用于最小化反应器容器中催化剂停留时间的设备和方法

摘要

公开了一种催化剂和气体产物在流出反应器管道(10)排出口(22)后的接触时间的最小化的方法。反应器管道将原料排出到直接与分离器(32)连接的分离室(24)中。分离器的料腿(34)直接与分离器连接或者与直接与分离室连接的中间室(64)连接。因此，催化剂不会偶然夹带进入到反应器容器的大开放体积中。因此，离开分离室的催化剂快速返回到分离室中，从而在催化剂和产物气体从反应器管道中流出后使它们接触的时间最小化。

说明书

发明背景

[0001]本发明通常涉及用于从气体中快速分离颗粒状的固体的方法。 更特别地，本发明涉及反应后气态产物和催化剂颗粒之间接触的最小化。

现有技术的描述

[0002]流态化催化裂化(FCC)方法是一种将高分子量的烃裂化为汽油 和液化石油气(LPG)范围内的烃的方法。FCC方法通过使烃类原料例如真 空瓦斯油、残留的原料或其它相对高沸点烃的原料与由精细分离的或颗粒 状的固体材料构成的催化剂在延长的管道中接触而进行。原料与流态化催 化剂颗粒的接触催化了裂化反应，同时焦炭沉积在催化剂上。离开反应区 的催化剂成为“废催化剂”，即通过焦炭沉积在催化剂上使其部分失效。废 催化剂传统上传递到从催化剂中除去吸附的烃和气体的汽提器中并且之 后传递到用于通过用含氧气体氧化除去焦炭目的的再生器中。再生的催化 剂返回到反应区中。氧化来自催化剂表面的焦炭释放大量的热，其中一部 分与再生的催化剂一起离开再生器。US 5,584,985和US 4,792,437中充分 描述了该FCC方法、以及用于其中的分离装置。

[0003]废催化剂仍然具有催化活性。废催化剂和裂化产物之间延长的 接触可以允许期望的产物的过度裂化和额外的焦炭沉积，由此减少了期望 的产物的回收。离开反应器管道的废催化剂和气体产物典型地进入大体积 的反应器容器中，在其中它们可以在分离之前停留延长的时间，因此允许 发生额外的裂化。在反应器管道的排出末端的分离装置用于快速地分离大 部分的催化剂和气态产物。

[0004]US 4,397,738和US 4,482,451公开了通过从反应器管道中将气 态产物和固体催化剂颗粒的混合物切线排出到保留容器中使其快速分离 的装置。通过包含固体催化剂颗粒的气体的切线排出产生的离心力迫使较 重的固体颗粒向外离开较轻的气体，因此允许向上收回气体和向下收集固 体。保留容器具有相对大的直径并且通常提供固体从气体中的第一次分 离。在这些装置中，分离的最初步骤后面典型地是第二个更完全的在位于 反应器容器中的传统的旋风分离器中的固体从气体中的分离。

[0005]旋风分离器通常包括具有在形成旋风器外壳的圆柱形容器的外 部的切线方向进口的相对小直径的旋风器。切线方向进口为进入的气体赋 予切线方向速度并且将固体强制向外带出并向下收集固体、向上收回较轻 的气体。收集的催化剂固体通常通过料腿(dipleg)下降进入反应器容器底部 的催化剂床中。

[0006]催化剂床典型地流态化以方便催化剂进入到汽提容器中。反应 器容器包括大体积的空洞空间，在其中催化剂可以夹带气态产物。当催化 剂传递到分离器阶段之间、从旋风料腿传递到催化剂床和在催化剂床中流 态化时会发生夹带。典型地，反应器容器用惰性气体吹扫，例如蒸汽，以 便抑制产物气体在反应器容器中和夹带的催化剂颗粒一起漂浮。但是，夹 带在惰性气体中的催化剂颗粒具有吸附在其上的烃，其可以连续地反应直 到催化剂进入汽提容器。最后，在汽提容器中，相当一部分烃解吸并且与 催化剂颗粒分离。因此，当期望的反应完成且催化剂和气态产物离开反应 器管道后，催化剂和气态产物可以在很长一段时间内一起存在于反应容器 中。

