气体和固体在流化床中接触的方法和装置

摘要

一种气固流化床,其中接触装置(10)具有排列在交错平面内的成对的平面部分(14),每个平面部分(14)由一个或多个臂板(16)和一个或多个相邻于每个臂板的开口槽(18)形成,臂板(16)和开口槽(18)如此排列使得在一个平面部分(14)上的臂板与成对平面部分上的槽(18)交错。流化床可以是用气体物流流化的催化剂微粒,例如在FCC系统中的催化剂汽提塔和/或再生器。

说明书

发明背景

本发明一般涉及流化床，其中固体和液体以逆流流动，更具体地说，本发明涉及利用内部结构以促进固体和液体在流化床中的接触。

流化床频繁用于石油、化工、燃烧和其它类型的工艺中以促进液体物流和固体微粒在容器中的剧烈混合和紧密接触，这种紧密接触可用于获得有效传热、传质和/或液体物流、固体微粒之间的化学反应和/或在固体微粒上涂覆或在其中夹带液体。流化床通常通过液体物流，通常为蒸汽物流以足以悬浮微粒和产生固体微粒的湍流混合的速率向上通过小固体微粒的床层产生。流化床的下边界在液体物流入口的水平或刚低于该水平处形成，上边界根据液体物流的速率变化，在液体脱离微粒的水平形成。液体流体的速率保持在大于产生固体微粒悬浮的速率和低于导致微粒带出容器或超过所需的上界水平的速率。

在某些类型的流化床中，固体微粒保持悬浮在流化床中，不存在固体微粒的最终向下流动，在另一些类型的流化床中，固体微粒连续地在流化床顶部加入，从底部排出，因此存在着与向上流动的液体逆向流动的固体微粒的向下流动。在这两种流化床中，通常需要降低液体通过固体微粒的沟流和在流化床中液体或固体微粒的沉积区。尤其是在逆流流化床情况下，人们还需要降低流化床中固体微粒和液体的循环或返混，这是因为返混的有害效果将影响流化床中发生的特定过程的效果。

涉及液体物流和固体微粒逆向流动的流化床的实例在用于流化催化裂化或FCC系统的汽提塔和再生塔的具体类型中可以见到。在该FCC系统中，中沸点和高沸点烃被雾化，在反应器中与流化的催化剂微粒在高温下接触，使烃裂解产生低沸点反应产物，例如汽油。然后例如在旋风分离器中分离反应产物和催化剂微粒，分别进行进一步的加工。催化剂微粒通常由反应器中以连续方式除去，然后进行进一步加工，首先在催化剂汽提塔中除去挥发性烃，随后在再生塔中除去非挥发碳质物质，即焦，它在反应过程中沉积在催化剂上，降低了催化剂的效率。在催化剂汽提塔中，通过使催化剂与流动的气体物流，例如水蒸汽在汽提过程中逆流接触，在流化床中从催化剂中除去夹带的，空隙中的和吸附的挥发性烃。由催化剂除去这些残余的烃是希望的，这是因为烃可回收和作为反应产物返回过程，而不是与催化剂微粒一起输送到再生塔中被烧掉，从而导致再生塔的空气需求增加，在再生塔中残余烃的燃烧还通过使催化剂遭受高温促进了催化剂的退化。催化剂微粒离开汽提塔，随后直接进入再生塔，在再生塔中，通过将催化剂微粒通过流化床与氧化气体在再生过程中逆流接触，通常是空气，燃烧焦沉积物和任何残余烃，再生的催化剂微粒随后返回反应器用于烃的进一步催化裂化。在这些FCC汽提塔和再生塔的流化床中，需要将所有催化剂微粒和液体物流以完全逆流的方式通过流化床，没有沟流和返混，所有催化剂微粒和气体物流以规定的时间间隔通过流化床，一种称为活塞流动的状况，从而得到更好和更可预计的效率。

