一种促进原料油与催化剂高效混合的催化裂化提升管进料混合段结构

摘要

本发明属于石油化工技术领域，涉及一种催化裂化工艺中促进原料油与催化剂高效混合的提升管反应器进料混合段结构。原料油雾化喷嘴采用沿提升管轴向斜向下进料的安装方式，从而在催化裂化提升管进料混合段内油、剂逆流接触。原料油雾化喷嘴安装套管(1)沿轴向斜向下安装在提升管反应器管壁(2)上，原料油雾化喷嘴安装在原料油雾化喷嘴安装套管(1)内。在本发明所采用的进料混合段结构中，由原料油雾化喷嘴喷入的原料油滴与催化剂颗粒逆流接触，使原料射流与催化剂之间的状态呈交叉-逆流混合流动，改善催化裂化提升管进料混合段内油、剂的接触与混合状况；并在二者混合后迅速由“全混流”过渡至“活塞流”，减小混合过程的空间、缩短混合过程的时间，提高反应效率。

说明书

技术领域

本发明属于石油化工技术领域，涉及一种催化裂化工艺中促进原料油与催化剂高效混合 的提升管反应器进料混合段结构。

背景技术

催化裂化工艺在我国石油加工业中占有举足轻重的地位，提供了我国市场70％以上的汽 油和约30％的柴油。提升管反应器是催化裂化的核心装置之一。高价值的目的产品汽油、柴 油和液化气等均是在其内获得。

根据在裂化反应过程中所起的作用，通常可将整个提升管反应器由下至上分为预提升段、 进料混合段、充分反应段以及出口快速分离区四个部分，在预提升段内，预提升汽(气)从 提升管底部进入，与再生斜管引入的大量的催化剂颗粒混合、接触，并携带催化剂向上运动。 当到达进料混合段时，催化剂颗粒与斜向上设置的雾化喷嘴喷入的原料油混合、接触并迅速 开始反应，生成汽油、柴油、液化气等目标产品；现有工业装置中喷嘴的安装角度与提升管 管壁呈30°～40°，原料油斜向上注入提升管反应器。在充分反应段，油、剂混合物一边向 上运动一边继续进行裂化反应。当到达提升管末端出口快速分离区时，在快速分离系统的作 用下，反应产物——如柴油、汽油等和催化剂迅速分开，以防发生过度裂化。

在进料混合段内，尽管原料油和高活性的催化剂之间的接触时间仅有0.2～0.3S，但在该 区内却完成了50～60％的裂化反应，因此该区的原料油和催化剂之间的接触与混合状况将会直 接影响到整个裂化反应的进程。

对于进料混合段内油剂两相的流动与混合，最为理想的状况包含两个方面的意义：

1.第一阶段，首先要求油、剂之间实现快速、均匀、充分地接触、混合，即在提升管反 应器内，形成“全混流”以确保原料油雾滴的快速气化和高选择性转化；油、剂之间的接触、 混合时间应当尽量缩短，应避免油、剂发生轴向“往复返混”而反复接触，且油相和剂相的 浓度分布相互“匹配”——油相浓度高的区域，催化剂浓度也较高，反之亦然；

2.第二阶段，当油、剂之间的接触混合、气化过程结束之后，油剂混合物应以“平推流” 的形式一起向上运动；即油、剂混合物应迅速由第一阶段的“全混流”转变为“平推流”。

然而，在目前原料油喷嘴斜向上设置的情况下，实际情况却与理想状况相去甚远，主要 问题也体现在两个方面：

(1)由于喷嘴斜向上设置，在提升管进料混合中，油、剂两相之间呈“交叉-并流向上流 动”的状态，油、剂之间的速度差较低。而两股并流的流体发生动量、质量、热量交换进而 混合的“强度”取决于二者的速度差。因此在进料混合段难以形成真正的“全混流”，整个混 合过程在时间和空间上都较长，无法实现上述第一阶段“全混流”向“平推流”的迅速过渡。

另外，研究表明，在喷嘴斜向上设置的情况下，当原料射流斜向上进入提升管之后，将在 射流与提升管内壁之间形成一股“二次流”，因此在进料混合段的部分区域里，油剂两相的接 触、混合状况并不理想，主要表现在：油剂两相在提升管截面上浓度分布并不“匹配”，油相 浓度相对较高(低)的区域，剂相浓度却较稀(高)。

(2)由于有“二次流”的存在，在提升管反应器进料混合段的一些区域内，催化剂存在 着较为严重的返混现象，尤其在提升管边壁附近，催化剂返混更为剧烈，这使得催化剂停留 时间延长，也增大了油、剂之间反复接触的几率，造成较为严重的结焦。据报道，结焦最为 严重的区域位于喷嘴上方500mm～2000mm的提升管内壁附近。