[0007]US 4,220,623公开了一种用于与汽提容器中分离的FCC单元的 反应器容器。汽提排放管线从汽提容器处向上沿着反应器容器中的旋风料 腿延伸到反应器容器中的高于密集床的高度。该装置声称降低了反应器容 器的高度。这种反应器管道并没有直接与反应器容器中的旋风分离器连 接。

[0008]US 4,946,656公开了一种直接与第一级旋风分离器连接的反应 器管道，其通过气体管道与第二级旋风分离器连接。第一和第二级旋风分 离器之间的回收管道对反应器容器开放。第一和第二级的旋风分离器的料 腿穿过截头圆锥形的汽提器盖子下降到汽提区中。汽提器盖的周围与反应 器容器的内侧壁以反应器容器的内部半径的25％的最大距离隔开。排放管 道将气体从汽提器区传递到第一和第二级旋风分离器之间的管道中。所必 须的阻止产物气体从汽提区穿过汽提器盖中的大量的开口进入反应器容 器并使产物气体向上穿过排放管道到回收管道处所需要的的蒸汽的流速 将会非常大。

发明概述

[0009]我们发现了一种用于在催化剂和气态产物离开FCC单元的反应 器管道的排出末端之后最小化它们的接触时间的方法。反应器管道将物料 排出到直接与分离器连接的分离室中。分离器的料腿直接与分离室或直接 与分离室连通的中间室连接。因此，催化剂从不会夹带到反应器容器的大 开放体积中。因此，离开分离室的催化剂快速地返回到分离室中，由此在 催化剂和气体产物从反应器管道中排出后的接触时间被最小化。此外，反 应器容器可以用惰性气体例如蒸汽吹扫以便阻止任何产物气体向上上升 到反应器容器中。

[0010]因此，本发明的目的在于提供用于在固体催化剂颗粒和气体产 物从FCC单元的反应器管道中排出后，最小化它们的相互接触时间的设 备和方法。

[0011]本发明额外的细节和实施方案将由以下本发明详细的描述而变 得显而易见。

附图概述

[0012]图1是根据本发明的FCC单元的示意性正视图。

[0013]图2是根据本发明的替代性的FCC单元的示意性正视图。

[0014]图3是图2的部分放大。

[0015]图4是根据本发明的替代性的FCC单元部分的示意性正视图。

[0016]图5是根据本发明的替代性的FCC单元部分的示意性正视图。

[0017]图6是根据本发明的替代性的FCC单元部分的示意性正视图。

[0018]图7是图6的部分的放大视图。

发明描述

[0019]本发明可以用于其中固体和气体必须分离的任何装置或方法。 但是，FCC方法总是需要这种分离且将会最普遍应用本发明。因此，本发 明将示例性地在FCC应用中描述。

[0020]更详细考虑本发明可以使用的第一个FCC方法，典型的到 FCC单元的原料是瓦斯油，例如轻质或真空瓦斯油。其它到FCC单元的 衍生自石油的原料物流可以包括烃或重质烃的柴油沸程的混合物，例如蒸 馏后的原油。在一个实施方案中，原料物流可以由烃的混合物组成，其初 始沸点，正如通过适当的ASTM测试方法测定的，高于230℃(446°F)，通 常高于290℃(554°F)且典型地高于315℃(600°F)，且终点不超过 566℃(1050°F)。FCC方法的反应区保持在高温条件下，这可以通常包括高 于425℃(797°F)的温度。在一个实施方案中，反应区保持在裂化条件下， 其包括480°到590℃(896°到1094°F)的温度和69到517kPa(ga)(10到75 psig)的压力，但是典型地小于275kPa(ga)(40psig)。基于进入升管底部的 催化剂和原料烃的重量，催化剂与油的比可以在最高20∶1的范围内但是典 型地在4∶1和10∶1之间。通常并不将氢气加入到升管中，虽然添加氢气是 现有技术已知的。有时，蒸汽可以传递进入升管中以实现催化剂的流态化 和原料的分散。催化剂在升管中的平均停留时间可以少于5秒钟。在方法 中使用的催化剂的类型可以选自多种商业可获得的催化剂。包含沸石基础 材料的催化剂是优选的，但是如果期望的话可以使用其它更老式的无定形 催化剂。