据报道，用于近似于逆流气体和液体体系的活塞流动状况的装置，例如乱堆填料在气体和固体微粒系统中必然操作不好，因为固体粒子可积存在填料中的未充气沉积区域。还据报道，通过试验和误差试验，某些栅条型填料，例如人字形或圆盘和环状(donut)元件，被证实在完好(well)流化床中在延缓顶部至底部的固体混合速率中是相对有效的。然而，这些栅条型填料会降低能够通过流化床的液体和固体的数量，这是因为填料强迫液体和固体流过限制的流动通道。除了降低流动容量外，填料通常具有差的“操作”性能，因为它们仅在限制的气体流速范围内提供可接受的操作效率。此外，这些填料会在流化床中产生大的气泡，带来若干不希望的结果，包括降低蒸汽和固体之间的接触效率、由于气泡向上移动固体微粒增加固体返混和由于大气泡向上吹过流化床增加了进入流化床上方稀释相中的固体夹带量。因此需要开发填料型元件，它限制较少的流化床截面积流动区域，在宽范围的流速下操作良好和降低在流化床中大气泡的形成。

由刚性形式组成的静态混合元件通常用于例如在并流通过管道、容器或其它导管的可流动物质的物流中获得充分混合、传质、传热或化学反应。这些元件可采用许多形式，但通常利用固定折流板，该折流板分裂、剪切随后重新混合液体物流或液体和固体直到存在均匀物流。静态混合器通常对于具体的应用进行具体设计，例如涉及液-液、液-固或气-固并流流动，因为在一种类型的应用中性能良好并不必然表示该静态混合器将在其它应用中操作良好或甚至是可接受的。

人们已建议一种类型的通常称为SMV元件的静态混合元件可用于液-固流化床以获得在一定液体流动条件下的较高固体浓度。SMV元件包括如此安装的一组波纹板使得相邻板的波纹接触和互相以一定角度延伸，从而形成沿着波纹的峰和谷形成液体和固体流动通道。关于SMV元件对固体返混的影响和用于除液-固流化床之外的气-固流化床的适用性未见有报道。

在US5,716,585中人们建议填料的波纹板，例如改进的SMV元件，可用于促进在气-固流化床中固体的汽提。在该专利中，具体公开了在用于废FCC催化剂的汽提装置中使用填料波纹板。然而，波纹板的不渗透性质阻塞了气体和固体通过板的通道，会阻碍汽提气体和催化剂微粒一起的烃之间的所需交换。

另一类型的静态混合元件在Brauner等人的US4,220,416中公开。在该专利中公开的元件包括以空间间隔关系排列在两个垂直平面上，并沿连接脊柱连接在一起的成对平面部分，并带有许多在管道或其它导管中首尾相连放置的成对平面部分。每个平面部分包含至少一个，通常两个或三个臂板，它们空间间隔以提供物质可流动混合的开口槽。虽然还用于其它应用，但这类元件被证实尤其用于混合以并流层状流形式流动的高粘度聚合物化合物。至今没有报道建议这些元件用于流化床的适用性。

发明概述

本发明的一个目的是提供带有接触元件的流化床，该元件降低了流化床中固体和气体的返混，因而与许多其它类型的常规元件相比，获得较高程度的活塞流动和较大的方法效率。

本发明的另一目的是提供带有接触元件的汽-固流化床，该元件降低了在流化床中形成的气泡的尺寸，从而在流化床中获得更多的与固体接触的气体表面积，导致方法效率增加。

本发明的另一目的是提供带有接触元件的汽-固流化床，与使用许多类型的常规元件，例如圆盘或环状元件产生的气泡相比，它提供更均匀尺寸的小气泡的更均匀分布，从而获得较大方法效率和降低蒸汽夹带固体微粒。

本发明的另一目的是提供带有接触元件的流化床，与许多类型的常规元件，例如圆盘或环状元件相比，能够获得较高的方法效率，而同时压缩更小的流化床截面积部分，从而能够保持流化床的较高液体和固体流动能力。

本发明的另一目的是提供带有接触元件的流化床，它能够在宽范围空塔气体速率范围内得到高方法效率和能力，因而接触元件可用于具有广泛可变气体速率的应用中。

为实现本发明的这些和其它相关目的，在容器中在气固流化床内安装接触装置，例如在US4,220,416中描述的一般类型，其全文列为本文参考文献。接触装置包括一对或多对折流板部分，每个折流板部分通常是平面的，但这不是必需的，包括许多在全部或部分流化床截面积中以锐角延伸的空间间隔的臂板。成对的折流板连接在一起，形成通常60或90度的角，根据需要它也可以是其它角度。在每个折流板部分中在臂板之间形成的开口槽允许气体和固体在其间流过。