多年来，针对提升管进料混合段内存在的上述两个方面的不足，国内外许多科研院所、 石油公司提出了多种提升管进料混合段结构，以期实现理想的油、剂混合过程。

中国石化石油化工科学研究院提出了一种抗返混提升管，主要特点有二：原料油采用轴 切向进入提升管；进料段采用缩径结构。这种结构有效地改善了所谓的“环—核结构”，改善 了催化剂颗粒在提升管截面上分布不均匀的状况，并抑制了催化剂颗粒在边壁区域的返混， 但是，这种结构由于采用轴切向进料，根据旋流的特点，原料油在提升管内的停留时间延长， 这就增大了油、剂之间反复接触的几率，对于反应也是不利的。

美国UOP公司(US5348644、US6511635B2)曾经提出在提升管内喷嘴安装位置的上 游设置导流部件，希望能够改善油、剂之间的初始接触状况。但是，通过我们的实验发现， 由于原料油的注入，将对提升管内喷嘴上游的区域产生极大的影响，因而这种结构的作用应 当是非常有限的。

中国石油大学和洛阳森德石化工程有限公司也提出了两种进料段结构 (ZL201020623008、ZL201020622990)，即在喷嘴上方设置“流线型”的内构件，并引入辅 助气体的形式。其主要作用是控制和利用上述“二次流”，从而起到促进二次流区域油、剂混 合，减少该区域催化剂颗粒和原料油的“往复返混”。但是这些改善仍旧存在着不足之处，内 构件的引入，为进料段中焦炭堆积提供了附着点。更重要的是，在喷嘴斜向上设置的情况下， 原料射流与催化剂之间的流动状态为“交叉-并流向上”，油、剂之间速度差相对较小，因此 二者产生动量、质量、热量交换进而混合的“强度”较低。且喷嘴斜向上设置的进料形式从 根本上难以抑制二次流的产生，即使是设置了内构件和辅助气体，也仅仅是局部意义的改进， 难以在进料混合段的“第一阶段”形成真正的“全混流”，也难以在混合结束之后，由第一阶 段的“全混流”迅速过渡至“第二阶段”的“平推流”。

发明内容

现有提升管反应器工业装置中，原料油雾化喷嘴均是沿提升管轴向向上倾斜设置，即喷 嘴与提升管反应器管壁的夹角为斜向上30°～40°，原料油斜向上注入提升管反应器。本发 明提出一种促进原料油与催化剂高效混合的催化裂化提升管进料混合段结构。该结构中，将 原料油雾化喷嘴的安装方式为由传统形式的斜向上设置改为沿提升管轴向斜向下设置，即将 原料油雾化喷嘴喷入的原料油滴由斜向上喷入提升管改为斜向下进入提升管，使提升管进料 混合段中原料油与催化剂颗粒逆流接触，原料射流与催化剂之间的状态呈“交叉-逆流”混合 流动，增大了油、剂之间速度差，强化二者的动量、质量、热量交换，进而增加了该区内的 油、剂混合“强度”。

另外，在传统形式提升管进料混合段结构中，“二次流”使得在进料混合段的部分区域里， 油剂两相的接触、混合状况并不理想，油剂两相在提升管截面上浓度分布并不“匹配”，且在 提升管边壁附近催化剂返混剧烈，增大了油、剂之间反复接触的几率，造成较为严重的结焦。 而从“二次流”产生的机理来看，斜向上进料则进料混合段中油、剂两相为“交叉-并流”混 合流动，并流流动的两股流体若存在速度差和横向速度梯度，必定会产生一股类似于空气动 力学中库塔-茹可夫斯基升力的横向力，该横向力指向壁面，则必然产生“二次流”。而本发 明提出喷嘴斜向下设置的进料段结构，原料油斜向下进入提升管，在提升管中油、剂逆流接 触、混合，库塔如可夫斯基升力指向主流方向，则不会产生“二次流”，因此可大幅度改善传 统形式进料混合段内催化剂颗粒分布不均匀、油剂浓度不匹配、提升管边壁催化剂返混剧烈 的情况。

并且采用喷嘴射流与催化剂逆流接触的方式，二者在提升管进料段内混合“强度”增加， 可减小混合过程的空间、缩短混合过程的时间，实现上述第一阶段“全混流”向“平推流” 的迅速过渡。

