流体分配装置的制作方法

流体分配装置
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2019年4月24日提交的美国专利申请no.16/393,875的权益，其公开内容通过引用全部并入本文。
技术领域
3.本文公开的实施方案涉及流体分配装置，更具体地涉及在炼油工业所采用的流化催化裂化工艺中使用的分配装置。


背景技术：

4.流化催化裂化(fcc)工艺广泛用于将烃原料流(例如减压瓦斯油和其它相对重油)转化为更轻质且更有价值的烃产物。在fcc工艺中，使用细碎的催化剂颗粒来裂化原料油，从而产生轻质烯烃、汽油、柴油和其它产物。使用作为流化介质的气体或蒸汽将催化剂颗粒保持在流化状态，所述流化介质使得催化剂在反应区域与再生区域之间移动。在fcc配置中，使用提升管或提升管线来进行气体催化剂反应，同时竖直向上输送催化剂，在提升管顶部的装置用于将气体和催化剂分配到流化催化剂颗粒床中。分配器用于将气体和颗粒从提升管分散到流化催化剂床中。存在许多分配器设计，而所谓的蘑菇帽式分配器具有许多优点并且可用于反应器容器和再生器容器。这些分配器也被称为提升管终端装置(rtd)。
5.在深度催化裂化工艺(其是一种fcc工艺)中，蘑菇型分配器用作提升管终端装置。该分配器置于提升管的顶部以将烃蒸汽和部分焦化的催化剂从提升管分配到反应器容器的流化催化剂床中。将烃蒸汽分配到流化催化剂床中是重要的，以便为蒸汽在流化催化剂床中进一步裂化提供足够的停留时间。通常，这样的催化剂床裂化设计用于将提升管的石脑油进一步裂化成富含丙烯的烯烃流。蒸汽的任何分布不均或窜流会导致差的产率，例如低产物含烯率、高干气等。
6.在fcc单级再生器应用中，通常在提升管线顶部使用蘑菇型分配器来将空气和废催化剂均匀地分配到再生器催化剂床中。在两级再生器(其中第二级再生器堆置在第一级再生器的顶部)中，常规的蘑菇型分配器设置在位于第一级再生器的废催化剂提升管线顶部的第二级再生器中。提升的空气和催化剂沿提升管线向上流动，短暂地积聚在蘑菇帽体的下方，而后通过位于蘑菇体顶部的孔洞/孔口和位于蘑菇体底部裙板的槽口进行分配。分配器的性能有助于在再生器容器中实现均匀的催化剂再生和均匀的温度分布。空气和废催化剂的不均分布或窜流会导致再生器中的温度变化和后燃，这限制了容器的操作灵活性。
7.现有技术的装置已经尝试解决分配问题。现有技术的分配装置包括在美国专利no.5,571,482中描述的装置，该专利公开了一种蘑菇帽式分配器，其在帽体中具有孔口并且在帽体的边缘具有堰式槽口，以确保将催化剂和提升介质良好地分配在致密的流化催化剂床中。美国专利no.9,833,759描述了包括帽体的流体分配装置的另一种形式，所述帽体具有设置在其外表面的至少一个偏转装置，所述偏转装置被构造成朝向所述帽体的外周引导气体或将气体保持在所述帽体的外周。
8.根据一种常规的蘑菇型分配装置10的结构示于图1a和图1b中。在图1a和图1b这两个图中，蘑菇帽体12的顶部具有离散的孔洞14(例如孔口)并且在帽体12的边缘具有堰型槽口16，以确保将蒸汽和催化剂良好地分配到致密的流化催化剂床中。在图1a中，堰型槽口16呈矩形，而在图1b中，它们呈三角形。提升管顶部17通常具有多个狭槽18，蒸汽和催化剂的流体混合物通过这些狭槽从提升管或提升管线流出去。通过蘑菇型分配装置10和围绕蘑菇型分配装置10进行的流体分配取决于蘑菇帽体12上的孔洞/孔口14的数量。通常，基于期望的流动分配，通过使穿过孔口和围绕帽体的压降平衡来设定孔洞14的数量。经过蘑菇帽体12上的离散孔洞14的流动促进小气泡的形成并且增加蘑菇帽体12上方的气固接触。
9.常规的分配装置(如图1a和图1b中的那些)仅横跨反应器总横截面流动区域的有限区域。在大部分气体流动通过提升管的反应器应用中，单位容器面积的流动分配永远不会一致，除非整个横截面流动区域都被帽体覆盖，这对于堆置在汽提器顶部的反应器(其中催化剂从反应器向下流动到汽提器容器)来说是不切实际的。此外，围绕帽体12的裙板19的流动倾向于与流过孔洞的气体合并，并且可潜在地导致气流和窜流。