[0021]催化剂再生区优选在69到552kPa(ga)(10到80psig)的压力下 操作。注入到再生区的废催化剂可以包含0.2到15重量％的焦炭。这种焦 炭主要由碳组成并且可以包含3到12重量％的氢，以及硫和其它元素。焦 炭的氧化将产生普通的燃烧产物：水，碳氧化物，硫氧化物和氮氧化物。 正如本领域技术人员知道的，再生区可以有几种构造，其中在一个或几个 阶段中进行再生。

[0022]图1是用于本发明的FCC单元的示意性说明。这种FCC单元 包括伸长的升管或反应器管道10。热催化剂传递到反应器管道10的较低 部分，在那里来自分配器8的流态化气体由气动作用将催化剂颗粒向上传 送通过反应器管道10。在催化剂和传送气体的混合物沿着反应器管道10 向上时，喷嘴40将烃类原料以及可能的蒸汽注入到催化剂中。与热催化剂 的接触蒸发了烃并且进一步将气体和催化剂的混合物传递通过管道10，同 时裂化烃至期望的低沸点产物。

[0023]反应器管道10向上延伸进入反应器容器12中，正如在典型的 FCC装置中。反应器管道10优选在反应器容器12中垂直定向并且可以向 上延伸穿过反应器容器12的底部。反应器容器12包括通过外部分隔壁24 限定的分离室16。分离室16的外部分隔壁24具有其中一些可以是圆柱形 的部分。在分离室16中反应器管道10在通过漩涡状臂14的末端限定的出 口处终止。每一个漩涡状臂14可以是具有可以与反应器管道10平行的弯 曲的轴的弯曲管。每一个漩涡状臂14都有一个与反应器管道10连通的末 端且另一个开放的末端包括排出口22。漩涡状臂14通过排出口22排出包 含裂化产物和固体催化剂颗粒的气态流体的混合物。从排出口切线方向排 出的气体和催化剂沿着分离室16的圆柱形内部产生了漩涡状螺旋运动。与 螺旋运动相关的向心加速度迫使较重的催化剂颗粒到分离室16的外部部 分。来自排出口22的催化剂颗粒收集在分离室16的底部以形成密集催化 剂床38。具有比固体催化剂颗粒更低密度的气体更容易改变方向并且开始 向上漩涡状运动。分离室16包括具有漩涡状运动中的气体最终通过的进口 20的气体回收管道18。穿过进口20进入气体回收管道18的气体通常包含 少量的催化剂颗粒。进口20回收得自排出口22的气体和得自可以位于分 离室16中的汽提部分28的汽提气体(如以下描述的)。在进入气体回收管 道18的气体中的催化剂颗粒通常少于16kg/m³(11b/ft³)并且典型地少于3 kg/m³(0.21b/ft³)。分离室16的气体回收管道18包括与一个或几个旋风器 32的进口30相连的出口26，这导致进一步从离开分离室16的气体回收管 道18的气体中除去催化剂颗粒材料。分离室16、其气体回收管道18以及 旋风器32全部直接连接，这表示它们相互之间流动连通并且封闭以防止实 质的泄漏。因此，实质上所有离开分离室16的气体和液体进入旋风器32 中。

