一种轴流式超短接触旋流反应器

摘要

一种轴流式超短接触旋流反应器，其技术特点是原料与催化剂在混合腔里混合后经导向叶片的导向作用，在环形空间内作三维螺旋运动，湍流度高、剂油接触效果好。其优点在于反应器内各组分间充分接触、快速反应、边反应边分离，实现了反应与分离的同步进行。将其应用于重油催化裂化、渣油加氢裂化、重油裂解制乙烯等重质、劣质油加工工艺过程，可避免因油、气、催化剂在反应器中停留时间过长和返混而造成过裂化问题，同时可避免现有反应过程中的系统设备结焦问题，延长装置开工周期。

说明书

技术领域

本发明涉及一种轴流式超短接触旋流反应器，该技术属于石油炼制行业中的催 化裂化工艺，特别适用于重质、劣质油加工用催化裂化工艺。其技术特点是该反应 器是由沿轴向自上至下的混合腔、圆柱段、圆锥段和汽提器四部分构成，反应器包 括一个以上的原料引入装置和一个以上的催化剂引入装置，原料引入装置具有两个 端部，一个端部与进料喷嘴相连，另一个端部与轴流式旋流反应器内部相通。

背景技术

传统催化裂化反应器装置的一般形式：油气在提升管内反应形成气固混合物， 经提升管末端出口快分结构快速分离，再经旋风分离器进入油气集气室，然后经转 油线引入分馏塔。近些年来，为了适应重质原油、渣油特点，许多石油公司及研究 机构对催化裂化提升管反应器进行了一系列的改进，主要包括：进料段预提升技术、 重油进料喷嘴技术、分段进料技术、提升管反应终止技术、提升管末端快速分离技 术、待生催化剂高效汽提技术、高效再生技术等，有关催化裂化的各种新技术、新 设备和新型催化剂的不断出现，不同程度地促进了催化裂化技术的发展。

但是，由于提升管反应器本身问题，存在轴向返混较大、气固分布不均匀、催 化剂由于积炭而活性和选择性迅速下降、提升管中后部不利的二次反应严重、有价 值的中间产物收率和选择性不高、汽油烯烃含量较高以及反应器末端和后续沉降器 结焦等缺点。针对这些缺陷，国内外各大石油公司及研究单位相继开发出了不同形 式的剂油短时接触催化裂化技术，如：毫秒级催化裂化(MSCC)工艺、短接触时间 催化裂化(SCT)工艺、下行床反应器催化裂化工艺、折叠床催化裂化工艺多反应区 (MIP)工艺、两段提升管催化裂化(TSRFCC)工艺、灵活多效催化裂化(FDFCC) 工艺等，其目的就是减少二次裂化反应和氢转移反应的发生，使生成的汽油、柴油 馏分等一次裂化反应产物以及轻烯烃得以保留，从而获得较好的产品分布和较高的 产品质量。这些技术的开发，使得催化裂化提升管反应器技术取得了重大进步，对 于石化工业满足清洁燃料生产和对石油产品需求不断增长做出了巨大贡献。

针对催化裂化沉降器内油气停留时间长、容易导致油气发生二次裂化和装置结 焦问题，有研究人员提出了无沉降器催化裂化工艺的设想方案，提出将已无实际用 途的传统的催化裂化沉降器取消，消除油气滞留的大空间，采用油气和催化剂快速 分离装置，实现气固高效分离，油气快速引出并及时高效汽提，三者组成一体。此 方案如若能够最终实现工程化，可避免沉降器内结焦问题，但仍不能解决提升管反 应器内部的过度裂化和局部结焦等问题。

然而，尽管各种剂油短时接触催化裂化技术形式各不相同，都在一定程度上实 现了油气和催化剂的短时间接触，在减少催化裂化二次反应、抑制热裂化反应、改 善产品分布等方面取得了不同的效果，现了这种剂油短接触催化裂化技术的优越性。 但从装备角度而言，各种技术的反应和再生装置的具体装备形式没有本质区别，基 本上都是采用再生器和沉降器两器方式进行催化剂的循环，这些技术也就都有自身 难以消除的弊病。对于提升管末端的快分技术和SCT技术，由于只着眼于提升管的 出口或进料装置，对提升管本身未作任何改动，因此这种剂油短时接触受到一定限 制；由于对提升管内的流动、传热以及反应的规律认识还不是很清楚，目前炼厂采 用的急冷技术带有较大的经验性，同时受到现有装置结构状况和操作条件的限制， 这种剂油短时接触的操作并不到位，也没有发挥出最大的优势；MSCC技术虽然从一 个侧面向我们展示了这种剂油超短时接触带来的优越性，但它对装置的改造过于复 杂，投资大，不适合已经存在的大型催化裂化装置；下行床催化裂化反应器也存在 着一些需要克服的问题，最重要的是它很难形成像常规提升管那样的有着强烈油剂 混合的进料段，而这对于催化裂化过程初期的传热和传质非常关键。另外，下行床 反应器在工业上的实施需要从催化剂的流化方式到主要设备的布置都进行较大程度 的改动，这不能不说是该工艺过程工业化进程中的主要难题。随着原油的重质化和 劣质化加剧，基于目前催化裂化装置的实际情况，作为催化裂化反应过程的核心- -传统提升管反应器而言，渣油催化裂化很难再取得突破性的进展。开发出一种适 合于现有提升管的改造、投资小、能最大程度地实现剂油短时接触的新型催化裂化 技术，将是今后渣油催化裂化领域中的一个重要发展方向。

发明内容

本发明的目的就在于避免上述现有技术的不足之处而提出了一种轴流式超短接 触旋流反应器，该轴流式旋流反应器主要是由沿轴向自上至下依次的混合腔、圆柱 段、圆锥段和汽提器四部分组成。其技术特点是该反应器包括一个以上的原料引入 装置和一个以上的催化剂引入装置，原料引入装置具有两个端部，一个端部与进料 喷嘴相连，另一个端部与轴流式旋流反应器内部相通；原料引入装置安装在所述轴 流式旋流反应器混合腔的圆柱段，与圆柱段的连接形式为直切式，即进口外缘与筒 体相切；催化剂引入装置位于所说的旋流反应器的混合腔的顶端，其轴线与竖直方 向形成一个夹角α，该夹角α是-45～45。

为了更好地实现本发明的上述目的，在所述的混合腔的顶部设置一个防焦蒸汽 分布器，以防止油气在混合腔顶部结焦。反应器中，设置一个以上的新鲜原料引入 装置和一个以上的催化剂引入装置。新鲜原料引入装置采用直切式安装方法，即入 口外缘与混合腔筒体相切。催化剂引入装置垂直安装在混合腔的顶部。新鲜原料引 入装置有很多安装布置方式，优选的方案是在混合腔的同一横截面上按照相同的旋 转方向均匀的安装两个或三个新鲜原料引入装置，在有回炼油或回炼油浆的情况下， 可以在混合腔的顶部或圆柱段导向叶片的下部安装一个以上的回炼油(浆)引入装 置。

本发明的轴流式旋流反应器的圆锥段底部连接一个汽提器，汽提器布有汽提挡 板和汽提蒸汽分布器，汽提蒸汽将随催化剂流出的油气和催化剂上携带的油气汽提 回反应器，使其最终从排气口引出，经汽提后的催化剂从汽提器底部的卸料口排出。

本发明专利的技术方案是催化剂从催化剂引入装置进入混合腔后，与切向进入 的新鲜原料雾化蒸汽接触并迅速传质传热，随后一起通过导向叶片流道进入圆柱段。 导向叶片使催化剂和油气在圆柱段与排气管形成的环形空间内形成强烈的涡旋运 动。上面所述的环形空间是本发明的轴流式旋流反应器的主反应空间，在这个空间 内，湍流度大，气固接触效率高。随着反应的进行，催化剂主要分布到旋流反应器 的边壁附近，而反应生成的小分子油气则逐渐移动到反应器的中心部分，并迅速通 过排气管引出反应器。失去活性的催化剂则从圆锥段下端的密相卸料口进入汽提器。 这就实现了反应与分离的同步进行，边反应边分离，大大减小了催化剂与油气的接 触时间和油气的停留时间，对于抑制二次反应和结焦十分有利。

所述的汽提器内设有多层汽提挡板，汽提挡板上开有小孔以增大催化剂与水蒸 汽的接触效率。汽提器的下部设有汽提蒸汽分布器。在汽提器内，催化剂上携带的 油气和随催化剂流入汽提器的油气被汽提回反应器内，并最终通过排气管引出。经 汽提后的催化剂从汽提器下端的卸料口进入待生斜管。

本发明专利的积极效果是在一个轴流式旋流反应器内实现反应与分离的同步进 行，边反应边分离，大大减少了油气停留时间，从根本上抑制了二次反应和结焦。 所述的轴流式旋流反应器内设置了导向叶片，经导向叶片的导流作用形成旋转流场 后，湍流度大大提高，从而在提高剂油接触效率同时也就缩短了反应所需的时间。 所述的圆柱段的主反应区是个强涡流区，在离心力的作用下，催化剂主要分布于圆 柱段的边壁附近，反应生成的小分子油气逐渐移动到圆柱段的中心部分，未经反应 的大分子油气则居于催化剂与小分子油气之间的环形空间内，随着小分子油气体积 的膨胀迫使大分子油气向催化剂所在的边壁处移动，一方面阻止了小分子油气与催 化剂接触，另一方面也提高了大分子油气与催化剂的接触效率，提高了汽、柴油等 中间产物的产率。

附图说明

附图的图面说明如下：

图1为根据本发明的第一实施方案的旋流反应器的剖视图

图2为第一实施方案的旋流反应器的左视图

图3为第一实施方案的旋流反应器的一种新鲜原料引入装置布置图

图4为第一实施方案的旋流反应器的一种新鲜原料引入装置布置图

图5为第一实施方案的旋流反应器的汽提器局部视图

图6为根据本发明的第二实施方案的旋流反应器的剖视图

图7为第二实施方案的旋流反应器的左视图

图8为第二实施方案的旋流反应器的一种新鲜原料引入装置布置图

图9为第二实施方案的旋流反应器的一种新鲜原料引入装置布置图

图10为第二实施方案的旋流反应器的一种回炼原料引入装置布置图

图11为第二实施方案的旋流反应器的一种回炼原料引入装置布置图

图12为第二实施方案的旋流反应器的汽提器局部视图

具体实施方式

下面将结合具体实施例来详叙本发明的技术特点。

在该技术的实际实施中，本发明的技术路线是通过如下操作实现的：

图1～5示出根据本发明的第一实施方案的轴流式超短接触旋流反应器。

如图1、2所示，第一实施方案的旋流反应器包括一个混合腔11，混合腔为本 发明的轴流式旋流反应器提供了原料和催化剂的混合空间。在混合腔顶部安装着多 支催化剂进料管，在混合腔的侧面安装着同样数量的新鲜原料引入装置。为了保证 有较高的剂油接触效率，要保证催化剂落到混合腔向圆柱段过渡的锥形过渡区，且 落点在新鲜原料入口正前方。新鲜原料引入装置有两种布置方式，如图3、4所示。 这两种布置方式的共同特点是都是在同一截面内按相同的旋转方向均匀的布置新鲜 原料引入装置，且新鲜原料引入装置与混合腔的连接方式都是直切式，即引入装置 的外缘与混合腔筒体相切。在混合腔的顶部安装着三支回炼油(浆)引入装置1。

第一实施方案的新鲜原料引入装置和回炼油(浆)引入装置都要保证有足够的 长度，以提供原料充分雾化所需要的自由空间。

在混合腔的顶部设置一个防焦蒸汽分布器9，防焦蒸汽分布器向混合腔内输送 一定量的水蒸汽，以防止混合腔顶部油气长时间停留而结焦。

混合腔内同轴安装一个排气管2，排气管的插入深度要大于导向叶片4的插入 深度，以保证生成的油气可以迅速的引入所述的轴流式旋流反应器。

混合腔的下部为圆柱段5，圆柱段是本发明的旋流反应器的主要反应和分离空 间。圆柱段的入口附近设置导向叶片4，导向叶片的数量可以根据需要进行调节， 导向叶片将催化剂和原料油蒸汽的轴向运动变成螺旋运动，湍流度提高，接触效率 提高。

圆柱段的下方连接一个圆锥段6，圆锥段是实现催化剂和油气分离的重要部件。

圆锥段6的下端连接一个汽提器10，汽提器内设置多层汽提挡板7，汽提挡板 上开有小孔14以增大催化剂与水蒸汽的接触面积，对汽提挡板倾角的要求是能够满 足固体颗粒的流动性能，优选的倾角是汽提挡板母线与旋流反应器的轴线形成25～ 35°之间的夹角。

