DE69927535T2

DE69927535T2 - Sprühdüse und Verfahren zu ihrer Verwendung

Info

Publication number: DE69927535T2
Application number: DE69927535T
Authority: DE
Inventors: Gregory Patrick Muldowney; Timothy Paul Holtan
Original assignee: ExxonMobil Oil Corp
Current assignee: ExxonMobil Oil Corp
Priority date: 1998-01-30
Filing date: 1999-01-27
Publication date: 2006-05-11
Anticipated expiration: 2019-01-28
Also published as: KR19990068214A; JP4322341B2; AU739378B2; US6012652A; EP0933135B1; DE69927535D1; AU1323499A; ES2251152T3; EP0933135A3; JPH11262702A; EP0933135A2; KR100504989B1

Description

BEREICH DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf eine Düsenanordnung und ein Verfahren zu deren Verwendung zum Zerstäuben eines Flüssigkeitsstromes. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Düsenanordnung und ein Verfahren zur deren Verwendung zum Zerstäuben eines Flüssigkeitsstromes in Gegenwart eines Dispersionsmittels, um einen fächerförmigen Sprühstrahl aus Flüssigkeitstropfen zu liefern. Die Düsenanordnung und das Verfahren zu deren Verwendung ist insbesondere nützlich, um radial einen Strom, der ein Kohlenwasserstoffmaterial enthält, in eine katalytische Crackingzone einer Einrichtung zum Fluidkatalysatorkracken zu injizieren.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Fluidkatalysatorkracken (FCC) von Erdölfraktionen ist eine etablierte Raffinerieoperation. Beim FCC werden schwere Kohlenwasserstofffraktionen (größer als etwa 20 bis etwa 30 Kohlenstoffatome in der Länge) chemisch aufgebrochen in leichtere Kohlenwasserstofffraktionen (weniger als etwa 12 bis etwa 15 Kohlenstoffe in der Länge), so zum Beispiel Benzin. Die FCC-Einheit weist üblicherweise einen Reaktorbereich auf, der mit einem Regeneratorbereich durch Standrohre verbunden ist. Der Katalysator selbst ist ein fein zerteilter Feststoff und verhält sich wie ein Fluid in dem Reaktor, dem Regenerator und den verbindenden Standrohren, woher die Bezeichnung „Fluid"-Katalysator herrührt.
Bei dem Betrieb während des FCC-Verfahrens wird frisches Kohlenwasserstoffmaterial, das vorgeheizt sein kann, mit dem Katalysator gemischt und innerhalb der katalytischen Konversionszone des Reaktorbereiches gekrackt. Die katalytische Konversionszone bei modernen FCC-Einheiten ist insbesondere in dem Steigbe reich des Reaktorbereiches gelegen. Damit katalytisches Kracken eintritt, muss das Kohlenwasserstoffmaterial (zum Beispiel Öl) verdampft werden, damit das zugeführte Kohlenwasserstoffmaterial in die Poren des Katalysators (allgemein ein Zeolith) in die Krackbereiche defundieren kann. Die katalytische Krack-Reaktion resultiert in Koksablagerungen, die auf dem Katalysator abgelegt werden, und bildet dort einen „verkokten" oder „aufgebrauchten" Katalysator. Die Produkte verlassen den Reaktor in der Dampfphase und passieren zumindest einen weiteren Hauptfraktionator oder eine Destillationssäule, wo sie in die gewünschten Fraktionen getrennt werden. Der aufgebrauchte Katalysator strömt kontinuierlich von dem Reaktor zu dem Regenerator über ein Standrohr für den verbrauchten Katalysator. In dem Regenerator wird der Koks in einer exothermen Reaktion in gasförmige Produkte umgewandelt, indem er in Kontakt mit einem Sauerstoff enthaltenden Gas gebracht wird. Das Abgas strömt aus dem Regenerator durch verschiedene Wärmetauschereinrichtungen, und der heiße regenerierte Katalysator wird zu dem Reaktor über ein rückführendes Katalysatorstandrohr zurückgeführt, wo er wiederum in Kontakt mit dem frischen zugeführten Kohlenwasserstoffmaterial kommt. Üblicherweise wird die in dem Regenerator freigegebene Wärme dem Reaktor über den heißen regenerierten Katalysator zugeführt, um Wärme für die endothermen Krack-Reaktionen zu liefern. Typische Fluidkatalysatorkrack-Systeme sind in dem US-Patent 3,206,393 von Pohlenz und 3,261,777 von Iscol et al. beschrieben.
Um das zuzuführende Kohlenwasserstoffmaterial typischerweise in Form eines Sprühstrahles in die katalytische Konversionszone des Steigbereiches zu injizieren, werden Düsen verwendet. Um einen Sprühstrahl zu bilden, wird das zuzuführende Kohlenwasserstoffmaterial mit einem Dispersionsmittel, so zum Beispiel Dampf, kombiniert, um einen dispergierten Kohlenwasserstoffstrom zu bilden. Die eine oder die mehreren Düsen, die verwendet werden, um den dispergierten Kohlenwasserstoffstrom in die katalytische Konversionszone zu injizieren, können axial oder radial ausgerichtet sein. Mit axialen Düsen wird eine Bedeckung erreicht, indem eine oder mehrere Düsen verwendet werden, die in den Steigbereich einer FCC-Einheit hineinragen und an mehreren Punkten innerhalb der Querschnittsfläche des Steigbereiches enden. Die axialen Düsen sind annähernd oder perfekt vertikal orientiert (vorzugsweise innerhalb von 10° gegenüber der vertikalen Achse des Steigbereiches), um einen Strom von zuzuführendem Kohlenwasserstoffmaterial zu erzeugen, der vorzugsweise parallel zu dem nach oben strömenden Katalysator ist. Mit radialen Düsen wird eine Bedeckung erreicht, indem mehrere Düsen verwendet werden, die um den Umfang der Wand des Steigbereiches montiert sind. Vorzugsweise ragen die radialen Düsen minimal in den Steigbereich selbst hinein. Diese Orientierung der Düsen erzeugt einen Fluss von Kohlenwasserstoffmaterial, das den Fluss des Katalysators nach oben kreuzt. Radiale Düsen werden vorzugsweise in Bezug zu der vertikalen Achse des Steigbereiches in einem Winkel von etwa 10° nach aufwärts bis etwa 90° in horizontaler Richtung ausgerichtet. Um optimale katalytische Krackbedingungen zu liefern, müssen die Düsen bei jeder Ausrichtung insgesamt den dispergierten Kohlenwasserstoffstrom in einem expandierenden Muster versprühen, um die gesamte Querschnittsfläche des Steigbereiches zu bedecken, durch die der Krack-Katalysator strömt. Eine verbesserte Bedeckung liefert ein besseres Vermischen des Katalysators mit dem zugeführten Kohlenwasserstoffmaterial, wodurch die katalytischen Krackreaktionen verstärkt und thermische Krackreaktionen minimiert werden. Thermische Krackreaktionen erzeugen unerwünschte Produkte, so zum Beispiel Methan und Ethan, die zu verringerten Ausbeuten der wertvolleren FCC-Produkte führen.
Zusätzlich zu der vollen Bedeckung mit dem Sprühstrahl sollten die Düsen feine Tropfen des zugeführten Kohlenwasserstoffmateriales erzeugen, die vorzugsweise in der Größe vergleichbar mit der Größe der individuellen Katalysatorteilchen ist. Verzugsweise haben die zugeführten Kohlenwasserstofftropfen einen mittleren Sauter-Durchmesser von weniger als 100 Mikrometer (μm) (d.h., den Durchmesser eines Kügelchens, das das gleiche Verhältnis von Volumen zu Oberfläche wie die gemessenen Tropfen hat). Wenn die Größe der Tropfen abnimmt, wächst das Verhältnis der Oberfläche der zugeführten Kohlenwasserstofftropfen zu dem Volumen an, was einen Wärmeübergang von dem Katalysator zu dem zugeführten Kohlenwasserstoff beschleunigt und die Verdunstungszeit für das zugeführte Kohlenwasserstoffmaterial verkürzt. Eine schnellere Verdunstung verbessert den Ertrag der katalytischen Produkte aus der Krack-Aktion, da das als Dampf zugeführte Kohlenwasserstoffmaterial fähig ist, in die Poren des Katalysators zu diffundieren. Im Gegensatz hierzu führt jede Verzögerung bei der Verdunstung des zugeführten Kohlenwasserstoffmateriales und/oder bei dem Vermischen des zugeführten Kohlenwasserstoffmateriales und des Katalysators zu erhöhten Erträgen von thermischen Krackprodukten und Koks.
Die Mehrzahl der heute verwendeten FCC-Düsen, seien sie radial oder axial ausgerichtet, verwenden hohe Geschwindigkeit (zum Beispiel größer als etwa 300 Fuß pro Sekunde) für den dispergierten Kohlenwasserstoffstrom, um das zugeführte Kohlenwasserstoffmaterial in kleine Tropfen aufzutrennen, um die Tropfen in die katalytische Konversionszone zu injizieren. Jedoch können hohe Geschwindigkeiten unerwünschte Effekte haben. Zum Beispiel zeigen Temperaturprofile in kommerziellen Einheiten mit radialer Injektion teilweise signifikant niedrigere Temperaturen längs der zentralen vertikalen Achse in der katalytischen Konversionszone des Steigbereiches. Dieses Temperaturprofil zeigt an, dass Kohlenwasserstofftropfen nicht gleichmäßig über die Querschnittsfläche des Steigbereiches verteilt sind. Insbesondere strömen die kälteren Flüssigkeitstropfen in Richtung auf die Mitte des Steigbereiches, ohne signifikant Impuls und Wärme mit dem Katalysator auszutauschen. Aus diesem Grunde wird eine Düse benötigt, die adäquate Scherkräfte bei einer Geschwindigkeit des dispergierten Kohlenwasserstoffmateriales liefert, die zu einer adäquaten Mischung der zugeführten Kohlenwasserstofftropfen und des Katalysators führt.
