用于冷却催化剂的方法和设备与流程

技术领域为催化剂冷却，并且具体地讲为用于催化再生器(诸如在流体催化裂化(fcc)单元或mto单元中)的催化剂冷却。

背景技术：

fcc技术已经经历了持续的改进，并且仍然是许多精炼厂汽油生产的主要来源。这种汽油以及较轻产物是由于裂化较重、分子量较高、价值较低的烃原料诸如瓦斯油而形成的。

在最一般的形式中，fcc方法包括与再生器紧密耦接的反应器，然后是下游的烃产物分离。烃进料接触反应器中的催化剂，以将烃裂化成较小分子量的产物。在这个过程中，焦炭有积聚在催化剂上的趋势。必须在再生器中将催化剂上的焦炭烧掉。

当将催化剂暴露于含氧化合物(诸如甲醇)以促进在甲醇制烯烃工艺(mto)中生成烯烃的反应时，含碳材料生成并沉积在催化剂上。焦炭沉积物的积聚会妨碍催化剂促进mto反应的能力。随着焦炭沉积量的增加，催化剂丧失活性并且较少原料转化成期望的烯烃产物。再生步骤通过与氧气燃烧从催化剂中去除焦炭，从而恢复催化剂的催化活性。之后，可以将再生的催化剂再次暴露于含氧化合物以促进向烯烃的转化。

常规再生器通常包括具有废催化剂入口、再生的催化剂出口和用于将空气或其他含氧气的气体供应到驻留在容器中的催化剂床的燃烧气体分配器。旋风分离器在烟气离开再生器容器之前去除夹带在该烟气中的催化剂。

存在目前使用的多种类型的催化剂再生器。传统的鼓泡床再生器通常只有一个室，其中空气鼓泡通过致密的催化剂床。添加废催化剂，并且从相同致密催化剂床中取出再生的催化剂。在离开致密床的燃烧气体中夹带相对少的催化剂。

两段式鼓泡床和燃烧器再生器具有两个室。在两段式鼓泡床再生器中，将废催化剂添加到上部第一室段中的致密床，并且用空气部分再生。部分再生的催化剂被运送到下部第二室段中的致密床并用空气完全再生。将完全地再生的催化剂从第二室中取出。

完整的催化剂再生可以在稀释阶段、在快速流化的燃烧再生器中进行。将废催化剂添加到下部室中，并且在快速流化流动条件下通过空气向上输送，同时完全地再生催化剂。再生的催化剂在进入上部室时通过初级分离器与烟气分离，在上部室中再生的催化剂和烟气彼此脱离。

催化剂冷却器已用于冷却再生的催化剂并允许再生器和反应器在独立条件下操作。在催化剂冷却器中，热再生的催化剂通过与水的间接热交换而冷却，水在嵌套式冷却器管中蒸发成蒸汽。从催化剂冷却器中移除蒸汽用于其它用途；而冷却的催化剂被返回到再生器。

由于在关闭期间不制造产品的事实，再生器的关闭是昂贵的。因此，关闭应当被最小化以使盈利最大化。

如果催化剂冷却器运行被中断，则冷却器中的催化剂床必须被再流化。正在寻求改进的设计和运行催化剂冷却器的方法。

催化剂冷却器对于从再生器移除热量是必要的，该再生器由于燃烧来自焦化的催化剂的烃沉积物而变热。由于fcc单元被用于处理更重的进料，并且mto单元被用于处理更多的反应物，因此将需要从再生器中去除更多的热量。需要更有效的催化剂冷却设备和方法。

技术实现要素：

我们已经发现了用包括波状壁的嵌套管来冷却催化剂的方法和设备。波状壁提供了更大的湍流和成核位点，从而为壁上的水冷却剂提供更多的沸腾和热传递机会。波状壁可以将热传递系数从10％增加至40％，从而能够移除更多热量并加工更多或更脏的进料。

