CN202786133U - 重油催化裂化进料雾化喷嘴 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于石油炼制技术领域，提出一种重油催化裂化进料雾化喷嘴。提出的重油催化裂化进料雾化喷嘴包括有内管（5）、外管（3）、喷头（1）、原料油入口（14）和一次蒸汽入口（15）；与一次蒸汽入口（15）连通有多个环围原料油喷口（12）设置的一次蒸汽喷口（11）；在混合室（10）内一部分原料油进行第一级雾化，另一部分进入内管（5）中进行第二级雾化；二次蒸汽喷孔Ⅰ（2-2）对原料油进行第三级雾化。本实用新型克服了喷嘴内部局部位置的内壁处存在的油膜聚集现象，消除了大直径液滴，得到了催化裂化工艺所要求的雾化粒径，并克服了原料油在喷嘴上方提升管反应器内壁的结焦现象。

Description

重油催化裂化进料雾化喷嘴

技术领域

本实用新型属于石油炼制技术领域，主要涉及一种重油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：首先将原料油破碎、雾化为大量的细小液滴，再将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。

近些年来，用于催化裂化装置的原料油进料雾化喷嘴，国内主要有喉管式的LPC型（90209410.6）、采用超音速雾化蒸汽双喉管式的KH型（89207961.9、200420066089.3）、具有旋流结构的BWJ型（98233035.9、）、具有多孔蒸汽分布器的UPC-ɑ型（00109776.8）以及具有二次雾化结构的CCK型（99219391.5）等多种类型；国外同类技术则主要有S&W公司的靶式喷嘴、UOP公司开发的内设多孔蒸汽分布器的多喷孔式Optimix喷嘴、Mobile公司和Kellogg公司联合开发的内设多孔蒸汽分布器和挡板的ATOMAX喷嘴、ABB Lummus公司开发的能够形成扁平射流的带有喷嘴盖的进料喷嘴以及Exxon公司开发的设有二次雾化蒸汽的喷嘴。

然而，在实际使用过程中，上述喷嘴或多或少存在着以下问题：一是原料油的雾化效果有待进一步提高；二是由喷嘴喷入到提升管反应器内的原料油在提升管内壁出现结焦现象；三是由喷嘴喷出的、雾化了的原料油滴喷射速度过高，使催化剂破碎严重；四是雾化蒸汽和原料油在引入喷嘴的入口区域相互影响，甚至出现当雾化蒸汽（或原料油）压力波动时，原料油（或雾化蒸汽）无法引入喷嘴的情况。

本实用新型人通过研究，发现了提升管反应器内壁结焦的机理。其原因是：雾化了的原料油喷入到提升管之后，在催化剂、预提升汽的共同作用下，将在提升管内壁与原料油射流之间形成一个负压区，负压对原料油本身和催化剂产生引射回流作用，使二者停留时间过长，因而在提升管内壁形成结焦，且提升管内壁上的焦块一旦形成，将越积越大，进而阻塞提升管流道，甚至需要停产进行清焦。 

本实用新型人作为实用新型人之一提出的200410010045.3专利申请，提出设置三种不同类型的二次蒸汽喷孔以强化对原料油的雾化效果；并在喷头上设置蒸汽喷孔，从而在提升管反应器内壁和原料油射流之间形成蒸汽幕屏，以抑制原料油喷入到提升管中之后对自身的引射回流作用，降低提升管内壁的结焦，并促进催化剂和原料油的混合。

通过研究发现，200410010045.3的不足之处主要在两个方面：一是喷嘴内部局部区域的内壁处仍存在油膜的聚集，即200410010045.3的雾化效果仍能够进一步提高。另外则是200410010045.3喷头位置蒸汽喷孔的设置，使其对操作参数的变化较为“敏感”，因为200410010045.3蒸汽喷孔与二次蒸汽室连通，当蒸汽压力、流量出现波动，甚至原料油流量出现波动时，都可能导致催化剂倒吸，甚至引起蒸汽喷孔的磨损。另外，200410010045.3喷头处设置蒸汽喷孔的目的在于抑制原料油喷入到提升管中之后对自身的引射回流作用，通常其蒸汽喷孔位于原料油出口上方5～30mm处。而研究表明，产生该引射回流的初始区域位于原料油出口射流本身的“上半部分”的边缘，即喷嘴中心线及其延长线与提升管内壁之间的部分。因此将蒸汽喷孔设于原料油出口上方并没有“根治”该引射回流，而应将蒸汽喷孔尽可能地靠近原料油出口的“上半部分”才可能实现最大限度地抑制该股引射回流。 