Zusätzlich haben viele radial ausgerichtete FCC-Düsen, die heutzutage in Gebrauch sind, nur einen relativ geringen Bedeckungsgrad. Dieses Problem kann beobachtet werden, wenn eine Düse installiert wird, die kleinere Tropfen erzeugt, wobei jedoch kein erhöhter Ertrag aufgrund des zu geringen Kontaktes zwischen Tropfen und Katalysator beobachtet wird.
In dem US Patent 4,601,814 von Mauleon et al. (in Folge „Mauleon") wird eine radial orientierte Düse mit hoher Geschwindigkeit zum Zerstäuben von Restölen in einem katalytischen Krackprozess beschrieben. Gemäß einer Ausführung ist das Düsenende eine einzige horizontal ausgerichtete Schlitzöffnung, die ein fächerförmiges Sprühmuster liefert. Mauleon beschreibt auch, dass das Düsenende zwei parallele Schlitze oder zwei Schlitze in einem 90° Winkel zueinander aufweisen kann. Die Ausströmgeschwindigkeit des zerstäubten zugeführten Öles ist hoch und überschreitet 300 Fuß pro Sekunde und insbesondere vorzugsweise 500 Fuß pro Sekunde. Jedoch kann aus den oben erwähnten Gründen eine Düse mit hohen Geschwindigkeiten uneffektiv sein.
Aus diesem Grunde ist es wünschenswert, eine Düsenanordnung zu entwickeln, die einen Sprühnebel aus feinen flüssigen Kohlenwasserstofftropfen liefert, der die gesamte Querschnittsfläche der katalytischen Krackzone überdeckt, ohne dass Düsen mit hohen Geschwindigkeiten benötigt werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung gibt eine Düsenanordnung gemäß dem Anspruch 1 an.
Gemäß einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Zerstäuben eines Flüssigkeitsstromes gemäß Anspruch 16 vorgesehen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Düsenanordnung in einer Fluidkatalysator-Cracking-Einheit verwendet, um zugeführtes Kohlenwasserstoffmaterial zu zerstäuben.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt einen Endbereich einer Düse zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung.
2A zeigt eine Endansicht der Düsenspitze in 1.
2B zeigt eine Querschnittsansicht der Düse in 2A längs des Schnittes A-A.
3A zeigt eine Endansicht einer weiteren Ausführung einer Düse zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung.
3B zeigt eine Querschnittsansicht der Düse in 3A längs des Schnittes B-B.
4 zeigt eine Querschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispieles einer Düse zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt eine Endansicht eines weiteren Ausführungsbeispieles einer Düse zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung.
6 zeigt eine Seitenansicht einer Düse zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung mit einer Mischeinrichtung stromaufwärts der Düsenspitze, zum Vermischen einer Flüssigkeit und eines Dispersionsmittels.
7A zeigt eine Düsenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung, die in dem Steigbereich einer FCC-Einheit verwendet wird.
7B zeigt eine Ansicht der Düsenanordnung gemäß 7A.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung gibt eine Düsenanordnung an, die im Betrieb unter geeigneten Bedingungen einen flachen fächerförmigen Sprühnebel aus feinen flüssigen Tropfen erzeugt. Ein weiteres Merkmal der Düse zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass diese insbesondere verwendet werden kann, um einen Flüssigkeitsstrom mit niedriger Geschwindigkeit zu zerstäuben. Zum Beispiel ist die Düse für eine Verwendung bei der vorliegenden Erfindung dann, wenn sie unter geeigneten Bedingungen betrieben wird, wirkungsvoll, um einen Flüssigkeitsstrom zu zerstäuben, der eine Geschwindigkeit von weniger als 300 Fuß pro Sekunde und bevorzugt weniger als 200 Fuß pro Sekunde aufweist. Jedoch kann die Düse zur Verwendung gemäß der vorliegenden Erfindung auch dazu verwendet werden, einen Flüssigkeitsstrom zu zerstäuben, der eine Geschwindigkeit von mehr als 300 Fuß pro Sekunde aufweist. Die Düse ist bevorzugt so konstruiert, um einen Flüssigkeitsstrom aus Kohlenwasserstoffen in eine katalytische Konversionszone einer fluidischen katalytischen Cracking-Einheit einzuspeisen.
In diesem Zusammenhang bedeutet der Ausdruck „Flüssigkeitsstrom" jeden Strom, der eine Flüssigkeit enthält, so zum Beispiel ein Zuführmaterial aus Kohlenwasserstoffen, das zerstäubt werden soll. Der Ausdruck „dispergierendes Medium" bedeutet ein Fluid, üblicherweise ein Gas enthaltendes Fluid, so zum Beispiel einen Dampf, das verwendet wird, um die Zerstäubung der Flüs sigkeit zu verstärken. Der Ausdruck „fein" bedeutet, dass der mittlere Sauter-Durchmesser der flüssigen Tropfen in dem Sprühnebel vorzugsweise geringer ist als 300 Mikrometer (μm) und vorzugsweise kleiner als 200 μm und insbesondere kleiner als 100 μm ist. Der Ausdruck „flach fächerförmig" bedeutet, dass das Verhältnis der horizontalen Dimension in bezug zu der vertikalen Dimension des Sprühnebels in jedem Querschnittsbereich senkrecht zu der Längsachse des Düsenrohres vorzugsweise größer als 4:1, insbesondere vorzugsweise größer als 6:1 und insbesondere vorzugsweise größer als 8:1 ist.
Die Düse zur Verwendung gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein Düsenrohr auf, der einen Flüssigkeitsstrom und ein Dispersionsmittel empfängt und der eine Spitze aufweist, die zumindest drei im Wesentlichen vertikale Öffnungen aufweist. In den Figuren, in denen gleiche Bezugsziffern gleichen oder gleichartigen Elementen zugeordnet sind, zeigt 1 ein Ausführungsbeispiel einer Düse zur Verwendung gemäß der vorliegenden Erfindung und zeigt insbesondere den Endbereich einer Düse 1. Der Endbereich der Düse hat einen Stab 2, der zylindrisch geformt ist, ferner einen vorderen Endbereich 6, ein Einlassende 3, das gegenüberliegend dem vorderen Endbereich ist, und eine mittlere Längsachse 4. Der Endbereich des Stabes 2 nimmt einen dispergierten Flüssigkeitsstrom 10 auf, der zusammengesetzt ist aus einer Mischung eines Flüssigkeitsstroms, der zu zerstäuben ist, und eines Dispersionsmittels. Der dispergierte Flüssigkeitsstrom 10 wird zu einer Flüssigkeitsspitze 14 gerichtet, die eine Dicke 8 und zumindest drei im Wesentlichen vertikale Öffnungen (nicht gezeigt) aufweist. Der dispergierte Flüssigkeitsstrom wird durch die Öffnungen in der Düsenspitze 14 gerichtet.
Die Öffnungen in der Düsenspitze sind so geformt, dass sie einen flachen fächerförmigen Sprühstrahl erzeugen. 2A zeigt eine Endansicht der Düsenspitze 14 in 1, um die Öffnungen in größerem Detail zu zeigen. Die Dü senspitze 14 in 2A hat eine vertikale Mittellinie 20 und drei rechteckig geformte Öffnungen 22: Eine zentrale Öffnung 46, die in der vertikalen Mittellinie 20 der Düsenspitze gelegen ist und zwei hiervon entfernte Öffnungen 48. Jede Öffnung 22 hat eine vertikal ausgerichtete Mittellinie 21, die im äußeren Bereich 40 der Düsenspitze 14 gelegen ist, eine Länge 24, die sich parallel zu der vertikalen Mittellinie 21 der Öffnung erstreckt, und eine Breite 26, die ebenfalls am äußeren Bereich 40 der Düsenspitze 14 angeordnet ist und die sich senkrecht zu der vertikalen Mittellinie 21 der Öffnung erstreckt. Die Öffnungen 22 in der 2A sind im Wesentlichen vertikal relativ zu der Mittellinie 20 der Düsenspitze ausgerichtet. Durch „im Wesentlichen vertikal" bedeutet, dass die vertikale Mittellinie 21 der Öffnung einen Winkel ϕ mit der vertikalen Mittellinie 20 der Düsenspitze zwischen etwa 0 (d.h. parallel und perfekt vertikal) bis etwa 30° einnehmen kann, vorzugsweise zwischen 0 bis etwa 10° und insbesondere zwischen 0 und etwa 5°.
Jede Öffnung 22 hat einen Abstand 23 von der vertikalen Mittellinie 20 der Düsenspitze, gemessen zwischen der vertikalen Mittellinie 21 der Öffnung und der vertikalen Mittellinie 20 der Düsenspitze. Die drei Öffnungen 22, die in 2A dargestellt sind, sind vorzugsweise symmetrisch auf der Düsenspitze verteilt, sodass die ersten äußeren Öffnungen 48 sich jeweils gegenüberliegen und mit einem gleichen Abstand von der vertikalen Mittellinie 20 der Düsenspitze angeordnet sind.
Eine Querschnittsansicht der Düsenspitze 14 in 2A längs der Linie A-A ist in 2B dargestellt. In 2B sind die Öffnungen so geformt, dass sie einen flachen fächerförmigen Sprühstrahl erzeugen. Jede Öffnung 22 hat gegenüberliegende Ränder 27A und 27B, die sich in Längsrichtung (nicht dargestellt) der Öffnung 22 der Innenfläche 38 der Düsenspitze 14 erstrecken, und gegenüberliegende Ränder 28A und 28B, die sich in Längsrichtung der Öffnung 22 der Außenfläche 40 der Düsenspitze 14 erstrecken. Die Ränder 27A und 28A sind durch eine Verbindungsfläche 29A miteinander verbunden, und die Ränder 27B und 28B sind durch eine Verbindungsfläche 29B miteinander verbunden. In der 2B sind die Verbindungsflächen 29A und 29B parallel zueinander dargestellt und nehmen keinen Winkel in bezug zu der mittleren Längsachse 4 des Düsenrohres 2 ein.