本发明的附加特征和优点将从本文所提供的本发明的说明书、附图和权利要求书显而易见。

附图说明

图1为本发明fcc单元的示意图。

图2为在段2-2处截取的放大截面。

图3为图1的单个嵌套管的可另选的实施方案的放大正视图。

图4为图3的可另选的实施方案的正视图。

定义

术语“连通”意指在枚举的部件之间可操作地允许物质流动。

术语“下游连通”意指在下游连通中流向主体的至少一部分物质可以从与其连通的对象可操作地流动。

术语“上游连通”意指在上游连通中从主体流出的至少一部分物质可以可操作地流向与其连通的对象。

术语“直接连通”意指来自上游部件的料流进入下游部件而不穿过任何其他中间容器。

术语“间接连通”意指来自上游部件的料流在穿过中间容器之后进入下游部件。

术语“绕过”意指对象至少在绕过的范围内与绕过主体失去下游连通。

如本文所用，术语“分离器”是指具有入口和至少两个出口的容器。

如本文所用，术语“主要的”或“占优势”意指大于50wt％，适当地大于75wt％，并且优选地大于90wt％。

如本文所用，术语“富组分流”是指从容器出来的富流具有比到容器的进料大的组分浓度。

具体实施方式

再生器的高温限制了fcc单元中对常压渣油(ar)的处理。安装催化剂冷却器以克服高温限制并允许炼油厂升级更多ar。穿过催化剂冷却器的流动可以更有效地冷却催化剂。为了能够升级已经使用流通式催化剂冷却器的炼油厂的更多ar，唯一的替代方案是安装更多的催化剂冷却器。然而，能够安装的催化剂冷却器的数量通常受到再生器周围可用空间量和结合到再生器容器中的立管的数量的限制。如果不考虑空间限制，安装另外的催化剂冷却器仍然需要较高的资金成本以及为了安装而需要更长的关闭时间。

本发明提出了一种方法和一种设备，用于在催化剂冷却器中使用嵌套管中的波状壁来增加跨过管壁的冷却器负载率和热传递面积。外管在其入口端处具有端壁，以对抗并重新导向从内管的出口排出的水冷却剂。波状壁将会允许在恒定的热传递系数下降低催化剂冷却器中的气体表观速率，以减少腐蚀并延长管寿命。

本文的实施方案适用于冷却颗粒材料的流化床。一种此类应用是用于冷却来自fcc或mto再生器的再生的催化剂的催化剂冷却器。为简单起见，将在fcc单元的背景中描述所述方法和设备。

现在转到附图，其中类似的数字表示类似的部件，图1示出了包括fcc单元10的方法和设备。fcc单元10包括彼此流体连接的催化反应器12和再生器14。工艺变量通常包括400℃至600℃的裂化反应温度和500℃至900℃的催化剂再生温度。裂化和再生两者均在低于5个大气压的绝对大气压力下发生。

附图示出了典型的fcc工艺单元，其中管线15中的重质烃进料或原油料流由分配器16分配到竖管20中以与从再生器导管18进入的新再生的裂化催化剂接触。该接触可以在窄竖管20中进行，该竖管向上延伸至反应器容器22的底部。通过流化来自流化分配器24的气体将催化剂流化并将其升高至重质烃进料流，该流化分配器由流化管线25进料。来自催化剂的热量使重质烃进料蒸发，并且此后在催化剂的存在下(由于两者均在竖管20向上转移到反应器容器22中)，重质烃进料催化裂化为较轻分子量的烃。此后使用旋风分离器将裂化的轻质烃产物与裂化催化剂分离，该旋风分离器可以包括反应器容器22中的粗分离器26和一级或两级旋风分离器28。产物气体通过产物出口30离开反应容器22进入产物管线31以输送到产物回收段(未示出)。在竖管20中进行不可避免的副反应，从而在催化剂上留下降低催化剂活性的焦炭沉积物。废催化剂需要再生以供进一步使用。在与气态产物烃分离之后，废催化剂落入汽提段34中，其中来自管线35的蒸汽被进料至汽提分配器38，该汽提分配器从废催化剂中汽提任何残余的烃蒸气。在汽提操作之后，通过废催化剂管道36将废催化剂进料至催化剂再生器14。

最常见的此类常规重质烃进料流为vgo，它通常为通过常压渣油的真空分馏制备的具有一定的沸点范围的烃材料，该沸点范围为至少232℃(450°f)的ibp、288℃(550°f)至343℃(650°f)的t5、介于510℃(950°f)至570℃(1058°f)之间的t95以及不超过626℃(1158°f)的ep。常压渣油(ar)是从常压原油蒸馏塔的底部获得的另选的原料，其沸点为至少315℃(600°f)的ibp、介于340℃(644°f)至360℃(680°f)之间的t5以及介于700℃(1292°f)至900℃(1652°f)之间的t95。ar包括许多焦炭前体和其他污染物。可用作重质烃进料流的其他重质烃原料包括来自下列的重质底物：原油、重质沥青原油、页岩油、焦油砂提取物、脱沥青残渣、煤液化产物和真空减压原油。合适的重质烃进料流还包括上述烃的混合物，并且前述列表并非详尽无遗。