实用新型内容

本实用新型的目的是提出一种重油催化裂化进料雾化喷嘴，使其能克服喷嘴内部局部位置的内壁处存在的油膜的聚集现象，进而消除大直径液滴，得到催化裂化工艺所要求的雾化粒径，并能克服原料油在喷嘴上方提升管反应器内壁的结焦现象。

本实用新型采取以下技术方案实现其实用新型任务：

一种重油催化裂化进料雾化喷嘴，所述的喷嘴包括有内管、外管、喷头、原料油入口和一次蒸汽入口；内管与外管之间的环形空腔构成环形二次蒸汽室并设置二次蒸汽入口；所述的内管具有收缩段、喉口段和扩散段，喷头的前端具有喷嘴出口；所述的原料油入口连通在集合管室上，并通过原料油喷口与圆台形的混合室连通；与所述的一次蒸汽入口连通有一次蒸汽喷口，所述的一次蒸汽喷口为环围原料油喷口设置的多个，构成在混合室内一部分原料油被高速的一次蒸汽进行第一次冲击、破碎为油雾，形成原料油第一级雾化的结构；另一部分原料油被蒸汽“包围着”，形成外部为蒸汽，中心为蒸汽和油雾混合物的流型进入内管中；在内管中，形成由一次蒸汽对原料油进行进一步的冲击、破碎，使原料油得到第二级雾化的结构；二次蒸汽喷孔Ⅰ对应内管扩散段出口端与喷嘴出口之间的腔体设置，构成一部分二次蒸汽与上述经由内管流动至内管扩散段出口端与喷嘴出口之间腔体中的原料油混合，对其进一步雾化，即第三级雾化的结构；二次蒸汽喷孔Ⅱ对应喷嘴出口内壁上端部位设置。

所述的二次蒸汽喷孔Ⅰ为沿圆周分布的多个；所述的二次蒸汽喷孔Ⅱ为分布在上半圆周的多个，且二次蒸汽喷孔Ⅱ与二次蒸汽喷孔Ⅰ交错分布。

所述一次蒸汽喷口的轴线与内管轴线的夹角β为0゜～30゜，使一次蒸汽对原料油形成引射作用，将原料油“顺利地”夹带至内管中。

设置在内管扩散段出口端与喷嘴出口之间的二次蒸汽喷孔Ⅰ共有三类，三类所述二次蒸汽喷孔Ⅰ的轴线与内管轴线之间的夹角分别为6゜～15゜，15゜～40゜，45゜～80゜。

所述二次蒸汽喷孔Ⅱ的轴线与内管轴线之间的夹角为10゜～55゜。

所述原料油喷口的形状为是圆形或矩形。

设置在混合室进口端的一次蒸汽喷口及原料油喷口可采用接管形式或直接钻孔的形式。

与内管轴线夹角Φ2为6゜～15゜的二次蒸汽喷孔Ⅰ，作用是使二次蒸汽喷射在原料油出口中心线两端，以破坏原料油在该位置形成的油膜。

与内管轴线夹角Φ1为15゜～40゜的二次蒸汽喷孔Ⅰ，作用是使二次蒸汽喷射在喷头内壁上，以破坏原料油在该位置形成的油膜。

与内管轴线夹角Φ3为45゜～80゜的二次蒸汽喷孔Ⅰ，作用是使二次蒸汽喷射在内管扩散段出口端与喷嘴出口之间，对经过混合室雾化和内管雾化的原料油再次冲击雾化。

为了防止喷出后的原料油在喷口位置堆积，所述喷嘴出口的外侧具有弧形的锐角刀口。

为了使从喷嘴出口喷出的原料油保持最佳速度，防止喷入提升管的原料油因速度过高而产生回流，内管腔体的扩散段其扩散角为2゜～3゜；内管腔体的收缩段其收缩角为2゜～3゜。