Jede Öffnung hat auch eine mittlere Längsachse 32, die in der Zeichnung durch eine Linie von dem Mittelpunkt 36 der Öffnung 22 an der Innenfläche 38 der Düsenspitze 14 zu dem Mittelpunkt 34 der Öffnung 22 an der äußeren Fläche 40 der Düsenspitze 14 dargestellt ist. In 2B bildet die mittlere Längsachse für jede Öffnung einen Winkel entsprechend 0° mit der mittleren Längsachse 4 des Düsenrohres. Insbesondere sind die zentralen Längsachsen 32 der nächstgelegenen Öffnungen 48 parallel zu der zentralen Längsachse 4 des Düsenrohres, wobei die mittlere Längsachse (nicht dargestellt) der mittleren Öffnung 46 mit der zentralen Längsachse 4 des Düsenrohres zusammenfällt.
Um den horizontalen Sprühwinkel des Sprühstrahles zu vergrößern, sind zumindest eine und vorzugsweise zumindest zwei Öffnungen angewinkelt gegenüber der zentralen Längsachse des Düsenrohres. Die Öffnungen können angewinkelt sein, indem die Verbindungsflächen (29A und 29B in 2B) in einem Winkel zueinander angeordnet werden. Die Verbindungsflächen können in jeder beliebigen Weise angewinkelt werden, solange die zentrale Längsachse jeder Öffnung nicht die zentrale Längsachse irgendeiner anderen Öffnung schneidet, die stromabwärts der Düsenspitze angeordnet ist (d.h., dass die zentralen Längsachsen der Öffnungen voneinander stromabwärts der Düsenspitze getrennt sind). Zum Beispiel. können die Verbindungsflächen parallel oder nicht parallel sein. Auch kann zum Beispiel eine Verbindungsfläche angewinkelt werden, während die gegenüberliegende Verbindungsfläche in bezug auf die zentrale Längsachse des Düsenrohres nicht angewinkelt ist. Vorzugsweise sind die Verbindungsflächen einer Öffnung jeweils parallel zueinander.
Um die zentrale Längsachse der Öffnungen stromabwärts der Düsenspitze voneinander getrennt zu halten, sind die Verbindungsflächen vorzugsweise angewinkelt, sodass der Winkel zwischen der zentralen Längsachse der Öffnung und der zentralen Längsachse des Düsenrohres entweder gleich oder größer als eine benachbarte Öffnung sind, die näher zu der vertikalen Mittellinie der Düsenspitze gelegen ist. Vorzugsweise sind die Öffnungen angewinkelt, sodass der horizontale Sprühwinkel des Sprühstroms zumindest 60° ist, und vorzugsweise mindestens 90°, und insbesonders bevorzugt zumindest 120°.
Eine bevorzugte Düse zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung, die zumindest zwei angewinkelte Öffnungen aufweist, ist in den 3A und 3B gezeigt. 3A zeigt eine Aufsicht auf eine Düsenspitze 14 mit drei perfekt vertikalen Öffnungen 22. Die 3B zeigt einen Querschnitt der Düsenspitze 14 in 3A längs der Schnittlinie B-B.
In 3A ist die mittlere Öffnung 46 winkelmäßig nicht angestellt; jedoch sind die ersten entfernten Öffnungen 48 relativ zu der zentralen Längsachse 4 des Düsenrohres angewinkelt. Die Winkelstellung der ersten entfernten Öffnungen 48 in 3A ist so, dass gegenüberliegende Ränder 27A und 27B, die sich längs der Längsrichtung 24 der Öffnung an der Innenfläche (nicht dargestellt) der Düsensitze 14 erstrecken, näher an der vertikalen Mittellinie 20 der Düsenspitze gelegen sind als die entsprechenden gegenüberliegenden Ränder 28A und 28B, die in dem Außenbereich 40 der Düsenspitze 14 angeordnet sind. Die gegenüberliegenden Ränder 27A und 27B in dem Innenbereich sind mit den gegenüberliegenden Rändern 28A und 28B am äußeren Bereich der Düsenspitze 14 durch entsprechende Verbindungsflächen 29A und 29B mit einander verbunden. Jede Öffnung hat auch einen Mittelpunkt 24 in dem äußeren Bereich 40 der Düsenspitze 14 und einen Mittelpunkt 36 an der Innenfläche der Düsenspitze 14. Im Falle der mittleren Öffnung 46 entspricht der Mittelpunkt 34 auf der äußeren Fläche 40 der Düsenspitze 14 dem Mittelpunkt (nicht dargestellt) auf der Innenfläche, da die zentrale Öffnung 46 nicht angewinkelt ist.
Das Anwinkeln der ersten entfernten Öffnungen 48 ist besser aus 3B zu ersehen. In der 3B erstrecken sich die verbindenden Flächen 29A und 29B der ersten entfernten Öffnungen 48 durch die gesamte Dicke 8 der Düsenspitze 14, um gegenüberliegende Ränder 27A und 27B an der Innenfläche 38 der Düsenspitze 14 mit gegenüberliegenden Rändern 28A und 28B an der Außenfläche 40 der Düsenspitze 14 miteinander zu verbinden. Die angewinkelten gegenüberliegenden Flächen 29A und 29B sind, wie in 3B gezeigt, parallel zueinander.
In 3B hat jede Öffnung auch eine zentrale Längsachse 32, die durch eine Linie zwischen dem Mittelpunkt 36 der Öffnung an der Innenfläche 38 der Düsenspitze 14 und dem Mittelpunkt 34 der Öffnung an der Außenfläche 40 der Düsenspitze 14 gebildet wird. Die mittlere Längsachse (nicht dargestellt) der zentralen Öffnung 46 fällt mit der zentralen Längsachse 4 des Düsenrohres zusammen. Die ersten entfernten Öffnungen 48 sind relativ zu der zentralen Längsachse 4 des Düsenrohres angewinkelt und bilden einen Winkel θ von 30°. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, wie dieses in 3B dargestellt ist, sind die ersten entfernten Öffnungen in entgegengesetzten Richtungen angewinkelt, sodass der horizontale Sprühwinkel erhöht wird. In bevorzugter Weise sind die entfernten Öffnungen symmetrisch angeordnet, sodass sie um einen gleichen Betrag in entgegengesetzte Richtungen angewinkelt sind.
Obwohl die zentrale Öffnung 46 in 3B nicht angewinkelt ist, ist es für diese zentrale Öffnung möglich, einen Winkel θ zwischen 0° und etwa 15° anzunehmen. Eine angewinkelte zentrale Öffnung kann bevorzugt sein, wenn es erwünscht ist, den Sprühstrahl in einer Richtung abzugeben, die von der zentralen Längsachse des Düsenrohres abweicht, um auf diese Weise einen Wirbelfluss in einer katalytischen Cracking-Zone zu erzeugen. Mit einer angewinkelten zentralen Öffnung muss der Winkel θ der anderen Öffnungen eingestellt werden, um sicherzustellen, dass sich die zentralen Längsachsen der Öffnungen stromabwärts der Düsenspitze nicht schneiden. Zum Beispiel sollte es nicht bevorzugt werden, die ersten entfernten Öffnungen in einem gleichen Betrag in entgegen gerichteten Richtungen anzuwinkeln, wenn dieses dazu führt, dass sich die zentralen Längsachsen der Öffnungen schneiden.
In einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung wächst der Winkel θ zwischen der zentralen Längsachse 32 einer jeden Öffnung und der zentralen Längsachse 4 des Düsenrohres an, wenn der Abstand 22 der Öffnung von der vertikalen Mittellinie 20 der Düsenspitze ansteigt. Ein graduell ansteigender Winkel θ ist in 4 gezeigt. 4 zeigt eine Querschnittsansicht einer Düsenspitze 14 mit fünf Öffnungen. Vorzugsweise ist hierbei der Anstieg im Winkel θ symmetrisch. Vorzugsweise sind zum Beispiel die ersten entfernten Öffnungen 48 in gleichen Beträgen in entgegengesetzten Richtungen angewinkelt, um einen Winkel θ₁ mit der zentralen Längsachse des Düsenrohres zu bilden, und die zweiten entfernten Öffnungen 50 ebenfalls in gleichen Beträgen in entgegengesetzten Richtungen angewinkelt, um einen Winkel θ₂ mit der zentralen Längsachse des Düsenrohres zu bilden, wobei θ₂ größer als θ₁ ist. Ebenso hat die zentrale Öffnung vorzugsweise eine zentrale Längsachse (nicht dargestellt), die mit der zentralen Längsachse 4 des Düsenrohres 2 zusammenfällt, um einen Winkel θ₀ (nicht dargestellt) entsprechend dem Wert Null zu bilden. Es ist möglich, eine Düsenspitze mit mehr als fünf Öffnungen vorzusehen, in welchem Falle die zusätzlichen Öffnungen als dritte entfernte, vierte entfernte Öffnungen etc. bezeichnet würden. In einem solchen Ausführungsbeispiel würden die am Weitesten von der vertikalen Mittellinie der Düsenspitze entfernt gelegenen Öffnungen den größten Winkel θ aufweisen, wobei die Öffnungen, die benachbart zu diesen entferntest gelegenen Öffnungen sind, den nächstgrößeren Winkel θ aufweisen würden, und der Winkel θ der Öffnungen abnehmen würde, wenn der Abstand 23 der Öffnungen von der Mittellinie der Düse abnimmt.
