专利名称：强化进料雾化的设备和方法
背景流化催化裂化(FCC)在石油冶炼工业中为一种已经建立起来且广泛应用的方法，该方法用于将沸点相对高的产品转化为更有价值的沸点较低的产品，包括汽油和中间馏分，例如煤油、喷气式发动机燃料和加热油等。突出的催化裂化方法为流化催化裂化方法(FCC)，其中预热后的进料与热的裂化催化剂接触。在裂化反应过程中，焦炭和烃沉积在催化剂颗粒上，造成催化活性和选择性损失。结焦后的催化剂颗粒以及相关的烃原料通常用蒸汽汽提，从而在技术和经济上可行地脱除尽可能多的烃原料。汽提后的含有不可汽提的焦炭的颗粒通过汽提塔并进入再生器。在再生器中，结焦后的催化剂颗粒通过在升温条件下与空气或空气和氧的混合物接触造成焦炭燃烧即放热反应而进行再生。焦炭燃烧脱除了焦炭，并将催化剂加热至适合于进行吸热裂化反应的温度。
该方法可以在整合的装置中进行，所述整合装置包括裂化反应器、汽提塔、再生器、以及适当的辅助设备。催化剂连续地从反应器或反应区至汽提塔，然后至再生器，再返回反应器而循环。循环流量通常相对于油的进料流量而进行调节，从而维持热平衡操作，其中在再生器中产生的热足以维持裂化反应，其中利用循环的再生催化剂作为换热介质。
为了提供最优的催化裂化条件，一个或多个喷嘴优选集中喷射烃物流，其喷射方式应使物流膨胀从而基本上覆盖整个裂化催化剂的流动横截面积。改进的喷射覆盖提供了更好的催化剂-烃进料的混合，而该混合强化了催化裂化反应并使热裂化反应最少。热裂化反应产生不想要的产品例如甲烷和乙烷，并降低更有价值的FCC产品的产率。
所述喷嘴优选产生细小的烃进料微滴。随着微滴尺寸的减小，烃进料微滴的表面积与体积的比增加，促进催化剂至烃进料的热传递，并缩短烃进料的蒸发时间。更快的蒸发提高了催化裂化反应产品的产率，这是因为蒸发后的烃进料能够扩散进入催化剂的孔中。相反，延迟烃进料蒸发及其与催化剂的混合会增加热裂化产品和焦炭的产率。因此那些可能经济地减小进料微滴尺寸的方法和设备可以提高FCC过程的产率。
对FCC进料注入来说，向热油中单级加入注入或分散的蒸汽在本领域中是公知的。当这种油和蒸汽混合物通过注入喷嘴的喉(孔)喷射时，蒸汽与油形成两相混合物，这种两相混合物促进液体带形成。这些带迅速破碎成直径较小的微滴。据信增加油和蒸汽混合物的动能并有效地将所述动能转化为表面张力能可以通过形成更小的平均液体微滴直径而提高雾化质量。蒸汽加入的方法可以在很大范围内变化。在某些例子中，蒸汽通过喷嘴或与喷嘴上游的油进料管线相连的混合三通而简单地加入。现有方法寻求在雾化喷嘴尖的上游得到一种近乎均匀的蒸汽和油的混合物。但是现有方法没有意识到通过组合这里所公开的多股蒸汽(或其它雾化流体)的加入设备能够达到甚至更好的雾化效果。
概述本发明的一种实施方案包括在FCC进料注入器中雾化FCC进料的方法，其中FCC进料注入器包括多个混合区和一个进料喷嘴。所述方法包括(a)在第一混合区使FCC进料与第一雾化流体接触；(b)使来自第一混合区的混合物流入第二混合区；(c)在第二混合区中，使来自第一混合区的混合物与第二雾化流体接触，所述第二雾化流体选自蒸汽、轻烃气体及其组合物；以及(d)使由第二混合区得到的混合物通过进料喷嘴。
本发明的另一种实施方案包括一种雾化方法，所述雾化方法包括(a)向进料中注入第一雾化流体；(b)随后向来自步骤(a)的进料/雾化流体混合物中注入第二雾化流体，其中第二雾化流体选自蒸汽、轻烃气体及其组合物；以及(c)使来自步骤(b)的混合物通过喷嘴。
本发明的另一种实施方案包括一种雾化方法，所述雾化方法包括(a)向进料中喷射第一雾化流体；(b)同时向进料中喷射第二雾化流体，其中第二雾化流体选自蒸汽、轻烃气体及其组合物；以及(c)使来自步骤(b)的混合物通过喷嘴。