为了减弱提升管反应器内催化剂颗粒对喷嘴喷头下部的冲击，所述喷头的下部为一个斜面，该斜面与内管轴线之间的夹角σ为20゜～40゜。

本实用新型提出一种重油催化裂化进料雾化喷嘴，采用以上技术方案，产生以下有益效果为：

1、强化了雾化效果：采用了“汽包油”形式的混合室，一方面可将原料油“顺利地”夹带至内管中，同时在混合室内对原料油进行第一次冲击、破碎，形成第一级雾化。“汽包油”形式的混合室也强化了内管中蒸汽对原料油的破碎作用，形成了第二级雾化，优化了二次蒸汽孔的角度，有效破坏了喷头内壁的油膜堆积，消除大直径液滴，从而达到催化裂化工艺所要求的雾化粒径。

2、设置多个分布上半圆周上的二次蒸汽喷孔Ⅱ，用以使二次蒸汽喷射在至喷嘴出口内壁上端的弧线处，进而在原料油上部与原料油一同喷入至提升管反应器内，从而更有效地形成蒸汽幕屏，抑制原料油引射回流，防止原料油在提升管反应器壁上的结焦。

附图说明

图1是本实用新型的结构剖视图。

图2 是图1的A-A剖视图。

图3是图1的C-C剖视图

图4是图3的左视图。

图5是二次蒸汽喷孔Ⅰ的结构示意图。

图6是二次蒸汽喷孔Ⅰ的结构示意图。

图7是二次蒸汽喷孔Ⅰ的结构示意图。

图8是二次蒸汽喷孔Ⅱ的结构示意图。

图9是图5的俯视图。

图中： 1、喷头，2-2、二次蒸汽喷孔Ⅰ，2-1、二次蒸汽喷孔Ⅱ，3、外管，4、环形二次蒸汽室，5、内管，6、扩散段，7、喉口段，8、收缩段，9、二次蒸汽入口，10、混合室，11、一次蒸汽喷口，12、原料油喷口，13、集合管室，14、原料油入口，15、一次蒸汽入口，17、斜面，18、锐角刀口，19、喷嘴出口。

具体实施方式

结合附图和具体实施例对本实用新型加以说明；

如图1所示，并参照图2、图3、图4，一种重油催化裂化进料雾化喷嘴，所述的喷嘴包括有内管5、外管3、喷头1、原料油入口14和一次蒸汽入口15；内管5与外管3之间的环形空腔构成环形二次蒸汽室4并设置二次蒸汽入口9；所述的内管5具有收缩段6、喉口段7和扩散段8，喷头1的前端具有喷嘴出口19；所述的原料油入口14连通在集合管室13上，并通过原料油喷口12与圆台形的混合室10连通；与所述的一次蒸汽入口15连通有一次蒸汽喷口11，所述的一次蒸汽喷口11为环围原料油喷口12设置的多个，即蒸汽喷口“包围”原料油喷口，形成本实用新型的一个“汽包油”形式；之所以采用“汽包油”形式是根据汽、液两相流动的特点确定的——液体在高速蒸汽携带下流动，若液体流量恒定，逐渐增加蒸汽速度，将依次产生泡状流、塞状流、层状流、波状流、弹状流、环状流和雾状流七种流动型态；显然，达到雾状流是催化裂化进料雾化喷嘴的最基本目标；然而根据两相流体力学基本理论——在流通截面上，蒸汽和油的浓度、速度的分布是不均匀的，根据能量平衡，相对密度较低的蒸汽趋于汇集于中心高速区域，而相对密度较高的油滴则主要出现在边壁低速区域；且即使蒸汽速度再高，在壁面附近也不可避免地存在速度较低的边界层；则密度相对较大的液体将沿管壁形成堆积，呈环状流的流型；即此时喷嘴内部流道中汽、液两相流体虽然总体上呈雾状流流型，但在边壁局部区域仍是呈或厚或薄的环状流流型，其内大液滴的存在不可避免；本实用新型采用“汽包油”形式，使得原料油和雾化蒸汽在初始接触时，蒸汽“占据”边界区域，减少大液滴在边壁区域的聚集，强化雾化效果；在混合室10内一部分原料油被高速的一次蒸汽进行第一次冲击、破碎为油雾，形成第一级雾化，另一部分原料油被蒸汽“包围着”，形成外部为蒸汽，中心为蒸汽和油雾混合物的流型进入内管5中；在内管5中，由一次蒸汽对原料油进行进一步的冲击、破碎，使原料油得到第二级雾化；二次蒸汽喷孔Ⅰ2-2对应内管扩散段出口端与喷嘴出口19之间的腔体设置，使一部分二次蒸汽与上述经由内管5流动至内管扩散段出口端与喷嘴出口之间腔体中的原料油混合，对其进一步雾化，即第三级雾化；二次蒸汽喷孔Ⅱ2-1对应喷嘴出口19内壁上端部位设置，使一部分二次蒸汽通过二次蒸汽喷孔Ⅱ2-1喷射至出口内壁上端位置，与其余部分的二次蒸汽、一次蒸汽和原料油一同由喷嘴出口19进入到提升管反应器中，通过二次蒸汽喷孔Ⅱ2-1的蒸汽在提升管反应器内壁和原料油射流之间形成蒸汽幕屏，防止原料油在提升管反应器壁上结焦。