Vorzugsweise liegt der maximale Winkelwert θ einer jeden Öffnung zwischen 0° und etwa 75°, bevorzugt zwischen 0° bis etwa 60° und insbesondere bevorzugt von 0° bis etwa 45°. Vorzugsweise haben die angewinkelten Öffnungen einen Winkel θ zwischen etwa 5° bis etwa 75°, bevorzugt zwischen 10° und etwa 60°. Für jede zwei benachbarten Öffnungen ist die Differenz in den Winkeln (z.B. θ₂–θ₁) vorzugsweise kleiner als 30° und insbesondere bevorzugt kleiner als etwa 20°.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung hat die Düsenspitze fünf Öffnungen, wobei die ersten und zweiten entfernten Öffnungen angewinkelt sind. Vorzugsweise hat die zentrale Öffnung einen Winkel θ von 0°, wobei die ersten entfernten Öffnungen einen Winkel θ zwischen etwa 10° und etwa 30° und die zweiten entfernten Öffnungen einen Winkel θ zwischen etwa. 30° bis etwa 60° haben.
Zusätzlich zu der Anwinkelung der Öffnungen wird die Erzeugung eines flachen fächerartigen Sprühstrahles aus flüssigen Tropfen durch andere Design-Parameter der Öffnungen verstärkt. Generell muss bei dem Design der Öffnungen Rücksicht genommen werden auf die gewünschte Massen-Flussrate des dispergierten Flüssigkeitsstromes und den Druckabfall, der bei der Aus richtung des dispergierten Flüssigkeitsstromes durch die Düsenspitze auftritt. Unter „Druckabfall" ist die Druckdifferenz zwischen dem Druck des Flüssigkeitsstromes, der in die Düse eintritt (d.h. dem „zufuhrseitigen Druck") und dem Druck des Mediums zu verstehen, in das die Düse das Fluid entlädt. Design-Parameter, um einen fächerförmigen Sprühstrahl zu produzieren, schließen die Anzahl der Öffnungen, den Abstand der Öffnungen sowie die Dimensionen der Öffnungen ein.
Die Anzahl der Öffnungen in der Düsenspitze ist vorzugsweise so gewählt, dass die maximal mögliche Anzahl auf der Düsenspitze vorliegt, wobei jeweils ein adäquater Abstand zwischen den Öffnungen vorgesehen ist, um eine ausreichende Kraft vorzusehen, um der Kraft des dispergierten Flüssigkeitsstromes zu widerstehen, der durch die Düsenspitze fließt. Durch eine solche Konfiguration wird die gesamte Oberfläche (d.h. der gesamte Umfang der Öffnungen) zum Abscheren der Flüssigkeit maximiert. Die Düsenspitze hat zumindest drei Öffnungen, vorzugsweise zwischen drei und etwa zehn Öffnungen und insbesondere zwischen drei und etwa sieben Öffnungen und besonders bevorzugt fünf Öffnungen. Die Öffnungen sind vorzugsweise um die vertikale Mittellinie der Düsenspitze symmetrisch angeordnet, sodass jede Öffnung einen bestimmten Abstand von der vertikalen Mittellinie der Düsenspitze aufweist, und eine gegenüberliegende Öffnung auf der anderen Seite der vertikalen Mittellinie der Düsenspitze vorgesehen ist, die im gleichen Abstand zu der vertikalen Mittellinie der Düse angeordnet ist. In bevorzugter Weise sind die Öffnungen so mit Abstand angeordnet, dass eine Öffnung auf der vertikalen Mittellinie der Düsenspitze angeordnet ist und die verbleibenden Öffnungen symmetrisch um die vertikale Mittellinie der Düsenspitze angeordnet sind, sodass dieses zu einer ungeraden Anzahl von Öffnungen auf der Düsenspitze führt. Zusätzlich zu den symmetrisch angeordneten Öffnungen ist es bevorzugt, dass der Abstand zwischen jeweils zwei benachbarten Öffnungen, gemessen zwischen benachbarten Rändern der Öffnungen, quer zu der äußeren Fläche der Düsenspitze etwa dem 0,2-fachen bis dem 2,5-fachen der Breite der Öffnungen entspricht. Das Verhältnis des Abstandes zwischen zwei benachbarten Öffnungen (gemessen zwischen den Mittellinien der beiden Öffnungen) zu der Breite der Öffnungen liegt bevorzugt zwischen etwa 1,2 und etwa 3,5 und insbesondere bevorzugt zwischen etwa 1,3 und etwa 2,2.
Im Hinblick auf die Dimensionen der Öffnungen wird vorzugsweise die Breite einer Öffnung gewählt, um feine Flüssigkeitstropfen zu erzeugen und innerhalb der Anforderungen an den Druckabfall des Systems zu verbleiben. Wenn zum Beispiel generell die Breite der Öffnung kleiner gemacht wird, wird auch die mittlere Größe der Flüssigkeitstropfen kleiner. Wenn jedoch die Breite der Öffnung abnimmt, steigt für eine gegebene Anzahl von Öffnungen der Druckabfall an. Das Verhältnis der Breite der Öffnung, gemessen an der inneren Fläche der Düsenspitze, zu dem inneren Durchmesser des Düsenrohres liegt bevorzugt zwischen etwa 0,01 und 0,30, noch bevorzugter zwischen etwa 0,05 und etwa 0,25 und insbesondere bevorzugt zwischen etwa 0,075 und etwa 0,20.
Die Breite der Öffnung wird ebenfalls in Abhängigkeit von der Lage der Öffnung relativ zu der vertikalen Mittellinie der Düsenspitze variiert, um eine gleichmäßige fächerförmige Verteilung des Sprühstrahls zu gewährleisten. Hier gibt es verschiedene bevorzugte Ausführungen. 5 zeigt eine bevorzugte Ausführung.
5 zeigt eine Aufsicht auf eine bevorzugte Düsenspitze 14, die fünf schlitzförmige Öffnungen 22 aufweist, die symmetrisch um die vertikale Mittellinie 20 der Düsenspitze angeordnet sind. Die auf der vertikalen Mittellinie 20 der Düsenspitze angeordnete Öffnung ist eine zentrale Öffnung 46 und hat eine Breite w₀. Die Öffnungen, die in dem nächstnäheren Abstand zu der vertikalen Mittellinie 20 der Düsenöffnung angeordnet sind, sind erste entfernte Öffnungen 48 und haben eine Breite, w₁ und die von der vertikalen Mittellinie 20 der Düsenspitze am weitest entfernt gelegenen Öffnungen sind zweite entfernte Öffnungen 50 und haben eine Breite w₂, wobei alle Breiten an der Innenfläche (nicht dargestellt) der Düsenspitze gemessen sind. Wie ebenfalls in 5 gezeigt, sind die ersten und zweiten entfernten Öffnungen ähnlich wie die Öffnungen in 4 gegeneinander angewinkelt.
Bei der in 5 dargestellten Ausführung nimmt die Breite der Öffnung ab, wenn deren Abstand 23 von der vertikalen Mittellinie 20 der Düsenspitze größer wird. In anderen Worten nimmt die Breite der Öffnung ab, wenn diese nach außen verschoben oder weiter von der vertikalen Mittellinie 20 der Düsenspitze entfernt gelegen ist. Zum Beispiel hat die zentrale Öffnung 46 die größte Breite, die ersten entfernten Öffnungen 48 haben die nächstgrößeren Breiten, und die zweiten entfernten Öffnungen 50 haben die kleinste Breite (d.h. w₀ > w₁ > w₂). Auch sind die Breiten der Öffnungen symmetrisch, sodass die ersten entfernten Öffnungen die gleiche Breite und die zweiten entfernten Öffnungen ebenfalls die gleiche Breite aufweisen. Eine solche Konfiguration ist insbesondere bevorzugt, wenn ein gleichmäßiger Flüssigkeitsstrom (d.h. die Massenflussrate pro Querschnittsfläche) über die gesamte Breite des Sprühstrahles erforderlich ist.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform (nicht dargestellt) haben die ersten entfernten Öffnungen 48 die größte Breite, die zentrale Öffnung 46 hat dann die nächstgrößte Breite, und die zweiten entfernten Öffnungen 50 haben die kleinste Breite (d.h. w₁ > w₀ > w₂). Wenn es gewünscht ist, zusätzliche Öffnungen zu haben, die an der Düse angeordnet sind, wird die Breite der Öffnungen, beginnend an den zweiten entfernten Öffnungen, graduell kleiner ge wählt, sodass die am weitesten entfernte Öffnung die kleinste Breite aufweisen würde (d.h. w₂ > w₃ > w₄, etc.). Eine solche Konfiguration der Breie der Öffnungen wird bevorzugt, wenn ein höherer Flüssigkeitsstrom in dem zentralen Bereich des Sprühstrahles als an den äußeren Rändern des Sprühstrahles erfordert wird. Zum Beispiel kann eine solche Konfiguration bevorzugt werden, wenn multiple überlappende Sprühstrahlen verwendet werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform (nicht dargestellt) hat die zentrale Öffnung die kleinste Breite, und die Breiten steigen graduell an, wenn der Abstand der jeweiligen Öffnung von der Mittellinie der Düse ansteigt (d.h. w₂ > w₁ > w₀). Eine solche Ausführungsform wird bevorzugt verwendet, wenn ein höherer Flüssigkeitsstrom an den äußeren Rändern des Sprühstrahles als in dem Zentrum erfordert wird.
Bei allen Ausführungsformen, bei denen die Breite der Öffnungen variiert wird, liegt bevorzugt die maximale Breite einer jeden Öffnung zwischen etwa 0,05 und etwa 0,30 und insbesondere bevorzugt zwischen 0,10 und etwa 0,20 mal dem inneren Durchmesser des Düsenrohres. Vorzugsweise entspricht die minimale Breite einer jeden Öffnung einem Betrag zwischen etwa dem 0,05- und etwa 0,20- und insbesondere bevorzugt zwischen dem etwa 0,075- und etwa 0,15-fachen des Innendurchmessers des Düsenrohres.