本发明的另一种实施方案包括一种流化催化裂化方法，所述方法包括(a)使FCC进料流入进料注入器中，其中进料注入器包括多个混合区和一个喷嘴；(b)在第一混合区中，向FCC进料中注入第一雾化流体；(c)在位于第一混合区下游的第二混合区中，向来自第一混合区的FCC进料/雾化流体混合物中注入第二雾化流体，其中第二雾化流体选自蒸汽、轻烃气体及其组合物；(d)使来自第二混合区的FCC进料/雾化流体混合物通过喷嘴，所述喷嘴具有一个出口，设置所述出口是为了产生进入反应区的FCC进料微滴的喷雾；以及(e)在反应区内使FCC进料微滴与FCC催化剂接触，从而产生产品物流和包括可汽提烃的废催化剂。
本发明的另一种实施方案包括一种FCC进料注入器，所述注入器包括(a)进料入口；(b)第一雾化流体入口；(c)第二雾化流体入口；(d)与进料入口和第一雾化流体入口流体连通的外部喷头，构造该外部喷头从而确定第一混合区；(e)第二雾化流体入口和第一混合区流体连通的第二混合区，构造该第二混合区从而接收来自第一混合区的FCC进料/雾化流体混合物，并促进来自第一混合区的混合物和第二雾化流体之间的混合；以及(f)与第二混合区流体连通的进料喷嘴，构造该喷嘴从而使FCC进料/雾化流体按预定的喷雾形式流入提升管反应区。
本发明的另一种实施方案包括一种FCC进料注入器，所述注入器包括(a)进料入口；(b)第一雾化流体入口；(c)第二雾化流体入口；(d)与进料入口和第一雾化流体入口流体连通的混合三通，构造该混合三通从而确定第一混合区；(e)与第二雾化流体入口和第一混合区流体连通的第二混合区，构造该第二混合区从而接收来自第一混合区的FCC进料/雾化流体混合物，并促进来自第一混合区的混合物和第二雾化流体之间的混合；以及(f)与第二混合区流体连通的进料喷嘴，构造该喷嘴从而使FCC进料/雾化流体按预定的喷雾形式流入提升管反应区。
本发明的另一种实施方案包括一种FCC进料注入器，所述注入器包括(a)进料入口；(b)第一雾化流体入口；(c)第二雾化流体入口；(d)与进料入口和第一雾化流体入口流体连通的第一混合区，构造该第一混合区从而接收FCC进料和第一雾化流体，并促进FCC进料和第一雾化流体之间的混合；(e)与第二雾化流体入口和第一混合区流体连通的外部喷头，构造该外部喷头从而确定第二混合区，而构造该第二混合区从而接收来自第一混合区的FCC进料/雾化流体混合物，并促进来自第一混合区的混合物和第二雾化流体之间的混合；以及(f)与第二混合区流体连通的进料喷嘴，构造该喷嘴从而使FCC进料/雾化流体按预定的喷雾形式流入提升管反应区。
本发明的另一种实施方案包括一种FCC进料注入器，所述注入器包括(a)进料入口；(b)第一雾化流体入口；(c)第二雾化流体入口；(d)与进料入口和第一雾化流体入口流体连通的第一混合区，构造该第一混合区从而接收FCC进料和第一雾化流体，并促进FCC进料和第一雾化流体之间的混合；(e)与第二雾化流体入口和第一混合区流体连通的混合三通，构造该混合三通从而确定第二混合区，构造该第二混合区从而接收来自第一混合区的FCC进料/雾化流体混合物，并促进来自第一混合区的混合物和第二雾化流体之间的混合；以及(f)与第二混合区流体连通的进料喷嘴，构造该喷嘴从而使FCC进料/雾化流体按预定的喷雾形式流入提升管反应区。
附图的简要描述
图1描述了一种包括混合三通和内部喷头的实施方案。
图2描述了一种包括混合三通和外部喷头的实施方案。
图3描述了一种包括一对混合三通的实施方案。
图4描述了一种包括在外部喷头上游的内部喷头的实施方案。
图5描述了一种实施方案，其中混合区被构造为至少部分重叠。
图6描述了一种包括一对内部喷头的实施方案。
图7描述了一种包括一对外部喷头的实施方案。
详细描述这里所公开的方法的实施方案包括向进料物料中多级注入雾化流体，这些实施方案减小了进料微滴的尺寸。在多次注入雾化流体后，进料/雾化流体混合物通过喷嘴，可以构造所述喷嘴产生预定的进料微滴喷雾形式。这里所公开的设备的实施方案通常包括可适用于新的或现有的进料注入器喷嘴的进料注入器。所述进料注入器包括多个混合区，优选为两个混合区。所述混合区可以完全或至少部分重叠，或者一个区可以完全位于另一个区的下游从而在混合区之间没有重叠。这里所公开的实施方案形成一种进入注入器喷嘴的更为均匀的流体，从而形成更希望的微滴尺寸分布。这里所公开的实施方案可用于多种过程中，包括FCC，但不局限于用于FCC过程。
