上游端的121和121’开始，该区域的横截面积首先减小，然后增大。在6(b)-6(b)和6(c)-6(c)处截取的喷嘴的两个局部的横截面图示于图6(b)和图6(c)中，用于说明剪切混合区的复杂性。在本实施例中，雾化区由剪切混合区内的最小的横截面积区域构成，它位于121-121’处的剪切混合区开始处和出口孔口128之间。孔口128的尺寸和形状与图3和图4中所示的喷嘴的尺寸和形状相同。本实施例的剪切混合区还包括作为最小横截面积区域的形式的雾化装置。在操作中，当两相流体流经孔口且流入下游的低压雾化区时，由气体在雾化区内的低压下的快速膨胀，并由更轻的可压缩气体的高密度的(不可压缩的)液相更快的加速雾化。这样就产生剪切力，直至它们的速度更为接近。剪切力进一步减小了雾化喷雾中油滴的最终尺寸。
现在参看图7，用于本发明的流化床催化裂化原料注射设备180包括中空的原料注射器182，它通过相应的翼缘186和188与喷嘴装置184相连接。喷嘴装置184图中还作为穿透流化床催化裂化提升管206的壁190进入提升管反应区192的管。提升管是圆柱体形，中空的，基本上垂直布置的管，在其一部分(提升管反应区)中，雾化油原料与不断上升的、热的催化颗粒相接触，裂化成更有用、沸点更低的碳氢化合物产品。为方便，仅示出了提升管的一部分。原料注射器装置182包括中空的导管194，预热的油原料通过供油管路196流入其中，供油管路196与注射器的上游部分的壁形成T形连接。注射器的下游部分终止于本发明的撞击和剪切混合喷嘴100内，后者如图4所示具有扇形喷雾器或者分配器150，为方便起见，二者均用框符表示。扇形分配器150使雾化的油原料产生相对平的、扇形喷雾，进入提升管反应区192。其直径和横截面积均小于注射器导管194的蒸汽喷射导管198伸入导管194并与之共轴。在本实施例中，导管194，198的中央纵轴是重合的。这为注射器出口端上游的热油原料提供了环形的流动通道197。蒸汽导管198终止于导管194内，喷嘴100的上游。应当注意，蒸汽也可以在喷嘴外与原料混合，如图8所示。多个孔洞或者孔口199径向钻在198的下游端部分的四周，提供用于将蒸汽径向向外喷入环形周围空间的装置，同时，热油向下游流向注射器的雾化端。这产生包括分散于蒸汽中的热油的小滴的两相流体。喷入热油原料中的蒸汽量大约占热油原料重量的1至5％。以体积比来说，所得到的流体混合物一般包括75-85％的蒸汽和15～25％的油原料，该混合物到达喷嘴100，被分成两个分离的流，分别流入喷嘴。两个流在喷嘴内撞击混合，形成单一流，继续流入且流经喷嘴内的剪切混合区。在喷嘴内产生的混合大大减小了分散于蒸汽中的油滴的尺寸。当油滴离开喷嘴的下游端的雾化孔口时，继续流入由雾化喷嘴头的内部所确定的低压受控膨胀区。雾化孔口和受控膨胀区(示于图4)都与低压提升管反应区192流体连通。油滴的雾化喷雾进入提升管反应区192，与热的催化颗粒(图中未示出)的向上流动的流相接触，将重油原料300催化裂化为所希望的低沸点产品。
图8是使用本发明的原料注射方法和雾化喷嘴设备的流化催化裂化方法的示意图。这样，图中示出的可用在本发明的实施例中的流化床催化裂化设备200包括一个催化裂化反应器202和再生器204。反应器202包括原料提升管206，其内部包括反应区，反应区的开始端用208表示。它还包括一个蒸汽-催化剂分离区210和其中包含多个导流片214的反萃区(stripping zone)212，这些导流片看起来像一排排的斜屋顶的金属“小屋”。通过管路216将一种适当的反萃剂，例如蒸汽引入反萃区。被反萃的、用过的催化剂颗粒通过输送管路218输送进再生器204。