JP2004500443A - FCC process incorporating atomizing FCC feedstock - Google Patents

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JP2004500443A
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Abstract

液体のアトマイジング方法には、液体および気体からなる二相流体混合物を、圧力下に形成し、流体を二つの別個のストリームに分けて、衝突混合域（２２）中に送ってそこを通し、そこで衝突混合されて二相流体の単一ストリームが形成されることが含まれる。次いで、混合された単一ストリームは、せん断混合域（２４）中に送られてそこを通り、続いてより低圧の膨張域（３０）中に送られる、そこでアトマイジングが生じ、液体のアトマイジングされた液滴噴霧が形成される。衝突（２２）およびせん断（２４）混合域には、それぞれノズル（１０）内に単一のキャビティ（１４）のそれぞれ上流部（１６）および下流部（１８）が含まれる。これは、ＦＣＣプロセスにおいて高温油をアトマイジングするのに有用である。
【選択図】図７The method of atomizing a liquid involves forming a two-phase fluid mixture of a liquid and a gas under pressure, dividing the fluid into two separate streams, and passing it through an impingement mixing zone (22), This includes impingement mixing to form a single stream of a two-phase fluid. The mixed single stream is then sent to and through a shear mixing zone (24), and then to a lower pressure expansion zone (30) where atomization occurs and liquid atomizing. A droplet spray is formed. The impingement (22) and shear (24) mixing zones each include an upstream portion (16) and a downstream portion (18) of a single cavity (14) within the nozzle (10). This is useful for atomizing high temperature oils in FCC processes.
[Selection diagram] FIG.

Description

【０００１】
発明の分野
本発明は、液体のアトマイジング方法およびその装置に関する。すなわち、高い通油量および低い圧力低下が求められる流動接触分解（ＦＣＣ）プロセスに組合わせて用いられる装置および方法である。本方法には、高温の原料油およびスチームなどの分散気体からなる二相流体混合物を形成し、流体混合物を二つの別個のストリームに分けて、これを圧力下に衝突混合域を通してせん断混合域に送り、ストリームを単一ストリームに再結合して、これをより低圧のアトマイジング域中に送り、そこでアトマイジングが生じてアトマイジングされた液滴噴霧が形成されることが含まれる。
【０００２】
発明の背景
流体のアトマイジングは、よく知られており、そして幅広く種々の用途およびプロセスに用いらる。これらには、エアゾルスプレー、農薬およびコーティングの用途、スプレー乾燥、加湿、混合、空調、および化学および石油精製プロセスが含まれる。多くの用途では、加圧された流体（アトマイジング剤の有無によらない）が、比較的小さなオリフィスを有するアトマイジングノズルを押し通される。アトマイジングは、オリフィスの下流側で起こり、そしてアトマイジングの程度は、オリフィスサイズ、オリフィスを横切る圧力低下、流体密度、粘度、および表面張力によって決まる。アトマイジングは、オリフィスサイズが減少し、圧力低下が増大するにつれて、増大し、液滴サイズは減少する。
【０００３】
比較的粘稠な流体が高い流速でアトマイジングされる程度を高めることは、とりわけＦＣＣプロセスで用いられるであろう重質石油原料に対して、特に魅力的である。ＦＣＣプロセスは、石油精製業において広く用いられ、主に高沸点石油が、ガソリン、ならびに灯油、ジェットおよびディーゼル燃料油、および加熱油などの中間留出油を含めて、より有用かつより低沸点の生成物に転化される。
【０００４】
ＦＣＣプロセスにおいては、多くの場合、予熱された原料は、スチームなどのアトマイジング促進流体と混合されて、原料のアトマイジングがアシストされる。アトマイジングされた原料は、ＦＣＣ反応域を含むライザーを通って流上する微粒子の高温分解触媒と接触する。反応域における油原料のより小さな液滴サイズは、特に残油などの重質原料物質をＦＣＣ原料中に組込んだ場合に、より多くの原料が有用な生成物に転化される結果をもたらす。いくつかの場合には、流上する触媒粒子に接触しない原料物質は、主としてメタンおよびコーク（一般的に望ましくない生成物）に熱分解する。したがって、アトマイジングされる油の液滴サイズを、好ましくはアトマイザーまたはノズルを横切って受入れ難くほどに高い圧力低下を伴うことなく、および／またはスチームまたは他のアトマイジング促進剤の量を増加することなく、減少させるための経済的に可能な手段を見出す努力が引続き試みられている。これらの努力の例は、米国特許第５，２８９，９７６号および同第５，１７３，１７５号に開示される。これらには、約４００〜１０００ミクロンの範囲の平均原料液滴サイズが示される。さらに、ＦＣＣプロセスの重質油原料、および同様に他のプロセスの他の流体を、より細かにアトマイジングする必要性がある。アトマイジングされる液体の液滴サイズが、３００ミクロン未満に低減されるであろう場合には、特に有用であろう。
【０００５】
発明の概要
本発明の一実施形態には、流体入口および流体出口を含む躯体を含む液体アトマイジング装置が含まれ、そしてこれは、衝突混合域およびせん断混合域を定めるように形成される。域は、入口および出口の間に配置される。流体入口には、流入する流体ストリームを少なくとも二つのストリームに分割するであろうスプリッターが含まれる。衝突混合域には、ある流体ストリームの少なくとも一部分を他の衝突されるストリームに衝突するように形成された少なくとも一つの衝突表面が含まれる。この場合、二つの衝突されるストリーム間の含み角は、約１２０゜〜２４０゜の間にある。せん断混合域は、第一の寸法および第二の寸法によって定められる断面積を有し、第一の寸法は流体出口の方向に躯体を通る長手軸に沿って減少する。
【０００６】
本発明の他の実施形態には、少なくとも一つの流体入口、少なくとも一つの流体出口、ならびに入口および出口の間に伸びる流体通路を含む躯体からなる液体アトマイジング装置が含まれる。通路は、衝突混合域、および衝突混合域の下流のせん断混合域を定める。また、通路は、躯体を通って伸びる長手軸に実質的に垂直であるように形成された少なくとも一つの衝突表面を定める。衝突表面は、通路を通って流れる流体の一部分に、放射上に内側方向の流れ（全体の流れ方向に対して垂直な方向で）を付与するように形成される。せん断混合域は、第一の寸法および第二の寸法によって定められる断面積を有し、第一の寸法は流体出口の方向に躯体を通る長手軸に沿って減少する。
【０００７】
本発明の他の実施形態には、（ａ）気相および液相からなる二相流体の少なくとも二つのストリームを形成する工程、（ｂ）ストリームを衝突混合域に送り、そこで各ストリームの少なくとも一部分が他のストリームの少なくとも一部分と衝突し、そして衝突されるストリーム間の含み角は約１７０゜および１９０゜の間にあり、単一の混合ストリームが形成される工程、（ｃ）単一の混合ストリームをせん断混合域に送り、せん断混合力を単一の混合ストリームに付与して、せん断混合ストリームを形成する工程、（ｄ）せん断混合ストリームをアトマイジング域に送り、その際気相が膨張して液相の表面積を増加し、それによって液滴噴霧を形成する工程を含む液滴噴霧を形成する方法が含まれる。
【０００８】
本発明の他の実施形態には、（ａ）気相および液相からなる二相流体の複数個のストリームを形成する工程、（ｂ）各ストリームの少なくとも一部分を、他のストリームの少なくとも一部分と衝突させて、単一の混合ストリームを形成し、その際衝突されるストリーム間の含み角は約１２０゜および２４０゜の間にある工程、（ｃ）単一の混合ストリームをせん断混合力に付し、それによってせん断混合ストリームを形成する工程、（ｄ）気相をせん断混合ストリーム内で膨張させ、それによって液体原料の液滴噴霧を形成する工程を含む液滴噴霧を形成する方法が含まれる。
【０００９】
本発明の他の実施形態には、（ａ）気相および液相からなる二相流体の少なくとも二つのストリームを形成し、液相はＦＣＣ原料を含む工程、（ｂ）ストリームを衝突混合域に送り、そこで各ストリームの少なくとも一部分が他のストリームの少なくとも一部分と衝突し、そして衝突されるストリーム間の含み角は約１２０゜および２４０゜の間にあり、それによって単一の混合ストリームを形成する工程、（ｃ）単一の混合ストリームをせん断混合域に送り、せん断混合力を単一の混合ストリームに付与して、せん断混合ストリームを形成する工程、（ｄ）せん断混合ストリームをアトマイジング域に送り、その際気相が膨張して液相の表面積を増加し、それによって液体原料の液滴噴霧を形成する工程、（ｅ）液体原料の液滴噴霧をＦＣＣ反応域中に送る工程、および（ｆ）液体原料の液滴を、接触分解条件下に接触分解触媒と接触させる工程を含む接触分解方法が含まれる。一実施形態においては、衝突域およびせん断混合域は、本明細書に記載のノズルの実施形態に含まれる。
【００１０】
本発明の他の実施形態には、（ａ）気相および液相からなる二相流体の複数個のストリームを形成し、液相はＦＣＣ原料を含む工程、（ｂ）各ストリームの少なくとも一部分を、他のストリームの少なくとも一部分と衝突させて、単一の混合ストリームを形成し、その際衝突されるストリーム間の含み角は、約１７０゜および１９０゜の間にある工程、（ｃ）単一の混合ストリームをせん断混合力に付し、それによってせん断混合ストリームを形成する工程、（ｄ）気相をせん断混合ストリーム内で膨張させ、それによって液体原料の液滴噴霧を形成する工程、および（ｅ）液体原料の液滴を、接触分解条件下に接触分解触媒と接触させる工程を含む接触分解方法が含まれる。
【００１１】
本発明の各方法および／または装置においては、衝突されるストリーム間の含み角は、より好ましくは約１７５゜および約１８０゜の間にあり、最も好ましくは約１８０゜である。
【００１２】
発明の詳細な説明
本明細書に用いられるように、流体が流れる領域または域の断面積は、図に示されるｘ軸に垂直な領域であり、その領域は、ｙ軸およびｚ軸の寸法によって定められる。本明細書に用いられるように、軸に「沿う」とは、図に示されるようにその軸に沿っているか、またはその軸に実質的に並行であることを意味する。本明細書に用いられるように、ノズル躯体、または流体通路の長手軸は、ｘ軸またはノズルを通る全体の流体流の軸に沿う。
【００１３】
ノズル１０中に供給される二相流体は、気体連続または液体連続であるか、または泡立った気泡であろう。この場合、片方または両方の相が連続しているかどうかは確実には知られない。これは、連続気泡スポンジおよび密閉気泡スポンジを引用してさらに理解されるであろう。スポンジは、典型的には空気：固体の容量比が１：１である。連続気泡スポンジは気体（空気）および固体の両方の連続であるが、密閉気泡スポンジは固体連続であり、それには不連続の（分散した）気体の気泡が含まれる。連続気泡スポンジにおいては、固体には、膜およびリガメント（例えば二相の気−液気泡または泡が存在するであろう）が含まれる。密閉気泡スポンジにおいては、気体は、不連続の気体小球が固体中に分散してなるであろう。いくつかのスポンジは、気相および液相からなる二相流体のいくつかのように、二つの中間にある。
【００１４】
気体連続であって、固体連続ではないスポンジを有することは不可能であるが、二相の気体および液体の流体（気体連続のみである）を有することは可能である。したがって、本発明の混合ノズル中に送られ、そこを通る流体の特定の形態は、常に確実に知られてはいない。ノズルに入る流体中には十分な気体が存在して、衝突およびせん断混合が液相の表面積を増大するであろう。これは、以下の低減に反映される。すなわち（ｉ）あらゆる液体の膜の厚さ、（ｉｉ）あらゆる液体の細流の厚さおよび／または長さ、および（ｉｉｉ）アトマイジング前またはアトマイジング中のいずれかにおける流体中のすべての液体小球のサイズである。実際問題として、ノズル１０における、および一つ以上のオリフィスを通る衝突およびせん断混合は、気相および液相からなる二相流体にのみ生じるであろう。
【００１５】
好ましくは、流体には、効率の良いせん断混合を得るために、容量基準で主として気体が含まれる（例えば容量測定で気体：液体の比率が少なくとも２：１）。ノズル１０を通って送られる単一相流体（例えば液体）は、動力学的エネルギーがノズル１０を横切る圧力低下に正比例して増大されるであろう。二相流体に関しては、気体速度は、次の場合に、液相の速度に比例して増大される。すなわち、（ｉ）衝突混合域２２において、（ｉｉ）せん断混合域２４において、および（ｉｉｉ）流体が、流体入口１４ａ（減圧オリフィス）の上流の流体導管よりも小さい断面積のオリフィスを通って送られる場合である。
【００１６】
気相および液相間の速度差により、特に高温のＦＣＣ原料油などの粘性液体との液体のリガメント化がもたらされる。リガメント化とは、液体が、伸びた小球、または細流を形成することを意味する。速度差は、せん断混合中に減少する。したがって、二相流体を減圧オリフィスを通して送ること、または二相流体を衝突混合域２２で混合することにより、気体および液体間に速度差が生じ、その速度差は、伸長されたリガメントおよび／または分散された液滴への液体のせん断に起因して、液体のリガメント化および／または液体の気体中への分散がもたらされる。液体のさらなるせん断は、流体がノズル１０の流体入口１４ａ（開口部２６、２６’）に入り、流体通路１４の内部に配置される一つ以上のアトマイジングオリフィスを通る際に生じる。また、さらなるせん断は、アトマイジングされた噴霧における究極の液滴サイズをますます減少させる。好ましくは、ノズル出口１４ｂ（オリフィス３０）の断面積は、流体開口２６、２６’の断面積の合計より小さい。
【００１７】