结合图5、图6、图7、图8、图9，所述的二次蒸汽喷孔Ⅰ2-2为沿圆周分布的多个；所述的二次蒸汽喷孔Ⅱ2-1为分布在上半圆周的多个，且二次蒸汽喷孔Ⅱ2-1与二次蒸汽喷孔Ⅰ2-2交错分布；所述的多个二次蒸汽喷孔Ⅰ2-2为三类，如图5所示，二次蒸汽喷孔Ⅰ2-2与内管轴线之间的夹角φ2为6゜～15゜，如图6所示，二次蒸汽喷孔Ⅰ2-2与内管轴线之间的夹角φ1为15゜～40゜，如图7所示，二次蒸汽喷孔Ⅰ2-2与内管轴线之间的夹角φ3为45゜～80゜，如图8所示，二次蒸汽喷孔Ⅱ2-1与内管轴线之间的夹角φ4为10゜～55゜

结合图1，设置在混合室进口端的一次蒸汽喷口11与内管5轴线的夹角β为0゜～30゜，使一次蒸汽对原料油形成引射作用，将原料油“顺利地”夹带至内管中；当压力出现波动时，若否夹角β大于30゜，原料油或一次蒸汽可能无法引入喷嘴。

结合图1，为了防止喷出后的原料油在喷口位置堆积，所述喷嘴出口的外侧具有弧形的锐角刀口18。

为了减弱提升管反应器内催化剂颗粒对喷嘴喷头下部的冲击，所述喷头的下部为一个斜面17，该斜面17与内管轴线之间的夹角σ为20゜～40゜。

本实用新型的工作过程为：

经加热的原料油由原料油入口14进入喷嘴后，经由原料油喷口12进入到圆台形的混合室10，原料油喷口12与喷嘴轴线平行；与此同时，一次蒸汽则由一次蒸汽入口15引入，并经由设置在原料油喷口周围、与内管轴线呈一定角度β的一次蒸汽喷口11喷入混合室10，β角为0゜～30゜，该实施例为20゜；结合图2所示，设置在混合室进口端的一次蒸汽喷口11为多个且沿圆周均布，该实施例为8个；混合室进口端的原料油喷口的形状为是圆形或矩形，该实施例为圆形；设置在混合室进口端的一次蒸汽喷口11及原料油喷口12可采用接管形式或直接钻孔的形式，该实施例均采用接管形式；

在混合室10，一次蒸汽对原料油形成引射作用，将原料油“顺利地”夹带至内管5中；同时，高速的一次蒸汽在混合室10内对原料油进行第一次冲击、破碎，形成第一级雾化；混合室10进口端的一次蒸汽喷口11设置在原料油喷口12的周围，即蒸汽喷口11“包围”原料油喷口12，形成“汽包油”形式；