预热的流化床催化裂化原料通过管路220在流化催化反应器的原料喷射点224进入提升管206的底部。图6中所示的原料注射器位于224处，但是为简单起见，在图8中并未示出。在实践中，多个原料注射器182位于提升管的原料注射区的四周。原料注射器是图7中所示的类型。蒸汽通过管路222进入原料注射器182中。正如下面将提出的，原料可以包括真空柴油(VGO)混合物、重原料成分，例如残油及其混合物。热原料的雾化液滴与提升管中的热的、再生的裂化催化剂相接触。这使得原料汽化并且催化裂化成更轻的、沸点更低的成分，这些成分包括在汽油的沸点范围内(一般是100°～400°F)的成分，以及沸点更高的喷气燃料、柴油、煤油或者类似物。裂化催化剂是本领域普通技术人员熟知的包含沸石分子筛裂化组分(zeolite molecular sieve cracking component)的二氧化硅和氧化铝的混合物。原料与提升管中的热的催化剂在原料注射点234处相接触时催化裂化反应开始，持续到产品蒸汽在催化裂化装置的上部或分离区210中与用过的催化剂相分离为止。裂化反应淀积出可反萃的碳氢化合物和不可反萃的含碳物质例如焦炭，从而产生了用过的催化颗粒，这些颗粒必须被反萃，以便除去和恢复可反萃的碳水化合物。然后通过在再生器中燃烧掉焦炭再生出催化剂。反应设备202在分离部分210中包括旋风分离器(图中未示出)，它将裂化的碳氢化合物蒸汽产品和反萃的碳氢化合物(蒸汽)从用过的催化剂颗粒中分离出来。碳氢化合物蒸汽向上穿过反应器并通过管路226提取出来。碳氢化合物蒸汽一般被注入蒸馏设备或分馏器(图中未示出)，它们将蒸汽的可凝结部分凝结为液体，将液体分馏成单独的产品蒸汽。用过的催化剂颗粒向下落入反萃区212，在那与反萃媒体如蒸汽相接触。蒸汽通过管路216送入反萃区212，将在裂化反应中沉淀在催化剂上的可反萃的碳氢化合物除掉。这些蒸汽通过管路226与其它蒸汽产品一起被提取出来。导流片214在反萃区212的宽度上均匀地将催化剂颗粒分散开，并使反萃区212内的催化剂颗粒的内部回流和逆向混合最小化。用过的、反萃了的催化剂颗粒通过输送管路218从反萃区212的底部移走，从管路218进入再生器204中的流化床228。在流化床中，催化剂颗粒与通过管路240进入再生器中的空气相接触，一部分催化剂颗粒向上进入再生器中的分离区242。空气使碳的沉淀物进行氧化和燃烧，再生出催化剂颗粒，并将它们加热至大约为950°～1400°F的温度范围。再生器204也包括旋风分离器(图中未示出)，它将热的再生催化剂颗粒从气体燃烧产物(烟气)中分离出来，这些气体大多数为CO2、CO、H2O和N2。旋风分离器将再生催化剂颗粒通过浸入管(图中未示出)送回流化催化剂床层228，这是本领域普通技术人员熟知的技术。流化床228支承于一个气体分配器格栅上，后者用虚线表示。流化床228内的热的再生催化剂颗粒溢出溢流堰246，后者由漏斗248的顶部形成，漏斗248的底部与下导管250的顶部相连接。下导管250的底部连接到再生催化剂输送管路252。溢流出来的再生颗粒向下流经漏斗248、下导管250，进入输送管路252，后者将其返送回反应区192，在其中接触从原料注射器进入提升管的热原料。烟气通过管路254从再生器的顶部排出。
尽管喷雾分配器可以与图1至7中提出的并且在上面进行详细描述过的喷嘴配合使用，但应当指出，喷雾分配器可以与任何形式的雾化喷嘴配合使用，尤其是与流化床催化裂化方法中用的雾化喷嘴配合使用。在这点上，另一实施例中的喷雾分配器可以用于在美国专利US5173175A中提出的流化床催化裂化注射装置和方法，该专利在此引作参考。