Vorzugsweise ist die Länge der Öffnung gewählt, um einen Sprühstrahl zu erzeugen, der einen vertikalen Sprühwinkel von weniger als etwa 30° aufweist, und um innerhalb der Anforderungen an den Druckabfall der Düse zu arbeiten. Um eine vertikal geformte Öffnung zu bilden, ist die Länge größer als die Breite. Vorzugsweise liegt das Verhältnis der Länge der Öffnung zu der Breite der Öffnung zumindest bei etwa 3:1, der bevorzugt bei mindestens 4:1 und besonders bevorzugt zwischen etwa 5:1 und etwa 10:1. Die Öffnungen können in ihrer Länge variieren, und zwar in Abhängigkeit von ihrem Abstand von der vertikalen Mittellinie der Düsenspitze. Zum Beispiel können die Öffnungen, die näher an der vertikalen Mittellinie der Düsenspitze liegen, länger sein, um die vollständige Fläche der Düsenspitze auszunutzen und den Druckabfall zu minimieren. Vorzugsweise haben alle Öffnungen an der Düsenspitze die gleiche Länge. Die Ränder, die die Länge und die Breite der Öffnung an der inneren und der äußeren Fläche der Düsenspitze bilden, sind vorzugsweise scharf ausgebildet, um den dispergierten Flüssigkeitsstrom in Flüssigkeitstropfen aufzuteilen. Durch „scharf" wird ausgedrückt, dass die Öffnungen maschinell bearbeitet sind, um scharfe Kanten an den inneren und äußeren Flächen der Düsenspitze zu bilden, wobei vorzugsweise keine Abrundungen der Ränder vorgesehen sind. Ebenso können die Öffnungen verschiedene geometrische Formen aufweisen, solange die Länge größer als die Breite ist und ein horizontaler flacher fächerförmiger Sprühstrahl erzeugt wird. Geeignete geometrische Formen schließen zum Beispiel Rechtecke, ovale Schlitze, längliche Diamantformen und Ellipsen ein.
Obwohl die in den 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiele Düsenspitzen aufweisen, die flach sind, ist es möglich und in einigen Fällen bevorzugt, dass die Spitzenoberfläche nach außen konkav ist. Eine nach außen konkave Spitze hat den Vorteil, dass die Oberfläche, auf der multiple Öffnungen angeordnet werden können, vergrößert wird. Ebenso kann eine nach außen konkave Spitze dafür sorgen, dass eine gleichmäßigere Bedeckung einer speziell geformten Fläche oder eine gewünschte Verteilung der Größe der Flüssigkeitstropfen möglich ist. Die Düsenspitze kann in verschiedenen nach außen weisenden konkaven Formen ausgebildet werden. Zum Beispiel kann die Form eine gleichmäßige Form sein, so zum Beispiel ein flacher Dom oder eine Halbkugel oder sie kann nicht gleichmäßig geformt sein, zum Beispiel als zwei oder mehrere flache Flächen, die sich längs vertikaler Linien treffen, um zum Beispiel eine gefaltete Scheibe zu bilden.
Die Dicke der Düsenspitze hat bevorzugt die minimale Dicke, die der Kraft des dispergierten Flüssigkeitsstromes widerstehen kann. Vorzugsweise ist das Verhältnis der Dicke der Düsenspitze zu der Breite der kleinsten Öffnung gleich oder kleiner als etwa 2,0, mehr bevorzugt gleich oder kleiner als etwa 1,5 und insbesondere bevorzugt gleich oder kleiner als etwa 1,0.
Anstatt die Düse mit einer zylindrisch geformten Leitung auszubilden, wie dieses in den 1 bis 5 gezeigt ist, ist es möglich, geometrisch anders geformte Leitungen zu verwenden. Zum Beispiel können hierfür rechteckige, elliptische oder polygonförmige Geometrien verwendet werden.
Die Düse zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung hat bevorzugt eine Einrichtung zum Vereinigen eines Flüssigkeitsstromes und eines Dispersionsmittels stromaufwärts der Düsenspitze, um einen gleichförmig gemischten dispergierten Flüssigkeitsstrom zu liefern. Der Ausdruck „gleichförmig gemischt" bedeutet, dass die Punkt für Punkt betrachteten Volumenfraktionen von Flüssigkeit und Gas sehr konstant über den Querschnittsbereich der Düse sind. Zum Beispiel kann der Flüssigkeitsstrom über das gesamte Dispersionsmittel als Fäden oder Bänder oder große oder kleine Tropfen ausgebildet sein. Jedes Mittel, das geeignet ist, das Dispersionsmittel und den Flüssigkeitsstrom zu kombinieren, kann verwendet werden, solange der dispergierte Flüssigkeitsstrom gleichförmig gemischt ist.
Eine bevorzugte Mischeinrichtung, die in Verbindung mit einer Düse verwendet werden kann, die bei der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, ist in 6 dargestellt. In 6 ist eine Düse 98 dargestellt, die einen initialen Zerstäu ber 100, einen Expansionsbereich 114 und ein Düsenrohr 2 aufweist. Der initiale Zerstäuber 100 hat eine Hauptleitung 108 zur Aufnahme eines Stromes eines Dispersionsmittels 126 durch einen Einlass 102, und eine sekundäre Leitung 106 zur Aufnahme eines Flüssigkeitsstromes 128 über einen Einlass 120. Die Hauptleitung ist zylindrisch geformt und hat eine zentrale Längsachse 130, die mit der zentralen Längsachse (nicht dargestellt) der sekundären Leitung zusammenfällt und koaxial mit der zentralen Längsachse 4 des Düsenrohres ausgerichtet ist. Zumindest ein Bereich der sekundären Leitung ist innerhalb der Hauptleitung gelegen, um eine ringförmige Passage für das Dispersionsmittel 126 zwischen der äußeren Oberfläche 135 der sekundären Leitung und der inneren Oberfläche der Hauptleitung zu bilden. Vorzugsweise entspricht der Innendurchmesser der Hauptleitung etwa dem 1,1- bis 2,2-fachen des äußeren Durchmessers der sekundären Leitung.
Der Flüssigkeitsstrom 128 und das Dispersionsmittel 126 werden dadurch gemischt, dass das Dispersionsmittel durch Perforationen 112 in der Wand 134 der sekundären Leitung gerichtet wird. Der Flüssigkeitsstrom 128 wird kräftig mit dem Dispersionsmittel vermischt, wenn die Flüssigkeit durch den Ausgang 124 des initialen Zerstäubers 100 strömt, sodass ein dispergierter Flüssigkeitsstrom 116 gebildet wird.
Die Perforationen 112 in der sekundären Leitung 106 sind vorzugsweise im rechten Winkel zu der Wand 134 der sekundären Leitung durch diese gebohrt. Ebenso bevorzugt sind die Perforationen 112 im Bereich eines halben Zolls zu dem Auslass 124 des initialen Zerstäubers angeordnet. Bei einer bevorzugteren Ausführung (nicht dargestellt) sind zwei Reihen von Perforationen 112 vorgesehen, wobei jede Reihe acht Perforationen aufweist, die gleichmäßig um den Umfang der Wand 134 der sekundären Leitung verteilt sind. Wenn es gewünscht ist, können die Perforationen 112 stromabwärts zu dem Ausgang 124 des initialen Zerstäubers verschoben werden oder mit zusätzlichen Einrichtungen kombiniert werden, um das Dispersionsmittel 126 mit dem Flüssigkeitsstrom zu vermischen, so zum Beispiel mit Rohren, die innerhalb der sekundären Leitung gelegen sind.
Der dispergierte Flüssigkeitsstrom 116 aus dem Auslass 124 wird in den Expansionsbereich 114 abgegeben. Im Falle von zylindrisch geformten sekundären Leitungen und Hauptleitungen weist der Expansionsbereich 114 vorzugsweise einen abgestumpften invertierten Kegelbereich auf. Vorzugsweise weist der Expansionsbereich 114 einen inneren Durchmesser am Einlass 120 des Expansionsbereiches 114 auf, der annähernd oder gleich dem inneren Durchmesser des Auslasses 124 des initialen Zerstäubers ist. Der Durchmesser des Auslasses 138 des Expansionsbereiches 140 hat vorzugsweise einen Durchmesser, der etwa gleich dem Durchmesser des Düsenrohres 2 am Einlassende 3 des Düsenrohres ist. Die Wand 143 des Expansionsbereiches bildet vorzugsweise einen Winkel α mit der Wand 139 der Hauptleitung 108 zwischen 15° und etwa 30°, insbesondere bevorzugt zwischen etwa 10° und etwa 25° und hierbei vorzugsweise etwa 15°. Der Expansionsbereich kann ebenfalls komplexere Geometrien aufweisen, so zum Beispiel solche, die bei Venturi-Metern oder bei Vergasungsanlagen verwendet werden, jedoch sind solche Formen schwieriger herzustellen und teurer.
Eine weitere bevorzugte Mischeinrichtung, die mit der Düse, die in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, angewendet werden kann, ist in den US-Patenten 5,289,976 und 5,306,418 von Dou et al. beschrieben (auf die im Folgenden mit der Bezeichnung „Dou" Bezug genommen wird). Dou beschreibt eine Mischeinrichtung, die Teil einer Düse ist. Dou beschreibt eine Mischeinrichtung, die einen initialen Zerstäuber und einen Expansionsbereich ähnlich zu denen, die in 6 beschrieben wurden, und einen Aufprallstopfen auf weist, der innerhalb des Expansionsbereichs gelegen ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Mischeinrichtung bei Dou ohne den Aufprallstopfen verwendet, wie in 6 gezeigt.
In der Mischeinrichtung in 6 oder bei Dou ist die Länge 141 des Düsenrohres 2 zwischen dem Auslass 138 des Expansionsbereiches und der Düsenspitze 14 lang genug, damit es dem dispergierten Flüssigkeitsstrom erlaubt wird, sich vollständig in den größeren Quertschnittsbereich des Düsenrohres zu verlangsamen. Vorzugsweise ist die Länge des Düsenrohres zwischen dem Auslass des Expansionsbereiches und der Düsenspitze zumindest 1,5 und noch bevorzugter zwischen etwa 2,0 und etwa 4,0 mal dem inneren Durchmesser am Auslass zu dem Expansionsbereich.