构造每个混合区从而混合雾化流体物流与进料物料，所述进料物料优选为液态。优选构造每个混合区从而向进料中注入雾化气体。虽然不是优选的，但进料和雾化流体的流路可以进行转换(即可以构造方法/设备从而将进料喷入雾化气中)。
雾化流体可以包括过冷水(这种水在足以保持其为液体状态的压力下时其温度超过其正常大气压下的沸点)、蒸汽、轻烃气体(C4-)、惰性气体和/或它们的组合物。轻烃气体包括甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烷、丙烯、丙炔、丁烷和丁烯及其组合物，但不局限于此。在这里应用的惰性气体包括氦气、氢气、氮气、氩气及其它合适的惰性气体以及它们的组合物，但不局限于此。可以向每个混合区中注入相同或不同的雾化流体。另外，所述雾化流体可以由同一来源得到并分成预定量而进入各混合区。可以按多种方式构造每个混合区，包括混合三通320、内部喷头300、外部喷头310以及本领域已知的其它常规设备，但不局限于此。
在应用喷头(内部和/或外部)的实施方案中，确定喷头孔的尺寸从而在通常操作条件下使雾化流体高速注入到液体进料中，所述速度优选高于约250ft/s(约76m/s)，更优选高于约500ft/s(152m/s)。
图1给出了本发明的一种实施方案。进料注入器100具有一个使其与喷嘴200相连的出口，所述喷嘴200用一个方框表示，这表明任何常规的喷嘴都可以用于注入器100。所述注入器100通常包括确定流体通道103的管道102，并且构造该管道来确定至少两个混合区。在各图1-7中均给出了两个混合区110、120。
图1所示实施方案具有一个混合三通320，该混合三通在第一混合区110中混合来自进料入口101的进料与通过入口111的雾化流体。进料/雾化流体混合物从第一混合区110流入第二混合区120。内部喷头300混合进料/雾化流体混合物与附加的雾化流体。该附加的雾化流体从入口121通过出口122(孔)，并进入通道103，在其中与通过的进料/雾化流体混合物混合。所得到的混合物从注入器100进入且通过喷嘴200，从而形成液体进料微滴的喷雾。
图2所示的实施方案与图1所示的类似，只是在第二混合区120中应用外部喷头310从而向由第一混合区110通过的进料/雾化流体混合物中注入附加的雾化流体。
图3所示的实施方案与图1所示的类似，只是在第二混合区120中应用一个混合三通320从而向由第一混合区110通过的进料/雾化流体混合物中注入附加的雾化流体。
图4所示的实施方案描述了一种实施方案，其中内部喷头300向第一混合区110中注入雾化气体，外部喷头310向第二混合区120中注入雾化气体。虽然没有画出，但可以与第二混合区120中的内部喷头310组合，应用外部喷头310向第一混合区110中注入雾化气体。
图5所示的实施方案与图4所示的类似，只是内部喷头300和外部喷头310使第一和第二混合区110、120之间形成重叠。所述第一和第二混合区110、120可以部分重叠、完全重叠、或完全不重叠。正如在权利要求中所应用的，同步喷射指的是混合区喷头至少部分重叠。
图6所示的实施方案描述了一种实施方案，其中内部喷头300向第一和第二混合区110、120中注入雾化气体。图7所示的实施方案描述了一种实施方案，其中外部喷头310向第一和第二混合区110、120中注入雾化气体。
参见图4，下游混合区(即图1-7中的混合区120或者如果需要的话任何随后的混合区)优选位于前一个混合区的下游，与之相距等于或小于约50倍管子内径的距离L1，更优选小于约15倍管子内径，甚至更优选为约3至约5倍管子内径。距离L1优选沿通道103的轴向中心线进行测量，并且在任意两个混合区的大致中点间进行测量。最后一个混合区(即两区注入器中的混合区120)与喷嘴200的出口孔(未画出)之间的距离在图4中表示为L2，该距离优选小于约15倍管子内径，更优选为约3至约10倍管子内径。L2的长度沿通道103的轴向中心线在最后混合区的大致中点和喷嘴200的出口孔之间进行测量。