我们惊奇地发现与波纹板和圆盘和环状元件相比，在气固流化床中使用这类混合装置提供了较高的流动效率。

附图的简单说明

附图构成说明书的部分，与说明书结合阅读，在不同视图中，同样的附图标记用于表示同样的部件：

附图1是说明本发明的带有接触元件的流化床的塔的示意图；

附图2是采用本发明的接触元件的FCC系统的示意图；

附图3是比较本发明接触元件与其它接触元件的总体汽提效率的曲线。

本发明的详细说明

现在详细说明附图，首先附图1，用于本发明的接触元件通常编号为10，示意图显示安装在圆柱形容器或塔12中。塔12是具有正方形、矩形或其它所需截面的容器，由适用于和相容于在开口内，塔的外壳内的内部区域中发生的方法的材料构成。塔12可用于气体和固体的不同类型的流化床工艺，例如包含热交换、传质和/或化学反应的工艺。例如塔12可用于在流化催化裂化(FCC)方法中由废催化剂汽提烃或通过由废催化剂燃烧焦炭使废催化剂再生。作为另一实例，塔12可在FCC或其它工艺中用于进行气体和热催化剂之间的热交换、由燃料气体中洗涤污染物、在发电过程中燃烧煤或其它燃料、固体微粒的干燥和固体微粒的混合、涂覆或附聚。这些实例不是用来限制本发明的范围，而是用来举例说明本发明的特定实施方案。

接触元件10包括许多成对的折流板部分14，每个折流板部分14包括至少1个，通常许多个在全部或部分流化床截面积中以锐角延伸的空间间隔的臂板16。在每个折流板部分14中在臂板16之间或与其相邻形成的开口槽18可使气体和固体在其间流过。臂板16本身可钻孔以使流体流过臂板。成对的折流板部分14在交错的平面上延伸，在一端或沿其长度方向的中间部分连接在一起。在每个折流板部分14中，臂板16排成一行，与成对折流板部分14形成的开口槽18交错。交错折流板14形成的角度通常为60或90度，但根据需要可以是其它角度。在每个折流板部分14中臂板16通常位于相同平面上，但如果需要可以不同平面上延伸。除自然平面外，臂板16还可建造成曲线或其它所需形状。

若干成对的折流板部分14以排成一行、相互连接和交错方式连接在一起形成每个接触元件10。许多接触元件10可随后在塔12内以空间间隔或接触关系首尾相连地放置，相邻的元件可成排放置或它们可以一定的角度，例如彼此之间成45度、90度或其它所需角度旋转。每个折流板部分14的平面和塔12的纵向轴形成的角度可根据成对折流板部分所选择的交错角度变化，例如当使用90度的交错角度时，折流板部分14以与塔轴成45或135度的角度延伸，当选择60度的交错角度时，折流板部分14以与塔轴成60或120度延伸。

每个接触元件10的大小可完全填充塔12的截面或许多较小的元件10可以并排关系安装以填充塔的截面。当以并排关系安装时，元件10可以相同或不同方向定向，可安装在彼此错位的许多排中。

根据本发明，流化床20在塔12的部分中形成，在该塔中安装接触元件10或许多接触元件10。流化床20通过用箭头22表示的微粒固体和由箭头24表示的向上流动的流化气体形成。固体22经过预先选择微粒形状、尺寸和组成的，气体24经过预先选择组成和速率。优选固体22以连续的方式从流化床20的顶部加入，由底部排出，因而固体22与气体24逆流通过流化床。另一方面，固体22保留在流化床20中，直到工艺完成，随后由流化床排出。

气体24向上通过流化床20后进入在流化床上方的稀释相，在输送到最终或中间目的单元之前，气体可通过分离器，例如旋风分离器(未示出)以除去任何夹带的固体微粒。气体22离开流化床20作可被输送到最终成中间目的单元。

接触元件10可以所需垂直位置安装在流化床20上，在某些应用中，需要将接触元件10或许多元件10安装在流化床20的上边界和下边界附近，而在其它应用中，需要将元件安装在离边界线预定距离的位置上，在其它应用中，元件10可延伸高于或甚至低于流化床20。