Andere geeignete Mischeinrichtungen, die in der Düse, die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, eingeschlossen sind, sind zum Beispiel Spiralmischer, Schaufelmischer, statische Mischer oder Kombinationen hieraus. Eine oder mehrere Mischeinrichtungen können auch außerhalb der Düse angeordnet werden, sodass die Düse mit einem dispergierten Flüssigkeitsstrom gefüllt wird. Vorzugsweise ist jedoch die Mischeinrichtung als Teil der Düse in dieser angeordnet.
In Abhängigkeit von der gewählten Mischeinrichtung kann der dispergierte Flüssigkeitsstrom, der sich der Düsenspitze nähert, noch eine Rest-Wirbelbewegung aufweisen. Vorzugsweise wird diese Rest-Wirbelbewegung eliminiert, bevor der dispergierte Flüssigkeitsstrom die Düsenspitze erreicht. So zum Beispiel können gerade Schaufeln stromabwärts der Mischeinrichtungen installiert werden, um jede Rest-Wirbelbewegung zu eliminieren.
Die Düse einschließlich der Düsenspitze kann aus jedem Material konstruiert werden, das geeignet ist, den Temperaturen, Drücken und Chemikalien zu widerstehen, denen die Düse während des Betriebes einer FCC-Katalysator-Cracking-Einheit ausgesetzt ist. Zum Beispiel muss die Düsenspitze aus Materialien hergestellt werden, die den Temperaturen und dem Abrieb des Katalysators innerhalb des Steigbereiches einer FCC-Katalysator-Cracking-Einheit widerstehen.
Bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein dispergierter Flüssigkeitsstrom, der einen Flüssigkeitsstrom und ein Dispersionsmittel enthält, durch zumindest einen Teil der Düse, die in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, und durch die Öffnungen der Düsenspitze geleitet, um einen fächerförmigen Sprühstrahl zu erzeugen. Der dispergierte Flüssigkeitsstrahl wird, bevor er die Düsenspitze erreicht, gleichförmig gemischt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden ein Flüssigkeitsstrom und ein Dispersionsmittel in der Düse miteinander kombiniert, wozu eine Mischeinrichtung verwendet wird, um den dispergierten Flüssigkeitsstrom zu bilden. Wie vorher bereits erwähnt, kann jede Mischeinrichtung verwendet werden, solange der dispergierte Flüssigkeitsstrom gleichförmig gemischt ist, bevor er die Düsenspitze erreicht. Vorzugsweise weist die Mischeinrichtung eine initiale Zerstäuberzone und einen Expansionsbereich auf, wie in 6 dargestellt.
Der Anteil des Dispersionsmittels zu dem Flüssigkeitsstrom, der die Düse verlässt, wird eingestellt, um eine adäquate Zerstäubung des Flüssigkeitsstromes zu erzeugen. Die Menge des Dispersionsmittels, basierend auf dem Gesamtgewicht des Flüssigkeitsstromes, der die Düse verlässt, beträgt vorzugsweise zwischen 0,5 Gewichts-% und etwa 5,0 Gewichts-%, und insbesondere bevorzugt zwischen etwa 1,0 Gewichts-% und etwa 3,5 Gewichts-%.
Der Flüssigkeitsstrom, der in dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung nützlich ist, ist jeder Strom, der eine Flüssigkeit enthält, die zerstäubt werden soll. Der Flüssigkeitsstrom kann optional auch Additive enthalten, so zum Beispiel oberflächenaktive Mittel, um die Zerstäubung zu unterstützen. Vorzugsweise enthält der Flüssigkeitsstrom zumindest 80 Gewichts-% und insbesondere bevorzugt zumindest 90 Gewichts-% an Flüssigkeit.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Flüssigkeitsstrom ein Kohlenwasserstoff-Zufuhrmaterial, das katalytisch gekrackt werden soll. Das Kohlenwasserstoff-Zufuhrmaterial kann jedes beliebige Material sein, das üblicherweise in einer kommerziellen fluidischen Katalysator-Cracking-Einheit verarbeitet wird. Vorzugsweise siedet das zu verwendende Kohlenwasserstoff-Zufuhrmaterial bei einer Temperatur von mindestens 400°F und insbesondere bevorzugt zwischen 400°F und etwa 1000°F. Solche Kohlenwasserstoff-Zuführmaterialien umfassen zum Beispiel jungfräuliche Gasöle, ringförmige Gasöle, reduzierte Öle und Reststoffe.
Das Dispersionsmittel kann jede Gas enthaltende Strömung sein, die fähig ist, den Flüssigkeitsstrom zu dispergieren. Vorzugsweise enthält das Dispersionsmittel zumindest 75 Gewichts-% und insbesondere bevorzugt zwischen etwa 90 und 100 Gewichts-% Gas, basierend auf dem Gesamtgewicht des Dispersionsmittels. Das Dispersionsmittel kann zum Beispiel Dampf, Luft, Brenngas, Butan, Naphtha, andere gasförmige Kohlenwasserstoffe, Stickstoff oder ein Edelgas sein, wie zum Beispiel Argon, Helium oder Kombinationen hieraus. Vorzugsweise ist das Dispersionsmttel Dampf.
Die Düse, die in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wird vorzugsweise in einer Düsenanordnung verwendet, die zumindest drei und bevorzugt zwischen etwa sechs und etwa acht Düsen enthält. Die Düsen in dieser Düsen anordnung sind vorzugsweise radial um den Umfang einer Querschnittsfläche, die besprüht werden soll, angeordnet. Ebenso sind die Düsen vorzugsweise in gleichen Winkelintervallen um den Umfang der zu besprühenden Querschnittsfläche verteilt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Düsen so montiert, dass der Sprühstrahl aus jeder Düse die Sprühstrahlen einer oder mehrere anderer Düsen überlappt und schneidet. Insbesondere bevorzugt sind die Düsen so montiert, dass der Sprühstrahl aus jeder Düse die Sprühstrahlen der benachbarten Düse überlappt und die Sprühstrahlen gegenüberliegender Düsen schneidet.
Die Düsenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung kann bei jeder Anwendung verwendet werden, wo es gewünscht ist, eine Flüssigkeit in einen flachen fächerförmigen Sprühstrahl zu zerstäuben. Zum Beispiel kann die Düse, die in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, dazu verwendet werden, flüssige Reaktionsstoffe in verschiedene Typen von Reaktionsgefäßen zu injizieren, ein flüssiges Additiv über einen großen Bereich zu dispergieren (zum Beispiel eine Antischaum-Chemikalie auf eine Schaumschicht), eine Kühlflüssigkeit in eine Gasphase zu sprühen oder zerstäubtes Wasser für Brandbekämpfungsverfahren zu liefern. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Düsenanordnung dazu verwendet, ein Kohlenwasserstoff-Zuführmaterial in einer katalytische Cracking-Einheit zu zerstäuben. Vorzugsweise wird die Düse, die in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, dazu verwendet, Kohlenwasserstoff-Zuführmaterial in einen Steigbereich einer katalytischen Konversionszone oder in einen dichten Flüssigkeitsbettreaktor zu sprühen. Insbesondere werden die Düsen dazu verwendet, das Kohlenwasserstoff-Zuführmaterial in einen Steigbereich in einer katalytischen Konversionszone zu sprühen.
Eine bevorzugte Ausführungsform für eine Düsenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist in den 7A und 7B dargestellt. 7A zeigt eine Düsenanordnung 232 gemäß der vorliegenden Erfindung, die mit einem Steigbereich 200 eines FCC-Reaktors 190 verbunden ist. Die Düsen 234 sind leicht nach oben in den Steigbereich 200 mit einem Winkel β gerichtet. Der Winkel β wird definiert als der Winkel zwischen der vertikalen Längsachse 228 des Steigbereiches und der zentralen Längsachse 4 des Düsenrohres. Vorzugsweise liegt der Winkel β zwischen ungefähr 10° und etwa 90°, insbesondere bevorzugt zwischen etwa 10° und 80° und in der bevorzugten Ausführungsform zwischen etwa 10° und 45°.
Der vertikale Abstand 240 von der Düse 234 bis zu der Transferlinie 245 für den regenerierten Katalysator ist so gewählt, dass der fluidisierte Katalysatorstrom ein sehr gleichförmiges Geschwindigkeitsprofil über den Querschnitt des Steigbereiches aufweist, nachdem er um die scharfe Krümmung an der Basis des Steigbereiches geflossen ist. Der vertikale Abstand 240 entspricht vorzugsweise zumindest etwa dem 1,0-fachen bis zum 1,5-fachen und insbesondere bevorzugt zumindest dem 2,0-fachen bis etwa dem 4,0-fachen des inneren Durchmessers des Steigbereiches. Der vertikale Abstand 240, wie in 7A dargestellt, wird von der zentralen Längsachse 4 des Düsenrohres 2 bis zu der zentralen Längsachse 247 der Transferleitung 245 für den regenerierten Katalysator an der Innenwand 220 des Steigbereiches 200 gemessen. Die Düsenanordnung gemäß der vorliegen Erfindung kann ebenfalls in einem Steigbereich verwendet werden, der keine scharfen Biegungen aufweist und in denen der Katalysator statt dessen durch nur schwach gekrümmte Biegungen strömt, um die Injektionszone für das Kohlenwasserstoff-Zuführmaterial zu erreichen.