10.在预定的操作期间，一部分气体以小气泡的形式流过孔口，其余气体部分围绕帽体流过侧部槽口。气体围绕帽体流动的目的是将其分配在围绕帽体的容器区域中并使其均匀地流化。然而，围绕帽体流动的气体倾向于沿着帽体壁流动，沿着顶部表面移动，与来自孔洞的气泡结合并且形成高速流体的中央羽流，这种羽流大部分绕过床而不与流化催化剂床相互作用。
11.通常认为这样的常规方法和系统对于它们的预期目的而言是令人满意的。然而，在本领域中仍然需要改进的蘑菇型分配器。根据以下概述和详细讨论，本公开内容的实施方案的其它目的将变得显而易见。


技术实现要素：

12.流体分配装置包括具有第一端部和第二端部的提升管。帽体可操作地连接至提升管的第二端部。帽体包括内表面和外表面，其中在内表面与外表面之间限定有多个孔。该装置包括从帽体沿径向向外延伸的至少一个分配臂。至少一个分配臂具有内表面和外表面。至少一个分配臂包括在内表面与外表面之间的多个孔。
13.根据一些实施方案，帽体包括至少一个向内延伸的开口。至少一个分配臂可以嵌套在至少一个向内延伸的开口内。帽体可以终止于向下延伸的裙板，所述裙板具有面向提升管的第一端部的边缘。至少一个分配臂可以沿径向向外延伸超过帽体的边缘。至少一个分配臂可以包括围绕帽体的中央均匀间隔开的多个分配臂。帽体的外表面可以限定顶点。至少一个分配臂的顶部表面的纵向轴线位于顶点的竖直高度处。顶点可以限定切向平面。至少一个分配臂的顶部表面的纵向轴线可以平行于切向平面。
14.在一些实施方案中，每个分配臂与相邻的分配臂等距间隔开。至少一个分配臂可以限定从帽体的内表面侧穿过分配臂的内部腔体并通过分配臂的多个孔中的至少一个孔流出的分配臂流动路径。至少一个分配臂可以由相应的顶壁和两个相应的侧壁界定。至少一个分配臂的多个孔可以限定在相应的顶壁中。至少一个分配臂的顶壁和侧壁可以安装至帽体。至少一个分配臂可以至少部分地由连接在两个侧壁之间的底壁封闭。至少一个分配臂可以在两个侧壁之间与顶壁相对地开口。至少一个分配臂的顶壁和侧壁可以一体地形
成。分配臂的外表面具有弓形的形状。帽体的外表面可以呈圆顶状。帽体终止于向下延伸的裙板，所述裙板具有面向提升管的第一端部的边缘。向下延伸的裙板可以包括从裙板的边缘向上延伸到裙板中的多个堰型槽口。提升管的第一端部和第二端部可以是第一入口端和第二入口端。帽体可以可操作地连接至提升管的出口端。
15.根据另一方面，处理组件包括容器和流体分配装置，所述容器限定内部空间，所述流体分配装置包括安装在容器的内部空间中的提升管，所述提升管具有安装至容器的第一端部和与第一端部相对的第二端部。所述装置包括可操作地连接至提升管的第二端部的帽体。帽体包括外表面和内表面，其中在内表面与外表面之间限定有多个孔。所述装置包括从帽体沿径向向外延伸的至少一个分配臂。至少一个分配臂限定内表面和外表面。至少一个分配臂包括在内表面与外表面之间的多个孔。
16.在一些实施方案中，至少一个分配臂从帽体朝向容器的内表面沿径向向外延伸。处理组件可以是流化催化剂床反应器。处理组件可以是流化床再生器。容器可以包括用于接收提升管的第一端部的开口。帽体可以终止于向下延伸的裙板，所述裙板具有面向提升管的第一端部的边缘。至少一个分配臂的顶部表面可以限定相应的中心纵向轴线，所述中心纵向轴线类似于上述纵向轴线。
17.通过以下结合附图对优选实施方案的详细描述，本主题公开内容的系统和方法的这些特征和其它特征对于本领域技术人员将变得更加显而易见。
附图说明
18.本说明书有十三个附图，这些附图如下。此外，本专利申请文件包括至少一个彩色附图。本专利或专利申请公开文件的带有彩色附图的副本将在请求和支付必要费用后由专利局提供。