在内管5中，一次蒸汽对原料油进行进一步破碎、雾化，形成第二级雾化；内管5由收缩段8、喉口段7和扩散段6三部分组成；在收缩段8，蒸汽速度增加，原料油被继续破碎；经过喉口段7的过渡之后，在扩散段8，中心区域原料油与蒸汽的流动趋于稳定，而边壁处的油膜被延展得更薄；油滴和一次蒸汽一同进入到内管扩散段出口端与喷嘴出口之间的腔体中；需要指出的是，在内管中，原料油历经两次雾化过程，一是收缩段——喉口段——扩散段的加速、延展雾化；第二则是内层的原料油被外层蒸汽的剪切、破碎；如上所述，根据两相流体力学能量平衡，相对密度较低的蒸汽趋于汇集于中心高速区域，相对密度较高的油滴则应向边壁低速区域汇集；而在本实用新型中，内管的入口端为“汽包油”的形式，因此，原料油和一次蒸汽在内管中流动时，为了达到平衡状态，内层的原料油必定与外层的蒸汽“交换位置”，在此过程中，蒸汽对原料油将产生强烈的剪切破碎作用，进一步强化了雾化效果；为了使从喷嘴出口喷出的原料油保持最佳速度，防止喷入提升管的原料油因速度过高而产生回流，内管腔体5的扩散段6的扩散角为2゜～3゜，收缩段8的收缩角为2゜～3゜，该实施例均为3゜；

如图1、图3，并结合图5、图6、图7、图8、图9，二次蒸汽由二次蒸汽入口9引入，经由内管5和外管3之间的环形蒸汽室4，再通过二次蒸汽喷孔喷入到内管扩散段6出口端与喷嘴出口19之间的腔体中；

从功能上来讲，二次蒸汽分为两部分，一部分二次蒸汽与上述经由内管5流动至内管扩散段6出口端与喷嘴出口19之间腔体中的原料油混合，对其进一步雾化；另一方面，一部分二次蒸汽喷射至喷嘴出口内壁上端的弧线处（图3的D处），这部分蒸汽由仅设置在上半圆周的多个二次蒸汽喷孔Ⅱ2-1喷出，与其余部分的二次蒸汽、一次蒸汽和原料油一同由喷嘴出口19进入到提升管反应器中，通过二次蒸汽喷孔Ⅱ2-1的蒸汽在提升管反应器内壁和原料油射流之间形成蒸汽幕屏，防止原料油在提升管反应器壁上结焦；具体说来，二次蒸汽喷孔Ⅰ2-2为多个且沿圆周分布，二次蒸汽喷孔Ⅰ2-2共有3类；

如图6所示，与内管轴线夹角Φ2为6゜～15゜的多个二次蒸汽喷孔Ⅰ2-2，该实施例为6゜，作用是使二次蒸汽喷射在喷嘴出口19中心线两端，以破坏原料油在该位置形成的油膜。

如图5所示，与内管轴线夹角Φ1为15゜～40゜的多个二次蒸汽喷孔Ⅰ2-2，该实施例为25゜，作用是使二次蒸汽喷射在喷头内壁上，以破坏原料油在该位置形成的油膜。

如图7所示，与内管轴线夹角Φ3为45゜～80゜的多个二次蒸汽喷孔Ⅰ2-2，该实施例为45゜，作用是使二次蒸汽喷射在内管扩散段出口端与喷嘴出口之间，对经过混合室雾化和内管雾化的原料油再次冲击雾化。

如图8所示，并结合图9，与内管轴线夹角Φ4为10゜～55゜的多个二次蒸汽喷孔Ⅱ2-1仅设置在上半圆周。该实施例中，此类二次蒸汽喷孔Ⅱ2-1的个数为五个，其中夹角Φ4为15゜的二次蒸汽喷孔Ⅱ2-1两个、夹角Φ4为25゜的二次蒸汽喷孔Ⅱ2-1两个、夹角Φ4的40゜的二次蒸汽喷孔Ⅱ2-1一个；二次蒸汽喷孔Ⅱ2-1的作用是使二次蒸汽喷射在至喷嘴出口内壁上端的弧线处（图3的D处），进而在原料油上部与原料油一同喷入至提升管反应器内，从而形成更有效地抑制引射回流，防止原料油在提升管反应器壁上的结焦。