在流化床20中发生的过程的类型可包括传热、传质、燃烧和/或化学反应。例如流化床20可在FCC系统中用于由废催化剂汽提烃或燃烧沉积在废催化剂上的焦炭。采用接触元件10的FCC系统在附图2中图示，其中在汽提塔26中由废的固体催化剂微粒(用箭头28示意说明)汽提挥发性烃，随后催化剂微粒输送到再生器30中，在其中燃烧焦沉积物以再生催化剂微粒。汽提塔26具有中心上升管32，它将载体气体物流中的废催化剂微粒输入塔26的开放的内部区域中。催化剂微粒随后在重力作用下向下流动和通过接触元件10。蒸汽或其它汽提气体通过管线34在低于接触元件的位置输入塔26中，向上流动导致在接触元件10中的催化剂微粒流化，导致汽提催化剂微粒中的挥发性烃和。由于催化剂微粒在与气体物流接触时流化，与常规汽提过程相比，可获得较高程度的活塞流动和较大的过程效率。

含有汽提的挥发性烃的顶部气体物流通过管线35由汽提塔26流入FCC反应器(未示出)或其它所需位置。汽提的催化剂微粒由另一管线36由汽提塔26输送到再生器30中，在其中它们向下流过另一接触元件10。空气或其它氧化气体通过管线38在低于接触元件10的位置输入位于再生器较低部分的燃烧器40中。当催化剂微粒在接触元件10中流化时，沉积在催化剂颗粒上的焦炭燃烧，导致催化剂微粒的再生。催化剂微粒随后可通过管线42返回汽提塔26或可输送到FCC反应器(未示出)。顶部的燃料气体通过管线44输送到洗涤塔(未示出)或另外加工。旋风分离器46用于再生器30和汽提塔26中以从顶部气体物流中除去夹带的催化剂微粒。

接触元件10还可通过以双壁形式形成臂板16用作热交换器，从而热交换介质通过在臂板16内流过与周围的介质进行热交换。作为这类使用的一个实例，臂板16的末端可通过塔12延伸，与头部连接，所述头部分配液体到臂板16以在其中循环。另一种介质，例如静止或流动固体或其它液体围绕臂板16，与在臂板16内循环的分凝液体进行热交换。

我们惊奇地发现接触元件10在气固流化床中提供良好性能。在一系列包括用空气从FCC平衡催化剂中汽提氦的比较试验中，与圆盘和环状塔盘相比，接触元件10显示高达20％的提高的流动能力，与圆盘和环状塔盘和SMV-型波纹填料元件相比，显示较高的汽提效率。

接触元件10在气固流化床中能够良好操作的原因还不完全理解，但我们相信部分原因是由于交错臂板16提供阻止固体22的向上移动和循环的截获点。通过减少这种循环或返混，固体22可以接近活塞流的均匀方式推进向下流动通过流化床20。许多交错臂板16还降低了在流化床20中形成的气泡的尺寸，有助于小气泡的更均匀分布。这些小气泡提供较大的与固体22接触的气体表面积，效率增加。此外，小气泡同样不易导致固体的向上移动，它们降低在流化床20上方稀释相中被气体夹带并必须从中分离的固体数量。气体和固体的均匀分布还降低了会降低操作效率的沉积区域的形成。显然，用接触元件10得到的增加的效率可在宽范围的气体表现速率中获得，无需降低气体和固体流量到不需要的水平而获得。

如下实施例用于举例说明本发明，没有限制的含义。

实施例1

在冷流体动力学塔中测试一系列不同的填料元件以确定使用空气从FCC平衡催化剂汽提氦的汽提效率。测试了本发明的接触元件的两个实施方案，其中折流板部分14以与塔垂直轴成60度的角度排列。在第一实施方案中，交错折流板部分14形成具有7.5英寸高和4.33英寸宽的菱形。第二实施方案的相应尺寸为5.0英寸高和2.88英寸宽。接触元件相对于具有2.5英寸卷边高度，带有60度波纹角度的波纹板和常规圆盘和环状塔盘进行试验。试验结果随后用分阶段效率模型分析，其中一个圆盘或环状塔盘相当于一个阶段。分析结果在附图3中说明，从中可以看出接触元件10的操作在整个气流速率范围内有效甚至明显高于波纹板和圆盘和环状塔盘。接触元件10还显示杰出的负荷性能。