[0024]旋风器32中产生了漩涡状运动以便建立从气体中分离固体的漩 涡状运动。产物气体物流，相对不含催化剂颗粒，通过蒸气出口管线50 从旋风器32中离开进入流体密封的充气(plenum chamber)室56中。然后 产物物流通过出口25从反应器容器12中离开。每一个旋风器32都包括与 进口30相连的上部圆柱形桶状部分31。桶状部分31通过第一截头圆锥形 部分33与料斗部分35连接。料斗部分35与和料腿34相连第二截头圆锥 形部分37相连。通过旋风器32回收的催化剂固体通过料腿34离开旋风器 的底部。料腿34包括可以具有一个或几个部分的管道。料腿34向下延伸 到反应器容器12中并且通过开口36延伸到分离室16的外部分隔壁24中。 因此料腿34直接与分离室16连接，这表示料腿34是对泄漏密封的，以至 于实质上所有离开料腿34的固体和气体进入到分离室16中。图1中显示 的料腿34包括延伸到分离室16中的倾斜部分。但是，本发明包括料腿34 的其它构造，且必要的是料腿34延伸到分离室16的外壁24之外。合适的 装置，例如滑动接头或膨胀接头，可以用在开口36处以便适应分离室16 的外壁24中的开口36和料腿34之间不同的热膨胀。此外，合适的阀，例 如滴流阀，可以用在料腿34的出口上以便控制催化剂的流动。如果滑动接 头用于料腿34和开口36之间，惰性气体例如蒸汽可以通过分配器42注入 到反应器容器12中以便吹扫反应器并且防止气体或固体从滑动接头处逸 出。如果膨胀接头用于开口36，将不必须进行吹扫以防止气体或固体通过 膨胀接头从开口36中逸出。但是，惰性气体的注入可能是必要的以吹扫反 应器容器12中管线之间的其它缝隙。

[0025]料腿34将催化剂传递到分离室16的密集催化剂床38。密集催 化剂床38中的催化剂固体进入可以位于分离室16中的汽提部分28中。催 化剂固体向下穿过汽提部分28的一系列折流板44和/或在汽提部分28的 一系列折流板44上方通过。汽提流体，典型地为蒸汽，通过至少一个分配 器46进入汽提部分28较低的部分。催化剂与汽提流体在折流板44上方逆 流接触，随着它连续地向下通过汽提部分28而将吸附的产物气体转移到催 化剂上。从汽提部分28中汽提的催化剂可以穿过管道48到催化剂再生器 52中。在再生器中，焦炭沉积物通过在高温下与含氧气体接触从催化剂表 面上燃烧。再生之后，再生的催化剂颗粒通过管道54传递回到反应器管道 10的底部。

[0026]图2显示了图1所示的本发明的替代性实施方案。图3显示了 图2的放大部分。在图2和3中，相同的参考数字将用于指代图1中相同 的元件。但是，图2中具有与图1中不同的结构的元件将用与图1中相同 的参考数字指代，但是标记有撇号(‘)。参考图2，旋风器32’的料腿34’并 不延伸到分离室16’的外壁24’的开口36’之外。但是，料腿34’至少延伸到 并且在一个实施方案中延伸穿过反应器容器12’的中间分隔分隔壁60中的 开口62。中间分隔分隔壁60与反应器容器12’的壁和分离室16’的外壁24’ 限定了中间室64。图3详细显示了这种装置。中间分隔分隔壁60可以固 定于反应器容器12’的外壁的内表面和外壁24’的外表面。在中间分隔分隔 壁60的开口和料腿34’之间可以提供膨胀接头。这种装置会避免需要吹扫 以便防止气体从中间室64中逸出到反应器容器12’中开放的体积中。如果 在中间分隔分隔壁60的开口与料腿34’之间提供滑动接头，惰性气体吹扫 将是必要的以防止气体从中间室64通过开口62逸出。中间分隔分隔壁60 可以不必比外壁24’或反应器容器12’的壁更坚固。如果压力差别变得严重， 在分离室16’的外壁24’或反应器容器12’的壁被破坏之前，中间分隔分隔 壁60将会被破坏或爆裂，因此阻止了对分离室16’或反应容器12’的严重 的损害。但是，图2和3中所示的中间分隔分隔壁60是固定的，例如仅通 过焊接将其固定于分离室16’的外壁24’的外表面上。替代性地，中间分隔 分隔壁60可仅固定于开口62附近的料腿34’或者仅固定于反应器容器12’ 的外壁的内表面。在这些情况中，来自分配器42的惰性气体的吹扫对于防 止来自中间室64的气体逸出是必要的。如果发生可能促成分离室16’和反 应器容器12’之间的实质的压力差的关闭或故障，中间分隔分隔壁60可以 在它的固定点附近弯曲以便允许压力差的平衡。中间分隔分隔壁60应当具 有与分离室16’的外壁24’和/或反应容器12’的壁相比更小的厚度以便方便 弯曲或爆裂以释放压力。在一个实施方案中，中间分隔分隔壁60应当比外 壁24’或反应容器12’的壁的厚度小1/8。并不固定于相邻的表面的中间分 隔壁60的边缘限定了极小的并且小于反应器容器12’的半径的25％的缝 隙。中间体分隔壁60和其并不固定至的其它壁的边缘之间的缝隙将仅仅足 够大到允许热膨胀以减少将蒸汽泵入反应器容器12’中必须的负载并且防 止产物气体从其中逸出。因此，来自分配器42的吹扫物流吹扫通过这种缝 隙以阻止中间室64中的蒸气逸出到反应器容器12’的其他部分中。在一个 实施方案中，中间室64中的蒸气仅仅通过开口36’逸出到分离室16’的外 壁24’中。开口36’允许这种密集催化剂床38在其中形成和在分离室16’ 的外壁24’外形成。分配器66可以将流态化气体，例如蒸汽分配到中间室 64中以便于催化剂固体通过开口36’进入到分离室16’中。如果密集催化剂 床38的水平设计为壁开口36’更高，可以在分离室16’的外壁24’中配置额 外的排放开口(未显示)以便允许来自中间室64的蒸气进入到分离室16’中。 在这种设计中，惰性气体分配器66变得更有必要。这种进入分离室16’的 来自中间室64的蒸气将与通过分离室16’上升的来自汽提部分28的汽提 气体混合，且蒸气产物和来自排出口22的夹带的催化剂将通过分离室16’ 的气体回收管道18上升穿过旋风器32’和蒸气出口管线50的外部和出口 25。但是，来自中间室64的产物气体将不允许在反应器容器12’中混合， 因此减少了从来自反应器管道10的排出口22排出的气态产物的停留时间。 图2和3中料腿34’带有具有平衡重量的挡板，因为料腿34’的底部边缘基 本是水平的。料腿出口的其它构造也可以使用，例如垂直的或成倾斜的出 口。在这些情况中，滴流阀或倾斜的挡板分别可以是适合的。此外，可以 在分离室16’或在其气体回收管道18中提供排放口(未显示)以平衡分离室 16’和反应器容器12’和/或中间室64之间的压力(如果发生故障的话)。该排 放口可以包括在一端在反应器容器12’中的较低高度或在中间室60中并且 在另一端与气体回收管道18连通的管线装置。如果使用侧汽提器，则这种 装置可能是有用的。