如图1、图3，并结合图4，喷头1为球形形状，其设置在外管前端并与其连接为一体，喷头前部具有喷嘴出口19及锐角刀口18，喷嘴出口的四个边采用圆形夹角，原喷嘴出口的扩散角ɑ<60゜，该实施例为20゜。为了防止喷出后的原料油在喷口位置堆积，锐角刀口18与喷嘴轴线的夹角<90゜，该实施例为40゜。

在喷头1的下部设置一个斜面17，该斜面17与内管轴线之间的夹角σ为20゜～40゜，该实施例为30゜。这样可使喷头下部的斜面与提升管反应器内壁平齐，从而减弱提升管反应器内催化剂颗粒对喷头下部的冲击。

Claims (5)

1.一种重油催化裂化进料雾化喷嘴，所述的喷嘴包括有内管（5）、外管（3）、喷头（1）、原料油入口（14）和一次蒸汽入口（15）；内管（5）与外管（3）之间的环形空腔构成环形二次蒸汽室（4）并设置二次蒸汽入口（9）；所述的内管（5）具有收缩段（6）、喉口段（7）和扩散段（8），喷头（1）的前端具有喷嘴出口（19）；其特征在于：所述的原料油入口（14）连通在集合管室（13）上，并通过原料油喷口（12）与圆台形的混合室（10）连通；与所述的一次蒸汽入口（15）连通有一次蒸汽喷口（11），所述的一次蒸汽喷口（11）为环围原料油喷口（12）设置的多个，构成在混合室（10）内一部分原料油被高速的一次蒸汽进行第一次冲击、破碎为油雾，形成原料油第一级雾化的结构；另一部分原料油被蒸汽“包围着”，形成外部为蒸汽，中心为蒸汽和油雾混合物的流型进入内管（5）中；在内管（5）中，形成由一次蒸汽对原料油进行进一步的冲击、破碎，使原料油得到第二级雾化的结构；二次蒸汽喷孔Ⅰ（2-2）对应内管扩散段出口端与喷嘴出口（19）之间的腔体设置，构成一部分二次蒸汽与上述经由内管（5）流动至内管扩散段出口端与喷嘴出口之间腔体中的原料油混合，对其进一步雾化，即第三级雾化的结构；二次蒸汽喷孔Ⅱ（2-1）对应喷嘴出口（19）内壁上端部位设置。

2.根据权利要求1所述的重油催化裂化进料雾化喷嘴，其特征在于：所述的二次蒸汽喷孔Ⅰ（2-2）为沿圆周分布的多个；所述的二次蒸汽喷孔Ⅱ（2-1）为分布在上半圆周的多个，且二次蒸汽喷孔Ⅱ（2-1）与二次蒸汽喷孔Ⅰ（2-2）交错分布。

3.根据权利要求1所述的重油催化裂化进料雾化喷嘴，其特征在于：所述一次蒸汽喷口（11）的轴线与内管（5）轴线的夹角β为0゜～30゜。

4.根据权利要求1所述的重油催化裂化进料雾化喷嘴，其特征在于：所述二次蒸汽喷孔Ⅰ（2-2）设置在内管扩散段出口端与喷嘴出口之间，所述二次蒸汽喷孔Ⅰ（2-2）共有三类，三类所述的二次蒸汽喷孔Ⅰ（2-2）的轴线与内管（5）轴线之间的夹角分别为6゜～15゜，15゜～40゜，45゜～80゜。

5.根据权利要求1所述的重油催化裂化进料雾化喷嘴，其特征在于：所述二次蒸汽喷孔Ⅱ（2-1）设置在内管扩散段出口端与喷嘴出口之间，所述二次蒸汽喷孔Ⅱ（2-1）的轴线与内管轴线之间的夹角为10゜～55゜。

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