用于雾化原料的fcc原料注射的制作方法

专利名称：用于雾化原料的fcc原料注射的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于将石油原料注入流化催化剂流中的装置和方法。更具体地，用喷嘴组件装置将液态石油原料雾化，其中该装置具有至少两个不同的注射喷嘴，其产生精细分散的烃液滴喷雾图案与裂化催化剂颗粒接触。该注射喷嘴设计成使得各个喷嘴产生的不同喷雾图案整体提供对流化催化剂流的更均匀烃原料覆盖。
背景技术：
石油原料的雾化对例如流化催化裂化(FCC)和焦炭化的石油工艺来说重要。在FCC工艺中，一般地高分子量原料与流化催化剂颗粒在FCC单元的提升管反应器部分中接触。控制原料与催化剂间的接触，以促进有效的传热和传质，从而增强原料转化为目标类型产物。在原料的催化裂化中，控制反应器条件，例如催化剂与油的比例、温度和接触时间，以使目标产物达到最大，并且不期望产物，例如轻质气体和焦炭的形成达到最少。
由于催化剂与原料在FCC反应器中的接触通常为几秒，所以决定该裂化工艺效率的重要因素是催化剂。用于FCC工艺的催化剂是公知的，可以是无定形的或晶态的。通常利用水蒸气、燃料气体或裂化工艺过程中生成的轻质烃气体或它们的某些组合将进入FCC反应器的催化剂流化。催化剂与原料的反应产生大量的气态烃和包含焦炭沉积物的用过催化剂。将该气/固混合物输送到分离器，通常是旋风分离器，在此用过的催化剂与气态产物分离。接着处理该气体，以回收目标烃，并将用过的催化剂送去再生。
由于原料与催化剂间的接触时间短，所以原料的状态也重要。原料的注入类型可以影响FCC反应器生成的产物块(slate)。原料裂化成气态烃有两种途径，即催化裂化和热裂化。FCC单元中的热裂化一般是不期望的，因为这种类型的裂化可以导致生成焦炭以外，还生成轻质气体，例如甲烷。
为了提高催化裂化工艺的效率，期望的是原料分子以尽可能的最大程度并在最短可能的时间内到达活性催化剂颗粒。由于上行催化剂作为基本占据提升管横截面的流化固体流存在，所以最佳情况是原料瞬间分散通过催化剂流。但是，这种原料瞬间分数过催化剂流是不可能的。精细分散的原料液滴也令人期望，从而提高原料液滴与热催化剂颗粒接触时的汽化速率。
一种获得原料液滴的方法包括使用水蒸气来形成液滴分散体。所得的分散体是水蒸气与烃的两相体系，其通过喷嘴喷雾进入FCC提升管反应器，在此接触流化的热催化剂。在压力下驱动流体通过喷嘴的孔以形成流体液滴精细分散体的工艺称为雾化。雾化程度是喷嘴设计，例如孔尺寸和排放几何形状，流体性质，例如密度、粘度、表面张力和通过孔的压降的函数。提高构成FCC工艺的至少部分原料的重(粘)石油馏分的雾化程度特别具有挑战性。
FCC反应器中雾化原料的喷嘴有许多设计。某些建议的喷嘴设计采用旋流叶轮，它或者是喷嘴本身，或者是导向喷嘴的管路。另一建议的设计在进料给喷嘴的管路中使用文丘里管。其它建议的设计包括将烃和例如水蒸气的分散气体在最邻近孔处混合同心地通过喷嘴，烃原料分布器利用位于FCC反应器中心的同心喷嘴，将原料注射通过喷嘴内多个孔，并在喷嘴周围使用罩，控制水蒸气与烃彼此接触的角度。还有建议形成原料与水蒸气的两相流体混合物，将该流体分成两股独立的料流，这两股料流通过冲击混合区、剪切混合区以再合并，并通过低压雾化区。另一建议的设计是其中可以将全部的液流，在加入或没有加入料流下通过偏转叶轮，以在单个满流的离心或螺旋加速室(末端是尖锐或方形边缘的孔)中形成自由旋涡而完成单股原料流喷雾的喷嘴。这种孔的直径基本小于用于将液烃直接送入提升管反应器中催化剂流的流体供应管线。最后，建议将一般呈扇形的原料注射器用来产生雾化原料的基本平的喷雾图案。