可以应用混合三通320代替喷头，或者反过来。管道102可以为任何合适的形状或横截面，例如L-形状(图1-2、6-7)或基本为直线(图3-5)。虽然在图中没有画出，但流入各混合区的雾化流体可以由相同来源得到。
例如参见图1，在操作中，液体进料通过进料入口101流入注入器100并进入流体通道103。蒸汽或其它适合的雾化流体通过入口111注入(流入)到通道103中，其中在第一混合区110中将蒸汽注入到流动的进料中或与之混合从而形成两相流体。蒸汽/进料混合物在流体通道103的下游流入第二混合区120，在其中与注入通道103的第二雾化流体(例如蒸汽)混合。来自第二混合区120的组合混合物通过注入器100的出口端进入喷嘴200。然后喷嘴按所希望的喷雾形式喷射进料(为微滴形式)。
向液体进料中加入雾化流体形成两相混合物，当进料和雾化流体通过流体通道103时，这种两相混合物促进液体带形成。本申请人确信在液体进料/雾化流体通过注射喷嘴200的喉(孔)注入时，随着在后续混合区中向混合物中高速注入更多的雾化流体，混合物的动能增加，并且其均匀性提高，导致形成液体带。这些带迅速地破碎成为直径更小的微滴。申请人确信通过形成更小的平均液体微滴直径来增加进料/雾化流体混合物的动能并将所述动能有效转化成表面张力能将改进雾化质量。
操作注入器100从而将至少部分雾化气体注入到各区110、120中。在一种优选实施方案中，以注入到进料中的雾化气体的总重量为基准，进入第一混合区110的雾化气体的流量至少为10wt％，更优选为约10至约50wt％。雾化气体的剩余部分流入第二混合区120及后续混合区，如果包括后续混合区的话。
FCC过程在一种优选实施方案中，在FCC操作中应用这里所公开的方法和设备。FCC操作可以在任何类型的流化催化裂化装置/过程中实施，而不必局限于特定的反应、汽提和再生区等的布置。FCC进料流入FCC装置，在其中通过一个或多个进料注入器/喷嘴注入到反应区中，并与来自再生区的热的再生的催化裂化催化剂接触，其中所述反应区通常包括提升管反应器。热的催化剂蒸发并裂化FCC进料，从而形成裂化产品和焦炭。裂化反应在催化剂上沉积焦炭，致使催化剂至少部分失活(称为废催化剂)。优选应用旋风分离器使裂化产品迅速与废催化剂分离。
废催化剂流入汽提区，在其中汽提剂如蒸汽从废催化剂中汽提出挥发性物质(可汽提的烃)。所述汽提可以在不太苛刻的条件下进行，从而保持在废催化剂上吸附的烃处于热平衡。
汽提后的催化剂通过再生区，在其中在含氧气体优选为空气存在时，通过烧掉催化剂上的焦炭而进行再生。再生恢复催化剂的活性，同时将催化剂加热至650℃-800℃。然后热的催化剂循环回FCC反应区，在其中与注入的FCC进料接触。
可以应用任何常规的FCC进料。这种进料通常包括沸程为约430°F至约1050°F(220-565℃)的烃油如粗柴油、包括沸点高于1050°F(565℃)的物料的重烃油；重的和还原的石油原油、石油的大气压精馏残渣、石油的真空精馏残渣、硬沥青(pitch)、柏油(asphalt)、地沥青(bitumen)、其它重烃残余物；焦油砂(tar sand oil)、页岩油、由煤液化过程得到的液体产品、及其组合物。FCC进料也可以包括循环的烃，例如轻或重的循环油。在这种方法中应用的优选进料为沸程在约650°F(343℃)以上的真空粗柴油。
本方法优选在常规FCC提升管反应器(反应区)中进行。在FCC反应区中的过程条件包括(i)温度为约500℃至约650℃，优选为约525℃至600℃；(ii)烃分压为约10至40psia(70-280kPa)，优选为约20至35psia(140-245kPa)；以及(iii)催化剂/进料比(wt/wt)为约1∶1至12∶1，优选为约4∶1至10∶1，其中催化剂重量为催化剂组合物的总重量。虽然并不需要，但蒸汽可以与进料一起同时引入到反应区中，并且可以包括至多约10wt％的进料，优选为约1wt％至约3wt％。FCC进料在反应区中的停留时间优选少于约10秒，更优选为约1秒至10秒。
