专利名称：适用于气固并流下行床反应器的催化剂入口装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种适用于气固并流下行床反应器的催化剂入口装置，属化工设备中的催化剂进料设备技术领域。
下行床反应器利用气固顺重力场向下运动的特点，能够适应催化裂化/裂解快速反应的要求。通常，其气固混合、气固两相下行接触反应、气固快速分离三项操作的总过程在1秒之内完成。由于在超短时间内完成气固接触及反应，且反应器中气固两相浓度、速度径向分布均匀，停留时间分布近似为平推流，催化剂与油气的返混小，有利于反应选择性的提高，减少催化剂和干气产量。但由于其快速反应的特点，要求催化剂在入口处就分布均匀。否则，由于下行床气固两相的停留时间只有数百个毫秒，而且其流动近似于平推流，催化剂在整个反应器内都将处于一种分布不均的状态中，这将大大降低反应器的效率。
国内外的石油公司及科研结构都对下行床反应器的催化剂入口结构展开了研究。Stone Webster Engineering Corp.公司的专利(图1-A，专利号US4338187)在其催化剂入口装置中采用了多管射流的设计。其优点是能够有效地控制颗粒流量、同时能够实现颗粒的均布及气固的混合。但是其最大的缺点在于结构过于复杂，带来易磨损、易堵塞及检修困难等缺点，很难满足实际应用的要求。Texaco Inc.公司的专利(图1-B与图1-C，专利号US4514285)利用颗粒的分布板来实现颗粒的均布。虽然结构上有所简化，但是分布板的压降损失大，而且不易达到高颗粒循环量，同时其磨损也比较大。由上述已有专利的说明可以看出，利用机械装置，如导流管、分布器来实现颗粒的均布，都会造成结构上的复杂，导致在工业应用中的一系列困难。
本发明的目的是设计一种气固并流下行床反应器的催化剂入口装置，克服现有技术的不足，将两相流中气固两相本身的湍动混合，快速实现催化剂颗粒的均匀分布。其最大的优点就是能够实现催化剂颗粒的快速均布。同时兼备结构简单、操作弹性大、压降小及设备与颗粒磨损小等要求，易于在工业上实现。
本发明设计的适用于气固并流下行床反应器的催化剂入口装置，包括装置外壳与下行床反应器主体的入口。装置外壳与下行床反应器主体同轴安装，两者之间形成环隙；外壳的直径D1与下行床反应器的直径Dr的比例D1/Dr保持在1.3～2.0之间。装置外壳顶部为椭球型形成气固湍流混合区；椭球最高点与下行床入口端面间的垂直距离H4为1.0～2.0D1；外壳的侧壁圆周上均布载气入口管道；载气入口管道的数量N1为4～8个，直径D3为0.1～0.2D1，与入口装置外壳(6)所成的角度β为15°～45°，与入口装置下端面间的垂直距离H3为1.0～1.5倍D1；载气入口的下部侧壁上装有一个催化剂输送管道，其直径D2为0.2～0.4D1，与入口装置外壳(6)所成角度α必须小于45°，与入口装置下端面间的垂直距离H1为0.3～0.5D1；所述的环隙下部装有松动风分布器，分布器下方的外壳侧壁上装有一个松动风入口管道，其直径D4为25～50mm。
上述的气固湍流混合区可以变小，两相湍流混合区的顶部外壳改为水平平板，其与下行床入口端面间的垂直距离H5为0.2～0.8D1；同时在水平平板的圆周边缘有角度为γ，宽为W的倒角，可以防止死区的形成。
上述的两相湍流混合区的顶部结构为马鞍型结构，马鞍型结构的圆弧相交处与下行床入口端面间的垂直距离H7为0.1～0.3D1，圆弧最高点与下行床入口端面间的垂直距离H6为0.2～0.8D1。
上述的两相湍流混合区还可以有一个缩径区；缩径区的直径D6为0.7～0.9D1上述的装置中的两相湍流混合区可以加入载气的斜喷口。
本发明的入口装置经过冷态流动模型(直径420mm，高18m)的详细测试，实验表明，本入口装置能够实现催化剂颗粒的快速均布，同时兼备结构简单、操作弹性大、压降小及设备与颗粒磨损小等要求。实验同时还证明在下行床反应器中，经过两倍直径(Dr)的距离，催化剂颗粒即可分布均匀。同时由于没有锐孔，该入口结构的载气压降大大减少，大约在200Pa之内。实验还证明，在各种操作条件下，该催化剂入口装置的催化剂流量都能保持稳定，其波动＜5％。同时由于该装置结构简单，没有催化剂颗粒与设备的剧烈磨损部位，因此设备与催化剂的磨损也很少。该冷态流动模型运转8个月后，其有机玻璃制成的入口结构依然完整。