用在流化床催化裂化方法中的催化裂化装置原料一般包括柴油，它是一种高沸点的非残留油，例如真空柴油(VGO)，直馏(常压)柴油，轻催化裂化油(LCGO)以及炼焦柴油。这些油的初沸点一般大约高于450°F(232℃)，更常见的是约高于650°F(343℃)，终沸点为1150°F(621℃)以下，与直馏或者常压柴油以及炼焦柴油一样。另外，催化裂化器原料中可以混入终沸点高于1050°F(例如1300°F以下或者更大)的一种或者多种重原料。这种重原料包括，例如全原油和常压重油，原油、沥青和沥青烯的常压和真空蒸馏的残油或者残渣，重石油、焦油砂油、页岩油热裂解产生的焦油和循环油，以及来自煤的液体，合成石油，等等。这些产品可以在裂化器原料中的量按体积可以占混合物的2-50％，更典型的是体积占5-30％。这些原料一般包含有太多的我们所不希望的成份，例如芳香族和包含杂原子尤其是硫和氮的化合物。因此，这些原料经常被处理或者进行改良，以便降低我们所不希望的化合物的含量，方法例如是加氢处理、溶剂萃取、固体吸附剂例如分子筛和类似物等，这都是我们所熟知的。
流化床催化裂化工艺中典型的催化裂化条件为：温度范围为大约800°-1200°F(427-648℃)，更好的范围是850°～1150°F(454-621℃)，最好是900°～1150°F(482～621℃)，压力范围大约为5～60磅/平方英寸，更好的范围是大约为5-40磅/平方英寸，原料/催化剂的接触时间大约为0.5～15秒，最好的范围是1～5秒，催化剂对原料的比率是0.5～10，最好为2-8。流化床催化裂化原料预热至温度不超过850°F，最好不大于800°F，典型的范围为500°- 800°F。
参考下面的非限定性例子可以更好地理解本发明。
实施例
在本试验中，使用了设计上类似于图7所示、具有在设计上类似于图4所示的雾化喷嘴的雾化注射器，将这种注射器的工作状况与经过市场检验的类似于美国专利US5173175的公开的开槽和扇形设计进行比较。该商用喷嘴看起来象一根带有包含矩形槽孔的端盖的管子。两个喷嘴都包括一个扇形雾化分配器，并且按照典型的商业喷嘴的一半的尺寸制成。两种情况下的注射器是一样的，不同之处在于喷嘴的设计。两个注射器都产生扇形平面喷雾，并且水平进行安装和定位，以便在Malvern粒度分级器的激光束的路径上产生垂直方向宽度最大的平面扇形喷雾。该粒度分级器是众所周知的，用于测量液体喷雾的特性。每一个与特征液滴尺寸范围相关的光衍射图案均通过傅里叶转换透镜聚焦于一个多元素光电探测器(multi-element photodetecter)上。光的能量分布通过计算机转换为相应的液滴尺寸分布。
通过改变水和氮的流动速度进行了多组对比试验假定一个Rosin-Rammier分布函数，计算出沙得(Sauter)平均液滴直径。两种不同的喷嘴设计的结果比较列于下表。
  注射器类型   水(质量磅/秒(mass1b/sec))  氮(标准立方英尺/秒(scf/sec)) 沙得(Sauter)平均直径(微米)
  商用喷嘴     4.93     0.93     283
    4.99     0.39     442
    4.47     0.62     313
    3.64     0.40     451
    3.53     0.94     253
  本发明     4.84     0.93     252
    4.97     0.40     342
    4.36     0.63     291
    3.46     0.39     262