[0027]图4是图1所示本发明的另一替代性的实施方案。图4中具有 与图1-3中相应元件不同构造的部分将用双撇号(”)标记的参考数字指代。 分离室16”的外分隔壁24”在开口36”的附近扩展以限定延伸部分70。在一 个实施方案中，旋风器32”的料腿34”包括倾斜部分部分并且延伸到开口 36”处以便将气体和固体传递到分离室16”中的密集催化剂床38。在一个实 施方案中延伸部分70包括具有直径大于分离室16”的直径的圆柱形条带。 料腿34”中的排出口72用于从分配器42中通过料腿34”、开口36”排放吹 扫气体进入分离室16”中。图4中的实施方案预期将料腿34”的周围密封到 分离室16”的外分隔壁24”上。因此，料腿34”装备有排放口72以吹扫料 腿的出口并且允许发生单元故障时释放压力。在这个实施方案中，料腿34” 可以装备有滑动接头以便允许有差别的热膨胀，但是这些在图4中没有显 示。吹扫气体还流动通过滑动接头以防止产物气体逸出进入反应器容器 12”中。替代性地，料腿34”可以完全密封以防止与反应器容器12”流体连 通，但是允许热膨胀，正如现有技术中已知的膨胀接头的使用。在这种替 代性的情况下，分配器42和排放口72可以省略。此外，料腿34”装备有 滴流阀，其可以省略或者可以使用另一种类型的用于料腿的出口阀。圆柱 形延伸部分70由外部圆柱形分隔壁74和连接扩展圆柱形分隔壁74至分离 室16”的外壁24”上的顶部和底部壁限定。

[0028]图5是扩展的分离室的替代性的实施方案。图5中具有与图1-4 不同结构的元件的参考数字用三重撇号(”’)标记。在图5中的实施方案中， 分离室16”’扩展以划分分离室16”’周围的延伸部分70”’。在一个实施方案 中，环形分隔壁74”’从分离室16”’的外壁24”’的倾斜延伸以连接反应器容 器12”’的外壳，因此限定了延伸部分70”’。旋风器32”’的料腿34”’延伸通 过分离室16”’的外壁24”’的扩展分隔壁74”’。因此，料腿34”’省略了倾斜 部分。在一个实施方案中，料腿用膨胀接头密封到扩展分隔壁74”’上，以 至于没有来自延伸部分70”’外部的蒸气进入或进出分隔壁74”’，除了通过 料腿34”’。在这样的情况下，来自分配器的吹扫气体可以省略。替代性地， 在另一个实施方案中，吹扫气体分配器可以保留，虽然图5中没有显示， 且料腿34”’通过滑动接头与分隔壁74”’偶合或在分离室16”’的外壁24”’ 中的某些地方或者在气体回收管道18中提供排放开口，以允许吹扫气体从 其中穿过。显示的料腿34”’没有任何出口阀且延伸通过扩展分隔壁74”’。 但是可以提供合适的出口阀且料腿34”’可以设计延伸不超过扩展分隔壁 74”’中。

[0029]图6显示了本发明的另一实施方案。图7显示了图6的一部分 的部分放大视图。在图6和7中，结构与图1-5的相应元件不同的元件的 参考数字用四重撇号(””)标记。在这个实施方案中，分离室16””装备有从 分离室16””的外壁24””延伸的接收管78。旋风器32””的料腿34””延伸通 过接收管78的分隔壁74””中的开口36””。接收管78一起限定了延伸部分 70””，其收到了料腿34””的较低部分。在开口36””中提供了滑动接头以允 许料腿34””和接收管78的分隔壁74””之间有热膨胀差别。因此，反应器 容器12””中来自分配器42的吹扫气体可以通过分隔壁74””中开口36””的 内直径和料腿34””的外直径之间的缝隙(未显示)吹扫。设定来自分配器42 的吹扫气体的流速以至于吹扫气体仅可以穿过开口36””进入延伸部分 70””中，但是延伸部分70””中的气体和夹带进入的催化剂并不从其中通过 开口36””出去。替代性地，料腿34””可以通过膨胀接头与接收管78连接， 消除了对惰性气体吹扫的需要。在其它的替代性方案中，延伸部分70””可 以包括包含多个围绕在分离室16””的全部或一部分的开口36””的整体的 环形部分。