已知使用径向引导的原料注射喷嘴来将原料注入催化剂流中。这种喷嘴通常布置在流动催化剂流周围的圆周带。该喷嘴可以垂直于提升管表面，或者可以与其成一定角度。注射喷嘴还可以集成有注射区机械设计特征，例如提升管几何构型，从而提高其效果。
在持续改进原料注射器喷嘴设计的同时，依然需要整个原料注射系统能更好地工作，从而方便雾化原料与催化剂在FCC工艺中的接触。

发明内容
本发明涉及用于将雾化原料与流化流动的催化剂颗粒流接触的装置和方法。一种实施方案涉及用于将烃原料注入流化流动的催化剂颗粒流中的装置，包括管路段，所述管路段包含流化流动的催化剂颗粒流；所述管路段内的至少一个喷嘴组件，该喷嘴组件在所述流化流动的催化剂颗粒流的边界周围，并且包括至少两个注射喷嘴，每个喷嘴都产生喷雾图案，以使整个原料基本均匀地分散通过流过管路段的催化剂颗粒横截面，前提是从至少一个喷嘴出来的喷雾图案不是基本平的。
另一实施方案包括用于在FCC单元的提升管反应器中将烃原料注入流化流动的催化剂颗粒流中的装置，包括所述提升管反应器中的管路段，所述管路段包含流化流动的催化剂颗粒流；所述管路段内的至少一个喷嘴组件，所述喷嘴组件在所述流化流动的催化剂颗粒流的边界周围，并且包括至少两个注射喷嘴，每个喷嘴都产生喷雾图案，以使整个原料基本均匀分散地通过流过提升管管路段的催化剂颗粒横截面，前提是从至少一个喷嘴出来的喷雾图案不是基本平的。
另一实施方案包括用于将烃原料注入在FCC单元的提升管反应器中流化流动的催化剂颗粒流中的装置，包括所述提升管反应器中的管路段，所述管路段包含流化流动的催化剂颗粒流；所述管路段内的至少一个喷嘴组件，所述喷嘴组件在所述流化流动的催化剂颗粒流的边界周围，并且包括至少两个注射喷嘴，每个喷嘴都产生喷雾图案，以使整个原料基本均匀地分散通过流过提升管管路段的催化剂颗粒横截面，前提是从至少一个喷嘴出来的喷雾图案不是基本平的，并且还有一前提是至少一个喷嘴伸进流化流动的催化剂颗粒流内。
另一实施方案涉及用于将原料注入流化流动的催化剂颗粒流中的方法，包括将原料导入在所述流化流动的催化剂颗粒流边界周围的至少一个喷嘴组件内，将原料通过位于所述喷嘴组件上的至少两个注射喷嘴注入流化流动的催化剂颗粒流内，每个喷嘴都产生喷雾图案，以使整个原料基本均匀地分散通过流过喷嘴组件的催化剂颗粒横截面，前提是从至少一个喷嘴出来的喷雾图案不是基本平的。
另一实施方案涉及用于将原料注入在流化催化裂化器的催化裂化区中流化流动的催化剂颗粒流中的方法，包括将原料导入在流化催化裂化器的裂化区中所述流化流动的催化剂颗粒流边界周围的至少一个喷嘴组件内，将原料通过位于所述喷嘴组件上的至少两个注射喷嘴注入流化流动的催化剂颗粒流内，每个喷嘴都产生喷雾图案，以使整个原料基本均匀地分散通过流过喷嘴组件的催化剂颗粒横截面，前提是从至少一个喷嘴出来的喷雾图案不是基本平的。
另一实施方案涉及用于将原料注入在流化催化裂化器的催化裂化区中流化流动的催化剂颗粒流中的方法，包括将原料导入在流化催化裂化器的裂化区中所述流化流动的催化剂颗粒流边界周围的至少一个喷嘴组件内，将原料通过位于所述喷嘴组件上的至少两个注射喷嘴注入流化流动的催化剂颗粒流内，每个喷嘴都产生喷雾图案，以使整个原料基本均匀地分散通过流过喷嘴组件的催化剂颗粒横截面，前提是从至少一个喷嘴出来的喷雾图案不是基本平的，并且还有一前提是至少一个喷嘴伸进流化流动的催化剂颗粒流内。
附图简介

图1是表示两种不同喷雾图案及其渗入催化剂流内的示意图。
图2是表示在催化剂流中不同渗透深度处的两组喷嘴的示意图。
图3是表示原料的喷射速度对原料喷射渗入催化剂流中的影响的图。
图4是表示原料温度对原料的喷射渗入长度的影响的图。
图5是表示喷射角度对喷射渗入长度的影响的图，其中喷射角度＝90°(喷嘴在水平面上的倾斜角度)。
图6是表示气体/固体与油滴间的温度差对喷射渗入长度的影响的图。