图1-A为专利US4338187中涉及的催化剂入口装置。
图1-B为专利US4514285中涉及的催化剂入口装置。
图2为气固两相在本催化剂入口装置中运动轨迹的示意图。
图3为本催化剂入口装置的正视图。
图4为图3中所示催化剂入口装置的一种变型，主要变化是两相湍流混合区变小。
图5为图4中所示催化剂入口装置的一种变型，主要变化是两相湍流混合区的顶部结构发生变化。
图6为图4中所示催化剂入口装置的一种变型，主要变化是两相湍流混合区的有一个缩径区。
图7为图4中所示催化剂入口装置的一种变型，主要变化是两相湍流混合区加入载气的斜喷口。
下面结合附图，详细介绍本发明的内容。
图1-图7中，1为两相湍流混合区。2为载气入口管道。3为催化剂颗粒输送管道。4为松动风分布器。5为下行床反应器主体。6为催化剂入口装置的外壳。7为位于外壳与下行床反应器主体间的环隙。8为松动风入口管道。9为两相湍流混合区缩小后的顶部外壳。10为两相湍流混合区缩小后其顶部外壳的另一种构型。11为缩径后的装置外壳。12为两相湍流混合区的载气的斜喷口。13为两段式提升管再生装置。14为下行床催化剂入口装置。15为原料油入口。16为下行床反应器主体。17为催化剂与反应后油气的快速分离装置。18为旋风分离系统。19为催化剂汽提装置。
其中的尺寸标号为Dr为下行床反应器主体的直径。D1为催化剂入口装置外壳的直径。D2为催化剂输送管道的直径。D3为载气入口管道(图3)的直径。D4为松动风入口管道的直径。D5为两相湍流混合区缩径区的直径。H1为催化剂输送管道与入口装置下端面间的垂直距离。H2为下行床入口端面与入口装置下端面间的垂直距离。H3为载气入口管道与入口装置下端面间的垂直距离。H4为两相湍流混合区最高点(图3)与下行床入口端面间的垂直距离。H5为两相湍流混合区缩小后(图5)其顶部外壳与下行床入口端面间的垂直距离。H6为另一种顶部外壳(图6)圆弧最高点与下行床入口端面间的垂直距离。H7为另一种顶部外壳(图6)圆弧相交处与下行床入口端面间的垂直距离。W为两相湍流混合区缩小后(图5)其顶部外壳的倒角宽度。N1为载气入口管道的数量。α为催化剂输送管道与入口装置壳体所成的角度。β为载气入口管道与入口装置壳体所成的角度。γ为两相湍流混合区缩小后(图5)其顶部外壳的倒角角度。
下面结合图2、图3介绍本发明的工作流程。催化剂离开催化剂的提升管再生装置(14)后，由催化剂颗粒输送管道(3)进入由入口装置外壳(6)与下行床反应器主体(5)组成的环隙(7)中。在松动风的作用下，呈密相向上运动。当其运动到载气入口管道(2)附近，由于载气的高速喷射作用，催化剂颗粒开始进行与载气的剧烈湍动混合。两相湍流混合区保证了催化剂与载气的充分混合。催化剂颗粒在两相湍流混合区与载气的充分混合后，进入下行床反应器主体与油气开始反应。
如图3所示，该下行床催化剂入口结构主要由催化剂输送管道(3)、载气入口管道(2)、两相湍流混合区、下行床反应器入口(5)及松动风装置(4、8)组成。入口装置的特征尺寸为其外壳的直径D1。D1与下行床反应器的直径Dr的比例D1/Dr保持在1.3～2.0之间。
颗粒输送管道(3)是联接催化剂再生装置(14)与下行床催化剂入口装置(15)的管道。其直径D2为0.2～0.4D1，与入口装置外壳(6)所成角度α必须小于45°，与入口装置下端面间的垂直距离H1为0.3～0.5D1。
催化剂颗粒从粒输送管道(3)进入到由入口装置外壳(6)与下行床反应器主体(5)组成的环隙(7)中。在环隙下方设有松动风分布器(4)及松动风入口管道(8)。松动风入口管道的直径D4为25～50mm。松动风的作用是携带颗粒以密相的形式向上运动。松动风能够使催化剂颗粒在环隙(7)中稳定、均匀地向上流动，对于保证稳定的颗粒流量至关重要。松动风的流量为载气风量的10％～30％。
载气入口管道(2)沿入口装置的外壳(6)圆周均匀分布，以达到气固两相的均匀分布。其数量N1为4～8个，直径D3为0.1～0.2D1，与入口装置外壳(6)所成的角度β为15°～45°，与入口装置下端面间的垂直距离H3为1.0～1.5倍D1。
两相湍流混合区为半椭圆型，由两相湍流混合区外壳(1)包围所成。其最高点与下行床入口端面间的垂直距离H4为1.0～2.0倍D1。