また、ノズル１０には、アトマイジング域６８が含まれるが、これはアトマイジングオリフィスの上流の圧力よりも低い圧力にある。域６８は、ノズル１０内に形成されるか、またはノズル１０に取付けられた噴霧分配器６４の部分とし形成されるであろう。したがって、アトマイジングオリフィスを通って送られる流体中の気体は、急速に膨張し、それによって液体の細流および／または液滴がアトマイジング域６８中に分散される。その細流は、アトマイジング中に二つ以上の液滴に破砕される。アトマイジング域は、せん断混合域２４より下流の別個の容易に認識できるオリフィスであるか、またはそれは、図６（ｂ）に示されるように、せん断混合域２４における最も小さい断面積の域６８からなるであろう。後者の場合に、流体のアトマイジングは、せん断混合域２４で始まる。
【００１８】
最も厳密な技術的意味で、アトマイジングは、スチームまたは他のアトマイジング気体がアトマイジングされる流体と混合する際に、またはそこにインジェクションされる際に、液体の表面積を大きくすることを指すであろう。本発明に関連して、アトマイジングとは、流体がアトマイジングオリフィスを通って送られる際に、液相が気相中の不連続量に破砕するか、または破砕し始め、そしてこれが、流体が下流に連続して流れながら連続し、そして液体が液滴の噴霧にアトマイジングされて、これが気相中に分散されることを意味する。
【００１９】
本発明には、液体をアトマイジングするための方法および装置の両方が含まれる。この場合、液体は、衝突およびせん断混合の両方を経験する。衝突混合およびせん断混合はいずれも、中空ノズル１０の内部を通って長手に伸びる流体通路１４内で生じる。このノズル１０により、少なくとも一つの膨張域２０、衝突混合域２２、およびせん断混合域２４が定められる。流体通路１４は、両端（流体入口１４ａ、流体出口１４ｂ）で開口する。流体入口１４ａは、ノズルの上流端部１６にあり、流体出口１４ｂはノズルの下流端部１８にある。
【００２０】
本発明の一プロセス実施形態においては、気体およびアトマイジングされる液体からなる二相流体の少なくとも二つの別個のストリームは、圧力下に、衝突混合域２２およびせん断混合域２４を通して、同時かつ連続的に送られる。衝突混合域２２においては、別個のストリームは、各ストリームの少なくとも一部分を他のストリームに衝突させるか、または突き当てることによって混合されて、単一の混合ストリームが形成される。
【００２１】
衝突混合域２２においては、別個のストリームは、衝突によって殆ど（＞５０％）が混合する。せん断混合とは、混合が主としてせん断力によって起こることを意味する。二つの流体ストリーム間の衝突混合は、ストリーム間の半角が少なくとも１５゜および９０゜までの範囲にあり、そして衝突ストリーム間の全含み角が約３０゜〜約１８０゜の範囲であり、そして最も激しい混沌混合をもたらす１８０゜である場合に起こる。せん断混合は、半角が約０°〜約１５°の範囲の場合に起こる。
【００２２】
実施の際には、衝突混合域２２の各流体ストリームの少なくとも一部分（例えば≧２０％）は、また下流の流れ方向に並行した流れ成分を有し、そのために域２２における全ての混合は、必ずしも衝突によって生じない。好ましい実施形態においては、各流体ストリームの少なくとも外側側面または周辺部分は、衝突混合域２２において、好ましくは流体の長手の流れ方向（通常のまたは全体の流体流れの方向）に垂直な９０°±３０°、より好ましくは９０°±１０°、より好ましくは９０°±５°、より好ましくは９０°±２°、最も好ましくは約９０°（または、図に示されるようにｙ軸に実質的に並行）で、もう一方にぶつかって方向付けられる。衝突混合域２２およびせん断混合域２４における流体の膨張は、最小限にされる。
【００２３】
衝突混合域２２、せん断混合域２４、およびアトマイジング域６８は、全て流体で通じている。衝突の後、混合されたストリームは、せん断混合域２４を通って送られ、そこで混合されたストリームのさらなる混合が起こる。衝突およびせん断混合域２２、２４には、流体通路１４の上流および下流部分のそれぞれが含まれる。衝突混合域２２の下流端部は、衝突混合域−せん断混合域の接点で、せん断混合域の上流端部と流体で通じる。衝突およびせん断混合によって流体に与えられる動力学的エネルギーは、単一ストリームを形成し、これはアトマイジングされた際に、小さな液滴を気体連続相に分散して生成する。ノズルを通過後、気相に分散された液滴または液体の小滴の平均サイズは、ノズルの上流よりも小さい（例えば少なくとも１０％、好ましくは少なくとも５０％小さい）。
【００２４】
せん断混合域２４は、噴霧分配器６４のアトマイザーまたはアトマイジング域６８と流体で通じるか、または本明細書で論じられるように、アトマイジング域６８は、せん断混合域２４の部分として配置されるであろう。
【００２５】
アトマイザーには、せん断混合域２４の最小断面積よりも小さな断面積を有するオリフィスが含まれる。それにより、それがより低圧のアトマイジング域６８に入った際に、アトマイザーを横切る圧力低下、および二相流体のさらなるせん断が生じる。例えば、図４（ａ）において、アトマイザーには、分配器の入口１５８またはノズルオリフィス３０が含まれる。このせん断は、さらに液滴サイズを減少する。流体がアトマイジング域６８中に送られた際に、それは急速に膨張し、アトマイジングされた液滴噴霧を形成する。この急速な膨張および液滴噴霧の形成はアトマイジングを含む。
【００２６】
せん断混合域２４の流体出口は、噴霧を望ましい形状に形成する噴霧分配器６４に流体で通じる。噴霧分配器６４は、アトマイジング域６８の部分からなり、そしてノズル１０の部分からなるか、またはならないであろう。噴霧分配器６４は、好ましくはアトマイジングの前に、液相の凝集を最小限にするのに用いられる。他の実施形態においては、せん断混合域２４は、両端部の中空の流体導管の開口、アトマイジングオリフィスおよび下流端部の噴霧分配器を含むアトマイザーに流体で通じる。この実施形態においては、流体流れの方向に垂直な導管の断面積は、好ましくはせん断混合域２４およびアトマイジングオリフィスの最も小さい断面積より大きい。これは、流体がアトマイザーを通って流れる際に、液相の凝塊または凝集を最小にする。
【００２７】
この方法および装置は、大量の高温原料油を、ＦＣＣ装置のライザー反応域中にアトマイジングして、比較的小さな原料液滴サイズを達成し、そして混合域２２、２４およびアトマイザーを横切る圧力低下を最小にして、アトマイジングされた原料液滴の液滴サイズを均一にするのに有用である。例えば、直径４インチのノズルを用いて、３０ポンド／秒の高温の油原料を、５０ポンド／平方インチ未満、好ましくは４０ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）未満のノズルを横切る圧力低下で、アトマイジングすることが可能である。ＦＣＣ原料油をアトマイジングするのに用いられる場合に、ノズル１０は、後述されるように、ノズル１０を収容する原料インジェクター１８２（図７参照）からなるであろう。典型的には、複数個の原料インジェクター１８２が用いられ、好ましくはライザー底部近傍にあるＦＣＣ反応域の上流端部の円周周りに配置される。高温原料油は、通常ノズル１０の上流でスチーム（および／または他の分散／アトマイジング気体）と混合されて、スチーム相および高温のＦＣＣ原料油液相からなる二相流体が形成される。また、この混合により、流れる二相流体の速度が高められる。ノズル１０の上流におけるスチームおよび油の混合は、典型的には、知られるように、スチームまたは他の分散気体のスパージング手段によって、原料インジェクター１８２内で達成される。
【００２８】
二相流体ストリームは、好ましくはスプリッター２８を用いて、二つの別個のストリームにスプリッティングまたは分割される。図５に示されるような一実施形態においては、両ストリームは、同時にスプリッター２８を流れ、そして二つの別個の流体開口２６、２６’を通って流れる。スプリッター２８は、流体入口１４ａの適切な位置に配置され、そしてスプリッター２８および流体通路１４が、少なくとも二つの流体開口２６、２６’を定めるであろう。流体開口２６、２６’は、好ましくは対称的に同一であり、そしてそれらは、流体通路１４の長手軸（図のｘ軸）に対して等距離かつ外側に間隔がおかれる。
【００２９】
衝突混合域２２においては、流れ成分が、各ストリームに与えられ、そして流体通路１４の長手軸に対して、放射状に内側に、好ましくは垂直に（すなわち、図に示されるようにｙ軸に沿って、または実質的に並行に）方向付けられる。流れ成分は、他のストリーム（放射状に内側に向けられる対応する流れ成分を有する）の少なくとも一部分に向けて方向付けられる。各ストリームの少なくとも一部分は、他方に衝突して、激しい衝突混合および付随する液滴サイズの減少がもたらされる。次いで、得られた混合流体のストリームは、せん断混合域２４中に送られ、衝突混合域２２で生じるよりも小さな圧力低下を伴ってさらに混合される。次いで、混合されたストリームは、より低圧のアトマイジング域６８中に送られる。
【００３０】
流体の流れ方向に垂直なアトマイジングオリフィスの断面積は、典型的には、流体をノズル１０に供給する流体導管１６４（図５参照）の断面積よりも小さい。これは、オリフィス３０を通ってより低圧のアトマイジング域６８中に流れる流体の速度増加をもたらす。好ましくは、また、オリフィス３０の断面積は、流体開口２６、２６’の断面積の合計よりも小さい。この速度増加により、気相の急速な膨張と共に二相流体のさらなるせん断がもたらされ、液滴サイズのさらなる減少がもたらされる。
【００３１】
噴霧分配器６４は、広がったファン形状であり、ファン形状の流体通路１５４がその上流端部および下流端部で開口してなる内部を有するであろう。噴霧分配器６４は、好ましくはアトマイジングオリフィスの下流側に隣接して配置されて、アトマイジングされた噴霧の形状が調整される。噴霧分配器６４は、ノズル１０の部分として形成されるか、または形成されないであろう。しかし、好ましくは、ピン結合を含めたあらゆる通常の手段によってノズル１０に取付けられる。噴霧分配器６４の他の実施形態は、図２（ａ）〜２（ｂ）を引用して記述される。
【００３２】
本発明の装置には、ノズルを通って伸びる長手軸（ｘ軸）を有する単一の流体通路１４を有するノズルが含まれ、そして単一の流体通路１４は、上流端部１６の流体入口１４ａに少なくとも二つの流体開口２６、２６’、および下流端部１８にオリフィス内で終わるであろう少なくとも一つの流体出口１４ｂを有する。入口１４ａおよび出口１４ｂは、長手軸の長手方向に間隔が置かれる。流体通路１４の衝突混合域２２の部分における断面積は、その下流端部において上流端部より小さい。流体通路１４のせん断混合域２４の部分における断面積の少なくとも一部分は、流体出口１４ｂの方向に縮小するかまたは収束する。一実施形態においては、流体通路１４は、少なくとも二組の間隔をおいて対向する側壁によって形成され、各組の各壁は、長手軸に対して等距離に間隔が置かれる。側壁間の領域は、全体として方形の断面を有する流体通路１４を定める。
【００３３】
流体通路１４領域の断面積は、ｙ軸の第一の寸法、またはｚ軸の第二の寸法のいずれかにおいて、少なくとも一対の対向壁の少なくとも一部分の間の距離が変化することによって変化するであろう。いくつかの実施形態においては、せん断混合域２４の断面積は、流体出口１４ｂの方向に減少または収束する。他の実施形態においては、せん断混合域２４の断面積は、流体出口１４ｂに向かう途中で減少し、域２４が出口１４ｂの方向に進むにつれて増大するであろう。断面積は、どちらの方向（第一の寸法または第二の寸法）にも、すなわちｚ軸またはｙ軸の沿って変化するであろう。流体通路１４の断面積は、流体開口２６、２６’に近い衝突混合域２２の上流端部で最も大きい。他の実施形態においては、せん断混合域２４の断面積は、ｙ軸に沿った距離がｚ軸に沿った距離と同じ割合で減少するであろうことから変化しないであろう。
【００３４】
図１（ａ）〜１（ｄ）は、ノズル１０の一実施形態を示す。ノズル１０には、躯体１２が含まれ、その内部には、流体入口１４ａ（開口部２６、２６’）および流体出口１４ｂを有する一つの単一の、通常は長手方向の流体通路１４が含まれる。流体通路１４は、ノズル１０の長手軸（ｘ軸）と一致する長手軸（ｘ軸）を有する。流体通路１４の上流端部および下流端部は、ノズル１０の上流端部１６および下流端部１８のそれぞれに配置される。
【００３５】
図１（ｂ）をみると、流体通路１４は、方形の断面を有し、３つの連続した域（膨張域２０、衝突混合域２２、およびせん断混合域２４）に分割される。そのいずれもが、隣接する域を直接に流体で繋いで流体で通じる。
【００３６】
図１（ａ）を参照すると、流体入口１４ａには、スプリッター２８によって分割された一対の対称的に同一の扇形状の流体開口２６、２６’が含まれる。スプリッター２８には、一般に、流体入口１４ａを二分する一般的な方形形状の板が含まれ、流動する二相流体のストリームが、流体開口２６、２６’を通って流れる二つの分離したストリームに分割される。スプリッター２８の端は、それぞれの流体入口２６、２６’の弦状部分を形成する。
【００３７】
流体通路１４の下流端部には、非円形の出口オリフィス３０が含まれる。この実施形態においては、オリフィス３０は、四角形状であり、一方他の形状もまた用いられるであろう。しかし、非円形オリフィス３０が好ましい。オリフィス３０には、アトマイザーまたはアトマイジング域６８の少なくとも一部分が含まれるか、または含まれないであろう。また、オリフィス３４の非円形形状は、円形または弓形のオリフィスの場合より、より均一なアトマイジングされた油のサイズ分布をもたらす。
【００３８】
図１（ｂ）〜１（ｄ）を参照すると、流体通路１４は、示されるように、異なる二対の対向する壁（３６−３８−２３）−（３６’−３８’−２３’）および３４−３４’によって形成される。壁３４および３４’は、同一、平坦で並行であり、形状が長方形であり、一方壁３６−３８−２３および３６’−３８’−２３’は対称的である。壁の対の同一点は、それぞれの壁の長手軸から等距離にあり、そして壁（３６−３８−２３）−３４および（３６’−３８’−２３’）−３４’の交点は、いくつかの実施形態においては弓状または完全半径状であるものの、それぞれ直角をなす。壁３６−３８−２３および３６’−３８’−２３’は、それぞれ、ノズル１０の長手軸に垂直な弓形または円形状で上流で始まって、原料導管１６４（図５参照）および流体開口２６、２６’の円形または弓形形状と実質的に適合する。流体通路１４の形状は、せん断混合域２４の入口にある段状部分３８−３８’（また、本明細書では衝突混合表面とも呼ばれる）まで、流体通路１４に沿って続く。せん断混合域２４においては、流体通路１４の形状は、オリフィス３０に続く一般的に平坦な４側面の形状に変化して、衝突混合の運動量がより効果的に利用されるであろう。
【００３９】
流体開口２６、２６’は、正反対に対向し、長手軸に対して放射状、等距離に間隔がおかれる。開口２６、２６’を組み合わせた断面積は、膨張域２０の断面積よりも小さいが、段状部分３８、３８’の丁度下流の断面積よりも大きく、せん断混合域２４に入る流体の圧力低下が低減される。流体開口２６、２６’は、図５に示されるように、その断面積が流体導管１６４の断面積よりも小さいことから、速度を増加する開口である。
【００４０】
図１（ｂ）を参照すると、二相流体ストリームは、スプリッター２８で二つの等しいストリームに分割され、そして開口２６、２６’を通って流体通路に入る。スプリッター２８を横切る圧力低下は、いくつかの適用に対しては高すぎ、そのために流体をノズルに導入するために、より低い圧力低下手段が用いられるであろう。開口２６、２６’を通って膨張域２０中に入る流れは、より軽質の気相はより重質の液相よりも迅速に加速することから、せん断力を付与する。膨張域２０は、アトマイジング域６８のように、流体が自由に膨張できない意味で、制御された膨張域２０である。膨張域２０により、それが存在しなければ他の状態にあるであろうものより、圧力低下が低減される。
【００４１】
両ストリームの少なくとも外周部分は、直角の段状部分（衝突表面）３８−３８’に直接突き当たるか、または衝突し、そして放射状に内側へ押し進められて、衝突混合域２２で他の衝突ストリームに直接衝突する。直角の衝突表面または段状部分３８−３８’を有する実施形態においては、衝突する流体間の含み角は、１８０°である。したがって、衝突表面は、ｘ軸に垂直なｙ−ｚ面で形成される。衝突により、両ストリームの放射状に内側へ向かう成分が、実質的に流体通路１４の長手軸に沿って方向付けられて、最大の衝突混合が形成される。
【００４２】
流体が下流に続くにつれて、断面積は下流方向で減少するせん断混合域２４に入り、流れの速度が増加し、そして主としてせん断力によって液滴サイズがさらに減少する。衝突混合域２２からせん断混合域２４への突然の変化はないものの、せん断混合は、実質的に段状部分３８−３８’の下流で始まる。せん断混合域２４を定める一対の対向壁２３、２３’は傾斜し、オリフィス３０へ向かって内側に収束する。せん断混合域２４の断面積の漸進的な減少は、流体速度を増大させ、そして最大流体速度は、好ましくはオリフィス３０で生じる。
【００４３】
示されない他の実施形態においては、気体および液体の二相混合物を含むあらゆる従来の素材源から得られる二つの別個の流体ストリームは、流体開口２６、２６’を通って流体通路１４中に送られる。この実施形態においては、二つの別個の原料ラインは、寸法どりされて、所望の流体入口速度が達成されるであろう。
【００４４】
図２（ａ）は、ノズル１０の他の実施形態を示し、これは複数個の積み重ねた金属小板５０〜６２から製作される。明瞭化のために、通路１４内の小板５０〜６２の交線は示されない。各金属小板は、小板を通って伸びる孔、溝穴、またはオリフィスとして、必要な通路をそこに有するように作製される。次いで、それらは、一緒に積み重ねられ、互いにボルト締めおよび／または拡散接合されて、ノズル１０が形成される。上流端部１６から始めると、小板５０には、図１（ｂ）で示されるものと同様のストリームスプリッター２８によって定められる二つの円形弓形状の開口２６、２６’を有する円板が含まれる。図２（ｄ）は、小板５６を示す。小板５６には、オリフィス１５の対向する側に二つの肩部８０、８０’が含まれる。肩部８０、８０’およびオリフィス１５は、衝突表面（段状部分）３８、３８’を適切に定めるように寸法どりされ、形成される。下流に進むにつれて、それぞれの引続く小板のオリフィス１５のサイズは、図１（ｂ）に示されるせん断混合域２４の収束と同様に減少する。各連続する円板５７〜６２の放射状に内側方向の段状部分のそれぞれは、肩部８０、８０’と同様に、多くの放射状に内側方向の運動量を流動する流体に付与するほどは大きくないものの、それらは、放射状に内側方向の混合成分を流動する流体に付与する。せん断混合域２４を定める小板のオリフィス１５は、変化する第一の寸法を有し、せん断混合域２４を定める各小板のオリフィス１５の第一の寸法は、その前の小板のオリフィス１５の第一の寸法よりも小さい。好ましくは、せん段混合域２４を定める少なくとも一つの小板のオリフィス１５は、変化する第二の寸法を有し、せん断混合域２４を定める各小板のオリフィス１５の第二の寸法は、その前の小板のオリフィス１５の第二の寸法よりも大きい。
【００４５】
図２（ａ）を参照すると、また、ノズル１０には、噴霧分配器６４が含まれる。これは、下流端部１０に配置され、流体出口１４ｂと流体で通じて、アトマイズされた液体の一般的に平坦なファン形状の噴霧が形成される。分配器６４は、溶接、ボルト締め、ロウ付け、または別の方法でノズル１０に取付けられ、その部分が形成される。示されるように、分配器６４には、フランジ６３が含まれ、分配器をノズル１０に効果的に取り付けることが可能となる。分配器６４は、そこを通って送られる通路７０（入口７０ａを含む）を有する。これは、オリフィス３０と実質的に同じサイズおよび／または同じ形状であるように形成され、一方通路７０の断面積は、所望の噴霧形状を形成するのを促進するために適切に変化するであろう。
【００４６】
通路７０は、下流に向かい、一般的に平坦な末広のファン形状の噴霧分配チップ７１（対向する壁６６−６６’および７４−７４’によって定められる）中に開口する。これは、ファン形状のアトマイジング域６８を定める。図２（ａ）に示されるように、アトマイジング域６８は、オリフィス７２方向に進んだ際に、垂直に（ｙ軸に沿って）収束または減少するであろう第一の寸法を有し、そのために第一の寸法は、出口でよりも入口で大きく、せん断混合の比率が制御される。しかし、いくつかの実施形態においては、域６８の第一の寸法は、一定のままであろう。アトマイジング域６８は、オリフィス７２方向に進んだ際に、（ｚ軸に沿って）末広がりまたは増加する第二の寸法を有し、そのために第二の寸法は、入口でよりも出口で大きい。チップ７１は、オリフィス７２で終わる。オリフィス７２は、外側に流れる噴霧方向に垂直に位置するであろう。そして、ｚ軸に沿って最も長い寸法を有し、好ましくは丸または完全半径状の端部（壁７４、７４’）を有する。壁７４、７４’は、一般に、同じの極率を有するが、いくつかの実施形態においては、極率は自由に選択されるであろう。好ましくは、その極率は円形状である。極率の好ましい半径は、ｙ軸における通路７０の寸法の約１／２である。必要ではないが、各壁７４、７４’の極率半径の中心は、一般にｙ軸の中心点（第一の寸法の中心点）の近くに配置される。第一の寸法がｘ軸に沿って変化する実施形態においては、極率半径もまた変化するであろう。
【００４７】
示されない別の実施形態においては、収束および／または末広がりの寸法は、異なる軸に沿うであろうが、好ましくは９０°分離した軸に沿うであろう。通路７０または域６８の第一および第二の寸法は、好ましくは対向する壁間の分離の最も広い点（すなわち、中心または長手軸または通路７０からの極率の最も広い点）で測られる。
【００４８】
一実施形態においては、ｚ軸に沿う入口７０ａの幅は、分配器の長さ（ｘ軸に沿って測られる）の少なくとも約１．５倍であり、出口オリフィス７２における幅は、入口７０ａの幅の少なくとも約１．５倍である。
【００４９】
流体出口オリフィス３０は、アトマイジング域６８および通路７０に入って、流体をさらにせん断し、液滴サイズをさらに減少させる。膨張域６８は、オリフィス３０より低圧であって、気相の急速な膨張をもたらして、液体がアトマイジングされ、液滴の噴霧が形成される。これは、さらに液滴をせん断し、そしてアトマイジングチップ７１のファン形状により、液滴のファン形状噴霧が形成され、図７に示されるように、ＦＣＣライザー反応器の反応域中に流れる。
【００５０】
図３は、ノズル１０の他の実施形態を示し、これは、他の実施形態について前に述べたようにして機能し、形成される。図３（ｃ）を見ると、出口オリフィス３０は、弧状の側端部１３０、１３０’（好ましくは完全半径状である）を有し、そして図２（ｂ）に示され、そして先に述べられたものと同様に、ｙ軸寸法より長いｚ軸寸法を有する。弧状の端部１３０、１３０’は、好ましくは完全半径状で、分配器６４の完全半径状の端部に一致する。図３（ｂ）および３（ｄ）に示されるように、せん断混合域２４は、二組の放射する対向物および対向壁１２６、１２６’および１３０、１３０’によって定められる。壁１２６、１２６’は下流に向かう流れ方向に内側に収束し、壁１３０、１３０’は下流に向かう流れ方向に外側に発散する。総合効果は、せん断混合域２４のほぼ全体に一定断面であるか、または減少または収束し、次いでせん断混合域２４における最小の断面積より約１０％〜５０％大きく発散または増加するもののいずれかである。
【００５１】
換言すれば、せん断混合域２４は、出口３０に進んで減少するｙ軸の第一の寸法、および好ましくは出口３０に進んで増加するｚ軸の第二の寸法を有する。
【００５２】
発散し、そして収束する壁のこの設計により、それを横切る流体の圧力低下が、図１に示される実施形態より低いせん断域２４が形成される。また、図１に示される実施形態と比較した場合に、せん断混合域２４における凝集の可能性が低減する。
【００５３】
せん断混合域２４への入口は、段状部分３８、３８’の放射状に内側方向の端部、および壁１２４−１３０および１２４’−１３０’の交差によって定められる。せん断混合域２４への入口の断面積は、開口２６、２６’の合計断面積より小さく、流体がせん断混合域２４中に流れた際に、流体の速度が増加される。この実施形態においては、せん断混合域２４の発散および収束により、流体流が、図３（ｃ）に示されるように、弧上端部を有するであろうほぼ方形の形状中に形づくられる。この形状により、ノズル１０から分配器６４への流体流のスムーズな移行が促進される。
【００５４】
図４（ａ）〜４（ｃ）は、図３（ａ）〜３（ｄ）に示される実施形態を、先に述べた通常の方式でノズル１０に取付けた噴霧分配器６４を加えて示す。噴霧分配器６４には、図９に示されるように、ファン形状の流体通路１５４を内側に含む一般的にファン形状の躯体１５２が含まれる。これは、対向し、そして外側に発散する壁１５５、１５５’（アトマイジング流体がファン形状噴霧に膨張するのを制御するのに役立つ）によって定められる。壁１５５、１５５’には、通路１５４の円形の完全半径状側端部が含まれ、これは好ましくは通路１５４の少なくとも軸に沿って発散して、ファン形状の噴霧がもたらされる。図３（ａ）〜３（ｄ）および４（ａ）〜４（ｃ）に示される実施形態には、示されるように、弧状の壁１２６、１２６’が含まれる。噴霧分配器６４への流体入口１５８は、形状がノズル１０のオリフィス３０に一致し、そして噴霧分配器６４の流体出口１６０は、液滴のアトマイジングされた噴霧が、ファン形状の噴霧に膨張しつづけることが出来るようにより大きい。通路１５４における圧力はノズルの流体通路１４におけるより低い。ノズル１０を出て流体通路１５４に入る混合流体は、液滴のファン形状の噴霧にアトマイジングして、図７に示されるように、出口１６０を通ってＦＣＣライザー反応中に流れる。図５は、上流の流体導管１６４と組合わせたアトマイジングノズル１０および分配器６４の破断図を示す。導管１６４は、流体入口１４ａ（開口２６、２６’）を通ってノズル１０に入る二相流体の流路をもたらす。
【００５５】
図６（ａ）〜６（ｃ）は、アトマイジングノズル１０の他の実施形態を示す。アトマイジング域１１５は、せん断混合域２４の部分として形成される。他のすべての点で、図６（ａ）〜６（ｃ）に示されるノズル１０は、既に述べた実施形態と同様に作動する。図６（ａ）に示されるように、流体の開口２６、２６’は、スプリッター２８を横切る圧力低下が顕著に大きくない場合には、完全に弧状の部分である必要はない。
【００５６】
図６（ｂ）を見ると、せん断混合域２４は、複雑な形状の流れ領域を有する。その断面積は、先ず減少し、次いでそれがオリフィス３０方向に進むにつれて増加する。６（ｂ）−６（ｂ）および６（ｃ）−６（ｃ）で切取られるノズルの二つの部分断面図を、図６（ｂ）および図６（ｃ）に示す。これは、せん断混合域２４のやや複雑な特性を示す。アトマイジング域１１５には、せん断混合域２４内に最小の断面積の領域または域が含まれる。域１１５は、好ましくはオリフィス３０に隣接して、または近傍に配置される。また、アトマイジング域１１５は、オリフィス３０で終わるであろう。オリフィス３０は、好ましくは先の実施形態で述べられ、そして示されるものと同じサイズおよび形状を有する。
【００５７】
示されるように、せん断混合域２４の第一の寸法は、せん断混合域２４の少なくとも一部分に対して第一の比率で流体出口１４ｂの方向に減少し、次いでせん断混合域２４の残りに対して第二の比率で流体出口１４ｂの方向に減少する。好ましくは、せん断混合域２４の第二の寸法は、せん断混合域２４の少なくとも一部分に対して第一の比率で流体出口１４ｂの方向に増加し、そしてせん断混合域２４の残りに対して第二の比率で流体出口１４ｂの方向に増加する。
【００５８】
操作に当たっては、二相流体が通路１４を通ってより低い圧力のアトマイジング域１１５中に流れる際に、アトマイジングは、アトマイジング域１１５のより低い圧力領域における急速な気体膨張、およびより高い密度（そして非圧縮性）の液相より軽質の圧縮性気体の急速な加速によって促進される。これにより、これらの速度がさらに殆ど等しくなるまで、相間のせん断が引起される。せん断力は、アトマイジング噴霧における液滴の究極的なサイズを減少させる。
【００５９】
ノズル１０は、多くの異なった方法で製作されるであろう。ロストワックスまたはインベスメント鋳造法が用いられるであろうし、または鍛造および他の鋳造法が用いられるであろう。ノズル１０は、適切なセラミックまたは金属物質、ならびにこれらの組合わせから製作されるであろう。図２（ａ）〜２（ｄ）に示されるように、積重ねた比較的に薄い金属板または小板の複数個を用いてノズル１０を製作し、それを通る流体通路１４を有する躯体１２を形成することは知られており、例えば米国特許第３，８８１，７０１号および同第５，４５５，４０１号に、ロケットモーターおよびプラズマトーチに有用であると開示される。また、この製作技術は、図１〜６に一般的に開示され、また示される実施形態を含めて、本発明のノズル１０を製作する際にも有用である。本発明のノズルは、この技術を用いて製作された。しかし、本発明は、このノズル製作技術を用いることに限定されるものではない。
【００６０】
ここで図７を参照すると、本明細書に述べられる一種以上の実施形態を組合わせたＦＣＣ原料のインジェクション装置１８０が示される。装置１８０には、中空の原料インジェクター１８２が、１８６、１８８により原料ノズル手段１８４に取付けられて含まれる。原料ノズル手段１８４は、ＦＣＣライザー２０６の壁１９０を通って、ライザー反応域１９２中に貫通する導管として示される。ライザー２０６は、図８により良く示されるが、好ましくは円筒形、中空の実質的に垂直に方向付けられた導管である。反応域１９２においては、アトマイジングされた油原料３００の少なくとも一部分は、流上する高温の触媒粒子と接触し、原料３００は、より有用でより低沸点の炭化水素生成物に分解される。便宜上、ライザー２０６の一部分のみが示される。
【００６１】
原料インジェクター１８２には、中空の導管１９４が含まれ、そこに予熱された油原料３００が原料ライン１９６を経て導入される。原料ライン１９６は、原料インジェクター１８２の上流部の壁とＴ結合を形成する。原料インジェクター１８２の下流部には、ノズル１０、好ましくは噴霧分配器６４が含まれる。便宜上、このいずれも箱として示される。噴霧分配器６４により、アトマイジングされた油原料３００の比較的平坦なファン形状の噴霧が、反応域１９２中に形成される。
【００６２】
スチームスパージング導管１９８は、インジェクション導管１９４より小さな直径または断面積を有するが、導管１９４の長手軸に伸びて、共軸に配列される。この実施形態においては、導管１９４，１９８の中心の長手軸は一致する。これにより、インジェクターの出口端部の上流で、高温の油原料３００の環状の流路１９７が得られる。スチーム導管１９８は、ノズル１０の上流で、インジェクション導管１９４の内側で終わる。複数個の孔またはオリフィス１９９が、導管１９８の下流端部辺りの円周に放射状に穴あけされる。孔１９８により、スチームが、放射上に外側かつ環状の流路１９７中にスパージングされ、そして流路１９７を通って流れる高温の油原料３００と混合されて、高温の油の小滴をスチーム中に分散してなる二相流体が形成されることが可能となる。油原料３００中にスパージングされるスチームの量は、典型的には高温の油原料３００の約１〜約５ｗｔ％の間である。得られた流体混合物は、典型的には容量基準で７５〜８５％のスチームおよび１５〜２５％の油原料３００を含むであろうが、先に述べたように、それを二つの別個のストリームに分割するノズル１０に送られ、ノズル１０に入って混合され、そして油原料３００がアトマイジングされる。
【００６３】
油原料の液滴３００のアトマイジングされた噴霧は、反応域１９２中に送られ、流上する高温の触媒粒子ストリーム（図示せず）と接触して、重質の油原料３００が望ましいより低沸点の生成物留分に接触分解される。
【００６４】
図８は、本発明の一種以上の実施形態が組込まれるであろう通常のＦＣＣプロセスを示す。ＦＣＣ装置２００には、ＦＣＣ反応器２０２および再生器２０４が含まれる。ＦＣＣ反応器２０２には、反応域１９２を含む原料ライザー２０６が含まれる。また、反応器２０２には、蒸気−触媒の分離域２１０、および複数個のバッフル２１４（家屋の勾配屋根に似た金属「シェッド」の配列に類似する）を含むストリッピング域２１２が含まれる。スチームなどの適切なストリッピング剤は、ライン２１６を経てストリッピング域中に導入される。ストリッピングされた使用済み触媒粒子は、トランスファーライン２１８を経て再生器２０４中に送られる。
【００６５】
予熱されたＦＣＣ原料は、ライン２２０を経てライザー２０６の基部中に原料インジェクション点２２４で送られる。予熱された原料３００は、予め設定された量のスチームと予混合されるか、または予混合されないであろう。図６に示される原料インジェクター１８２は、２２４に配置されるが、便宜上図８には示されない。実際問題として、図７に示されるものなどの複数個の原料インジェクター１８２が、ライザー２０６の円周周りに配置されるであろう。スチームは、ライン２２２を経て原料インジェクター１８２中に送られるであろう。高温の原料３００のアトマイジングされた液滴は、ライザー内で触媒粒子に接触する。これは気化し、そして原料がより軽質でより低沸点の留分に接触分解される。これには、ガソリン沸点範囲（典型的には１００゜〜４００゜Ｆ、すなわち３０゜〜２０５℃）の留分、同様により高い沸点のジェット燃料油、ディーゼル燃料油、灯油などが含まれる。
【００６６】
ＦＣＣ触媒には、適切な通常の接触分解触媒のいかなるものも含まれるであろう。触媒には、当業者に知られるように、ゼオライトモレキュラーシーブ分解成分を含むシリカおよびアルミナの混合物が含まれるであろう。
【００６７】
ＦＣＣ反応は、原料３００がライザー２０６内で高温の触媒と接触した際に開始が始まり、生成物の蒸気が分離域２１０内で使用済み触媒から分離されるまで続く。分解反応は、ストリッピング可能な炭化水素質物質、およびコークとして知られるストリッピング不可能な炭素質物質を堆積して、使用済み触媒粒子を形成する。これは、ストリッピングされてストリッピング可能な炭化水素が除去、回収されるであろう。次いで，触媒は、再生器でコークが燃焼し尽くされて再生される。
【００６８】
反応器２０２には、分離部２０２内にサイクロン（図示せず）が含まれる。サイクロンは、分解された炭化水素生成物の蒸気、および使用済み触媒粒子からストリッピングされた炭化水素（蒸気として）の両方を分離する。炭化水素の蒸気は、ライン２２６を経て排出される。炭化水素の蒸気は、典型的には蒸留装置または分留装置（図示せず）中に供給され、蒸気の凝縮可能な部分が液体に凝縮され、そして液体が個々の生成物ストリームに分留される。
【００６９】
使用済み触媒粒子は、ストリッピング域２１２に送られて、そこでスチームなどのストリッピング媒体と接触される。スチームは、ライン２１６を経てストリッピング域２１２中に送られ、そして分解反応中に触媒上に堆積したストリッピング可能な炭化水素質物質を除去する。これらの蒸気は、ライン２２６を経て他の生成物蒸気と共に排出される。バッフル２１４は、触媒粒子をストリッピング域２１２の幅を横切って均一に分散し、ストリッピング域２１２における触媒粒子の内部還流および逆混合を最小にする。使用済みのストリッピングされた触媒粒子は、トランスファーライン２１８を経てストリッピング域２１２の底部から除去され、再生器２０４内の流動床２２８中に送られる。
【００７０】
流動床２２８内の触媒粒子は、ライン２４０を経て再生器に入る空気に接触する。いくらかの触媒粒子は、分離域２４２中に上昇する。空気は、炭素堆積物を酸化または燃焼し尽くして、触媒粒子を再生し、そしてそれらを、典型的には約９５０゜〜１４００゜Ｆ（５１０゜〜７６０℃）の範囲の温度に加熱する。再生器２０４には、高温の再生触媒粒子を気体状の燃焼生成物、または煙道ガスから分離するサイクロン（図示せず）が含まれる。これには、主としてＣＯ２、ＣＯ、Ｈ２ＯおよびＮ２が含まれる。サイクロンにより、当業者に知られるように、再生触媒粒子がディプレグ（図示せず）を経て流動触媒床２２８中に下方へ送り戻される。
【００７１】
流動床２２８は、破線で示される気体分配グリッド２２４上に支持される。流動床２２８内の高温の再生触媒粒子は、ロート２４８（下降管２５０の頂部にその底部が接続される）の頂部に形成される堰２４６を溢流する。下降管２５０の底部は、再生触媒のトランスファーライン２５２に変わる。溢流する再生粒子は、ロート２４８、下降管２５０を通ってトランスファーライン２５２中に流下して、反応域１９２中に送り戻される。煙道ガスは、ライン２５４を経て再生器の頂部から除去される。
【００７２】
ＦＣＣプロセスで用いられるキャットクラッカー原料には、典型的には高沸点の非残油であるガス油が含まれる。例えば、減圧ガス油（ＶＧＯ）、直留（常圧）ガス油、軽質キャットクラッカー油（ＬＣＧＯ）およびコーカーガス油である。これらの油は、直留または常圧ガス油およびコーカーガス油と同様に、典型的には約４５０゜Ｆ（２３２℃）超、より一般的には約６５０゜Ｆ（３４３℃）超の初留点を有し、また約１１５０゜Ｆ（６２１℃）までの終点を有する。加えて、１０５０゜Ｆ（５６６℃）超（例えば１３００゜Ｆ（７０４℃）以上まで）の終点を有する一種以上の重質原料は、ＦＣＣ原料と混合されるであろう。これらの重質原料には、次のものが含まれる。例えば、全原油および抜頭原油、原油の常圧および減圧蒸留から得られる残油、アスファルトおよびアスファルテン、重質石油の熱分解から得られるタール油および循環油、タールサンド油、シェール油、石炭誘導油、合成原油などである。これらは、ＦＣＣ原料中に、混合物の約２〜５０ｖｏｌ％、より典型的には約５〜３０ｖｏｌ％の量で存在するであろう。
【００７３】
重質原料には、典型的には非常に高い含有量の望ましくない成分（芳香族、およびヘテロ原子、特に硫黄および窒素を含む化合物など）が含まれる。したがって、これらの原料は、知られるように、水素化、溶剤抽出、モレキュラーシーブなどの固体吸着剤などのプロセスによって、しばしば処理または品質向上されて、望ましくない化合物の量が低減される。
【００７４】
典型的なＦＣＣ反応のプロセス条件には、約８００゜〜１２００゜Ｆ（４２７゜〜６４８℃）、好ましくは８５０゜〜１１５０゜Ｆ（４５４゜〜６２１℃）、さらにより好ましくは９００゜〜１１５０゜Ｆ（４８２゜〜６２１℃）の温度、約５〜６０ｐｓｉｇ、好ましくは５〜４０ｐｓｉｇの圧力が、約０．５〜１５秒、好ましくは約１〜５秒の原料／触媒の接触時間、および約０．５〜１０、好ましくは２〜８の触媒：原料比と共に含まれる。ＦＣＣ原料は、８５０゜Ｆ（４５４℃）以下、好ましくは８００゜Ｆ（４２７℃）以下、典型的には約５００゜〜８００゜Ｆ（２６０゜〜４２７℃）の範囲以内の温度に予熱される。
【００７５】
本発明は、以下の制限しない実施例を引用してさらに理解されるであろう。
【００７６】
実施例
本実施例においては、図７に示されるものに設計が類似するアトマイジングインジェクターを、図４に示されるものに設計が類似するアトマイジングノズルの実施形態を用いて、商業的に認められたスロット−ファン設計（米国特許第５，１７３，１７５号に示されるものに類似する）と比較した。商業用ノズルは、方形の溝付きオリフィスを含む端部キャップを有するパイプを模した。これは、付設された下流方向に発散する平坦なファンのアトマイジングチップを有する。両ノズルには、ファン型のアトマイジング分配器またはチップが含まれ、そしてこれは、典型的な商業用ノズルのサイズの１／２のスケールで製作された。インジェクターは、ノズル設計を除いて両ケース共同じであった。両インジェクターは、平坦なファン形状の噴霧を形成し、そして水平に取付けられ、Ｍａｌｖｅｒｎ粒子計のレーザー光ビームの光路内で、垂直方向に最大幅の平坦なファン形状の噴霧を形成するように方向付けられた。この機器は、よく知られており、液体の噴霧特性を測定するのに用いられる。光回折パターンは、それぞれ特性液滴サイズの範囲と関連するが、フーリエ変換レンズによって多素子光検出器に焦点が合わせられる。光エネルギーの分布は、コンピューターによって対応する液滴サイズ分布に変換される。
【００７７】
ガス状窒素が気相を模して用いられ、そして液体の水が液相を模して用いられた。
【００７８】
比較の実施例の格子を、水および窒素流量を変えて実施し、そしてＳａｕｔｅｒ平均液滴直径を、Ｒｏｓｉｎ−Ｒａｍｍｉｅｒの分布関数を仮定して計算した。二つの異なるノズル設計について、結果を下表で比較した。
【００７９】
【表１】

Figure 2004500443
【００８０】
すべての場合において、比較の水および窒素流量で、本発明のノズルは、商業設計より小さなＳａｕｔｅｒ平均直径の液滴を有するアトマイジングされた噴霧を形成した。これにより、より良好なアトマイジングが、本発明のノズルを用いて達成されたことが示される。
【００８１】
本発明を実施する際には、種々の他の実施形態および変更形態は、上記した本発明の範囲および精神から逸脱することなく、当業者に自明であろうしまた当業者により容易に実施できると考えられる。したがって、本明細書に添付される請求の範囲は、上述された正確な記載に限定されるものではなく、むしろ請求は、本発明が関連する分野の当業者によりそれらの等価物として扱われるであろうすべての特徴および実施形態を含めて、本発明に帰属する特許を受けることができる新規性の特徴をすべて包含するものとみなされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１（ａ）は、ノズルの一実施形態について、ノズルの流体入口を望んで軸方向に下流方向を見た図を示す。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示される実施形態について、１（ｂ）−１（ｂ）軸に沿って切った断面の側面図を示す。図１（ｃ）は、図１（ａ）に示される実施形態について、ノズルの流体出口を望んで軸方向に上流方向を見た図を示す。図１（ｄ）は、図１（ａ）に示される実施形態について、図１（ｂ）に示す１（ｄ）−１（ｄ）軸に沿って切った上部断面図を示す。
【図２】
図２（ａ）は、ノズルの他の実施形態について断面の側面図を示す。図２（ｂ）は、図２（ａ）に示される実施形態について、ノズルの流体出口を望んで軸方向に上流方向を見た図を示す。図２（ｃ）は、図２（ａ）に示される実施形態について上部断面図を示し、これには噴霧分配器の一実施形態が組込まれる。図２（ｄ）は、図２（ａ）に示される実施形態を構成するのに用いられるであろう小板の実施形態である。明確のために、流体通路内の小板の線は、図２（ａ）および図２（ｃ）には示されない。
【図３】
図３（ａ）は、ノズルの他の実施形態について、ノズルの流体入口を望んで軸方向に下流方向を見た図を示す。図３（ｂ）は、図３（ａ）に示される実施形態について、３（ｂ）−３（ｂ）軸に沿って切った断面の側面図を示す。図３（ｃ）は、図３（ａ）に示される実施形態について、ノズルの流体出口を望んで軸方向に上流方向を見た図を示す。図３（ｄ）は、図３（ａ）に示される実施形態について、図３（ｃ）に示される３（ｄ）−３（ｄ）軸に沿って切った上部断面図を示す。
【図４】
図４（ａ）は、ノズルの他の実施形態について断面の側面図を示す。図４（ｂ）は、図４（ａ）に示される実施形態について、ノズルの流体出口を望んで軸方向に上流方向を見た図を示す。図４（ｃ）は、図４（ａ）に示される実施形態について上部断面図を示し、これには噴霧分配器の他の実施形態が組込まれる。
【図５】
図５は、ノズルに原料を供給する流体導管と液体でつながったノズル（および噴霧分配器）の断面図である。
【図６】
図６（ａ）は、ノズルの他の実施形態について、ノズルの流体入口を望んで軸方向に下流方向を見た図を示す。図６（ｂ）は、図６（ａ）に示される実施形態について、図６（ａ）に示される６（ｂ）−６（ｂ）軸に沿って切った断面の側面図を示す。図６（ｃ）は、図６（ａ）に示される実施形態について、図６（ａ）に示される６（ｃ）−６（ｃ）軸に沿って切った断面の側面図を示す。
【図７】
図７は、ノズルの実施形態を用いるＦＣＣ原料インジェクション装置の断面図を示す。
【図８】
図８は、ノズルの実施形態またはプロセスが組込まれるであろうＦＣＣ方法を示す。[0001]
Field of the invention
The present invention relates to a method and an apparatus for atomizing a liquid. That is, an apparatus and method used in combination with a fluid catalytic cracking (FCC) process that requires a high oil flow rate and a low pressure drop. The process involves forming a two-phase fluid mixture consisting of a hot feedstock and a dispersed gas such as steam, dividing the fluid mixture into two separate streams, and applying pressure to a shear mixing zone through an impingement mixing zone. Sending, recombining the stream into a single stream and sending it into a lower pressure atomizing zone, where atomizing occurs to form an atomized droplet spray.
[0002]
Background of the Invention
Fluid atomizing is well known and has a wide variety of uses and processes. These include aerosol spray, pesticide and coating applications, spray drying, humidification, mixing, air conditioning, and chemical and petroleum refining processes. In many applications, a pressurized fluid (with or without an atomizing agent) is forced through an atomizing nozzle having a relatively small orifice. Atomizing occurs downstream of the orifice, and the degree of atomizing depends on orifice size, pressure drop across the orifice, fluid density, viscosity, and surface tension. Atomizing increases as orifice size decreases and pressure drop increases, and droplet size decreases.
[0003]
Increasing the degree to which relatively viscous fluids are atomized at high flow rates is particularly attractive, especially for heavy petroleum feedstocks that will be used in FCC processes. FCC processes are widely used in the petroleum refining industry, where mainly high boiling petroleum oils are more useful and lower boiling, including gasoline and middle distillates such as kerosene, jet and diesel fuel oils, and heating oils. Converted to product.
[0004]
In FCC processes, a preheated feed is often mixed with an atomizing promoting fluid, such as steam, to assist in atomizing the feed. The atomized feed is contacted with a particulate, high-temperature cracking catalyst that flows through a riser containing an FCC reaction zone. The smaller droplet size of the oil feed in the reaction zone results in more feed being converted to useful products, especially when heavy feed materials such as resids are incorporated into the FCC feed. In some cases, the feedstock that does not come into contact with the rising catalyst particles thermally decomposes primarily to methane and coke (generally undesirable products). Thus, increasing the droplet size of the atomized oil, preferably without an unacceptably high pressure drop across the atomizer or nozzle, and / or increasing the amount of steam or other atomizing accelerator Rather, efforts are underway to find economically viable means to reduce. Examples of these efforts are disclosed in U.S. Patent Nos. 5,289,976 and 5,173,175. These show average feed droplet sizes ranging from about 400 to 1000 microns. Further, there is a need for finer atomizing the heavy oil feedstocks of the FCC process, and other fluids of other processes as well. It would be particularly useful if the droplet size of the atomized liquid would be reduced to less than 300 microns.
[0005]
Summary of the Invention
One embodiment of the present invention includes a liquid atomizing device including a skeleton including a fluid inlet and a fluid outlet, which is configured to define an impingement mixing zone and a shear mixing zone. The zone is located between the inlet and the outlet. The fluid inlet includes a splitter that will split the incoming fluid stream into at least two streams. The impingement mixing zone includes at least one impingement surface configured to impinge at least a portion of one fluid stream on another impinging stream. In this case, the included angle between the two impinging streams is between about 120 ° and 240 °. The shear mixing zone has a cross-sectional area defined by a first dimension and a second dimension, the first dimension decreasing along a longitudinal axis through the body in the direction of the fluid outlet.
[0006]
Another embodiment of the present invention includes a liquid atomizing device comprising a body including at least one fluid inlet, at least one fluid outlet, and a fluid passage extending between the inlet and the outlet. The passage defines an impingement mixing zone and a shear mixing zone downstream of the impingement mixing zone. The passage also defines at least one impingement surface formed to be substantially perpendicular to a longitudinal axis extending through the body. The impingement surface is configured to impart a radially inward flow (in a direction perpendicular to the overall flow direction) to a portion of the fluid flowing through the passage. The shear mixing zone has a cross-sectional area defined by a first dimension and a second dimension, the first dimension decreasing along a longitudinal axis through the body in the direction of the fluid outlet.
[0007]
Other embodiments of the present invention include (a) forming at least two streams of a two-phase fluid consisting of a gas phase and a liquid phase, and (b) sending the streams to an impingement mixing zone where at least a portion of each stream is provided. Impinges at least a portion of another stream, and the included angle between the impinging streams is between about 170 ° and 190 °, forming a single mixed stream; (c) a single mixed stream Sending the stream to a shear mixing zone and applying a shear mixing force to the single mixing stream to form a shear mixing stream; and (d) sending the shear mixing stream to an atomizing zone, where the gas phase expands. And increasing the surface area of the liquid phase, thereby forming a droplet spray.
[0008]
Other embodiments of the present invention include (a) forming a plurality of streams of a two-phase fluid comprising a gas phase and a liquid phase, and (b) combining at least a portion of each stream with at least a portion of another stream. Impinging to form a single mixed stream, wherein the included angle between the impinging streams is between about 120 ° and 240 °, (c) subjecting the single mixed stream to shear mixing force And thereby forming a shear-mix stream, and (d) expanding the gas phase within the shear-mix stream, thereby forming a droplet spray of the liquid feedstock. .
[0009]
Other embodiments of the present invention include (a) forming at least two streams of a two-phase fluid consisting of a gas phase and a liquid phase, wherein the liquid phase comprises an FCC feedstock, and (b) placing the stream in an impingement mixing zone. Feed, where at least a portion of each stream collides with at least a portion of the other streams, and the included angle between the colliding streams is between about 120 ° and 240 °, thereby forming a single mixed stream (C) sending a single mixing stream to a shear mixing zone and applying a shear mixing force to the single mixing stream to form a shear mixing stream; (d) transferring the shear mixing stream to an atomizing zone. Feeding, wherein the gas phase expands to increase the surface area of the liquid phase, thereby forming a droplet spray of the liquid raw material, (e) the droplet spray of the liquid raw material by FC Step sent to the reaction zone, and (f) the droplets of the liquid material includes a catalytic cracking process comprising contacting a catalytic cracking catalyst under catalytic cracking conditions. In one embodiment, the impact zone and the shear mixing zone are included in the nozzle embodiments described herein.
[0010]
Other embodiments of the present invention include: (a) forming a plurality of streams of a two-phase fluid consisting of a gas phase and a liquid phase, wherein the liquid phase comprises an FCC feedstock; and (b) at least a portion of each stream. Colliding with at least a portion of another stream to form a single mixed stream, wherein the included angle between the colliding streams is between about 170 ° and 190 °; Subjecting the mixed stream to a shear mixing force, thereby forming a shear mixed stream, (d) expanding the gas phase within the shear mixed stream, thereby forming a droplet spray of the liquid feedstock; e) A catalytic cracking method including a step of contacting a droplet of a liquid raw material with a catalytic cracking catalyst under catalytic cracking conditions.
[0011]
In each method and / or apparatus of the present invention, the included angle between the impinging streams is more preferably between about 175 ° and about 180 °, and most preferably about 180 °.
[0012]
Detailed description of the invention
As used herein, the cross-sectional area of a region or region through which fluid flows is the region perpendicular to the x-axis shown in the figure, which region is defined by the dimensions of the y-axis and the z-axis. As used herein, "along" an axis means along the axis, as shown in the figures, or substantially parallel to the axis. As used herein, the longitudinal axis of the nozzle body, or fluid passage, is along the x-axis or axis of the overall fluid flow through the nozzle.
[0013]
The two-phase fluid supplied into nozzle 10 may be gas-continuous or liquid-continuous, or may be foamy bubbles. In this case, it is not reliably known whether one or both phases are continuous. This will be further understood with reference to open and closed cell sponges. The sponge typically has a 1: 1 air: solid volume ratio. Open cell sponges are both gas (air) and solid open, while closed cell sponges are solid open, which includes discontinuous (dispersed) gas bubbles. In open-cell sponges, solids include membranes and ligaments (eg, where there may be two-phase gas-liquid bubbles or bubbles). In a closed cell sponge, the gas will consist of discrete gas globules dispersed in a solid. Some sponges are intermediate between the two, such as some of the two-phase fluids consisting of gas and liquid phases.
[0014]
It is not possible to have a sponge that is gas-continuous and not solid-continuous, but it is possible to have a two-phase gas and liquid fluid (only gas-continuous). Thus, the particular form of fluid that is fed into and through the mixing nozzle of the present invention is not always reliably known. There will be sufficient gas in the fluid entering the nozzle and impingement and shear mixing will increase the surface area of the liquid phase. This is reflected in the following reductions. That is, (i) the thickness of any liquid membrane, (ii) the thickness and / or length of any liquid trickle, and (iii) any liquid droplets in the fluid either before or during atomization. The size of the sphere. As a practical matter, impingement and shear mixing at nozzle 10 and through one or more orifices will only occur in a two-phase fluid consisting of a gas phase and a liquid phase.
[0015]
Preferably, the fluid contains predominantly gas on a volume basis to obtain efficient shear mixing (eg, a gas: liquid ratio of at least 2: 1 by volume measurement). The single-phase fluid (eg, liquid) delivered through nozzle 10 will have its kinetic energy increased in direct proportion to the pressure drop across nozzle 10. For a two-phase fluid, the gas velocity is increased in proportion to the velocity of the liquid phase when: That is, (i) in the impingement mixing zone 22, (ii) in the shear mixing zone 24, and (iii) the fluid is sent through an orifice of smaller cross-sectional area than the fluid conduit upstream of the fluid inlet 14a (decompression orifice). Is the case.
[0016]
The velocity difference between the gaseous and liquid phases leads to the ligamentation of the liquid, especially with viscous liquids such as hot FCC feedstocks. Ligamentation means that the liquid forms elongated globules or rivulets. The speed difference decreases during shear mixing. Thus, sending the two-phase fluid through a vacuum orifice, or mixing the two-phase fluid in the impingement mixing zone 22, creates a velocity difference between the gas and the liquid, which is caused by the extended ligament and / or dispersion. Due to the shearing of the liquid into the applied droplets, ligamentation of the liquid and / or dispersion of the liquid in the gas results. Further shearing of the liquid occurs as the fluid enters the fluid inlet 14 a (openings 26, 26 ′) of the nozzle 10 and passes through one or more atomizing orifices located inside the fluid passage 14. Also, additional shearing increasingly reduces the ultimate droplet size in the atomized spray. Preferably, the cross-sectional area of the nozzle outlet 14b (orifice 30) is smaller than the sum of the cross-sectional areas of the fluid openings 26, 26 '.
[0017]
The nozzle 10 also includes an atomizing zone 68, which is at a pressure lower than the pressure upstream of the atomizing orifice. Zone 68 may be formed in nozzle 10 or as part of spray distributor 64 attached to nozzle 10. Thus, the gas in the fluid sent through the atomizing orifice expands rapidly, whereby the trickle and / or droplets of the liquid are dispersed in the atomizing zone 68. The trickle is broken into two or more droplets during atomizing. The atomizing zone is a separate, easily recognizable orifice downstream from the shear mixing zone 24, or it is from the smallest cross-sectional area 68 in the shear mixing zone 24, as shown in FIG. Will be. In the latter case, the atomizing of the fluid begins at the shear mixing zone 24.
[0018]
In the strictest technical sense, atomizing refers to increasing the surface area of a liquid when steam or other atomizing gas is mixed with or injected into the fluid to be atomized. There will be. In the context of the present invention, atomizing means that as the fluid is sent through the atomizing orifice, the liquid phase breaks up or begins to break up into discrete quantities in the gas phase, and It is continuous, flowing continuously downstream, and means that the liquid is atomized into a spray of droplets, which are dispersed in the gas phase.
[0019]
The present invention includes both a method and an apparatus for atomizing a liquid. In this case, the liquid experiences both impingement and shear mixing. Both impingement mixing and shear mixing occur in a fluid passage 14 extending longitudinally through the interior of the hollow nozzle 10. The nozzle 10 defines at least one expansion zone 20, an impingement mixing zone 22, and a shear mixing zone 24. The fluid passage 14 opens at both ends (fluid inlet 14a, fluid outlet 14b). The fluid inlet 14a is at the upstream end 16 of the nozzle and the fluid outlet 14b is at the downstream end 18 of the nozzle.
[0020]
In one process embodiment of the present invention, at least two separate streams of a two-phase fluid consisting of a gas and a liquid to be atomized are simultaneously and continuously under pressure through an impingement mixing zone 22 and a shear mixing zone 24. Sent to In the impingement mixing zone 22, the separate streams are mixed by impinging or striking at least a portion of each stream with another stream to form a single mixed stream.
[0021]
In the collision mixing zone 22, the separate streams are mostly (> 50%) mixed by collision. Shear mixing means that mixing occurs primarily by shear forces. The impingement mixing between the two fluid streams is such that the half angle between the streams is at least in the range of 15 ° and up to 90 °, and the included angle between the impinging streams is in the range of about 30 ° to about 180 °; Occurs when the angle is 180 ° resulting in intense chaotic mixing. Shear mixing occurs when the half angle ranges from about 0 ° to about 15 °.
[0022]
In practice, at least a portion (eg, ≧ 20%) of each fluid stream in the impingement mixing zone 22 will also have a flow component parallel to the downstream flow direction, so that all mixing in the zone 22 will not necessarily be Not caused by collision. In a preferred embodiment, at least the outer side or peripheral portion of each fluid stream at the impingement mixing zone 22 is preferably 90 ° ± 30 ° perpendicular to the longitudinal flow direction of the fluid (the direction of normal or total fluid flow). °, more preferably 90 ° ± 10 °, more preferably 90 ° ± 5 °, more preferably 90 ° ± 2 °, most preferably about 90 ° (or substantially as shown in the figure, substantially along the y-axis). (Parallel), and is directed against the other. Fluid expansion in the impingement mixing zone 22 and shear mixing zone 24 is minimized.
[0023]
The impingement mixing zone 22, shear mixing zone 24, and atomizing zone 68 are all in fluid communication. After impact, the mixed stream is sent through a shear mixing zone 24 where further mixing of the mixed stream occurs. The impingement and shear mixing zones 22, 24 include respective upstream and downstream portions of the fluid passage 14. The downstream end of the impingement mixing zone 22 is a collision mixing zone-shear mixing zone junction and is in fluid communication with the upstream end of the shear mixing zone. The kinetic energy imparted to the fluid by impingement and shear mixing forms a single stream, which, when atomized, produces small droplets dispersed in a gaseous continuous phase. After passing through the nozzle, the average size of the droplets or droplets of liquid dispersed in the gas phase is smaller (eg, at least 10%, preferably at least 50% smaller) than upstream of the nozzle.
[0024]
The shear mixing zone 24 may be in fluid communication with an atomizer or atomizing zone 68 of the spray distributor 64, or the atomizing zone 68 may be disposed as part of the shear mixing zone 24, as discussed herein. There will be.
[0025]
The atomizer includes an orifice having a cross-sectional area smaller than the minimum cross-sectional area of the shear mixing zone 24. This causes a pressure drop across the atomizer as it enters the lower pressure atomizing zone 68 and further shearing of the two-phase fluid. For example, in FIG. 4 (a), the atomizer includes a distributor inlet 158 or nozzle orifice 30. This shearing further reduces the droplet size. As the fluid is pumped into the atomizing zone 68, it expands rapidly, forming an atomized droplet spray. This rapid expansion and formation of the droplet spray involves atomizing.