汽提器的最底下一层汽提挡板的下部设有汽提蒸汽分布器，蒸汽分布器可以采 用各种不同的形式。

汽提器下端是密相卸料口，经汽提后的催化剂通过这个密相卸料口进入待生斜 管。

催化剂17从催化剂引入装置3进入混合腔，与从新鲜原料引入装置12进入混 合腔的新鲜原料18接触，通过能量传递，催化剂开始以一定的速度做螺旋运动，这 样可以达到两个目的，一是可以使新鲜原料雾化蒸汽和催化剂在混合腔内实现初步 的传质传热，二是催化剂在混合腔做螺旋运动使催化剂在进入导向叶片的流道时分 布的更加均匀。从混合腔顶部的回炼油(浆)引入装置1进入混合腔的劣质原料15 经过一定自由空间的充分雾化后，进入导向叶片流道。催化剂和原料经过导向叶片 后，变成高速的螺旋运动，湍流度大大提高，接触效率提高。反应生成的小分子油 气逐渐移动到反应器的中心部分并最终通过顶部的排气管引出反应器。催化剂主要 分布于圆柱段的边壁附近，而未参加反应在的大分子油气和雾化油滴则主要分布于 二者之间的环形空间内。随着反应的进行，小分子油气的体积迅速膨胀，迫使未参 加反应的原料向催化剂所在的边壁处移动，提高催化剂与催化裂化原料的接触效率。

催化剂向下做螺旋运动，最终通过圆锥段6进入汽提器10。与此同时，催化剂 携带的油气和随催化剂流出的油气也一块进入了汽提器。汽提器10内有汽提蒸汽分 布器13，它向汽提器内提供大量的汽提蒸汽。汽提挡板7上布有大量的小孔14，可 以提高水蒸汽的汽提效率。最终水蒸汽将油气重新汽提回反应器，这些油气再通过 排气管引出。经汽提后的催化剂经过汽提器下部的密相卸料口进入待生斜管。

图6～12示出根据本发明的第二实施方案的轴流式旋流反应器。

如图6、7所示，与第一实施方案相比，第二实施方案在回炼油(浆)引入装置 的布置方式上做了改变。回炼油(浆)引入装置11安装在圆柱段4内的导向叶片3 下方的环形空间，与圆柱的连接方式为直切式，即引入装置的外缘与圆柱段相切。 根据回炼量的不同可以采用两种布置方式，如图10、11所示，两种布置方式的共同 特点是在同一截面内按照同样的旋转方向均匀的布置回炼油(浆)引入装置。

新鲜原料引入装置10安装在混合腔的切向位置，根据处理量的大小可以改变引 入装置10的数量，如图8、9所示。

第二实施方案的新鲜原料引入装置和回炼油(浆)引入装置都要保证有足够的 长度，以提供原料充分雾化所需要的自由空间。

催化剂15从催化剂引入装置2进入混合腔后，与从新鲜原料引入装置10进入 的新鲜原料16在混合腔内接触，通过能量传递，使催化剂以一定的速度在混合腔内 做螺旋运动以保证催化剂可以均匀的进入导向叶片3的各个流道内。经导向叶片的 作用后，催化剂和新鲜原料油气开始在圆柱段4和排气管1之间的环形空间做螺旋 运动，较高的湍流度可以实现催化剂与原料蒸汽的高效接触。

回炼油(浆)18从环形空间的切向进入环形空间，由于回炼油(浆)18的进入 速度较快，在给催化剂和新鲜原料加速的同时，又增加了环形空间内的湍流度，进 一步提高了催化剂与原料油的接触效率。

反应生成的小分子油气逐渐移动到反应器的中心部分并最终通过顶部的排气管 引出反应器，催化剂主要分布于圆柱段的边壁附近，而未参加反应在的大分子油气 和雾化油滴则主要分布于二者之间的环形空间内。随着反应的进行，小分子油气的 体积迅速膨胀，迫使未参加反应的原料油向催化剂所在的边壁处移动，提高剂油接 触效率。

催化剂向下做螺旋运动，最终通过圆锥段13进入汽提器8。与此同时，催化剂 携带的油气和随催化剂流出反应器的油气也一块进入了汽提器。汽提器8内有汽提 蒸汽分布器12，它向汽提器内提供大量的汽提蒸汽。汽提挡板6上布有大量的小孔 14，可以提高水蒸汽的汽提效率。最终水蒸汽将油气重新汽提回反应器，这些油气 再通过排气管引入反应器，经汽提后的催化剂经过汽提器下部的进入待生斜管。