颗粒在两相湍流混合区与载气迅速混合后，均匀进入下行床反应器(5)入口。下行床入口端面与入口装置下端面间的垂直距离H3为1.2～1.6D1。
本发明的实施例为实施例1图4为图3中所示催化剂入口装置的一种变型，主要变化是两相湍流混合区变小。两相湍流混合区的顶部外壳改为水平平板(9)，其与下行床入口端面间的垂直距离H5为0.2～0.8D1。同时在其圆周边缘有角度为γ，宽为W的倒角，可以防止死区的形成。
实施例2图5为图4中所示催化剂入口装置的一种变型，主要变化是两相湍流混合区的顶部结构发生变化。顶部外壳由图4的水平平板(9)变为马鞍型(10)结构。这有助于颗粒向下行床入口处流动。从图5看，其过中心的轴向截面为两个相交圆弧。圆弧相交处与下行床入口端面间的垂直距离H7为0.1～0.3D1，圆弧最高点与下行床入口端面间的垂直距离H6为0.2～0.8D1。
实施例3图6为图4中所示催化剂入口装置的一种变型，主要变化是两相湍流混合区有一个缩径区。缩径区的直径D5为0.7～0.9D1。缩径区能够提高颗粒的运动速度，加快载气与催化剂的混合，减少颗粒在入口装置中的停留时间。
实施例4图7为图4中所示催化剂入口装置的一种变型，主要变化是两相湍流混合区加入载气的斜喷口(12)。载气的斜喷口有助于消除两相湍流混合区的死区。
下行床反应器利用气固顺重力场向下运动的特点，能够适应催化裂化/裂解快速反应的要求。通常，其气固混合、气固两相下行接触反应、气固快速分离三项操作的总过程在1秒之内完成。由于在超短时间内完成气固接触及反应，且反应器中气固两相浓度、速度径向分布均匀，停留时间分布近似为平推流，催化剂与油气的返混小，有利于反应选择性的提高，减少催化剂和干气产量。本入口结构能够快速、均匀地在下行床入口处分布催化剂颗粒，适应下行床反应器快速反应与近似平推流流动的特点。同时其兼备结构简单、操作弹性大、压降小及设备与颗粒磨损小等要求，易于在工业上实现。
权利要求
1.一种适用于气固并流下行床反应器的催化剂入口装置，其特征在于，该装置包括装置外壳与下行床反应器主体的入口；所述的装置外壳与下行床反应器主体同轴安装，两者之间形成环隙；外壳的直径D1与下行床反应器的直径Dr的比例D1/Dr保持在1.3～2.0之间；所述的装置外壳顶部为椭球型形成气固湍流混合区；椭球最高点与下行床入口端面间的垂直距离H4为1.0～2.0D1；外壳的侧壁圆周上均布有载气入口管道；载气入口管道的数量N1为4～8个，直径D3为0.1～0.2D1，与入口装置外壳所成的角度β为15°～45°，与入口装置下端面间的垂直距离H3为1.0～1.5倍D1；载气入口的下部侧壁上装有一个催化剂输送管道，其直径D2为0.2～0.4D1，与入口装置外壳所成角度α小于45°，与入口装置下端面间的垂直距离H1为0.3～0.5D1；所述的环隙下部装有松动风分布器，分布器下方的外壳侧壁上装有一个松动风入口管道，其直径D4为25～50mm。
2.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述的气固湍流混合区的顶部外壳为水平平板，该水平平板与下行床入口端面间的垂直距离H5为0.2～0.8D1；在其圆周边缘有角度为γ，宽为W的倒角。
3.如权利要求书2所述装置，其特征在于，两相湍流混合区的顶部为马鞍型结构；马鞍型结构的圆弧相交处与下行床入口端面间的垂直距离H7为0.1～0.3D1，圆弧最高点与下行床入口端面间的垂直距离H6为0.2～0.8D1。
4.如权利要求书2所述装置，其特征在于，两相湍流混合区有一个缩径区；缩径区的直径D6为0.7～0.9D1
5.如权利要求书2所述装置，其特征在于，两相湍流混合区设有载气的斜喷口。
全文摘要
本发明涉及一种适用于气固并流下行床反应器的催化剂入口装置,包括装置外壳与下行床反应器主体的入口。装置外壳与下行床反应器主体同轴安装,装置外壳顶部为湍流混合区;外壳的侧壁圆周上均布载气入口管道;载气入口的下部侧壁上装有催化剂输送管道,环隙下部装有松动风分布器,分布器下方的外壳侧壁上装有松动风入口管道。本发明的装置能够实现催化剂颗粒的快速均布。结构简单、操作弹性大、压降小及设备与颗粒磨损小等。
文档编号B01J8/12GK1275434SQ00106169
公开日2000年12月6日 申请日期2000年4月28日 优先权日2000年4月28日
发明者魏飞, 金涌, 钱震, 余皓, 汪展文 申请人:清华大学