    3.52     1.00     162
在所有情况下，在水和氮的流动速度可比时，本发明的喷嘴产生的雾化喷雾比商用喷嘴产生的雾化喷雾具有更小的Sauter平均直径的液滴。这就表明采用本发明的喷嘴将取得更好的雾化效果。
应当理解，在本发明的实践中，各种其它的实施例和修改对本领域普通技术人员都是很明显的，很容易作出而不偏离上面所描述的本发明的范围和精神实质。因此，并不意味着所附从属权利要求所限定的保护范围局限于上面说明书所作的描述，而应将权利要求解释为包含本发明中的所有具有可专利的新颖性的特征，包括那些本领域普通技术人员视为等同技术的所有特征和实施例。

Claims (10)

1.一种喷雾分配器由一三维构件构成，该三维构件具有：
(1)沿第一轴的方向相距一长度L的前表面与后表面，以及
(2)在前表面和后表面开口的连续的内部扇形通道，该通道具有
(a)相距固定高度h的平的、平行的顶表面和底表面，该高度是
在平行于第二轴的方向测量得出的，该第二轴垂直于第一轴，以
及
(b)均与顶表面和底表面相接触的第一和第二弯曲侧面，其中
(i)第一和第二侧面在前表面有最大间距w1，以及
(ii)在后表面处的最大间距w2，w1小于w2，w1与w2均是沿平行于第三轴的方向进行测量的，该第三轴同时垂直于第一和第二轴。
2.按照权利要求1所述的喷雾分配器，其中w1至少大约为1.5(L)。
3.按照权利要求2所述的喷雾分配器，其中w2至少大约为1.5(wl)。
4.按照权利要求3所述的喷雾分配器，其中侧表面具有相同的曲率半径。
5.按照权利要求4所述的喷雾分配器，其中侧表面具有大约为h/2的曲率半径。
6.一种流化催化裂化方法，本发明包括以下步骤：
(a)使由气相和包含流化床催化裂化原料油的液相组成的两相流体的两个流分别进入有压的撞击混合区，其中每一个撞击流的一部分与另一个流相混合，形成单一撞击混合流体流，其中液相的表面积增加，比在混合前的两个流中的表面积更大；
(b)使在步骤(a)中形成的混合料进入在撞击混合区下游与之相邻并直接流体连通的剪切混合区，以便主要通过剪切混合进一步混合混合流，从而进一步增大液相的表面积；
(c)使剪切混合流流经一雾化装置进入一低压膨胀区使之雾化，在低压膨胀区内所述气体膨胀，形成包括雾化液滴的喷雾；以及
(d)使雾化的喷雾通过喷雾分配器流入提升管反应区，在这里，它在能有效地使油催化裂化而产生低沸点碳氢化合物的反应条件下，与颗粒状的、热的、再生裂化催化剂相接触，喷雾分配器是一个三维构件，具有
(1)沿第一轴的方向相距一长度L的前表面与后表面，以及
(2)在前表面和后表面开口的连续的内部扇形通道，该通道具有
(a)相距固定高度h的平的、平行的项表面和底表面，该高度是
在平行于第二轴的方向测量得出的，该第二轴垂直于第一轴，以
及
(b)均与顶表面和底表面相接触的第一和第二弯曲侧面，其中
(i)第一和第二侧面在前表面有最大间距w1，以及
(ii)在后表面处的最大间距w2，w1小于w2，w1与w2均是沿平行于第三轴的方向进行测量的，该第三轴同时垂直于第一和第二轴。
7.按照权利要求6所述的流化催化裂化方法，其中w1至少大约为1.5(L)。
8.按照权利要求7所述的流化催化裂化方法，其中w2至少大约为1.5(w1)。
9.按照权利要求8所述的流化催化裂化方法，其中侧表面具有相同的曲率半径。
10.按照权利要求9所述的流化催化裂化方法，其中侧表面具有大约为h/2的曲率半径。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication