用于化学和物理过程的循环流化床设备

摘要

本发明涉及一种适于进行物理和化学过程的设备,该过程包括两个使用颗粒物质介质的独立单元过程,其中第二单元过程用来再生在第一单元过程中污染的颗粒物质,所述设备包括进行第一单元反应的第一反应器(1—3);进行第二单元反应的第二反应器(4—6);配置在第一反应器(1—3)与第二反应器(4—6)之间的,用来从第一反应器向第二反应器输送污染的颗粒物质的第一输送通道(20);和配置在第二反应器(4—6)与第一反应器(1—3)之间的,用来从第二反应器向第一反应器输送再生颗粒物质的第二输送通道(29)。按照本发明,第一反应器(1—3)包括一个具有轴向环形横截面的反应空间的循环流化床反应器,和第二反应器(4—6)包括一个以对称同心方式围绕第一反应器的循环流化床反应器,因此,第二反应器也具有轴向环形横截面的反应空间。本发明结构也可以提供具有小高径比的大型设备,因此,设备的底座/空间要求最小化,并且基本上消除了与热膨胀相关的问题。

说明书

本发明涉及根据权利要求1的前序部分的用于进行化学和物理过程的设备，所述过程包括使用颗粒物质介质的两个独立过程单元。

通常，这种设备包括一个进行第一单元过程的反应器，进行第二单元过程的再生器，位于所述反应器和所述再生器之间用于从反应器向再生器传送颗粒物质介质的通道，以及两者之间用于使再生颗粒从再生器返回反应器以重复利用的回流通道。

化学和能源工业中许多过程包括两个独立的催化、非催化或物理单元过程。在化学工业中，进行第一单元过程以完成所需的化学反应，进行第二单元过程以使过程中使用的惰性或催化颗粒物质再生。在这里，术语再生仅指固体粒子的再加热，或者当颗粒物质是催化剂时，是指通过加热使之再活化。相应地，在物理过程中固体介质可用来从一个单元过程向另一个单元过程传送热量或所需的产品。化学和物理过程经常是相互关联的：例如，在催化裂解中，在反应器和再生器中都发生化学反应，同时伴随着物理过程(在单元之间传送热量和物质)。

事实上，在过程和产生能量的技术领域中，从一种气流向另一种气流传递热量是最重要的任务。目前，常用的两种换热器按其操作原理分别称之为同流换热器和交流换热器。

在同流换热器中，热能是通过将物流(flow)相互隔开的非渗透器壁传递的。在标准型同流换热器中，热能经器壁从一种物流介质直接传导到另一种物流介质。同流换热器的一个特定亚类包括所谓的中间循环同流换热器，其中传热介质在两个同流换热器之间循环。例如，这种换热器应用在核发电厂中，在核电厂里要确保在事故状态时高活性物流不与副循环混合。

中间循环同流换热器的另一组例子是由流化床锅炉形成的，这种流化床锅炉在燃烧室外配有过热器；在这些锅炉中，在燃烧室中加热的砂子在单独的流化床过热器中冷却。这种换热器的例子描述在如US4，552，203中。同流换热器的主要限制是换热器壁材料的耐磨、耐腐蚀和耐高温性。目前，得不到适用于高机械或化学应力条件的实用壁材。同流换热器中的最高允许温度通常受壁材的强度性能限制。而且，同流换热器是昂贵的，受其控制可能性的限制。然而，在中间同流换热器中可以得到良好的可控性。

在交流换热器中，热能是利用加热后的传热介质与较冷的物流直接接触释放能量来传递的，然后再与较热的物流直接接触加热冷却后的传热介质。根据其操作原理，交流换热器可以进一步分为循环操作型和连续操作型。

在循环操作交流换热器中，较热和较冷的物流循环流过单一固定结构(solid structure)，固定结构交替地贮存和释放热能。芬兰式蒸汽浴(sauna)的间歇加热岩石炉必定是循环操作交流换热器的最古老的应用。

在连续操作交流换热器中，贮热介质连续地从一种物流向另一种物流循环。人们最熟知的连续操作交流换热器是Ljungstron交流换热器，其中旋转的蜂窝状换热器盘从一种物料流向另一种物料流传递热能。这种类型的交流换热器已被改造用于不同的领域，如用于空调交流换热器，这种换热器还在涂有氯化锂浆料的表面提供水分的传递。

除上面描述的一种具有固定形状、邻接传热元件的交流换热器外，在现有技术中以颗粒传热介质为基础的交流换热器也是已知的。

几种具有固定床形式的颗粒传热介质交流换热器是已知的，且传热介质在床层间机械循环。

德国专利DE 3，225，838应用了一种颗粒传热介质(如陶瓷微珠)以在气流间传递热量。颗粒床材料是流化的，微珠保持干净，避免了换热器的堵塞。US 4，307，773公开了另一种方法和设备，其中使用了以沸腾流化床层为基础的交流换热器系统来从热的污染的物流中回收热量。

除上面描述的形式外，在分开的、平行的、沸腾流化床层中交替加热／冷却颗粒物料为基础的不同类型的交流换热器是已知的。UK2，118，702公开了一种以向下滴流固定床层为基础的交流换热器。

基于固定传热元件和固定颗粒层区域的交流换热器的争论的中心问题是如何将其保持干净。此外，还有在这种交流换热器中防止物流相互混合产生了密封问题。进一步说，传热材料中形成的温度差施加了一个机械应力，限制了传热元件或材料的寿命。层状固定床交流换热器的缺点是物流在固定床层中的沟流。而且，固定床层在流动方向上形成明显温度梯度，层中的温度难以控制。

一种基于流化床反应器系统的最常用的过程之一是FCC设备，该系统运行两个单独的单元过程，该设备用于烃的催化裂解，主要包括一个在快速流化状态下操作的提升管(riser tube)(反应器)，在稀释悬浮相下操作的分离催化剂和反应产物的旋风分离器，一个在流化状态下操作的大体积再生器。FCC设备的例子是US专利公开4，957，617中描述的实施例。

利用催化流化床反应器的其它应用是，例如：

-催化重整，

-制备苯二甲酸酐和马来酸酐，

-甲烷的氧化二聚，

-费-托法(Fischer-Tropsch)合成，

-脱氢，

-甲烷、乙烷以及类似烷烃的氯化和溴化，和

-甲醇转化为烯烃或汽油。

使用流化床反应器的非催化过程是，例如：

-热裂解，

-催化剂再生，和

-气化过程。

合适的物理过程是，例如：

-干燥，

-两种气体间的换热，和

-吸附。

在流化床反应器中，流动速度必须与所用传热材料的物理性质相适应，交流换热器的控制范围限于最小流化速度和气动输送速度之间，在实践中这意味着交流换热器的传热介质必须具有大的粒径，或者说必须保持低的物流速度。而且，传热介质在流化床层间以避免分离物流的过度混合的方式循环成问题。传热物流间的压差高时这一问题更为突出。因此，通常需要使用机械阀门，其耐用和温度方面的限制削弱了这种交流换热器的大部分利益。现有技术中的流化床或固定床交流换热器需要使用机械或气动输送组件将传热介质从下部单元循环到上部单元。从设备和过程技术的观点来看，这种输送组件几乎不可能运行。

对上述缺陷的重要改进由芬兰专利FI 924，438的方案提供，其中，设备包括两个或许多平行连接的循环流化床反应器，在下面称之为“CS”反应器。化学过程中的催化裂解以及其它过程中的脱氢装置可按这一专利中公开的设备轮廓构型来构造。然而，要从技术上实现这些设备还存在着某些问题，这将在下面详细说明，除非能克服其限制，否则会妨碍完全地利用这些设备。因此最困难的问题之一与循环固体颗粒在CS反应器间的长水平输送距离有关，致使构造具有笨拙高度的大型设备。

因此，如果相互相邻设置许多CS反应器，在不使CS反应器具有不方便的高度的条件下，实际上不可能实现固体粒子的稳定循环。此外，传热介质的连接通道的设计也遇到结构上的问题。而且，相邻设置CS反应器所需的底座(footprint)将变得非常大。

本发明的一个目的是克服现有技术中的上述缺点，提供一种全新的设备以进行物理和化学过程。

本发明的目的是通过提供一种两个同心配置的反应器设备来实现的，里面的那一个用作反应器，外面的那一个用作再生器。因此，两个反应器的反应空间均包括一个壳间(intershell)提升管空间(riser space)，维持在同心设置的具有圆筒形或部分锥形的两个壳层(envelope)表面之间，因此，壳间提升管空间具有基本轴向的环形横截面。

更具体地说，本发明设备的基本特征如权利要求1的特征部分所述。

本发明的主要优点如下：

1．设备中CS反应器的对称同心结构使传热介质的水平输送距离最短，在大型设备中也是这样。

2．本发明的结构也可以提供具有小高径比的大型设备。

3．设备的底座／空间要求最小化。

4．明显降低了设备的热膨胀问题。

5．设备形式紧凑、坚固并易于整体安装。

6．设备中可以提供许多传热介质的进／出口喷嘴，因此，在再生器的CS反应器中固体粒子水平混合易于控制。当设备的某些CS反应器用于运行物理或化学反应时，这些特征是相当重要的。

按照本发明原理，两个循环流化床反应器对称同心构造，因此，向上流动的悬浮催化剂的提升管通道具有基本上轴向的环形截面。提升管通道可以由挡板分割成弓形通道。因为反应器具有至少基本上垂直的纵轴，除特别声明外，本申请文件中提及任何反应器横截面的都应理解为水平横截面。提升管通道用作设备的化学或物理反应器空间。对称构造的重要性质和结果是连接在提升管上的旋风分离器也具有轴向对称结构。

在下面将借助详细说明书并参考附图更详尽地考查本发明及其优点，该图是特别适合于催化裂解和传热过程的设备的优选实施方案的侧视示意图。

尽管本发明主要是用于炼油和石油化学工业的化学过程，但在许多其它化学和物理过程中也可以利用它的很多优点，如在食品工业的干燥过程和金属和陶瓷工业的换热过程中。构造

本发明的最大优点是，与基于用单个设备进行组合的装置配置相比，便于构造更紧凑的设备，因此，提供了小得多的底座而且易于安装。这种紧凑结构的进一步的优点是设备的支承和基座较简单，成本较低。

在化学工业的反应器中，为了将压力壳的温度保持在构造材料的极限之下，大都需要保温衬里。在衬里的设计中，通常遵循规模经济(scaling ecnomics)规则：如果设备尺寸增大，则每生产一定量的最终产品所需的衬里较少。这一规则通常导致就地构造具有所需最大生产能力的单个设备，因此，单元的未受影响的功能经常变得对工厂的整个操作起决定性作用。与此相反，相应于类似的生产能力的设备，本发明的反应器设备具有较少的外部表面积，这就意味着对衬里的需要减少了。由于衬里材料的量较少，新的设备结构较轻；设备甚至可以设计成可移动式的(portable)，对于成套生产制造和车间维修来说具有优化的标准构造，所以，在提供所需流量能力的场合适于并联连接(如2-6件)。这样需要维修的反应单元可从全套设备中拆御下来并送到车间去维修。因此，相对于现有技术，如FCC单元提供了重大的改进，在FCC单元中，设备的维修必须与工厂的其它预定停车同步。

过程设备中的热损失量是由设备的外表面积决定的，外表面积作为一个经济和结构设计因素，不允许保温层厚度增加超过某一实际极限。由于其紧凑的结构，本发明的新反应器构造与常规设备相比大大降低了热损失。

进一步说，设备的连接管和元件在不同的温度下操作，其热膨胀引起设计问题，通常必须通过寻求昂贵的波纹管(bellows)补偿器和其它装置来解决。本发明方案提供了一种良好的方法解决热膨胀：装置中的大部分元件在轴向和径向都不膨胀。流动动力学

通常，工厂设备的配置和尺寸由颗粒物质从一个设备向另一设备的输送距离决定。本发明方案提供了这样的优点：相应反应器与再生器之间的水平输送距离保持较短，因此允许较低的设备高度，不需任何复杂的机械和气动输送系统。而且，通过利用设备在本发明构造中的同心对称设置，固体易于在整个轴向环形横截面上分布。实施例

当涉及的化学反应包括催化裂解或脱氢时，反应器和再生器可以具有基于轴向环形横截面提升管的构型，这一构型描述在本发明人的平行专利申请中，工艺本身可以芬兰专利FI 941，528中公开的设备构型为基础，其中包含了所有要讨论的基本元件。通过按本发明同心对称的方式配置这些单元，根据构造和流动动力学可以获得明显的效果：本发明方案改进了催化剂与进料气体之间接触时间的控制；油或气体料可以在反应器横截面上均匀地分布；由于同心安装的单元可相互没有障碍的移动，单元的热膨胀运动不会产生明显的问题。在本发明的具有优化催化裂解反应器的优选方案中，反应器和再生器同心安装，因此，固体粒子或催化剂从第一反应空间到另一反应空间经轴向环形横截面的通道循环。在这里，轴向环形通道与围绕第一反应空间的另一相应轴向环形横截面反应空间(再生器)相连。从第二反应空间向第一反应空间的回流通道也有利地由轴向环形横截面通道形成。经固体粒子入口流入反应空间的颗粒物质可以在反应器的轴向环形提升管通道中与预流化气体混合，预流化气体在提升管通道内夹带着固体粒子从下向上流动到进料喷嘴的位置。因此，从喷嘴中雾化为小滴的气体或液体进料在与热固体粒子物流接触时蒸发。由于进料的蒸发，固体粒子物流的速度会提高。因流动速度会显著高于最小流化速度，固体粒子将随气流流动，然而其速度比气流速度稍低。由设置在反应器上端的反应器的多端口旋风分离器形成的分离单元从固体粒子悬浮物中分离出颗粒物质。来自旋风分离器的固体粒子在再生后经朝下的轴向环形回流管返回反应器。反应产品气体经旋风分离器的中心管排出。

在下面将参照附图对本发明进行更详细的描述。

按新构造的设备包括一个具有轴向环形提升管横截面的内部反应器和一个外部再生器，污染的催化剂或冷却的传热介质固体粒子可以在外部再生器中再生并返回到过程中去。

在下面的描述中，循环固体粒子用缩写“CS”表示，举例的过程是使用液态烃作为进料的催化裂解。

参看附图，本发明设备的优选方案包括两个同心配置的圆筒形CS反应器，由中间壳22相互隔开，以后里面的那一个称之为“反应器”，外面的那一个称这为“再生器”。

反应器单元由三个同心安装的基本上为圆筒形的管1、2和3组成，其管间的空间形成了具有轴向环形横截面空间20、19和13。这些管可以由钢或等价合金制成。其中，所需的反应在空间13中进行。安装的管的纵轴同心竖直对准。在轴向环形提升管空间13上方，作为管2和3的延续，安装一个多端口旋风分离器14、17，具有固定在外壁上的百叶窗式叶片14。旋风分离器具有中心管21以排出产品气体，而在内部钢管3的内部空间提供输送通道19和20以排出从旋风分离器的气相中分离出来的固体粒子。

在反应器外壳3的内侧，再生器单元包括三个同心安装的基本上为圆筒形的管4、5和6，其管间的空间形成了具有轴向环形横截面的空间29、28和24。其中催化剂的再生是在空间24内进行的。在压力壳6的内侧衬了一层保温材料7以将壳温维持在对壳强度合理的水平。以在反应器中类似的方式，在轴向环形空间24上方安装一个多端口旋风分离器25、26，其叶片连接在圆筒形管5或压力壳6上。旋风分离器具有一个中心管30以排出在再生器中形成的烟道气，利用钢管5和6提供输送通道28和29，以排出从旋风分离器的气相中分离出来的固体粒子。

反应器的流化气流在图中由参考数字8表示。气流8通过流化底板12进入反应空间，在底板上方气流首先与经回流通道20从阀门31进入的催化剂混合，然后在反应器提升管内较高处与经进料管16的喷嘴17喷射的物流10混合，因此，进料在反应空间内蒸发。混合气流8和10以气相的形式沿轴向环形提升管13移动，同时携夹带的催化剂进入反应器旋风分离器的叶片14。在提升管13内催化剂释放热量以蒸发进料并进行反应，因此，其温度下降。来自叶片14的气体和夹带催化剂切向进入内部反应器旋风分离室17的内部，通过与旋风分离器内壁18碰撞，催化剂固体粒子被分离出来，并落入固体输送通道19和20。当需要时，一部分催化剂固体粒子可以溢流的形式经轴向环形通道19返回到反应器底部。尽管通道19对设备的作用并不重要，但是，在某些情况下对反应是有利的。在通道20内，催化剂固体粒子以密相(dense phase)的形式向下滴落，因此，反应器与再生器之间的气流经固体输送通道20的混合将被抑制。进入反应器旋风分离器的气流11经内部旋风分离器的中心管21排出。从反应器进入再生器的催化剂流借助阀门31控制，阀门31上装有圆筒形控制元件，可利用杆32机械移动。

再生器绕反应器配置，以便于这些单元由充满密相催化剂固体粒子的输送通道29相互隔开。以与反应器中类似的方式，再生器位于壳间提升管通道空间内，保持在由设备壳和安装在该壳内侧的反应器管形成的两个圆筒形壳层表面之间。所述反应器管和反应器的所述外部圆筒形壳结构之间进一步安装一个圆筒形壁以提供所述固体粒子的输送通道29。含氧气流9经流化分布器底板23进入再生器，并在轴向环形提升管通道24内上升，同时携带催化剂固体进入再生器旋风分离器的叶片25内。在再生器内，可能积累在催化剂固体表面上的焦炭和渗透到其孔隙中的有机化合物被氧化，也就是说在提升管通道24中燃烧掉，因此，催化剂温度上升。再生器旋风分离室26位于反应器上方。在旋风分离室26中，通过与旋风分离器内壁27碰撞，催化剂固体粒子被分离出来，并随后落入通道28和29中。回流通道29使催化剂固体粒子返回到反应器中。未能进入回流通道固体粒子的剩余部分将以溢流的形式经通道28落回到再生器底部。在其通过内部回流通道时，催化剂或类似颗粒物质有利地保持流化状态，因此，控制阀门是多余的。再生器的烟道气12经再生器旋风分离器的中心管30排出。在回流通道29中以密相形式缓慢向下滴落的固体粒子防止了反应器和再生器气体空间之间的连通。经连接在其上的杆34通过机械地移动阀门33的圆筒形控制元件，控制从再生器向反应器的固体粒子流速。

为试验模拟芬兰专利FI 941，528中讨论的催化裂解过程，建立了具有两个循环流化床反应器的所谓冷模，两个流化床反应器以同心密封的方式构造成一个单元。再生器的外径为465mm，内径为365mm，反应器外径OD为360mm，内径ID为300mm。通过将催化剂循环流量达2kg／s进行设备的操作，这一量对油给料流量为500kg／h，催化剂与油的比率为15的中试过程是足够了。在操作中，再生器旋风分离器入口流速为5．6m／s，催化剂横截面质量流量为大于200kg／m2s。在这一操作条件下，从旋风分离器的排放喷嘴排出的烟道气中未检测出携带的催化剂，系统的协作关系也没有问题。

很明显，在不脱离本发明范围和精神的条件下，可以对所讨论方案的细节进行改进。例如，可以用类似上述再生器结构的许多同心对称外部反应器将内部反应器包围起来。