详细说明常规FCC工艺包括提升管反应器和再生器，其中将石油原料注入包含流化裂化催化剂颗粒流的提升管反应器初反应区内。该催化剂颗粒通常包含沸石，并且可以是新鲜催化剂颗粒、来自催化剂再生器的催化剂颗粒或它们的某种组合。可以是惰性气体、烃蒸气、水蒸气或它们的某种组合的气体通常用作提升气，以帮助热催化剂颗粒流化。
催化剂颗粒与原料接触后，得到产物蒸气和包含可汽提烃以及焦炭的催化剂颗粒。该催化剂作为用过的催化剂颗粒离开提升管，并在分离区从反应器排出物中分离出。用于将用过的催化剂颗粒从反应器排出物中分离出的分离区可以使用分离设备，例如旋风分离器。利用汽提剂，例如水蒸气将用过的催化剂颗粒中的可汽提烃汽提出。接着将该经汽提的催化剂颗粒送到再生区，在此燃烧任何残余的烃，并脱除焦炭。在再生区中，焦炭化的催化剂颗粒与氧化介质(通常是空气)接触，并在例如510℃-760℃的高温下将焦炭氧化(燃烧)。接着将经再生的催化剂颗粒送回提升管反应器。
用于本文所述催化裂化工艺的合适烃原料包括在221℃(430)-566℃(1050)的范围中沸腾的天然和合成烃油，例如瓦斯油；包含在1050(566℃)以上沸腾的物质的重烃油；重原油和拔顶油；石油常压蒸馏残渣；石油真压蒸馏残渣；木沥青、石油沥青、地沥青、其它重烃残余物；沥青砂油；页岩油；源自煤液化工艺的液态产物，石脑油及其混合物。
FCC催化剂可以是无定形的，例如氧化硅-氧化铝，和/或晶态的，例如分子筛，包括沸石或其混合物。优选的催化剂颗粒包括(a)无定形的多孔固体酸基材，例如氧化铝、氧化硅-氧化铝、氧化硅-氧化镁、氧化硅-氧化锆、氧化硅-氧化钍、氧化硅-氧化铍、氧化硅-氧化钛、氧化硅-氧化铝-稀土等；和(b)沸石，例如八面沸石。该基材可以包括三元组合物，例如氧化硅-氧化铝-氧化钍、氧化硅-氧化铝-氧化锆、氧化镁和氧化硅-氧化镁-氧化锆。该基材还可以呈共凝胶形式。氧化硅-氧化铝是特别优选的基材，可以包含10-40 wt％氧化铝。如讨论的，可以加入助催化剂。
主要的裂化组分可以是任何具有裂化活性，并且孔径大于7埃的常规大孔分子筛，包括沸石X、REX、沸石Y、超稳定Y沸石(USY)、稀土交换Y(REY)、稀土交换USY(REUSY)；脱铝Y(DeAlY)、超疏水性Y(UHPY)，和/或脱铝的富硅沸石，例如LZ-210、沸石ZK-5、沸石ZK-4、ZSM-20、沸石β和沸石L。天然沸石，例如八面沸石、丝光沸石等也可以使用。这些材料可以经过常规处理，例如浸渍或与稀土离子交换，以提高稳定性。优选的大孔分子筛是沸石Y，更优选REY、USY或REUSY。
其它合适的大孔晶态分子筛包括柱状硅酸盐和/或粘土；磷铝酸盐，例如ALPO4-5、ALPO4-8、VPI-5；硅铝磷酸盐，例如SAPO-5、SAPO-37、SAPO-31、SAPO-40；和其它金属磷铝酸盐。
裂化催化剂还可以包括Constraint指数(美国专利No.4,016,218中有定义)为1-12的中孔沸石形式的添加剂催化剂。合适的中孔沸石包括或单独的或组合的ZSM-5、ZSM-11、ZSM-12、ZSM-22、ZSM-23、ZSM-35、ZSM-48、ZSM-57、SH-3和MCM-22。优选地，中孔沸石是ZSM-5。
包含沸石的催化剂晶体大小可以为0.1-10微米，优选为0.3-3微米。沸石组分和基材基于无水的相对浓度可以宽范围地变化，其中沸石含量为该干复合物重量的1-100％，优选10-99％，更通常为10-80％。
沸石组分在催化剂颗粒中的量基于该催化剂总重量一般为1-60wt％，优选5-60wt％，更优选10-50wt％。如讨论的，该催化剂通常呈催化剂颗粒包含在复合物中的形式。当呈颗粒形式时，催化剂颗粒的直径为1-150微米，平均颗粒直径为60-70微米。基材在水蒸气中人工失活后的表面积≤350m2/g，优选10-200m2/g，更优选20-150m2/g。虽然催化剂的表面积取决于例如所用沸石和基材组分的类型和用量，但通常小于500m2/g，优选50-300m2/g，更优选50-250m2/g，最优选100-250m2/g。
反应区中FCC工艺条件包括温度为450℃-700℃(842-1292)，烃分压为10-40 psig(170-377 kPa)、优选为20-35psig(239-342 kPa)；催化剂与原料的比(wt/wt)为2-20，其中催化剂重量是催化剂复合物的总重量。总压为常压到45psig(411 kPa)。虽然并非必须，但优选将水蒸气与原料同时引入反应区中，其中水蒸气占初原料的至多50wt％，优选1-5wt％。而且优选地，蒸气在反应区中的停留时间少于20秒，优选为0.1-20秒，更优选为1-5秒。
为了将原料在如此短的反应时间中转化为产物，重要的是将原料雾化成小液滴。将原料转化为产物的裂化工艺效率是原料的物理性质(粘度、密度等)、催化剂流的物理性质(催化剂的性质和结构)、原料液滴大小、液滴进入反应区的分布、原料液滴与催化剂颗粒之间的喷雾角度、包括气体和液体的流率以及压力的工艺条件、注射器设计的函数。影响注射器设计的其它因素包括通过注射器孔的压降、原料与加入其中以帮助雾化的任何气体间的相对速度，以及气体与液体的比。因而，裂化工艺的效率部分取决于原料注射器的类型和设计。注射器应该将原料液滴雾化和分散，并且耐用，即能够持续使用而不会堵塞或遭遇不适当的机械磨损，例如与催化剂颗粒接触造成的磨耗。在FCC工艺中，将原料通过位于允许原料液滴与催化剂颗粒间有效接触处的至少一个注射器注入催化剂颗粒流化流中。
通常将原料预热到120℃-450℃的温度。优选地，将气体加入原料中，以强化雾化过程。这种气体包括水蒸气、氮气、氢气、FCC废气和低分子量(C6-)烃。优选地，水蒸气用于雾化。水蒸气与原料的比例可以通过控制所得原料/水蒸气混合物的密度来影响雾化过程。水蒸气的量基于原料/水蒸气混合物的重量一般为0.1-10.0wt％。
已知流化催化剂颗粒在提升管段中流动的横截面可能包括相对于例如温度、催化剂密度和催化剂质量通量的参数不均匀的区域。这些不均匀区域使得难以获得雾化原料通过在提升管中流动的催化剂的均匀分散体。虽然商用FCC单元可以包括各种喷嘴设计，但是各单个的提升管反应器在该单元内使用一致的喷嘴设计，即所用喷嘴相同。因而，这些单个单元在获得原料在催化剂流内的均匀分散体方面具有艰巨的责任。
根据本发明的多个喷嘴各个都可以在将原料注入提升管中的催化剂流内之前或期间的雾化过程中产生不同的喷雾图案。喷嘴的最低数目为2，但是如果希望可以使用附加喷嘴。优选的喷嘴数为4-16，特别是6-8。喷雾图案包括不同形状喷雾图案的混合。该混合中的一种喷雾图案可以是如例如美国专利No.5,173,175(将其内容结合于此)中公开的基本平的扇形图案。其它喷雾图案是在垂直方向上由基本平的扇形图案以及形状更类似锥形的图案变化的那些。该混合中的至少一种喷雾图案相对于流动催化剂总体方向不是基本平的扇形图案。
在两个喷嘴的情况下，优选的布置是它们在提升管催化剂流的边界上彼此相对。如果还使用其它喷嘴，它们可以大致间隔均匀地分布在催化剂流周围的环形环上。喷嘴可以布置在一个以上的平面上，并且可以使用在不同平面上包括喷嘴的两个或更多个环形环。
影响原料渗入提升管反应器内的流化催化剂流中的因素包括与提升管反应器的尺寸、催化剂颗粒性质、催化剂流流动性质、原料和原料接触催化剂流的喷雾图案有关的那些，以及与喷嘴有关的那些。影响因素包括但不限于提升管直径、整个输送管线和单元的几何结构、催化剂循环速率和流动密度、催化剂物理性质、进料速率以及原料的物理和化学性质。
