FCC进料喷射区

摘要

本发明涉及FCC的进料喷射区。所述进料喷射区的形状是非圆形的。这可以在所述进料喷射区的进料和催化剂之间实现优化的穿透。

说明书

本发明领域

本发明涉及流体床催化裂化设备的进料喷射区。更具体的，改变所述进料喷射区的几何结构以使进料喷射区是非圆形的以提供最佳的进料和催化剂混合。

发明背景

在用于将高沸点烃类转化为轻烃的流化床催化过程中，流化态的催化剂粒子与烃在至少一个接触区接触。烃和催化剂的接触方式对流体床催化裂化设备(“FCC”)性能具有显著的影响。如果FCC提升器中的催化剂粒子可以完全并瞬间与烃在进料混合区混合将是有利的。然而，这在物理上是不可能的。进行了许多的努力以最佳化烃和催化剂的混合以改善FCC性能。

改善在进料混合区混合的努力集中于用于将进料注入的注射管嘴和催化剂和进料混合的方式。所述注射喷嘴的一个目的是使进料分散的尽可能细。制造微滴的方法被称为流体雾化，其受因素比如节流面积、压降、流体密度和粘性的影响。

影响进料和催化剂混合的一种方式集中于进料制备。例如，所述进料可以与气流混合之后进行雾化。所述进料可以通过开口排出进入混合管之后接触催化剂。所述进料、催化剂或者两者同样可以被增加速度之后进行混合。使用提升气体以加速提升器中的催化剂粒子。

进料注射器的取向同样可能影响进料混合。在一种情况下，所述进料通过围绕所述提升器周围排列的喷嘴径向导入。其它的喷嘴布置和注入方法集中于产生文丘里效应。这伴随在所述催化剂、进料或者两者的流路上产生限制。另外的方法和设备包括进料注入装置，其中进料从所述混合区的包括不同横截面的限流孔侧面横向注入。

优化流化催化裂化装置混合区而不依赖加速催化剂作为能量输入的优点是导致压降和限制催化剂循环。

发明内容

本发明涉及一种改进催化剂和进料混合的方法。因此，本发明涉及一种用于混合流化催化裂化器进料喷射区的流化态颗粒与流体碳氢化合物原料流混合的方法：

(a)将流化态颗粒送入粒子导管；

(b)将所述流化态颗粒从所述粒子导管导入到所述进料喷射区，所述进料喷射区包含非圆形的导管，条件是所述粒子导管和所述非圆形的导管基本上具有同样的横截面区域；和

(c)通过多个位于所述的非圆形导管上的进料注射器将流体碳氢化合物进料注入所述进料喷射区。

在另外的实施方式中，本发明涉及一种流化态颗粒与流化催化裂化器进料喷射区中的流体碳氢化合物原料流混合的方法，包括：

(a)将流化态颗粒送入粒子导管；

(b)将所述流化态颗粒从所述粒子导管导入到所述进料喷射区，所述进料喷射区包含矩形管道，条件是所述粒子导管和所述矩形管道基本上具有同样的横截面区域；和

(c)通过多个位于所述的矩形管道上的进料注射器将流体碳氢化合物进料注入所述进料喷射区。

使用非圆形的导管可以使从所述导管侧面注入的进料的喷射更有效地穿透催化剂粒子物流。

附图简述

图1是示意性显示彼此以θ＝90度的角度流动的两种射流之间的射流混合。

图2显示典型的大直径的FCC喷射区的横截面的平面图。

图3显示典型的小直径FCC进料喷射区横截面的平面图。

图4显示非圆形的FCC进料喷射区横截面的平面图，表明使用非圆形的催化剂管道的优点。

本发明的详细说明

所述FCC工艺通常包括流化催化裂化反应器和再生器。所述FCC反应器包括包含进料喷射区和随后反应区的进料提升管，在反应区中预热的流化催化剂粒子与碳氢化合物进料接触。来自所述反应区的废催化剂粒子被送入汽提段，汽提过的催化剂被送到再生器。所述进料喷射区通常包括多个围绕圆形催化剂管道间隔的进料注射器，同时所述反应区通常是所述进料喷射区下游的提升器或者管道类型的接触器。

所述FCC反应器的原料可以是单独的原料或者原料混合物，包括减压和常压的粗柴油、轻催化裂化装置粗柴油、焦化瓦斯油、来自减压和常压蒸馏单元的残油、全和常压渣油、沥青、沥青烯、来源于热裂化比如循环油的油、来源于焦油砂和煤的油、页岩油、合成原油等等。所述原料可以例如通过加氢处理或者溶剂精制预处理以除去有害组分。

FCC催化剂可以是无定形的比如二氧化硅-氧化铝、结晶的或者其混合物。结晶催化剂是分子筛，优选沸石。沸石的例子包括x、Y、REY、USY、β等等。催化剂的沸石含量通常基于催化剂为15-40wt％。所述催化剂通常是细碎的，平均粒度为50-200μ。