实施例实施例1-2实验测试表明分级的蒸汽注入可以提高FCC产率。
实施例1表1中的实施例1给出在50kB/d的FCC装置中的基本条件下的产率，其中以进料油的总重量为基准，向注入器中引入1.08wt％蒸汽进料。参照图2可以更好地理解实施例，图2描述了实施例1中所应用的实施方案。向油进料中注入蒸汽被分级为通过混合三通320向第一混合区110中注入总进料蒸汽量的10wt％，通过外部喷头310向第二混合区120中注入总进料蒸汽量的90wt％。外部喷头310位于喷嘴200的雾化(出口)孔上游与之相距约13倍管子内径处。第二混合区120位于第一混合区110下游与之相距约20倍管子内径处。其结果示于表1的第2栏中。
实施例2再次重复进行实施例1中所进行的试验，但通过混合三通320注入第一混合区110的蒸汽注入量增加至总进料蒸汽量的20wt％，通过外部喷头310注入第二混合区120的蒸汽注入量为总进料蒸汽量的80wt％。其结果示于表1的第3栏中。
并列比较所述结果表明在恒定焦炭产率下430°F的转化率提高、LPG产率增加、以及残渣转化率增加。虽然产率的增加量很小，但进入第一混合区中的蒸汽量的增加也是很小的。本申请人确信进一步增加进入第一混合区的蒸汽量将导致更高的产率提高。
表权利要求
1.一种FCC进料注入器，包括(a)进料入口；(b)第一雾化流体入口；(c)第二雾化流体入口；(d)与进料入口和第一雾化流体入口流体连通的外部喷头，设置该外部喷头用来确定第一混合区；(e)与第二雾化流体入口和第一混合区流体连通的第二混合区，设置该第二混合区用来接收来自第一混合区的FCC进料/雾化流体混合物，并促进来自第一混合区的混合物和第二雾化流体之间的混合；以及(f)与第二混合区流体连通的进料喷嘴，设置该喷嘴用来使FCC进料/雾化流体按预定的喷雾形式流入提升管反应区。
2.权利要求1的注入器，其中第二混合区包括内部喷头、外部喷头或混合三通。
3.权利要求1的注入器，其中第一和第二混合区至少部分重叠。
4.权利要求1的注入器，其中第二混合区位于第一混合区的下游。
5.权利要求1的注入器，其中进料喷嘴位于第二混合区下游与之相距小于约15倍管子内径处。
6.权利要求1的注入器，其中第二混合区位于第一混合区下游与之相距小于约50倍管子内径处。
7.权利要求2的注入器，其中第一和第二混合区至少部分重叠。
8.权利要求2的注入器，其中第二混合区位于第一混合区的下游。
9.一种FCC进料注入器，包括(a)进料入口；(b)第一雾化流体入口；(c)第二雾化流体入口；(d)与进料入口和第一雾化流体入口流体连通的混合三通，设置该混合三通用来确定第一混合区；(e)与第二雾化流体入口和第一混合区流体连通的第二混合区，设置该第二混合区用来接收来自第一混合区的FCC进料/雾化流体混合物，并促进来自第一混合区的混合物和第二雾化流体之间的混合；以及(f)与第二混合区流体连通的进料喷嘴，设置该喷嘴用来使FCC进料/雾化流体按预定的喷雾形式流入提升管反应区。
10.权利要求9的注入器，其中第二混合区包括内部喷头、外部喷头或混合三通。
11.权利要求9的注入器，其中第一和第二混合区至少部分重叠。
12.权利要求9的注入器，其中第二混合区位于第一混合区的下游。
13.权利要求9的注入器，其中进料喷嘴位于第二混合区下游与之相距小于约15倍管子内径处。
14.权利要求9的注入器，其中第二混合区位于第一混合区下游与之相距小于约50倍管子内径处。
15.权利要求10的注入器，其中第一和第二混合区至少部分重叠。
16.权利要求10的注入器，其中第二混合区位于第一混合区的下游。
全文摘要
这里公开了用于使流体雾化的方法和设备。所述流体在多个位置(110，120)与雾化流体混合并通过喷嘴(200)。
文档编号B01F5/04GK1549742SQ02808419
公开日2004年11月24日 申请日期2002年4月9日 优先权日2001年4月19日
发明者W·R·亚当森, G·A·斯旺三世, M·W·比德尔, W R 亚当森, 斯旺三世, 比德尔 申请人:埃克森美孚研究工程公司