A.提升管反应器和催化剂影响原料渗入催化剂流内的一个因素是提升管反应器的直径。随着提升管直径增大，使原料均匀渗入催化剂流的问题变得更复杂。提升管的直径越大，在其中流动的催化剂流的直径和动量越大。提升管反应器的直径还带来其它影响因素。原料不仅必须渗透更大横截面的催化剂，而且还可能遭遇催化剂流本身愈来愈大的不规则性，例如所述料流中局部的催化剂密度改变、温度差和局部催化剂速度。可能是影响因素的其它催化剂性质包括平均粒径、粒径分布、催化剂颗粒的体积和表面积、颗粒密度和传热性质。
B.原料喷雾图案影响原料喷雾图案的因素包括喷雾图案的形状和构成喷雾液滴的液滴性质。这些因素包括油和水蒸气的质量流率、Sauter平均油滴直径和喷嘴出口处的油喷雾速度。喷雾图案可以在基本平的扇形到锥形的范围内变化，前提是至少一种喷雾图案不是基本平的扇形。
一种喷雾图案可以是基本平的扇形。所述“基本平”表示喷雾的高宽比，即在正交于喷雾流动方向(离开喷嘴)上的喷雾厚度与喷雾宽度的比一般小于1∶1。本发明中，该高宽比一般明显小于1∶1，并且在注射器出口一般可以为1∶2-1∶5或更低。随着沿喷雾流动路径的距离增加，该高宽比一般变得愈来愈小。喷雾的宽度一般作为喷雾沿宽度的夹角的正切函数而随距注射器的距离线性增加。喷雾厚度尺寸正交于轴向喷雾路径，并且相对于距喷雾器的距离保持相对恒定。从一般俯视图看，沿催化剂流流动轴的扇形可以窄到如高与底边的比大的三角形表征的，或者可以宽到如高与底边的比小的三角形表征的。因而，原料的喷雾图案可以变化，以优化渗入到流化催化剂流内，以及在提升管“混合区”中雾化原料与流化催化剂接触。通过如下讨论的喷嘴设计来控制喷雾图案。
另一喷雾图案可以是锥形。可以通过将基本平的扇形图案绕该平扇形图案中心线下方的轴旋转来想象锥形图案。这将形成具有圆形横截面的锥形。任何特定锥体在给定处，例如1/2h(h是扇形沿中心轴的高度)处的形状根据扇形图案而变化。而且，锥形图案包括具有椭圆横截面的锥形。椭圆横截面的形状可以在几乎圆形(椭圆的最大直径和最小直径几乎相等)到更平的椭圆形(其中最大轴与最小轴的比接近可能近似于基本平的扇形喷雾的那些)之间变化。不够均匀的横截面几何形状也可以合适，例如一般的哑铃形、星形等，以从沿催化剂流边界的原料注射分散点更均匀地接触流动的催化剂流。变化的原料喷雾图案要使得原料基本均匀地分散通过在提升管中流动的催化剂颗粒横截面。所谓“基本均匀地分散通过催化剂颗粒的横截面”表示复合的原料注射喷雾在提升管横截面上的质量分布与催化剂在同一横截面上的质量分布近似匹配。因而，整个提升管横截面上局部的催化剂与原料油的质量比在所有位置处保持相对恒定。原料到催化剂流中的渗透可以是原料注射器的单个喷雾图案的函数。通过变化单个的喷雾图案，可以实现原料基本均匀分散地通过催化剂流。
油和水蒸气质量流率可以影响原料与催化剂的相互作用。而且，一个影响因素是将水蒸气注入原料/原料注射器中的方法。利用常规途径可容易地测量流率。一般地，水蒸气或在原料注射器条件(温度和压力)下基本是蒸气的其它合适低分子量料流与烃原料共注射，以强化液滴形成。优选地，将蒸气和雾化原料的混合物通过原料注射器的出口注入流动的催化剂流中。水蒸气与烃原料的重量比为0.0025-0.2，优选为0.005-0.05，更优选为0.01-0.03。该混合物通过原料注射器出口的质量速度根据可得到的压降和孔大小确定。一般地，孔越小，压降越高，孔的排放速度越大。
Sauter平均油滴直径也是影响油原料有效渗入热催化剂流的参数。一般地，油滴越小，原料汽化增强，从而又导致对原料而言更有利的裂化条件，例如原料与催化剂间的接触增加。但是，汽化速率增大，也会减少喷雾渗入流动的催化剂流中，限制了与整个流动的催化剂流的全面接触。通常将原料预热，以方便原料汽化，并由此雾化。可以将原料与惰性气体，优选水蒸气混合。还可以为了雾化对原料施加剪切或搅拌力。
随着原料变重，例如残油用作原料，快速汽化变成更是一个影响因素。优选地，液滴平均大小小于1000微米，优选小于400微米，更优选小于250微米。Sauter平均液滴直径通常通过光学技术确定，例如由液滴的单色光平行光束的光散射干涉或Fraunhofer衍射，Malvern粒径仪的操作原理。所测得的光能分布可以转化为喷雾中液滴直径的分布，由此计算Sauter平均直径。
喷嘴出口处的油喷雾速度也可以影响油原料渗入热的循环催化剂体系中。从动量守恒的角度可简单看到，提高油的喷雾速度，会增大该喷雾的动量，从而增强渗入流动的催化剂流中。
C.喷嘴通过调节喷嘴设计，获得不同形状的喷雾。这种不同形状的喷雾可以通过使用具有圆形、长方形或椭圆形孔，以及可用来形成喷嘴喉的其它不同的规则或不规则形状的喷嘴获得。一种构造喷雾图案的方法是调节喷嘴孔参数，例如调节孔的横截面积和形状。
基本平的扇形喷雾图案可以通过调节喷嘴孔参数，包括喷嘴孔的高宽比(喷嘴孔的宽度和高度)和喷嘴出口沿扇形宽部分的高度，并调节喷嘴在喷嘴出口窄部分的宽度来进行控制。关于产生基本平的扇形喷雾的注射器，参考美国专利5,173,175和6,093,310(其内容结合于此)。各个喷嘴的油喷雾夹角范围为30°-115°，优选45°-75°。
产生锥形喷雾的喷嘴有许多设计。常用于FCC单元原料注射的喷嘴形式是使用圆形孔。其它喷嘴使用长眼孔。这些孔可以组合旋涡叶轮使用。其它喷嘴包括螺旋形孔。也可以在给定喷嘴内使用多种孔。关于不同喷嘴类型，参考美国专利5,289,976(其内容结合于此)。本发明涉及锥形喷雾的形状，而不是用于产生锥形喷雾的喷嘴类型。该锥形可以从窄的喷雾图案变化到宽的喷雾图案。对于任何给定喷嘴类型，变化喷雾图案是本领域已知的。
关于喷嘴的一影响因素是喷嘴相对于催化剂流的位置。在优选的实施方案中，喷嘴尖端在或接近催化剂流的外表面处，即接近或在提升管壁中。在该实施方案中，原料渗入催化剂流是喷嘴设计、有关催化剂流的操作因素和提升管反应器设计的函数。在可替换的实施方案中，喷嘴尖端的位置可以从催化剂流的外表面(边界)变化到催化剂流中心附近。将喷嘴尖端的位置从催化剂流外表面移到催化剂流内部可以改善原料的渗透。在该可替换的实施方案中，喷嘴位置也是喷嘴设计、催化剂状态和特定提升管设计的函数。如果将个别喷嘴伸进催化剂流中，则该喷嘴可以在边界到中心线处或中心线附近的范围内变化。因而，该范围为从提升管壁到中心线的径向距离的0-100％。对于伸进催化剂流中的喷嘴，该距离优选为提升管壁到中心线的距离的10-75％，更优选10-50％。将喷嘴伸到提升管中心线可以通过将管道和合适的防腐蚀设施从催化剂流的边界伸到中心来完成，或者可以通过从催化剂流动的一般上游方向轴向沿着催化剂的流动来完成。防腐蚀设施可以是用来防止喷嘴伸进催化剂流的部分被流动的催化剂流磨蚀的合适包层形式。
喷嘴与催化剂流或提升管壁形成的角度也是一影响因素。该角度基于来自喷嘴的原料的中心线相对于流化催化剂流的中心线。喷嘴可以构造成使得它们垂直于催化剂流动的轴或垂直于提升管壁。喷嘴还可以与催化剂流动的轴成角度。优选的角度是相对于与催化剂流动的轴相正交的平面为0-75°，优选45°-60°。喷嘴还可以位于提升管壁本身的突起上或架子上。
优选的喷嘴布置是在催化剂流周围周边上包括至少一个环形环的组件。喷嘴的最小数目为2，更优选4-16，最优选6-12，并且喷嘴间隔地围绕着该周边。喷嘴可以在一个环形环上，或者可以具有两个或更多个环形环层，并且每个都包括喷嘴。优选的喷嘴组合，以及由此得到的喷雾图案是可实现油喷雾与流动的催化剂流最大接触的那种。喷嘴间隔是这些单个喷嘴产生的喷雾几何图案和提升管尺寸的函数。为了最佳接触，优选更多数目的注射器，并且这一般受提升管在原料注射喷嘴连接高度处的周边尺寸的限制。这种限制一般可以通过在两个相邻原料注射喷嘴所形成的带区中需要足够宽度的钢以具有充分的机械强度来建立，如可以通过例如提升管有限元分析的方法确定。