本发明所采取的技术方案是：

一种促进原料油与催化剂混合的催化裂化提升管进料混合段结构，在提升管进料段中， 油、剂逆流接触，强化混合效果。在提升管进料混合段的管壁上，设置原料油雾化喷嘴的安 装套管，在喷嘴安装套管内设置有原料油雾化喷嘴，该安装套管与提升管相连通，其方向为 沿提升管轴向向下倾斜，该安装套管的轴线与其下方提升管管壁的夹角为斜向下10°～70°， 其布置方式为沿提升管周向均匀布置，数量为2～10个。在该安装套管内安装原料油雾化喷嘴， 原料油经雾化喷嘴雾化后斜向下喷入到提升管中，与预提升蒸汽携带的催化剂流逆流接触、 混合，形成“全混流”，并开始进行裂化反应；混合过程结束后，油、剂两相混合物迅速转变 为“平推流”，并共同沿提升管向上运动。

本发明由于采用了如上所述的技术方案，将会产生以下有益效果：

1、在提升管进料段中由原料油雾化喷嘴喷入的原料油滴与催化剂颗粒逆流接触，二者呈 “交叉-逆流”混合流动，增大了油、剂之间速度差，强化二者的动量、质量、热量交换，进 而增加二者混合的“强度”，在时间上缩短混合过程，这将使由喷嘴喷出的雾化了的原料油液 滴迅速汽化，提高转化率。

2、该结构中喷嘴出口射流对进料喷嘴以上提升管内油、剂两相流动的影响区域明显减小， 与传统提升管进料段结构相比，喷嘴射流影响区高度可缩短约50％，在空间上缩短混合过程， 抑制了油、剂“往复返混”，降低了结焦。

3、在提升管进料段内，原料油及催化剂浓度沿提升管截面的分布都较为均匀，这将有利 于实现原料油射流与催化剂颗粒之间快速、均匀、充分地接触、混合，提高目标产品收率。

附图说明

图1为本发明催化裂化提升管进料混合段结构的示意图；

图2为图1的A-A向视图；

图3为本发明另一种形式的催化裂化提升管进料混合段结构的示意图；

图4为图3的A-A向视图；

图中：1、原料油雾化喷嘴安装套管，2、提升管反应器管壁

具体实施方式

结合附图与实施例对本发明进一步说明：

实施例1

如图1、图2所示，一种促进原料油与催化剂混合的催化裂化提升管进料混合段结构。 在提升管进料混合段中，催化剂由下部由下至上流动，原料油则经由安装在原料油雾化喷嘴 安装套管1的喷嘴斜向下喷入到提升管进料混合段内。油、剂逆流接触，进而形成“交叉- 逆流”混合流动，可强化混合效果。

在提升管进料混合段的管壁2上，设置原料油雾化喷嘴的安装套管1，在喷嘴安装套管1 内设置原料油雾化喷嘴，该安装套管1与提升管相连通，安装套管1的轴线与其下方提升管 管壁2的夹角α为斜向下10°～70°，该实施例中为斜向下30°；其布置方式为沿提升管周 向均匀布置，数量为2～10个，该实施例中为4个。喷嘴的出口线速为30～80m／s，，该实施例 为40m／s，下部预提升线速为1.0～3.5m／s，该实施例为1.0m／s。

本发明工作时，原料油经雾化喷嘴雾化后喷入到提升管中，与预提升蒸汽携带的催化剂 流逆流接触、混合，形成“全混流”，并开始进行裂化反应；混合过程结束后，油、剂两相混 合物迅速转变为“平推流”，共同沿提升管向上运动。

实施例2

如图3、图4所示，一种促进原料油与催化剂混合的催化裂化提升管进料混合段结构。 在提升管进料混合段中，催化剂由下部由下至上流动。原料油经由安装在原料油雾化喷嘴安 装套管1的喷嘴斜向下喷入到提升管进料混合段内。喷嘴安装套管1的下方提升管存在变径， 由下至上提升管截面有所增加，扩张角γ为2°～30°，该实施例中为10°。在提升管进料段 中油、剂逆流接触，进而形成“交叉-逆流”混合流动，可强化混合效果。

在提升管进料混合段的管壁2上，设置原料油雾化喷嘴的安装套管1，在喷嘴安装套管1 内设置原料油雾化喷嘴，该安装套管1与提升管相连通。安装套管1的轴线与其下方提升管 变径处管壁2的夹角α为斜向下10°～70°，该实施例中二者的夹角为斜向下38°；安装套 管1的布置方式为沿提升管周向均匀布置，数量为2～10个，该实施例中为4个。喷嘴的出口 线速为30～80m／s，，该实施例为50m／s，下部预提升线速为1.0～3.5m／s，该实施例为2.5m／s。 本发明工作时，喷嘴安装在提升管变径处的上方，原料油经雾化喷嘴雾化后喷入到提升管中， 预提升蒸汽携带的催化剂经由变径处进入进料混合段，油、剂逆流接触、混合，形成“全混 流”，并开始进行裂化反应；混合过程结束后，油、剂两相混合物迅速转变为“平推流”，共 同沿提升管向上运动。