典型的FCC反应区条件包括温度从427到732℃(800到1350)，压力从135到515kPa(5到60psig)，催化剂接触时间从0.5到15秒，和催化剂与进料的重量比从0.5到10。所述进料可以预热到温度177到454℃(350到850)。

在所述提升管的FCC反应区中，流化的热催化剂粒子与雾化的进料接触。所述进料迅速蒸发并裂化为轻产品比如汽油、柴油、喷气发动机燃料、煤油、燃料油等等。蒸发的产物和废催化剂在所述反应器的上部分离段分离。所述废催化剂粒子通常用蒸汽提以回收副产物。所述汽提过的催化剂粒子被送到再生器，其中燃烧掉焦炭。再生催化剂然后循环回到所述提升器。

在典型的FCC提升器中，所述进料喷射区是圆形的，所述流化催化剂向上流动，其中催化剂与通过位于环绕圆形的进料喷射区的喷嘴注入的雾化的进料接触。可以改变所述喷射区的直径和/或改变所述喷管结构/取向以改善进料和催化剂的混合。当通过所述FCC反应器的总的设计能力(催化剂流速)增加时，所述提升器和进料段的横截面面积和周围长度通常增加。当设计进料速度增加时，所述注射管嘴的数量和/或尺寸也增加。所述进料注射器通常高度优化以使进料雾化，任何给定喷管的流速范围和排放条件受到这些设计考虑因素的限制。在许多情况下，所述进料射流和所述催化剂流之间的射流混合不进行优化或者不能优化，因为在考虑所述催化剂流和提升管尺寸特性的情况下，不能改变进料射流的特性以实现优化的穿透和混合。

使用混合理论预测当混合流体流动通过不同直径圆形管道的流体特性。图1显示彼此为θ＝90度角度流动通过直径为D₂与d1的管道的两种射流之间的射流混合简化图。所述射流由具有各种各样的质量流量、密度和速度的流体组成。所述两种射流的最佳配合比由关联流量、密度、速度和管道直径的方程表征。实施例说明两种射流相对角θ＝90度时的情况。在显示于图1的情形下，其中流动通过两个管道1A和2A的二种流体1和2互相接触，M₁和M₂是相应的流体1和2的质量流量，ρ₁和ρ₂是相应的密度，u₁和u₂是相应的速度，D₂是较大管道2A的有效的等效直径，d₁是较小管道1A的有效的或者等效直径，θ是流体1和2两种射流之间的接触角。对于θ＝90°的射流，Y_max/D₁＝1.25((ρ₁U₁²/ρ₂u₂²)0.5)(M₁/(M₂+M₂))，其中Y_max是流动进入较大管道较小射流的穿透极限值。对于流体1和2的最佳配合比，已经显示Y_max＝0.33D₂，即0.33倍所述较大管道的直径。对于利用二相气体雾化的进料注射器的FCC进料注入的情况，ρ₂，所述喷射区催化剂密度为10-35lb/ft³，u₂，催化剂进入所述进料喷射区的速度为2-10ft/s。所述进料射流的密度，ρ₁，为5-20lb/ft³，所述进料射流的速度，u₁，为75-300ft/s。催化剂管道的直径，D₂，为1-4ft，所述进料注射器管道的直径，D₁，为0.05-0.75ft。M₂和M₁相应的质量流量对于所述催化剂流为330-3300lb/s，对于所述单独的进料喷射流为10-50lb/s。当各种各样的密度、速度、质量流量和进料射流直径值代入方程式求解Y_max时，可与D₂相比。当Y_max＝0.33D₂时，试验性的得到了最佳配合比。

当Y_max＝0.33D₂时，所述二种流体之间的混合是最优化的，即这是流动通过两个管道以90-度接触角混合在一起的二种流体之间优化的穿透极限。当所述二种流体温度不同，或者当所述流体之一经历相变比如汽化时，这可以通过测量越过较大管道和注入点下游的温度分布试验确定。对于具体的单一流体射流具有90度相对角的情况，当Y_max＝0.33D₂时，温度很快平衡表明实现了最好的混合。如果穿透极限大于或者小于0.33D₂，则需用更长时间出现混合，更长时间温度达到平衡。

上述流体混合基本原理适用于从喷射区进入FCC提升器中催化剂流的原料的雾化。所述基本原理同样可适用于如下的情况，其中进料喷射流的角度相对于所述催化剂流轴心是不同于90度的值。在这种情况下，Y_max是所述催化剂流轴心和所述进料喷射流轴心之间角度(θ)的函数，优化的射流混合的Y_max值是该角度θ的函数。在常规的具有多个注入点的圆形管道中，不可能设计出实现这种最大优化穿透值的系统。然而，在非圆形系统中，当所述二种流体基于上述混合模式时，可以设计在催化剂和进料之间实现优化的穿透的系统。