19.为了使本主题公开内容所属领域的技术人员可容易地理解如何在不进行过度实验的情况下制造并使用本主题公开内容的装置和方法，下面将参考某些附图详细描述其优选实施方案，其中：
20.图1a至图1b示出常规的分配装置；
21.图2是反应器组件的示意图，其具有根据本公开内容构造的分配装置(其包括分配臂)的实施方案；
22.图3a至图3c是图2的分配装置的立体图，其示出分配装置的提升管和帽体以及从帽体延伸的分配臂；
23.图4a表示使用计算流体动力学(cfd)预测的气流均匀度的图，相对于接近标称床高度的容器高度，其示出常规的分配装置与图2的分配装置之间的平均气流均匀性的比较；
24.图4b是图4a的图中一部分的放大视图，其示意性地示出对于在帽体顶部上方的部分，在常规的分配装置与图2的分配装置之间气流均匀性得以增加；
25.图5示出就分配器上方的催化剂床中轴向气体速度分量的标准偏差而言在常规的分配装置与图2的分配装置之间的基于cfd建模结果的性能比较的图；
26.图6示出常规的分配装置与图2的分配装置之间提升管蒸汽基于提升管蒸汽与流化催化剂床的相互作用而裂化的百分比的比较的图；
27.图7a是常规的分配装置的cfd结果，其表示当蒸汽向上流动到反应器时穿过反应
器床的提升管蒸汽浓度的瞬时图；
28.图7b是图2的分配装置的cfd结果，其表示当蒸汽向上流动到反应器时穿过反应器床的提升管蒸汽浓度的瞬时图；以及
29.图8是根据本公开内容构造的分配装置的另一个实施方案的立体图，其示出没有底壁的分配臂。
具体实施方式
30.现在将提及附图，其中同样的附图标记标识本主题发明的实施方案的相似结构特征或方面。出于说明和描述而非限制的目的，图2中示出根据本公开内容实施方案构造的处理系统的示例性实施方案的示意图，整体上由附图标记100表示。在图3a至图8中提供根据本公开内容的处理系统10和/或分配装置的其它实施方案或其方面，将进行描述。
31.本公开内容的方法和系统设置有这样的分配装置，其改进提升管蒸汽和催化剂在反应器床中的横截面覆盖和分布，并且降低气体窜流和绕过的可能性，从而使得催化转化率增加。改进的分布将进一步使得流化催化剂床密度均匀化以及压力积累改进。改进的蒸汽分布还将使得焦炭更均匀地沉积在催化剂上，这样可产生改进的汽提和再生性能。
32.如在图2中所示，处理组件100包括容器102和流体分配装置101，所述容器102限定内部空间104，所述流体分配装置101包括安装在容器102的内部空间104中的圆柱形提升管106，所述提升管106具有安装至容器102的第一端部108和与第一端部108相对的第二端部110。处理组件100可以是反应器或再生器，例如，处理组件100是流化催化剂床反应器，其中将来自提升管的产物蒸汽和部分焦化的催化剂引入到反应器催化剂床中并且使用装置101进行分配以使蒸汽进一步与流化催化剂床相互作用和裂化。在另一情况中，处理组件100是流化床再生器，其中将空气和废催化剂引入到再生器流化催化剂床中并且使用装置101进行分配以燃烧废催化剂中的焦炭。装置101包括从帽体112朝向容器102的内表面128沿径向向外延伸的分配臂120。提升管包括细长的提升管狭槽154，所述狭槽154为提升管蒸汽和催化剂提供进入致密流化催化剂床的出口。
33.现在参考图3a至图3c，帽体112包括外表面114和内表面116，其中在内表面116与外表面114之间限定有多个孔118。每个分配臂限定内表面122和外表面124。每个分配臂120包括在内表面122与外表面124之间的多个孔126。经过帽体112上的离散孔118的流动有助于促进小气泡的形成并且增加帽体112上方的气固接触，每个分配臂120的孔126提供类似的功能，从而与常规的分配器相比增加气固接触。增加小气泡的形成往往使得蒸汽更均匀地混合到流化催化剂床中，从而促进来自提升管的石脑油蒸汽进一步裂化为液化石油气(lpg)，特别是丙烯。从蘑菇帽体112延伸的带孔分支臂120有助于改进提升管蒸汽在流化催化剂床中的扩散和均匀性，这使得反应所需的床深度变小，从而减少总库存。分配臂120可由容器壁128从上方支撑，例如由从分配臂120上方的容器壁128的一部分延伸的悬索等支撑。在再生器应用中，增加小气泡的形成使得改进燃烧空气和废催化剂在流化催化剂床中的扩散和均匀性，这有助于实现催化剂的均匀再生以及再生器容器中的均匀温度分布。
34.继续参考图3a至图3c，帽体112终止于向下延伸的裙板132，裙板132具有面向提升管106的第一端部108的边缘134，例如底部边缘。向下延伸的裙板132包括从裙板132的边缘134向上延伸到裙板132中的多个堰型槽口152。帽体112限定顶点b，具有与顶点b相切的平
面c。每个分配臂的顶部表面136限定相应的中心纵向轴线a。每个顶部表面的纵向轴线a位于或基本上接近顶点b的竖直高度。每个顶部表面136的纵向轴线a平行于平面c。换言之，顶部表面136相对于平面c倾斜0度。如果臂120从底部由底壁150(在下面更详细地描述)封闭，则底壁150相对于平面c倾斜(0至45
°
)，以允许催化剂滑下底壁150并避免催化剂留在底壁150上。如果臂120没有从底部封闭(例如，如在图8中所示)，则侧壁148a和148b的底部边缘可以倾斜或保持平行于轴线a。图8的装置102与图3a至图3b的装置基本相同，不同之处在于不具有底壁150。本领域技术人员将容易理解，虽然臂120被示为由分立的壁148a
‑
148c形成，但可设想的是臂120可与帽体112整体地和/或一体地形成。
35.现在继续参考图3a至图3c，帽体112包括多个向内延伸的开口138，这些开口138在蘑菇帽体112中提供通向每个臂120的内部腔体144的开口。每个分配臂120嵌套在多个向内延伸的开口138中的相应开口内。分配臂120沿径向向外延伸超过帽体112的边缘134。分配臂120围绕帽体112的中央均匀地间隔开。蘑菇帽体112包括多个分配臂120。图3a至图3c的实施方案包括六个分配臂。本领域技术人员将容易理解，臂的数量可以为1至8，或更多，这取决于容器尺寸、几何形状、其它内部构件的存在、或分配要求。每个分配臂与相邻的分配臂120等距间隔开(如在两个中心纵向轴线a之间测量)。每个分配臂120限定如下的分配臂流动路径140(由图3c中的虚线箭头示意性地示出)：从帽体112的内表面116侧142穿过分配臂120的内部腔体144并且通过分配臂120的多个孔126中的至少一个孔流出。分配臂120的延伸改进了提升管蒸汽和催化剂在反应器床中的横截面覆盖，从而使得催化转化率增加。在再生器应用中，分配臂120改进了提升管蒸汽的扩散和均匀性并且增加了空气和废催化剂在再生器催化剂床中的流动均匀性，从而引起均匀的催化剂再生和均匀的温度分布。尽管在反应器和再生器应用的情况中进行了描述，但本领域技术人员将容易理解装置101可用于各种具有流化床的容器中。
36.如在图3a至图3c中所示，每个分配臂120由相应的顶壁146和三个侧壁148a、148b、148c界定。顶壁146和侧壁148a
‑
148c可以彼此一体地形成。每个分配臂的多个孔126限定在相应的顶壁146中。每个分配臂的顶壁146和侧壁148a
‑
148b安装至帽体112。每个侧壁148c是其相应分配臂120的端壁。每个分配臂至少部分地由连接在两个侧壁148a之间的底壁150封闭。然而，在一些实施方案中，可设想的是能够去除底壁150，使得分配臂120的底部是开放的。帽体112的外表面114呈圆顶状。
37.如在图4a至图4b中所示，分配装置101的实施方案提供相对于常规分配装置增加的平均气流均匀性。图表500表示相对于接近分配器顶部(“帽体顶部”)和标称床高度的容器高度而言使用计算流体动力学(cfd)预测的气流均匀性的时间平均图的示例。cfd模拟广泛用于对气体、固体和液体的流动动力学建模，用于模拟提升管、分配器和反应器催化剂床中蒸汽和催化剂的流动。图4a的图表500示出常规的分配装置如装置10(由线502表示)与根据本公开内容的分配装置如图2的分配装置101(由线504表示)之间的平均流动均匀性的比较的示例。图4b的图表500示意性地示出当使用与分配装置101类似的分配装置时提升管蒸汽更均匀地分布(由箭头506表示)。箭头506表示在装置10与装置101之间均匀性加倍。均匀性指数(例如，图4a和图4b中x轴上的“均匀性，％”)量化了主动用于流动的横截面积的量。流动均匀性定义为用于流体流动的横截面积与总横截面积之比。图表500示出通过分配臂，在分配器上方的催化剂床的每单位横截面积的气流分配几乎加倍。
38.现在参考图5，图表600表示在分配器上方的催化剂床中轴向气体速度分量的标准偏差，其决定了气体流动的程度。较低的标准偏差与气体速度的较小变化有关，这进一步意味着气体更均匀地分布，从而提供与催化剂更好的接触。图表600的箭头606示出，当分配臂如分配臂120与分配器帽体结合时，轴向速度分量的标准偏差从分配装置到标称床高度减少了至少20％。常规分配装置如装置10的轴向速度分量的标准偏差由线602表示，根据本公开内容的实施方案构造的分配装置如装置101的轴向速度分量的标准偏差由线604表示。在分配臂情况下的标准偏差较低表明了绕过的气体变少并且性能得以改进。
39.现在参考图6，图表700示出提升管蒸汽基于与反应器催化剂床中催化剂颗粒的相互作用程度而裂化的百分比的图。常规分配装置如装置10的提升管气体/蒸汽被转化(例如裂化)的百分比由线702示出，根据本公开内容的实施方案构造的分配装置如装置101的提升管气体/蒸汽被转化(例如裂化)的百分比由线704示出。图表700显示，当使用分配臂如分配臂120时，提升管气体转化率增加至1.6倍，这表明提升管气体和床催化剂接触的良好相互作用。
40.如由图7a至图7b的比较所示，根据本公开内容的实施方案构造的分配装置如装置101提供改进的流动分配。图7a示出彩色cfd建模结果800a，其表示当蒸汽向上流动到具有常规分配装置(例如装置10)的反应器时穿过反应器床的提升管蒸汽浓度的瞬时图。与之相比，图7b示出彩色cfd建模结果800b，其表示当蒸汽向上流动到具有根据本公开内容的实施方案构造的分配装置(例如装置101)的反应器时穿过另一反应器床的提升管蒸汽浓度的瞬时图。如在图7b中所示，根据本公开内容的实施方案设置有这样一种分配装置，其与常规的分配装置相比提供显著改进的蒸汽覆盖和分布。在没有分配臂(例如分配臂120)的情况下，气体围绕蘑菇体(例如帽体)流动，并且倾向于与流过帽体的气体结合从而形成中央羽流(从cfd图800a的顶部中央部分中的大浓度红色可看出)。与之相比，通过分配臂120，提升管蒸汽更均匀地分布在整个横截面中(从图800b可看出)，从而由较低的提升管蒸汽浓度表明改进的裂化。
41.本公开内容的方法和系统设置有这样一种多相流体分配装置，其包括具有分配臂的蘑菇帽体，所述分配臂改进蒸汽和催化剂在催化剂颗粒的流化床中的横截面覆盖。当用于流化催化裂化反应器时，这样的分配器将提升管蒸汽和催化剂更均匀地分配到反应器的流化催化剂床中，从而增加催化转化率。在fcc再生器应用中，它使得空气和废催化剂在流化催化剂床中的流动均匀性增加，从而引起均匀的催化剂再生和温度分布。
42.本公开内容的实施方案的方法和系统(如上文所述和附图中所示)设置有这样的分配装置，其提供增加的流动均匀性，促进更小的气泡以增加气固接触，并且降低气体窜流和绕过的可能性。虽然已经参考优选的实施方案示出并描述了本主题发明的装置和方法，但是本领域技术人员将容易理解，在不脱离本主题发明的精神和范围的情况下可以对其进行改变和/或变型。以上的描述和实施例仅用于说明本发明，不应解释为限制本发明的范围。鉴于前述公开内容，各种变型对于本领域技术人员来说将变得显而易见。其旨在由此应包含落入所附权利要求的范围和精神内的所有此类变型。