7B zeigt eine Aufsicht auf eine Düsenanordnung 232, in einer Blickrichtung vertikal abwärts in den Steigbereich. Wie in 7B gezeigt, weist die Düsenanordnung 232 sechs radial angeordnete Düsen 234 auf, wobei jede Düse 234 jeweils fünf Öffnungen aufweist. Jede Düse ragt vorzugsweise minimal in den Steigbereich um einen radialen Abstand 222 hinein, der gerade ausreichend groß gewählt ist, um sicherzustellen, dass die Gesamtdüsenspitze innerhalb der Innenwand 220 trotz des Inklinationswinkels β gelegen ist. Die Düsen 234 sind so ausgerichtet, dass die Länge der Öffnungen (nicht dargestellt) in den Düsenspitzen im Wesentlichen vertikal in bezug zu der vertikalen Längsachse 228 des Steigbereichs sind. Wie oben beschrieben, resultiert diese Orientierung der Öffnungen in der Düsenspitze in einem horizontalen fächerförmigen Sprühstrahl. Es ist unerwartet, dass eine solche Orientierung der Öffnungen in einem flachen fächerförmigen Sprühstrahl resultiert, da in der Vergangenheit eine Öffnung, die horizontal in bezug zu der Längsachse des Steigbereiches ausgerichtet ist, allgemein verwendet wurde, um einen flachen Sprühstrahl zu erzeugen. Obwohl es nicht beabsichtigt ist, die Theorie einzuschränken, so wird diesseits geglaubt, dass entsprechend vertikale Öffnungen einen flachen horizontalen Sprühstrahl nicht durch Formung erzeugen, sondern durch Scherkräfte, die erzeugt werden, wenn der Flüssigkeitsstrom über die vertikalen Ränder der Öffnungen an den inneren und äußeren Flächen der Düsenspitze strömt.
Die Düsen in 7B sind um den Umfang des Steigbereichs mit Abstand angeordnet, sodass jede Düse einen Sprühstrahl 246 erzeugt, der die Sprühstrahlen von zwei benachbarten Düsen schneidet. Durch eine solche Konfiguration werden individuelle Mischzellen 248 gebildet, um die Quervermischung des Kohlenwasserstoff-Zuführmaterials und des festen Katalysators zu verbessern. Wie in 7 gesehen werden kann, ist jede Düse so orientiert, dass der Sprühstrahl des Flüssigkeitsstromes von dem zentralen Schlitz radial nach innen in den Steigbereich gerichtet ist, wohingegen die Sprühstrahlen des Flüssigkeitsstroms aus den ersten und zweiten entfernten Schlitzen außerhalb des Zentrums in den Steigbereich gerichtet werden. Mit Sprühstrahlen aus jeder Düse, die außerhalb des Zentrums und durch des Zentrums verlaufen, resultiert ein Sprühstrahl, der den gesamten Steigbereich „kreuzschraffiert", um den Grenzflächenbereich zu maximieren, in dem der feste Katalysator mit dem Kohlenwasserstoff-Zuführmaterial in Kontakt kommt. Zusätzlich zu einer radialen Montage der Düsen ist es möglich, die Düsen axial zu montieren, jedoch ist dieses nicht so bevorzugt, da flache fächerartige Sprühstrahlen effektiver sind, um die Querschnittsfläche des Steigbereiches zu bedecken, wenn sie radial abgegeben werden.
BEISPIELE
Die Düse, die in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wurde getestet, um ihre Effektivität bei der Erzeugung eines fächerförmigen Sprühstrahls aus feinen Flüssigkeitströpfchen zu bestimmen. Eine Düse mit einem Innendurchmesser von 6 Zoll an der Spitze und ähnlich der Düse in 4, wurde mit verschiedenen Düsenspitzen getestet. Die Spitze wurde aus einem gedrehten Acrylrohr konstruiert. Alternative Düsenspitzen, die in der Form, der Anzahl der Öffnungen, der Ausrichtung der Öffnungen und der Öffnungsgröße variierten, wurden als PVC-Rohrdeckel mit üblichem Gewinde, als flache Metallscheiben oder als Lexan^TM-Scheiben hergestellt. Die Scheiben wurden am Durchmesser des Düsenendes durch einen geschraubten PVC-Kragen festgehalten.
Wasser und Luft wurden verwendet, um das Zerstäuben einer Mischung eines Kohlenwasserstoff-Zuführmaterials (als Flüssigkeitsstrom) und Dampf (als Dispersionsmittel) in einer FCC-Einheit zu simulieren. Die Flussraten von Wasser und Luft wurden gewählt, um akkurat das Flussverhalten der tatsächlichen Zwei-Phasen-Mischung von Dampf und Kohlenwasserstoff-Zuführ material zu reproduzieren, indem entsprechende fluidmechanische Gruppen angepasst wurden. Luft wurde zu der Düse mit einem Einlassdruck von etwa 50 pounds per square inch gauge (psig) zugeführt, nachdem sie auf 10°F gegenüber der Umgebungstemperatur mit einem mit Kühlrippen versehenen Nachkühl-Ventilator abgekühlt wurde. Wasser wurde der Düse mit Umgebungstemperatur von etwa 60°F und einem Druck von 20psig bis 30psig zugeführt.
Die Düsenanordnung wurde an einem Stahlgestell horizontal befestigt und stationär gegen einen Rückschub durch Zementgewichte gehalten, um einen Sprühstrahl horizontal abzugeben. Der statische Druck wurde an verschiedenen Orten längs der Länge der Düse überwacht.
Die Tropfengröße des dispergierten Flüssigkeitsstroms, der die Düse verließ, wurde gemessen, indem ein Model 700 Spray Analysis System der Firma Greenfield Instruments, Inc. verwendet wurde. Der Analysator wurde 32 Zoll von der Düsenspitze entfernt angeordnet, um eine gleichmäßige Tropfenbildung zu gewährleisten, bevor der Sprühstrahl untersucht und die radiale Distanz an einen großen FCC-Steigbereich angenähert wurde. Der Analysator arbeitete, indem momentane Bilder der Tröpfenpopulation aufgenommen wurden, die dann durch einen Computer in Termen von Pixeln quantifiziert wurden. Das Volumen und die Oberfläche wurden dann für die Tropfen durch eine Software berechnet, um einen mittleren Sauter-Durchmesser zu bestimmen (d.h. den Durchmesser einer Kugel, die das gleiche Verhältnis zwischen Volumen zur Oberfläche wie die vollständige Tröpfchenpopulation aufweist).
Bei jedem Experiment wurde die zu testende Düsenspitze mit der Düse fest verbunden, und die Flussraten für Luft und Wasser wurden so eingestellt, um eine Mischung von 12.500 Barrels pro Tag eines Kohlenwasserstoff- Zuführmaterial pro Düse und 3,2 Gewichts-% Dampf auf der Basis des Gewichtes des Kohlenwasserstoff-Zuführmaterials zu simulieren. Sobald ein Gleichgewichtszustand erreicht wurde, wurden die Druckwerte längs der Länge der Düse aufgezeichnet und die Sprühmuster wurden beobachtet. Ebenso wurde die Tropfengröße des dispergierten Flüssigkeitsstroms, der die Düse verließ, gemessen. Nach der Sammlung von Tropfendaten wurden das Druckprofil und die Flussdaten erneut geprüft, um sicherzustellen, dass keine signifikate Änderung vorlag.
Die Dimensionen der verschiedenen getesteten Düsenspitzen sind in Tabelle 1 dargestellt. In Tabelle 1 waren die Öffnungen der Düsenspitze schlitzförmig und symmetrisch um die Mittellinie der Düse angeordnet. Die Dicke der getesteten Düsenspitzen lag im Bereich zwischen 3/8 Zoll bis ½ Zoll. Tabelle 1: Dimensionen der Düsenspitze

¹ Beispiele, C1 und C2 sind Vergleichsbeispiele.
² H bedeutet, dass die Öffnungen horizontal, und V bedeutet dass die Öffnungen vertikal in Bezug zu der Mittellinie der Düse orientiert sind.
³ Der Winkel ϕ ist der Winkel zwischen der zentralen Längsachse der Öffnung und der zentralen Längsachse des Düsenrohres. Der Winkel ϕ₀ ist der Winkel der Öffnung an der Mittellinie der Düse, ϕ₁ ist der Winkel der ersten entfernten Öffnungen und ϕ₂ ist der Winkel der zweiten entfernten Öffnungen.
⁴ Die Breite ist die kürzere Dimension der Öffnung. Für vertikale Öffnungen läuft die Breite senkrecht zu der vertikalen Mittellinie der Düsenspitze, und für horizontale Öffnungen läuft die Breite parallel zu der vertikalen Mittellinie der Düsenspitze. W₀ ist die Breite der Öffnung an der Mittellinie der Düse, W₁ ist die Breite der ersten entfernten Öffnungen und W₂ ist die Breite der zweiten entfernten Öffnungen.
⁵ Die Länge ist die längere Dimension der Öffnungen. Für vertikale Öffnungen läuft die Länge parallel zu der vertikalen Mittellinie der Düsenspitze und für horizontale Öffnungen läuft die Länge senkrecht zu der vertikalen Mittellinie der Düsenspitze.
⁶ Die Form der Düsenspitze. Ein Deckel ist ein Dom, der auf der äußeren Seite konkav ist. Eine Scheibe ist flach und senkrecht zu der zentralen Längsachse des Düsenrohres.
⁷ Der Abstand ist die Rand- zu Randdistanz zwischen benachbarten Öffnungen, gemessen längs der äußeren Oberfläche der Spitze. S₁ ist die Distanz zwischen der zentralen und der ersten entfernten Öffnung oder, falls keine Öffnung vorhanden ist, ist S₁ die Distanz zu den zwei ersten entfernten Öffnunungen. S₂ ist die Distanz zwischen der ersten entfernten und der zweiten entfernten Öffnung.

Die Ergebnisse für die getesteten Düsenspitzen sind in Tabelle 2 gezeigt. Wie man von den Beispielen 3 bis 11 in Tabelle 2 sehen kann, ist die Düse gemäß der vorliegenden Erfindung wirkungsvoll bei der Zerstäubung eines Flüssigkeitsstroms in einen fächerartigen Sprühstrahl mit feinen Flüssigkeitstropfen.