本发明工艺调整进料喷射区的几何结构以实现最佳混合。更具体的，所述进料喷射区包括非圆形区几何结构，条件是进料提升管导向喷射区的那部分横截面面积和喷射区本身的横截面面积基本上相同。换句话说，本发明工艺利用喷射区本身的几何结构改善混合，而非改进进料喷嘴效率，或者依赖由于改变所述进料/喷射区的横截面面积或者改进所述喷嘴效率导致的任何文丘里效应和压降。就非圆形的几何结构来说意思是所述喷射区可以是当在平面内观察时，为椭圆、正方形、矩形或者具有半圆或者椭圆末端的两个平行侧面的形式。优选的非圆形的几何结构包括椭圆、矩形或具有半圆的或者椭圆末端的平行侧面。优选的椭圆是其中长轴与短轴比例为1.2-5.0的那些。

所述非圆形的进料喷射区包含多个喷射管嘴，其中将进料注入到流化催化剂中。优选的管嘴是能够实现进料最大程度雾化的那些。这些管嘴可以布置在垂直于所述喷射区中催化剂轴流方向的平面内。从所述进料嘴的流动方向可以与催化剂轴流垂直(90度)，或者相对于所述流向为20-90度。

图2和3分别显示典型的较大和较小圆形喷射区的喷射区横截面。图2显示典型的大直径的FCC进料喷射区的横截面平面图，其中具有流动催化剂的大管道具有一系列径向进料喷射管嘴。如果质量流量、密度、速度和管道尺寸之间的关系是非优化的，那么进入所述流动催化剂流的进料射流的穿透可能不足以保证两种物流之间优化的混合和接触。图3显示典型的小直径FCC进料喷射区的横截面平面图，其中具有流动催化剂的大管道具有一系列径向进料喷射管嘴。如果质量流量、密度、速度和管道尺寸之间的关系是非优化的，那么进入所述流动催化剂流的进料射流的穿透可能超过保证两种物流之间优化混合和接触的需要。

在图2中，具有直径D₂大直径的圆形FCC进料喷射区的横截面命名为12包含多个进料喷射管嘴14。Y_max是最大进料穿透18的距离16。对于接触角θ＝90的情况，如果Y_max小于0.33D₂，那么穿透不完全，射流混合是非优化的。在图3中，小直径圆形的FCC进料注入区20的横截面具有标记为22的直径D₂，包含多个进料喷射管嘴24。Y_max是所述圆形的横截面20和最大进料穿透28之间的距离26。对于接触角θ＝90的情况，如果Y_max大于0.33D₂，将出现过渡穿透和非优化的射流混合。

图4表明使用非圆形(长方形的)催化剂管道的本发明实施方式的优点。在这种情况下，所述管道的横截面面积相对于所述上游圆形的催化剂管道可以保持恒定，因此所述催化剂流上存在微乎其微的摩擦压降，不需要能量加速所述催化剂。然而，通过变化所述管道的宽度W给任何上游管道直径D₂提供所述进料射流和所述催化剂流之间最佳混合需要的D_effective，特征尺寸，以使横截面面积保持恒定。

在图4中，多个管嘴布置在垂直于长方形进料喷射区中的催化剂轴流的平面内。所述长方形的横截面30具有长度32和宽度34，这相当于D_effective。多个进料注射器36位于沿着所述进料喷射区长度的两面上。Y_max是边42和最大进料穿透40之间的距离。在这种情况下，假定所述角度θ是90°，则Y_max是0.33D_effective，这能够使长方形的喷射区实现最佳的射流混合。对于任何希望的等于宽度32×D_effeetive的催化剂流通面积，可以确定尺寸D_effeetive以优化射流混合，可以改变所述管道宽度以提供所述需要面积，以保持流通横截面，不对所述流动催化剂流引起显著的压降。对于喷射角不同于90°，可以调节所述管道长度和宽度以提供该优化的穿透，同时保持所述需要的流通横截面。

如果所述喷射区横截面形状不是最佳的，那么射流混合不会被最优化，所述进料和催化剂之间的接触变得更差。进料和催化剂的不良混合引起产率选择性变差，收益性损失。例如，在圆形横截面进料喷射区中，显示出由于改进混合而改进了选择性。表1显示对于圆形横截面提升器中的进料，改进混合对焦炭和气体选择性和转化率的影响。所述的表表示当改变所述进料喷射流有效直径，及改变流动催化剂流的速度、质量流量和喷射角时工业设备的性能比较。在这种情况下没有改变催化剂管道尺寸和催化剂流性能。如从表1可见，C₂-干气选择性(二级选择性＝产率/(转化率/(100-转化率)))降低16％，塔底产物选择性降低14％，所述焦炭选择性降低6％。

                      表1

  结果  预处理  进料注射器之后处理  转化率，wt％  C₂-气体选择性  主塔塔底产物选择性  焦炭选择性  基准  基准  基准  基准  +0.9  -16％  -14％  -6％

该数据表明射流穿透和最佳配合比的重要性。甚至通过改变所述喷射区几何结构得到进一步改进。