[0026]
The fluid outlet of the shear mixing zone 24 is in fluid communication with a spray distributor 64 that forms the spray into the desired shape. The spray distributor 64 consists of a part of the atomizing zone 68 and may or may not consist of a part of the nozzle 10. A spray distributor 64 is used to minimize liquid phase coalescence, preferably prior to atomizing. In another embodiment, the shear mixing zone 24 is in fluid communication with an atomizer that includes openings in a hollow fluid conduit at both ends, an atomizing orifice, and a spray distributor at a downstream end. In this embodiment, the cross-section of the conduit perpendicular to the direction of fluid flow is preferably larger than the smallest cross-section of the shear mixing zone 24 and the atomizing orifice. This minimizes agglomeration or agglomeration of the liquid phase as the fluid flows through the atomizer.
[0027]
The method and apparatus atomize large quantities of hot feedstock into the riser reaction zone of the FCC unit to achieve relatively small feed droplet sizes and reduce the pressure drop across the mixing zones 22, 24 and the atomizer. It is useful to minimize and uniform the droplet size of the atomized feed droplets. For example, using a 4 inch diameter nozzle, atomize a 30 lb / sec hot oil feed with a pressure drop across the nozzle of less than 50 lb / sq inch, preferably less than 40 lb / sq inch (psi). It is possible to do. When used to atomize an FCC feedstock, the nozzle 10 will consist of a feed injector 182 (see FIG. 7) housing the nozzle 10, as described below. Typically, a plurality of feed injectors 182 are used, preferably located around the circumference of the upstream end of the FCC reaction zone near the bottom of the riser. The hot feedstock is typically mixed with steam (and / or other dispersing / atomizing gas) upstream of the nozzle 10 to form a two-phase fluid consisting of a steam phase and a hot FCC feedstock liquid phase. This mixing also increases the velocity of the flowing two-phase fluid. Mixing of the steam and oil upstream of the nozzle 10 is typically accomplished in the feed injector 182 by steam or other dispersing gas sparging means, as is known.
[0028]
The two-phase fluid stream is split or split into two separate streams, preferably using a splitter 28. In one embodiment, as shown in FIG. 5, both streams flow simultaneously through splitter 28 and through two separate fluid openings 26, 26 '. The splitter 28 will be located at the appropriate location of the fluid inlet 14a, and the splitter 28 and the fluid passage 14 will define at least two fluid openings 26, 26 '. The fluid openings 26, 26 'are preferably symmetrically identical and they are equidistant and outwardly spaced with respect to the longitudinal axis of the fluid passage 14 (x-axis in the figure).
[0029]
In impingement mixing zone 22, a flow component is provided to each stream and radially inward, preferably perpendicular to the longitudinal axis of fluid passage 14 (ie, along the y-axis as shown). Or substantially parallel). The flow components are directed toward at least a portion of another stream (with corresponding flow components directed radially inward). At least a portion of each stream impinges on the other, resulting in vigorous impingement mixing and an associated reduction in droplet size. The resulting stream of mixed fluid is then sent into a shear mixing zone 24 and further mixed with a smaller pressure drop than occurs in the impingement mixing zone 22. The mixed stream is then sent into a lower pressure atomizing zone 68.
[0030]
The cross-sectional area of the atomizing orifice, which is perpendicular to the direction of fluid flow, is typically smaller than the cross-sectional area of the fluid conduit 164 (see FIG. 5) that supplies fluid to the nozzle 10. This results in an increased velocity of the fluid flowing through the orifice 30 and into the lower pressure atomizing zone 68. Preferably, also, the cross-sectional area of the orifice 30 is smaller than the sum of the cross-sectional areas of the fluid openings 26, 26 '. This increase in velocity results in further shearing of the two-phase fluid with rapid expansion of the gas phase, resulting in a further reduction in droplet size.
[0031]
The spray distributor 64 is in the form of a widened fan and will have an interior with a fan-shaped fluid passage 154 opening at its upstream and downstream ends. The spray distributor 64 is preferably located downstream of and adjacent to the atomizing orifice to regulate the shape of the atomized spray. The spray distributor 64 may or may not be formed as part of the nozzle 10. However, it is preferably attached to nozzle 10 by any conventional means, including pinning. Another embodiment of a spray distributor 64 is described with reference to FIGS. 2 (a) -2 (b).
[0032]
The apparatus of the present invention includes a nozzle having a single fluid passage 14 having a longitudinal axis (x-axis) extending through the nozzle, and the single fluid passage 14 having a fluid inlet 14a at the upstream end 16. At least two fluid openings 26, 26 'and at the downstream end 18 at least one fluid outlet 14b which will terminate in the orifice. Inlet 14a and outlet 14b are spaced longitudinally of the longitudinal axis. The cross-sectional area of the fluid passage 14 at the impingement mixing zone 22 is smaller at its downstream end than at its upstream end. At least a portion of the cross-sectional area at the portion of the shear mixing zone 24 of the fluid passage 14 decreases or converges in the direction of the fluid outlet 14b. In one embodiment, the fluid passage 14 is formed by at least two sets of spaced-apart opposing sidewalls, each wall of each set being equidistantly spaced with respect to the longitudinal axis. The area between the side walls defines a fluid passage 14 having a generally rectangular cross section.
[0033]
The cross-sectional area of the region of the fluid passage 14 changes due to a change in the distance between at least a portion of the at least one pair of opposing walls in either the first dimension of the y-axis or the second dimension of the z-axis. There will be. In some embodiments, the cross-sectional area of the shear mixing zone 24 decreases or converges in the direction of the fluid outlet 14b. In other embodiments, the cross-sectional area of the shear mixing zone 24 will decrease on its way to the fluid outlet 14b and will increase as the zone 24 moves toward the outlet 14b. The cross-sectional area will vary in either direction (first or second dimension), ie, along the z-axis or y-axis. The cross-sectional area of the fluid passage 14 is greatest at the upstream end of the impingement mixing zone 22 near the fluid openings 26, 26 '. In other embodiments, the cross-sectional area of the shear mixing zone 24 will not change because the distance along the y-axis will decrease at the same rate as the distance along the z-axis.
[0034]
1A to 1D show an embodiment of the nozzle 10. Nozzle 10 includes a body 12 having a single, usually longitudinal, fluid passage 14 having a fluid inlet 14a (openings 26, 26 ') and a fluid outlet 14b. . The fluid passage 14 has a longitudinal axis (x-axis) that coincides with the longitudinal axis (x-axis) of the nozzle 10. The upstream end and the downstream end of the fluid passage 14 are located at the upstream end 16 and the downstream end 18 of the nozzle 10, respectively.
[0035]
Referring to FIG. 1 (b), the fluid passage 14 has a rectangular cross section and is divided into three continuous zones (an expansion zone 20, an impact mixing zone 22, and a shear mixing zone 24). In each case, the adjacent area is directly connected with a fluid and communicates with the fluid.
[0036]
Referring to FIG. 1 (a), the fluid inlet 14a includes a pair of symmetrically identical fan-shaped fluid openings 26, 26 'divided by a splitter 28. Splitter 28 generally includes a generally rectangular plate that bisects fluid inlet 14a, dividing the flowing two-phase fluid stream into two separate streams flowing through fluid openings 26, 26 '. Is done. The ends of the splitter 28 form chords of the respective fluid inlets 26, 26 '.
[0037]
The downstream end of the fluid passage 14 includes a non-circular outlet orifice 30. In this embodiment, the orifice 30 is square shaped, while other shapes would also be used. However, a non-circular orifice 30 is preferred. Orifice 30 may or may not include at least a portion of an atomizer or atomizing area 68. Also, the non-circular shape of the orifice 34 results in a more uniform atomized oil size distribution than with a circular or arcuate orifice.
[0038]
Referring to FIGS. 1 (b) -1 (d), fluid passages 14 are shown as having two different pairs of opposing walls (36-38-23)-(36'-38'-23 ') and 34-34 '. Walls 34 and 34 'are identical, flat and parallel, rectangular in shape, while walls 36-38-23 and 36'-38'-23' are symmetric. The same point of the wall pair is equidistant from the longitudinal axis of each wall, and the intersection of the walls (36-38-23) -34 and (36'-38'-23 ')-34' is In some such embodiments, they are arcuate or full-radius, but at right angles. Walls 36-38-23 and 36'-38'-23 'each begin upstream in an arcuate or circular shape perpendicular to the longitudinal axis of nozzle 10 to feed conduit 164 (see FIG. 5) and fluid openings 26, respectively. 26 'substantially conforms to a circular or arcuate shape. The shape of the fluid passage 14 continues along the fluid passage 14 up to a step 38-38 'at the inlet of the shear mixing zone 24 (also referred to herein as an impingement mixing surface). In the shear mixing zone 24, the shape of the fluid passage 14 will change to a generally flat four-sided shape following the orifice 30, so that the momentum of impingement mixing will be more effectively utilized.
[0039]
The fluid openings 26, 26 'are diametrically opposed and are radially and equidistantly spaced relative to the longitudinal axis. The combined cross-sectional area of the openings 26, 26 'is smaller than the cross-sectional area of the expansion zone 20, but larger than the cross-sectional area just downstream of the steps 38, 38', causing a pressure drop of the fluid entering the shear mixing zone 24. Is reduced. The fluid openings 26, 26 'are speed increasing openings because their cross-sectional area is smaller than the cross-sectional area of the fluid conduit 164, as shown in FIG.
[0040]
Referring to FIG. 1 (b), the two-phase fluid stream is split into two equal streams at splitter 28 and enters the fluid passage through openings 26, 26 '. The pressure drop across splitter 28 is too high for some applications, so lower pressure drop means will be used to introduce fluid to the nozzle. Flow entering the expansion zone 20 through the openings 26, 26 'imparts shear because the lighter gas phase accelerates faster than the heavier liquid phase. The expansion zone 20 is a controlled expansion zone 20 in the sense that the fluid cannot expand freely like the atomizing zone 68. The expansion zone 20 reduces pressure drop over what would otherwise be present.
[0041]
At least the outer peripheral portion of both streams directly abuts or collides with a right angled step (collision surface) 38-38 'and is forced radially inward to directly collide with the other colliding streams at the collision mixing zone 22. collide. In embodiments having a right angle impingement surface or step 38-38 ', the included angle between impinging fluids is 180 degrees. Thus, the collision surface is formed in the yz plane perpendicular to the x-axis. The impingement directs the radially inward components of both streams substantially along the longitudinal axis of the fluid passage 14 to form maximum impingement mixing.
[0042]
As the fluid continues downstream, the cross-sectional area enters the decreasing shear mixing zone 24 in the downstream direction, increasing the velocity of the flow, and further reducing the droplet size, primarily due to shear forces. Although there is no sudden change from impingement mixing zone 22 to shear mixing zone 24, shear mixing begins substantially downstream of steps 38-38 '. A pair of opposed walls 23, 23 ′ defining a shear mixing zone 24 are inclined and converge inward toward the orifice 30. The gradual decrease in the cross-sectional area of the shear mixing zone 24 increases the fluid velocity, and the maximum fluid velocity preferably occurs at the orifice 30.
[0043]
In another embodiment not shown, two separate fluid streams from any conventional source, including a two-phase mixture of gas and liquid, are directed into fluid passage 14 through fluid openings 26, 26 '. . In this embodiment, the two separate feed lines would be sized to achieve the desired fluid inlet velocity.
[0044]
FIG. 2 (a) shows another embodiment of the nozzle 10, which is made from a plurality of stacked metal platelets 50-62. For clarity, the intersection of platelets 50-62 in passage 14 is not shown. Each metal platelet is made to have the necessary passages therein, as holes, slots, or orifices extending through the platelet. They are then stacked together and bolted and / or diffusion bonded together to form the nozzle 10. Starting from the upstream end 16, platelets 50 include a disk having two circular arc-shaped openings 26, 26 'defined by a stream splitter 28 similar to that shown in FIG. 1 (b). . FIG. 2D shows the small plate 56. Platelet 56 includes two shoulders 80, 80 'on opposite sides of orifice 15. The shoulders 80, 80 'and the orifices 15 are dimensioned and formed to appropriately define the impact surfaces (steps) 38, 38'. As proceeding downstream, the size of each subsequent platelet orifice 15 decreases, similar to the convergence of the shear mixing zone 24 shown in FIG. 1 (b). Each of the radially inwardly stepped portions of each successive disk 57-62, like the shoulders 80, 80 ', is not large enough to impart much radially inward momentum to the flowing fluid. However, they impart a radially inward mixing component to the flowing fluid. The platelet orifice 15 defining the shear mixing zone 24 has a varying first dimension, and the first dimension of each platelet orifice 15 defining the shear mixing zone 24 is determined by the preceding platelet orifice 15. Smaller than the first dimension. Preferably, the at least one platelet orifice 15 defining the step mixing zone 24 has a varying second dimension and the second dimension of each platelet orifice 15 defining the shear mixing zone 24 is It is larger than the second dimension of the orifice 15 of the previous platelet.
[0045]
Referring to FIG. 2A, the nozzle 10 further includes a spray distributor 64. It is located at the downstream end 10 and is in fluid communication with the fluid outlet 14b to form a generally flat fan-shaped spray of atomized liquid. The distributor 64 is welded, bolted, brazed, or otherwise attached to the nozzle 10 to form a portion thereof. As shown, the distributor 64 includes a flange 63 to allow the distributor to be effectively attached to the nozzle 10. The distributor 64 has a passage 70 (including an inlet 70a) routed therethrough. It is formed to be substantially the same size and / or the same shape as the orifice 30, while the cross-sectional area of the passage 70 is suitably varied to facilitate forming the desired spray shape. Would.
[0046]
Passageway 70 opens downstream and opens into a generally flat, divergent fan-shaped spray distribution tip 71 (defined by opposing walls 66-66 'and 74-74'). This defines a fan-shaped atomizing zone 68. As shown in FIG. 2 (a), the atomizing zone 68 has a first dimension that will converge or decrease vertically (along the y-axis) when proceeding toward the orifice 72, To that end, the first dimension is larger at the inlet than at the outlet, controlling the rate of shear mixing. However, in some embodiments, the first dimension of area 68 will remain constant. The atomizing zone 68 has a second dimension that diverges or increases (along the z-axis) as it proceeds in the direction of the orifice 72, so that the second dimension is greater at the outlet than at the inlet. Tip 71 terminates in orifice 72. The orifice 72 will be located perpendicular to the outward spray direction. It has the longest dimension along the z-axis and preferably has round or full radius ends (walls 74, 74 '). The walls 74, 74 'generally have the same polarities, but in some embodiments, the polarities will be freely chosen. Preferably, the polarities are circular. A preferred radius of curvature is about one-half the dimension of the passage 70 in the y-axis. Although not required, the center of the radius of curvature of each wall 74, 74 'is generally located near the center point of the y-axis (the center point of the first dimension). In embodiments where the first dimension varies along the x-axis, the radius of curvature will also vary.
[0047]
In another embodiment not shown, the dimensions of the convergence and / or divergence will be along different axes, but preferably along axes separated by 90 °. The first and second dimensions of passage 70 or zone 68 are preferably measured at the widest point of separation between opposing walls (ie, the center or longitudinal axis or the point of greatest curvature from passage 70).
[0048]
In one embodiment, the width of the inlet 70a along the z-axis is at least about 1.5 times the length of the distributor (measured along the x-axis) and the width at the outlet orifice 72 is At least about 1.5 times the width.
[0049]
Fluid exit orifice 30 enters atomizing zone 68 and passage 70 to further shear fluid and further reduce droplet size. The expansion zone 68 is at a lower pressure than the orifice 30 and provides for rapid expansion of the gas phase to atomize the liquid and form a spray of droplets. This further shears the droplets, and the fan shape of the atomizing tip 71 forms a fan-shaped spray of droplets, which flows into the reaction zone of the FCC riser reactor, as shown in FIG.
[0050]
FIG. 3 shows another embodiment of the nozzle 10, which functions and is formed as described above for the other embodiments. 3 (c), the outlet orifice 30 has arcuate side ends 130, 130 '(preferably full radius) and is shown in FIG. 2 (b) and described above. It has a z-axis dimension that is longer than the y-axis dimension, similar to what has been done. The arcuate ends 130, 130 'are preferably full radius and correspond to the full radius ends of the distributor 64. As shown in FIGS. 3 (b) and 3 (d), the shear mixing zone 24 is defined by two sets of radiating opponents and opposing walls 126, 126 'and 130, 130'. The walls 126, 126 'converge inward in the downstream flow direction and the walls 130, 130' diverge outward in the downstream flow direction. The overall effect is either a constant cross-section over substantially the entire shear mixing zone 24, or a reduction or convergence, then diverging or increasing about 10% to 50% greater than the smallest cross-sectional area in the shear mixing zone 24. is there.
[0051]
In other words, the shear mixing zone 24 has a first dimension on the y-axis that decreases toward the outlet 30 and preferably a second dimension on the z-axis that increases toward the outlet 30.
[0052]
This design of the diverging and converging walls creates a shear zone 24 where the pressure drop of the fluid across it is lower than in the embodiment shown in FIG. Also, the possibility of agglomeration in the shear mixing zone 24 is reduced when compared to the embodiment shown in FIG.
[0053]
The entrance to the shear mixing zone 24 is defined by the radially inward ends of the steps 38, 38 'and the intersection of the walls 124-130 and 124'-130'. The cross-sectional area of the inlet to the shear mixing zone 24 is less than the total cross-sectional area of the openings 26, 26 ', so that as the fluid flows into the shear mixing zone 24, the velocity of the fluid is increased. In this embodiment, the divergence and convergence of the shear mixing zone 24 causes the fluid flow to be shaped into a generally square shape that will have an arc top, as shown in FIG. 3 (c). This shape facilitates a smooth transition of the fluid flow from nozzle 10 to distributor 64.
[0054]
FIGS. 4 (a) -4 (c) show the embodiment shown in FIGS. 3 (a) -3 (d) with the addition of a spray distributor 64 attached to the nozzle 10 in the usual manner described above. . The spray distributor 64 includes a generally fan-shaped skeleton 152 having a fan-shaped fluid passage 154 therein as shown in FIG. This is defined by opposed and outwardly diverging walls 155, 155 ', which help control the expansion of the atomizing fluid into a fan-shaped spray. The walls 155, 155 'include a circular full radial end of the passage 154, which preferably diverges at least along the axis of the passage 154 to provide a fan-shaped spray. The embodiments shown in FIGS. 3 (a) -3 (d) and 4 (a) -4 (c) include arcuate walls 126, 126 'as shown. The fluid inlet 158 to the spray distributor 64 conforms in shape to the orifice 30 of the nozzle 10 and the fluid outlet 160 of the spray distributor 64 allows the atomized spray of droplets to expand into a fan-shaped spray. Greater to be able to continue. The pressure in passage 154 is lower than in fluid passage 14 of the nozzle. The mixed fluid exiting the nozzle 10 and entering the fluid passage 154 atomizes into a fan-shaped spray of droplets and flows through the outlet 160 during the FCC riser reaction, as shown in FIG. FIG. 5 shows a cutaway view of the atomizing nozzle 10 and distributor 64 in combination with an upstream fluid conduit 164. Conduit 164 provides a flow path for the two-phase fluid entering nozzle 10 through fluid inlet 14a (openings 26, 26 ').
[0055]
FIGS. 6A to 6C show another embodiment of the atomizing nozzle 10. The atomizing zone 115 is formed as part of the shear mixing zone 24. In all other respects, the nozzle 10 shown in FIGS. 6 (a) -6 (c) operates similarly to the previously described embodiment. As shown in FIG. 6 (a), the fluid openings 26, 26 'need not be completely arcuate if the pressure drop across the splitter 28 is not significantly greater.
[0056]
Referring to FIG. 6B, the shear mixing zone 24 has a complicatedly shaped flow zone. Its cross-sectional area first decreases and then increases as it progresses toward orifice 30. FIGS. 6 (b) and 6 (c) show two partial cross-sectional views of the nozzle taken at 6 (b) -6 (b) and 6 (c) -6 (c). This shows a somewhat complicated characteristic of the shear mixing zone 24. The atomizing zone 115 includes a region or zone of minimum cross-sectional area within the shear mixing zone 24. Zone 115 is preferably located adjacent to or near orifice 30. Also, the atomizing zone 115 will end with the orifice 30. The orifice 30 preferably has the same size and shape as described and shown in the previous embodiment.
[0057]
As shown, the first dimension of the shear mixing zone 24 decreases in the direction of the fluid outlet 14 b at a first ratio to at least a portion of the shear mixing zone 24, and then to the remainder of the shear mixing zone 24. It decreases in the direction of the fluid outlet 14b at the second rate. Preferably, the second dimension of the shear mixing zone 24 increases in a direction toward the fluid outlet 14b at a first ratio relative to at least a portion of the shear mixing zone 24 and the second dimension relative to the remainder of the shear mixing zone 24. In the direction of the fluid outlet 14b.
[0058]
In operation, as the two-phase fluid flows through the passage 14 into the lower pressure atomizing zone 115, the atomizing causes rapid gas expansion in the lower pressure region of the atomizing zone 115, and higher density. It is facilitated by the rapid acceleration of a compressible gas lighter than the (and incompressible) liquid phase. This causes interphase shear until the velocities are more or less equal. Shearing forces reduce the ultimate size of the droplets in the atomizing spray.
[0059]
Nozzle 10 may be manufactured in many different ways. Lost wax or investment casting may be used, or forging and other castings may be used. Nozzle 10 will be fabricated from a suitable ceramic or metal material, as well as combinations thereof. As shown in FIGS. 2A to 2D, the nozzle 10 is manufactured using a plurality of stacked relatively thin metal plates or platelets, and the body 12 having the fluid passage 14 passing therethrough is formed. Forming is known and is disclosed, for example, in U.S. Pat. Nos. 3,881,701 and 5,455,401 to be useful for rocket motors and plasma torches. This fabrication technique is also useful in fabricating the nozzle 10 of the present invention, including the embodiments generally disclosed and shown in FIGS. The nozzle of the present invention was manufactured using this technique. However, the present invention is not limited to using this nozzle fabrication technique.
[0060]
Referring now to FIG. 7, there is shown an FCC feedstock injection device 180 that combines one or more embodiments described herein. Apparatus 180 includes a hollow feed injector 182 attached to feed nozzle means 184 by 186,188. Feed nozzle means 184 is shown as a conduit passing through wall 190 of FCC riser 206 and into riser reaction zone 192. Riser 206 is better shown in FIG. 8, but is preferably a cylindrical, hollow, substantially vertically oriented conduit. In reaction zone 192, at least a portion of the atomized oil feedstock 300 is contacted with the hot catalyst particles flowing upward, and feedstock 300 is decomposed into more useful, lower boiling hydrocarbon products. For convenience, only a portion of riser 206 is shown.
[0061]
Feed injector 182 includes a hollow conduit 194 into which preheated oil feed 300 is introduced via feed line 196. The feed line 196 forms a T-bond with the upstream wall of the feed injector 182. Downstream of the feed injector 182 includes the nozzle 10, preferably the spray distributor 64. For convenience, both are shown as boxes. The spray distributor 64 forms a relatively flat fan-shaped spray of the atomized oil feedstock 300 in the reaction zone 192.
[0062]
The steam sparging conduit 198 has a smaller diameter or cross-sectional area than the injection conduit 194, but extends along the longitudinal axis of the conduit 194 and is coaxially arranged. In this embodiment, the central longitudinal axes of the conduits 194, 198 coincide. Thereby, an annular flow path 197 of the high-temperature oil feedstock 300 is obtained upstream of the outlet end of the injector. The steam conduit 198 terminates upstream of the nozzle 10 and inside the injection conduit 194. A plurality of holes or orifices 199 are drilled radially around the downstream end of conduit 198. The holes 198 cause the steam to be sparged radially outward and into the annular flow path 197 and mixed with the hot oil feed 300 flowing through the flow path 197 to displace hot oil droplets into the steam. A dispersed two-phase fluid can be formed. The amount of steam sparged into the oil feed 300 is typically between about 1 to about 5 wt% of the hot oil feed 300. The resulting fluid mixture will typically contain 75-85% steam and 15-25% oil feed 300 by volume, but as described above, separates it into two separate streams. The oil feed 300 is atomized, is mixed into the nozzle 10, and is atomized.
[0063]
The atomized spray of oil feed droplets 300 is directed into reaction zone 192 and contacts a rising hot catalyst particle stream (not shown) to provide a lower than desired heavy oil feed 300. It is catalytically cracked to a boiling product fraction.
[0064]
FIG. 8 illustrates a typical FCC process in which one or more embodiments of the present invention may be incorporated. The FCC device 200 includes an FCC reactor 202 and a regenerator 204. FCC reactor 202 includes a feed riser 206 that includes a reaction zone 192. The reactor 202 also includes a vapor-catalyst separation zone 210 and a stripping zone 212 that includes a plurality of baffles 214 (similar to an array of metal "sheds" similar to a sloping roof of a house). A suitable stripping agent, such as steam, is introduced into the stripping zone via line 216. The stripped spent catalyst particles are sent via transfer line 218 into regenerator 204.
[0065]
The preheated FCC feed is sent via line 220 into the base of riser 206 at feed injection point 224. The preheated feedstock 300 will be premixed with a preset amount of steam or will not be premixed. The raw material injector 182 shown in FIG. 6 is located at 224, but is not shown in FIG. 8 for convenience. In practice, a plurality of feed injectors 182, such as the one shown in FIG. 7, will be disposed around the circumference of riser 206. The steam will be sent into feed injector 182 via line 222. The atomized droplets of hot raw material 300 contact the catalyst particles in the riser. This vaporizes and the feed is catalytically cracked to a lighter, lower boiling fraction. This includes fractions in the gasoline boiling range (typically 100 ° -400 ° F., ie, 30 ° -205 ° C.), as well as higher boiling jet fuels, diesel fuels, kerosene, and the like.
[0066]
The FCC catalyst will include any suitable conventional catalytic cracking catalyst. The catalyst will include a mixture of silica and alumina with a zeolite molecular sieve cracking component, as known to those skilled in the art.
[0067]
The FCC reaction begins when feedstock 300 contacts the hot catalyst in riser 206 and continues until product vapor is separated from spent catalyst in separation zone 210. The cracking reaction deposits the strippable hydrocarbonaceous material and the non-strippable carbonaceous material known as coke to form spent catalyst particles. This will be stripped to remove and recover the strippable hydrocarbons. Next, the catalyst is regenerated by burning out the coke in the regenerator.
[0068]
The reactor 202 includes a cyclone (not shown) in the separation unit 202. The cyclone separates both the cracked hydrocarbon product vapor and the stripped hydrocarbon (as vapor) from the spent catalyst particles. The hydrocarbon vapor is discharged via line 226. The hydrocarbon vapor is typically fed into a distillation or fractionation unit (not shown), the condensable portion of the vapor is condensed into a liquid, and the liquid is fractionated into individual product streams. You.
[0069]
The spent catalyst particles are sent to a stripping zone 212 where they are contacted with a stripping medium such as steam. The steam is sent via line 216 into stripping zone 212 and removes the strippable hydrocarbonaceous material deposited on the catalyst during the cracking reaction. These vapors are discharged along with other product vapors via line 226. The baffle 214 distributes the catalyst particles evenly across the width of the stripping zone 212 and minimizes internal reflux and backmixing of the catalyst particles in the stripping zone 212. Spent stripped catalyst particles are removed from the bottom of stripping zone 212 via transfer line 218 and sent to fluidized bed 228 in regenerator 204.
[0070]
The catalyst particles in the fluidized bed 228 contact the air entering the regenerator via line 240. Some catalyst particles rise into separation zone 242. The air oxidizes or burns off the carbon deposits to regenerate the catalyst particles and heats them to a temperature typically in the range of about 950-1400F (510-760C). The regenerator 204 includes a cyclone (not shown) that separates hot regenerated catalyst particles from gaseous combustion products or flue gas. This includes mainly CO2 2 , CO, H 2 O and N 2 Is included. The cyclone sends regenerated catalyst particles down a dipreg (not shown) back into the fluidized catalyst bed 228, as known to those skilled in the art.
[0071]
Fluidized bed 228 is supported on gas distribution grid 224, shown in dashed lines. The hot regenerated catalyst particles in the fluidized bed 228 overflow the weir 246 formed at the top of the funnel 248 (the bottom of which is connected to the top of the downcomer 250). The bottom of the downcomer 250 turns into a transfer line 252 for the regenerated catalyst. The overflowing regenerated particles flow down through the funnel 248 and the downcomer 250 into the transfer line 252 and are sent back into the reaction zone 192. Flue gas is removed from the top of the regenerator via line 254.
[0072]
Cat cracker feedstocks used in the FCC process include gas oils, which are typically high boiling, non-residual oils. For example, reduced pressure gas oil (VGO), straight run (normal pressure) gas oil, light cat cracker oil (LCGO) and coker gas oil. These oils, as well as straight or normal pressure gas oils and coker gas oils, typically have an initial fraction above about 450 ° F. (232 ° C.), more typically above about 650 ° F. (343 ° C.) It has a point and an endpoint up to about 1150 ° F (621 ° C). In addition, one or more heavy feeds having endpoints greater than 1050 ° F. (566 ° C.) (eg, up to 1300 ° F. (704 ° C.) or more) will be mixed with the FCC feed. These heavy materials include: For example, whole and extruded crude oils, residua obtained from atmospheric and vacuum distillation of crude oils, asphalt and asphaltenes, tar oils and circulating oils obtained from pyrolysis of heavy petroleum, tar sands oil, shale oil, coal derived oil And synthetic crude oil. These will be present in the FCC feed in an amount of about 2 to 50 vol% of the mixture, more typically about 5 to 30 vol%.
[0073]
Heavy feedstocks typically contain very high contents of undesired components, such as compounds containing aromatics and heteroatoms, especially sulfur and nitrogen. Thus, these feedstocks are often treated or upgraded, as is known, by processes such as hydrogenation, solvent extraction, solid sorbents such as molecular sieves, to reduce the amount of undesirable compounds.
[0074]
Typical FCC reaction process conditions include about 800 ° -1200 ° F. (427 ° -648 ° C.), preferably 850 ° -1150 ° F. (454 ° -621 ° C.), and even more preferably 900 ° -1150 ° F. A temperature of ゜ F (482 ゜ -621 ° C.), a pressure of about 5-60 psig, preferably 5-40 psig, for a feed / catalyst contact time of about 0.5-15 seconds, preferably about 1-5 seconds, and A catalyst: feed ratio of about 0.5 to 10, preferably 2 to 8, is included. The FCC feedstock is preheated to a temperature below 850 ° F. (454 ° C.), preferably below 800 ° F. (427 ° C.), typically within the range of about 500 ° -800 ° F. (260 ° -427 ° C.). You.
[0075]
The invention will be further understood with reference to the following non-limiting examples.
[0076]
Example
In this example, a commercially accepted slotting nozzle was used with an atomizing injector similar in design to that shown in FIG. 7 and an atomizing nozzle embodiment similar in design to that shown in FIG. -Compared to fan design (similar to that shown in US Patent No. 5,173,175). The commercial nozzle simulated a pipe with an end cap containing a square grooved orifice. It has an attached downstream fan divergent flattening tip. Both nozzles included a fan-type atomizing distributor or tip, which was fabricated on a scale of one-half the size of a typical commercial nozzle. The injector was the same in both cases except for the nozzle design. Both injectors form a flat fan-shaped spray and are mounted horizontally and oriented vertically in the path of the laser light beam of the Malvern particle meter to form a flat fan-shaped spray of maximum width in the vertical direction. Attached. This instrument is well known and is used to measure the spray properties of a liquid. The light diffraction patterns, each associated with a range of characteristic droplet sizes, are focused on a multi-element photodetector by a Fourier transform lens. The distribution of light energy is converted by a computer into a corresponding droplet size distribution.
[0077]
Gaseous nitrogen was used to simulate the gas phase, and liquid water was used to simulate the liquid phase.
[0078]
The comparative example grid was run with varying water and nitrogen flow rates, and the Sauter mean droplet diameter was calculated assuming the Rosin-Ramier distribution function. The results are compared in the table below for two different nozzle designs.
[0079]
[Table 1]
Figure 2004500443
[0080]
In all cases, at comparative water and nitrogen flow rates, the nozzles of the present invention formed atomized sprays with smaller Sauter mean diameter droplets than the commercial design. This shows that better atomizing was achieved with the nozzle of the present invention.
[0081]
In practicing the present invention, various other embodiments and modifications will be apparent to and readily made by those skilled in the art without departing from the scope and spirit of the invention described above. Conceivable. Therefore, the scope of the claims appended hereto is not limited to the precise description set forth above, but rather the claims are to be treated as equivalents by those skilled in the art to which this invention pertains. It is deemed to encompass all patentable novel features, including all possible features and embodiments.
[Brief description of the drawings]
FIG.
FIG. 1 (a) shows a view of one embodiment of a nozzle looking axially downstream in the hope of a fluid inlet for the nozzle. FIG. 1 (b) shows a side view of a cross section taken along the 1 (b) -1 (b) axis for the embodiment shown in FIG. 1 (a). FIG. 1 (c) shows a view of the embodiment shown in FIG. 1 (a) looking upstream in the axial direction in hope of the fluid outlet of the nozzle. FIG. 1D shows a top cross-sectional view of the embodiment shown in FIG. 1A, taken along the 1 (d) -1 (d) axis shown in FIG. 1B.
FIG. 2
FIG. 2A shows a cross-sectional side view of another embodiment of the nozzle. FIG. 2 (b) shows a view of the embodiment shown in FIG. 2 (a) looking axially upstream in the hope of the fluid outlet of the nozzle. FIG. 2 (c) shows a top cross-sectional view of the embodiment shown in FIG. 2 (a), which incorporates one embodiment of a spray distributor. FIG. 2 (d) is an embodiment of a platelet that may be used to construct the embodiment shown in FIG. 2 (a). For clarity, the platelet lines in the fluid passages are not shown in FIGS. 2 (a) and 2 (c).
FIG. 3
FIG. 3 (a) shows a view of another embodiment of a nozzle, looking downstream in the axial direction in hope of the fluid inlet of the nozzle. FIG. 3 (b) shows a side view of a cross section taken along the 3 (b) -3 (b) axis for the embodiment shown in FIG. 3 (a). FIG. 3 (c) shows a view of the embodiment shown in FIG. 3 (a) looking axially upstream in the hope of the fluid outlet of the nozzle. FIG. 3 (d) shows a top cross-sectional view of the embodiment shown in FIG. 3 (a), taken along the 3 (d) -3 (d) axis shown in FIG. 3 (c).
FIG. 4
FIG. 4A shows a cross-sectional side view of another embodiment of the nozzle. FIG. 4 (b) shows a view of the embodiment shown in FIG. 4 (a), looking upstream in the axial direction in hope of the fluid outlet of the nozzle. FIG. 4 (c) shows a top cross-sectional view of the embodiment shown in FIG. 4 (a), which incorporates another embodiment of the spray distributor.
FIG. 5
FIG. 5 is a cross-sectional view of a nozzle (and a spray distributor) connected with a fluid conduit for supplying raw material to the nozzle with a liquid.
FIG. 6
FIG. 6 (a) shows another embodiment of the nozzle, looking downstream in the axial direction in hope of the fluid inlet of the nozzle. FIG. 6B shows a side view of a cross section taken along the 6 (b) -6 (b) axis shown in FIG. 6A for the embodiment shown in FIG. 6A. FIG. 6C shows a side view of a cross section taken along the 6 (c) -6 (c) axis shown in FIG. 6A for the embodiment shown in FIG. 6A.
FIG. 7
FIG. 7 shows a cross-sectional view of an FCC raw material injection device using a nozzle embodiment.
FIG. 8
FIG. 8 illustrates an FCC method into which a nozzle embodiment or process may be incorporated.

Claims (20)

（ａ）気相および液相からなる二相流体の少なくとも二つのストリームを形成し、その際前記液相がＦＣＣ原料を含む工程、
（ｂ）前記ストリームを衝突混合域に送り、そこで各ストリームの少なくとも一部分が他のストリームの少なくとも一部分と衝突し、そして衝突されるストリーム間の含み角は約１２０゜および２４０゜の間にあり、それによって単一の混合ストリームを形成する工程、
（ｃ）前記単一の混合ストリームをせん断混合域に送り、せん断混合力を前記単一の混合ストリームに付与して、せん断混合ストリームを形成する工程、
（ｄ）前記せん断混合ストリームをアトマイジング域に送り、前記気相が膨張して前記液相の表面積を増加し、それによって液体原料の液滴噴霧を形成する工程、
（ｅ）前記液体原料の液滴噴霧をＦＣＣ反応域中に送る工程、および
（ｆ）前記液体原料の液滴を接触分解条件下に接触分解触媒と接触させる工程
を含むことを特徴とする接触分解方法。(A) forming at least two streams of a two-phase fluid consisting of a gas phase and a liquid phase, wherein the liquid phase comprises an FCC raw material;
(B) sending the streams to a collision mixing zone where at least a portion of each stream collides with at least a portion of another stream, and the included angle between the colliding streams is between about 120 ° and 240 °; Thereby forming a single mixed stream;
(C) sending the single mixing stream to a shear mixing zone and applying a shear mixing force to the single mixing stream to form a shear mixing stream;
(D) sending the shear mixing stream to an atomizing zone, wherein the gas phase expands to increase the surface area of the liquid phase, thereby forming a droplet spray of a liquid feedstock;
(E) sending a droplet spray of the liquid raw material into an FCC reaction zone; and (f) contacting a droplet of the liquid raw material with a catalytic cracking catalyst under catalytic cracking conditions. Disassembly method. 気相ストリームを液相ストリームと組合わせて、前記二相流体を形成する工程を、さらに含むことを特徴とする請求項１に記載の接触分解方法。The method of claim 1, further comprising combining a gas phase stream with a liquid phase stream to form the two-phase fluid. 前記気相は、スチームを含むことを特徴とする請求項１に記載の接触分解方法。The method according to claim 1, wherein the gas phase contains steam. 接触分解反応のより低沸点の生成物を回収する工程を、さらに含むことを特徴とする請求項１に記載の接触分解方法。The catalytic cracking method according to claim 1, further comprising a step of recovering a lower boiling product of the catalytic cracking reaction. より低沸点の生成物を前記接触分解触媒から分離する工程を、さらに含むことを特徴とする請求項１に記載の接触分解方法。The method of claim 1, further comprising the step of separating a lower boiling product from the catalytic cracking catalyst. 前記接触分解触媒をストリッピングする工程を、さらに含むことを特徴とする請求項１に記載の接触分解方法。The catalytic cracking method according to claim 1, further comprising a step of stripping the catalytic cracking catalyst. 前記接触分解触媒を再生し、前記接触分解触媒を前記反応域に循環する工程を、さらに含むことを特徴とする請求項１に記載の接触分解方法。The method according to claim 1, further comprising a step of regenerating the catalytic cracking catalyst and circulating the catalytic cracking catalyst to the reaction zone. 前記衝突域および前記せん断混合域は、
（ｉ）流体入口および流体出口を含み、前記衝突混合域および前記せん断混合域を定めるように形成され、前記域が前記入口および前記出口の間に配置され、さらに前記流体入口は流入する流体ストリームを少なくとも二つのストリームに分割出来るスプリッターを含む躯体、
（ｉｉ）少なくとも一つの衝突表面を含み、前記衝突表面は、前記衝突表面に接する流体ストリームの少なくとも一部分を、他の衝突されるストリームに衝突させるように形成される前記衝突混合表面、および
（ｉｉｉ）第一の寸法および第二の寸法によって定められる断面積を有し、その際前記第一の寸法は前記流体出口の方向に前記躯体を通る長手軸に沿って減少する前記せん断混合域
を含むノズル内に含まれることを特徴とする請求項１に記載の接触分解方法。The collision zone and the shear mixing zone,
(I) comprising a fluid inlet and a fluid outlet, formed to define the impingement mixing zone and the shear mixing zone, wherein the zone is located between the inlet and the outlet, and wherein the fluid inlet is an incoming fluid stream; , Including a splitter that can split into at least two streams,
(Ii) the impingement mixing surface configured to impinge at least a portion of a fluid stream in contact with the impingement surface with another impinging stream; and (iii) ) Having a cross-sectional area defined by a first dimension and a second dimension, wherein the first dimension includes the shear mixing zone decreasing along a longitudinal axis through the body in the direction of the fluid outlet; The catalytic cracking method according to claim 1, wherein the catalytic cracking method is included in a nozzle. 衝突されるストリーム間の含み角は、約１７０゜〜約１９０゜の間にあることを特徴とする請求項１に記載の接触分解方法。The method of claim 1, wherein the included angle between the impinging streams is between about 170 ° and about 190 °. 衝突されるストリーム間の含み角は、約１８０゜であることを特徴とする請求項１に記載の接触分解方法。The method of claim 1, wherein the included angle between the impinging streams is about 180 °. （ａ）気相および液相からなる二相流体の複数個のストリームを形成し、その際前記液相がＦＣＣ原料を含む工程、
（ｂ）各ストリームの少なくとも一部分を、他のストリームの少なくとも一部分と衝突させて、単一の混合ストリームを形成し、その際衝突されるストリーム間の含み角が約１２０゜〜２４０゜の間にある工程、
（ｃ）前記単一の混合ストリームをせん断混合力に付し、それによってせん断混合ストリームを形成する工程、
（ｄ）前記気相を前記せん断混合ストリーム内で膨張させ、それによって液体原料の液滴噴霧を形成する工程、および
（ｅ）前記液体原料の液滴を、接触分解条件下に接触分解触媒と接触させる工程を含むことを特徴とする接触分解方法。(A) forming a plurality of streams of a two-phase fluid consisting of a gas phase and a liquid phase, wherein the liquid phase comprises an FCC raw material;
(B) collapsing at least a portion of each stream with at least a portion of another stream to form a single mixed stream, wherein the included angle between the impinging streams is between about 120 ° and 240 °; A process,
(C) subjecting said single mixing stream to a shear mixing force, thereby forming a shear mixing stream;
(D) expanding the gaseous phase in the shear-mixed stream, thereby forming a droplet spray of the liquid raw material; and (e) combining the liquid raw material droplets with a catalytic cracking catalyst under catalytic cracking conditions. A catalytic decomposition method comprising a step of contacting. 衝突されるストリーム間の含み角は、約１７０゜および約１９０゜の間にあることを特徴とする請求項１１に記載の接触分解方法。The catalytic cracking method of claim 11, wherein the included angle between the impinging streams is between about 170 ° and about 190 °. 衝突されるストリーム間の含み角は、約１８０゜であることを特徴とする請求項１１に記載の接触分解方法。The method of claim 11, wherein the included angle between the impinging streams is about 180 °. 気相ストリームを液相ストリームと組合わせて、前記二相流体を形成する工程を、さらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の接触分解方法。13. The catalytic cracking method of claim 12, further comprising combining a gas phase stream with a liquid phase stream to form the two-phase fluid. 前記気相は、スチームを含むことを特徴とする請求項１４に記載の接触分解方法。The method according to claim 14, wherein the gas phase contains steam. 接触分解反応のより低沸点の生成物を回収する工程を、さらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の接触分解方法。16. The catalytic cracking method according to claim 15, further comprising a step of recovering a product having a lower boiling point of the catalytic cracking reaction. より低沸点の生成物を前記接触分解触媒から分離する工程を、さらに含むことを特徴とする請求項１６に記載の接触分解方法。The catalytic cracking method according to claim 16, further comprising a step of separating a lower boiling product from the catalytic cracking catalyst. 前記接触分解触媒をストリッピングする工程を、さらに含むことを特徴とする請求項１７に記載の接触分解方法。18. The catalytic cracking method according to claim 17, further comprising a step of stripping the catalytic cracking catalyst. 前記接触分解触媒を再生し、前記接触分解触媒を前記反応域に循環する工程を、さらに含むことを特徴とする請求項１８に記載の接触分解方法。19. The catalytic cracking method according to claim 18, further comprising a step of regenerating the catalytic cracking catalyst and circulating the catalytic cracking catalyst to the reaction zone. 前記スプリッターは、それぞれ断面積を有する複数個の流体開口を含み、前記流体出口が、前記流体出口の断面積が前記流体開口の断面積の合計より少ない断面積を有することを特徴とする請求項８に記載の接触分解方法。The splitter includes a plurality of fluid openings each having a cross-sectional area, the fluid outlet having a cross-sectional area where the cross-sectional area of the fluid outlet is less than the sum of the cross-sectional areas of the fluid openings. 9. The catalytic cracking method according to 8.
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