本发明的重要方面是要通过设计和综合各个喷嘴注射器以提供能将原料更均匀地渗入和通过在原料/催化剂混合区中的催化剂的原料注射系统而调节雾化油喷雾。这示在下面的实施例中。
实施例实施例1喷嘴组合的喷雾图案形状根据渗入提升管内上行催化剂流的各个独立喷雾图案来确定。这示于图1中，图1是表示不同喷雾渗入催化剂流内的示意图。图1中，R是催化剂颗粒流混合区按从颗粒流的中心(一般是提升管反应器的中心)到外缘(一般是提升管反应器的壁)测得的半径。两个不同类型的喷嘴，类型A和类型B位于对称地在提升管反应器周边附近的平面上。喷嘴可以位于使得注射喷雾的轴或者与流动催化剂颗粒的轴相正交的平面一致，或者在该平面上以小于90°的角度倾斜，并且倾斜角对于每种类型的喷嘴可以不同。
称为类型B的喷嘴B的喷雾图案可以是由相对小的Sauter平均液滴直径在较低的出口速度下构成的相对宽角度的扇形喷雾。如图1所示，这些喷嘴用于接触0.5R-R区域中的催化剂流部分。该喷嘴可以位于水平面上β角度处，并且喷雾夹角大于45°。喷雾夹角定义为在原料喷嘴出口处形成近似三角形喷雾顶点的角度。这些注射器通常具有扇形延伸以减小出口速度，并且设计成经内部水蒸气喷雾器注射至少50wt％的具有相对高分散水蒸气率的油原料。虽然图1所示的喷嘴产生基本平的扇形喷雾，但该喷嘴可以替换为产生宽角度锥形喷雾的喷嘴。
如图1所示，注射器喷嘴类型A提供具有相对大的Sauter平均直径液滴和更高出口速度的非基本平的形状、较窄角度的喷雾。这种喷雾图案可以是锥形或椭圆形。这种类型的喷雾图案可更好地接触R＝0到R＝0.5的区域。这些注射器可能定位在水平面上α角度处，其中通常α小于类型B注射器的角度β，并且该喷雾夹角可以小于45°。类型A注射器可以不具有扇形延伸，并且设计成注射高达50wt％的具有比类型B注射器低的分散水蒸气的原料，但是仍然通过内部水蒸气喷雾器加入水蒸气。
如图1所示，将各种产生不同喷雾形状的喷嘴布置在催化剂流周边周围是可以的。优选地，配对地布置这些喷嘴。以这种方式，使原料均匀地注射通过催化剂流过提升管反应器的直径是可行的。
还可以将喷嘴布置在渗入上行催化剂流的不同深度处。这示在图2中。图2是表示在渗入半径为R的催化剂流不同深度处的2对喷嘴的俯视图。喷嘴C和D类型相同，仅有渗入深度不同。喷嘴C和D都产生非基本平形状的喷雾，其中通过喷嘴位置，而不是通过喷嘴产生的喷雾形状来控制原料渗入上行催化剂流中。这种非基本平的喷雾可以是锥形或椭圆形。因而，可行的是改变如图1中喷雾图案的构造、如图2中的喷嘴位置、喷嘴数目或它们的某种组合，以实现原料均匀地渗透通过催化剂流。
衡量是否均匀渗入通过催化剂流可以从下游提升管温度下降和混合区下游的径向温度分布推断。因而，这测量了原料/催化剂接触改善的结果。原料/催化剂的更好接触导致更快速的温度下降和提升管横截面在混合区下游任何给定轴向位置处的接近均匀的温度分布。这从而测得原料渗入通过催化剂流的均匀性。
实施例2该实施例证实了喷射速度对原料的喷射渗透长度的影响。图3是表示喷射渗透长度(英寸)作为液滴喷射速度(ft/sec)函数的图。在图3中，可以看到所有其它因素不变，仅喷射速度增大，导致进入催化剂流中的喷雾图案的喷射渗透长度增加。
实施例3该实施例证实了原料温度对原料的喷射渗透长度的影响。图4是表示原料温度对喷射渗透长度的影响的图。如图4所示，在恒定的气体/固体温度下升高原料温度，会减小气体/固体与油滴间的温差。这导致更低的蒸发速率，从而又导致更长的渗透长度。