Im Vergleich hierzu lieferten horizontal ausgerichtete Öffnungen (Vergleichsbeispiele C1 und C2) einen Sprühstrahl mit größeren Tropfen und einem kleineren horizontalen Sprühwinkel. Zusätzlich lieferte die einzige horizontal orientierte Öffnung (Vergleichsbeispiel C1) einen rundgeformten Sprühstrahl, wohingegen die Sprühstrahlen der Düsen in den Beispielen 3 und 11 relativ flach und fächerförmig waren. In den Beispielen 3 bis 5 hatten alle Öffnungen an der Düsenspitze einen Winkel θ zwischen der zentralen Längsachse der Öffnung und der zentralen Längsachse des Düsenrohres mit dem Wert 0. Die Beispiele 6 bis 11 haben im Vergleich zu den Beispielen 3 bis 5 einen graduell anwachsenden Winkel θ der Öffnungen, wenn der Abstand der Öffnung von der vertikalen Mittellinie der Düsenspitze anwuchs. Die Ergebnisse der Beispiele 6 bis 11 zeigen im Vergleich mit den Beispielen 3 bis 5, dass der horizontale Sprühwinkel erhöht werden kann, indem der Winkel θ der Öffnung größer gemacht wird, wenn der Abstand der Öffnung von der vertikalen Mittellinie der Düsenspitze anwächst. TABELLE 2: Effektivität der Düsenspitze

⁸ Der Druckabfall ist der statische Druck des Flüssigkeitsstromes, gemessen am Einlass der Sekundären Leitung in 6, wenn die Düse in die Atmosphäre abspritzt.
⁹ Mittlerter Sauter-Durchmesser der Tropfengröße.
¹⁰ Grenzwinkel des Sprühstrahles in einer horizontalen Ebene, die die zentrale Längsachse des Düsenrohres enthält.

Obwohl die vorliegende Erfindung im Vorhergehenden in Bezug auf bestimmte bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, ist es offensichtlich für einen Fachmann, dass zahlreiche Modifikationen und Variationen bei diesen Konstruktionen ausgeführt werden können. Die Beschreibungen dienen lediglich der beispielhaften Darstellung und sind nicht für die Erfindung beschränkend, die in den anhängenden Ansprüchen definiert ist.

Claims

Düsenanordnung (232) zum Zerstäuben eines Flüssigkeitsstromes mit zumindest drei Düsen (234), die radial um den äußeren Rand eines zu besprühenden Bereiches montiert sind, wobei die Düsenanordnung eine vertikale Längsachse aufweist und jede Düse aufweist: (a) ein Düsenrohr (2) zur Aufnahme eines Flüssigkeitsstromes und eines Dispersionsmediums, mit einer mittleren Längsachse (4), einem Einlassende (3) und einem Spitzenende (6); (b) eine Spitze (14), die mit dem Spitzenende (6) des Düsenrohres verbunden ist und eine vertikale Mittellinie (20), eine innere Oberfläche (38) und eine äußere Oberfläche (40) aufweist; und (c) zumindest drei Öffnungen (22), die durch die innere Oberfläche der Spitze bis zur äußeren Oberfläche der Spitze reichen und die im Wesentlichen vertikal in Bezug zu der Längsachse der Düsenanordnung sind, wobei jede Öffnung eine Länge (24) und eine Breite (26) aufweist, wobei die Länge der Öffnung größer als die Breite ist; wobei jede Öffnung ferner einen ersten Mittelpunkt (36) auf der inneren Oberfläche der Spitze und einen zweiten Mittelpunkt (34) auf der äußeren Oberfläche der Spitze sowie ferner eine mittlere Längsachse (32) aufweist, die durch eine Linie gebildet ist, die den ersten und den zweiten Mittelpunkt verbindet, wobei ein Winkel θ, der zwischen der mittleren Längsachse jeder Öffnung und der mittleren Längsachse des Düsenrohres gebildet ist, zwischen 0 und etwa 75° liegt.
Düsenanordnung nach Anspruch 1, wobei die mittleren Längsachsen der Öffnungen stromabwärts der Düsenspitze voneinander getrennt verbleiben.
Düsenanordnung nach Anspruch 1, wobei zumindest zwei der Öffnungen einen Winkel θ größer als 0 aufweisen.
Düsenanordnung nach Anspruch 1, wobei der Winkel θ der Öffnungen größer wird, wenn die Entfernung der Öffnungen von der vertikalen Mittellinie der Spitze größer wird.
Düsenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Spitze etwa drei bis etwa zehn Öffnungen aufweist.
Düsenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Spitze fünf Öffnungen aufweist.
Düsenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Öffnungen schlitzförmig sind.
Düsenanordnung nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis zwischen Länge und Breite der Öffnungen zwischen 3:1 bis etwa 10:1 liegt.
Düsenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Breite der Öffnungen abnimmt, wenn die Entfernung der Öffnungen von der vertikalen Mittellinie der Spitze ansteigt, oder die Breite der Öffnungen ansteigt, wenn die Entfernung der Öffnungen von der vertikalen Mittellinie der Spitze ansteigt.
Düsenanordnung nach Anspruch 1, wobei eine Öffnung auf der vertikalen Mittellinie der Spitze gelegen ist und die restlichen Öffnungen symmetrisch zu der Mittellinie der Spitze angeordnet sind.
Düsenanordnung nach Anspruch 10, wobei die ersten von der vertikalen Mittellinie der Spitze entfernten Öffnungen die größte Breite aufweisen und die zentrale Öffnung die nächst größere Breite aufweist.
Düsenanordnung nach Anspruch 11, wobei die Düse zumindest fünf Öffnungen und die verbleibenden Öffnungen jenseits der ersten nahe gelegenen Öff nungen in der Breite abnehmen, wenn die Entfernung der Öffnungen von der vertikalen Mittellinie der Spitze ansteigt.
Düsenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Spitze die Form einer flachen Scheibe aufweist oder nach außen konkav geformt ist.
Düsenanordnung nach Anspruch 1, wobei jede Düse ferner eine Mischeinrichtung aufweist, wobei die Mischeinrichtung aufweist (i) einen initialen Zerstäuber (100) mit einer Hauptleitung (108) zur Aufnahme eines Dispersionsmediums und eine Sekundärleitung (106) zur Aufnahme eines Flüssigkeitsstromes; wobei die Hauptleitung eine mittlere Längsachse (130) hat, die kollinear mit der mittleren Längsachse (4) des Düsenrohres ist, ferner eine innere Oberfläche (137) und einen Einlass, wobei die Sekundärleitung eine mittlere Längsachse hat, die in Richtung der mittleren Längsachse des Düsenrohres ausgerichtet ist, ferner eine äußere Oberfläche (135) und ein Einlassende sowie ein Auslassende (124) und mehrere radial verteile Perforationen (117), die durch die Sekundärleitung gebohrt sind, um das Dispersionsmedium in die Sekundärleitung zu richten; und wobei zumindest ein Teil der Sekundärleitung innerhalb der Hauptleitung positioniert ist, um zumindest eine Passage (132) zwischen der äußeren Oberfläche der Sekundärleitung und der inneren Oberfläche der Hauptleitung für das Dispersionsmedium zu bilden; und (ii) einen Expansionsbereich (114) mit einem Einlassende (120) und einem Auslassende (138), dessen Querschnittsfläche von dem Einlassende zu dem Auslassende graduell ansteigt, wobei das Einlassende des Expansionsbereiches mit dem Auslassende der Sekundärleitung und das Auslassende des Expansionsbereiches mit dem Einlassende des Düsenrohres verbunden ist.
Düsenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Anordnung zumindest sechs Düsen aufweist und mit einer Steigleitung (200) einer Einheit (190) zum Fluid-Katalysator-Kracken verbunden ist.
Verfahren zum Zerstäuben eines Flüssigkeitsstromes mit den Schritten: (a) Kombinieren eines Flüssigkeitsstromes und eines Dispersionsmediums, um einen dispergierten Flüssigkeitsstrom zu bilden; (b) Zuführen des dispergierten Flüssigkeitsstromes durch zumindest einen Teil von zumindest einer Düse (1), die ein Düsenrohr (2) aufweist, wobei das Düsenrohr eine Längsachse (4), ein Einlassende (3) und ein Spitzenende (6) aufweist; (c) Leiten des Flüssigkeitsstromes durch eine Spitze (14), die mit dem Spitzenende (6) des Düsenrohres verbunden ist, wobei die Spitze eine vertikale Mittellinie (20), eine innere Oberfläche (38), eine äußere Oberfläche (40) und zumindest drei Öffnungen (22) aufweist, die sich durch die innere Oberfläche der Spitze in Richtung auf die äußere Oberfläche der Spitze erstrecken, und die bei der Verwendung im Wesentlichen vertikal ausgerichtet sind, wobei jede Öffnung eine Länge (24) und eine Breite (26) aufweist, wobei die Länge der Öffnung größer als die Breite ist; wobei jede Öffnung ferner einen ersten Mittelpunkt (36) auf der inneren Oberfläche der Spitze und einen zweiten Mittelpunkt (34) auf der äußeren Oberfläche der Spitze sowie eine mittlere Längsachse (32) aufweist, die durch eine den ersten und den zweiten Mittelpunkt schneidende Linie gebildet ist, und wobei ein Winkel θ zwischen der mittleren Längsachse einer jeden Öffnung und der mittleren Längsachse des Düsenrohres zwischen 0 bis etwa 75° vorliegt; und (b) Leiten des dispergierten Flüssigkeitsstromes durch die Öffnungen der Spitze, um einen flachen fächerförmigen Sprühstrahl zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei zumindest zwei der Öffnungen einen Winkel θ größer als 0 aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei ferner der Schritt vorgesehen ist, den Flüssigkeitsstrom und das Dispersionsmedium separat in die Düse einzuführen, und wobei der Flüssigkeitsstrom und das Dispersionsmedium in der Düse kombiniert werden.