实施例4该实施例表明增大喷射角度，即喷嘴与流动催化剂流的垂直轴之间的角度，可以强烈影响喷射渗透长度。图5中喷射角度为90°(与催化剂流的轴相正交的水平面上的倾斜角)。增大喷射角度，可形成与催化剂流的轴接近正交相交的喷雾。相反，随着喷射角度减小，喷嘴喷雾的取向接近平行于催化剂流，并且明显降低了原料液滴的渗透。
实施例5在该实施例中，探讨气体/固体与油滴间的温差以及它对渗透长度的影响。如图6所示，随着气体/固体与油滴间的温差增加(在恒定的原料温度下)，蒸发速率增大。这种增大的蒸发速率导致渗透长度减小。
权利要求
1.一种用于将烃原料注入流化流动的催化剂颗粒流中的装置，包括管路段，所述管路段包含流化流动的催化剂颗粒流；所述管路段内的至少一个喷嘴组件，该喷嘴组件在所述流化流动的催化剂颗粒流的边界周围，并且包括至少两个注射喷嘴，每个喷嘴都产生喷雾图案，以使整个原料基本均匀地分散通过流过该管路段的催化剂颗粒横截面，前提是从至少一个喷嘴出来的喷雾图案不是基本平的。
2.一种用于将原料注入流化流动的催化剂颗粒流中的方法，包括将原料导入在所述流化流动的催化剂颗粒流边界周围的至少一个喷嘴组件内，将原料通过位于所述喷嘴组件上的至少两个注射喷嘴注入流化流动的催化剂颗粒流内，每个喷嘴都产生喷雾图案，以使整个原料基本均匀地分散通过流过所述喷嘴组件的催化剂颗粒横截面，前提是从至少一个喷嘴出来的喷雾图案不是基本平的。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置是原料注射器组件，流化流动的催化剂颗粒在流体催化裂化单元的提升管反应器中，并且管路段在所述提升管反应器中。
4.根据权利要求2所述的方法，其中流化流动的催化剂颗粒在流体催化裂化单元的提升管反应器中。
5.根据任一前述权利要求所述的装置或方法，其中所述至少两个注射喷嘴产生至少两种不同的喷雾图案。
6.根据任一前述权利要求所述的装置或方法，其中所述喷嘴组件包括4-16个喷射喷嘴。
7.根据任一前述权利要求所述的装置或方法，其中至少一种喷雾图案是锥形或椭圆形。
8.根据任一前述权利要求所述的装置或方法，其中至少一种喷雾图案是基本平的。
9.根据任一前述权利要求所述的装置或方法，其中基本平的喷雾图案由在垂直于喷雾流动方向上的喷雾厚度相对于喷雾宽度表示的高宽比小于1∶1。
10.根据任一前述权利要求所述的装置或方法，其中所述高宽比为1∶2-1∶5。
11.根据任一前述权利要求所述的装置或方法，其中将所述烃原料雾化，并且雾化原料的平均液滴尺寸小于1000微米。
12.根据任一前述权利要求所述的装置或方法，其中喷嘴从催化剂的轴相对于与催化剂流动的轴相正交的平面形成的角度为0-75°。
13.根据任一前述权利要求所述的装置或方法，其中喷嘴喷雾的夹角范围为30°-115°。
14.根据任一前述权利要求所述的装置或方法，其中至少一个喷嘴伸进流化流动的催化剂颗粒流内，并且所述至少一个喷嘴位于流化流动的催化剂颗粒流的周边上。
15.根据任一前述权利要求所述的装置或方法，其中喷雾图案通过具有至少一个圆形、长眼或螺旋形孔的喷嘴产生。
全文摘要
本发明涉及用于注射石油原料的装置和方法。更具体地，用喷嘴组件装置将液态石油原料雾化，其中该装置具有产生精细分散的原料喷雾图案的喷射喷嘴。该注射喷嘴每个都设计成使得各个喷嘴产生的不同喷雾图案整体提供对催化剂流的更均匀原料覆盖，前提是至少一个喷雾图案不是基本平的。
文档编号B01F5/04GK101094907SQ200580045452
公开日2007年12月26日 申请日期2005年12月6日 优先权日2004年12月30日
发明者T·R·斯特芬斯, R·P·达沃卢里, T·E·赫维特, C·G·斯莫利, R·A·乔森, P·K·尼库姆, R·B·米勒, E·A·格博德佐, Y－L·杨 申请人:埃克森美孚研究工程公司