fcc催化剂可为单一催化剂或不同催化剂的混合物。通常，催化剂可包括fcc领域中使用的任何熟知的催化剂，例如活性无定形粘土型催化剂和/或高活性结晶分子筛。沸石可用作fcc工艺中的分子筛。通常，适用于fcc的沸石分子筛具有大的平均孔径。通常，具有大孔径的分子筛具有孔，其中孔的开口大于0.7nm，有效直径由大于10个、并且通常为12个构件环限定。合适的大孔沸石催化剂可包括合成沸石，诸如x和y沸石、丝光沸石和八面沸石。沸石可具有任何合适的量的氧化物形式的稀土金属或稀土金属原子。合适地，fcc催化剂包括大孔沸石，诸如y型沸石和基体材料，该基体材料包含活性氧化铝材料、粘结剂材料(包括二氧化硅或氧化铝)和惰性填料诸如高岭土。fcc催化剂流中沸石与基体的比例应不大于2。其他合适的fcc催化剂包括位于路易斯安那州巴吞鲁日(batonrouge，louisiana)的雅宝公司(albemarlecorporation)的琥珀(amber)、来自新泽西州伊塞林(iselin，newjersey)的巴斯夫公司(basfcorporation)的施达纳(stamina)或来自马里兰州哥伦比亚(columbia，maryland)的格雷斯公司(wrgraceandco.)的迈达斯(midas)。诸如包含mfi型催化剂的小孔至中孔沸石也可以成为fcc催化剂的一部分。

图1示出了再生器14，该再生器包含被称为燃烧器的再生器容器19。然而，其他类型的再生器(诸如一级或二级鼓泡床)也是合适的。在催化剂再生器14中，含氧气体(诸如空气)的流从来自主空气鼓风机(未示出)的主空气管线37引入，通过主空气分配器41以在下部第一室40中与废催化剂接触、燃烧沉积在废催化剂上的焦炭、并提供再生的催化剂和烟气。催化剂再生过程向催化剂添加大量的热，从而提供能量以抵消在竖管20中发生的吸热裂化反应。催化剂和空气沿位于催化剂再生器14内的燃烧器竖管一起向上流动，并且在再生之后，最初通过经由沉降器43排放至上部室42而分离。分别使用催化剂再生器14的上部室42内的第一级旋风分离器44和第二级旋风分离器46来实现离开沉降器43的再生的催化剂和烟气的精细分离。与烟气分离的催化剂通过旋风分离器44、46中的浸入支管分配至催化剂床，然而催化剂中相对较轻的烟气依次离开旋风分离器44、46，并且通过烟气管线47中的烟气出口48被排出再生器容器14。

再生的催化剂可以通过再生器导管18再循环回反应器12中。反应器12的竖管20可以与再生器14的再生器容器19下游连通。再生器导管具有入口端和出口端，该入口端连接到再生器容器19，一方面连接到再生器容器19的上室42，用于从其接收再生的催化剂，该出口端连接到反应器12的竖管20，用于将再生的催化剂输送到反应器12的竖管20。由于焦炭燃烧，在烟气管线48中的催化剂再生器14的顶部处排出的烟气蒸气包含sox、nox、co、co2、n2、o2和h2o，以及较少量的其他物质。另外，这些物质中的一些可以随着再生器导管18内正在离开的再生的催化剂离开并进入反应器12的竖管20。

再生器14可以包括与再生器14并且具体地与再生器容器19下游连通并且流体连接到再生器并且具体地再生器容器的催化剂冷却器50。催化剂冷却器冷却来自再生器的热催化剂以从fcc单元10移除热量。催化剂从再生器14(尤其是从再生器容器19的上部室42中的床39)被输送到催化剂冷却器50中。在图1所示的燃烧器再生器中，再生的催化剂可以通过催化剂冷却器50和/或通过未示出的再循环管道从再生器容器19的上部室42输送到下部室40中。再生的催化剂通过入口50i进入催化剂冷却器50。再生的催化剂可以通过返混催化剂冷却器中的入口50i离开催化剂冷却器返回。在流通式催化剂冷却器中，经冷却的催化剂通过出口53离开，到达冷催化剂导管49，该冷催化剂导管将经冷却的、再生的催化剂通过控制阀引回到下部室40中。显然，如果再生器仅具有单个室，则入口50i将来自同一再生器室，并且出口53将到达同一再生器室。

催化剂冷却器50包括具有外壁67的容器，该外壁包括至少一个嵌套管对58，该嵌套管对包括嵌套在至少外管56内的内管54。在一个方面，催化剂冷却器50包括容器，该容器包括多个嵌套管对58，该嵌套管对包括嵌套在多个外管中的相应的外管56内并被相应的外管围绕的多个内管54。嵌套管对58可以为竖直取向的。图1中仅示出三个嵌套管对，但更多的嵌套管对已被设想出来。来自水管线51的液态水向水歧管52进料。水歧管52由仅与一个或多个内管54连通的水管板61限定。内管54与水歧管52直接下游连通。水被递送到内管54的入口端57。入口端57是开放的并且与水管板61中的开口重合。水沿一个或多个内管52向上流入包含催化剂床60的催化剂冷却器50的内部。外管56中的热水的热量跨过内管54的相应壁55传递。外管56中的水间接吸收来自催化剂床60中的热的、再生的催化剂的热量，从而间接冷却该催化剂床中的再生的催化剂，同时加热外管56中的水。热量被传递到一个或多个外管56和一个或多个内管54中的水，将其蒸发成高压蒸汽。汽化水通过内管54的开放的出口端59排放到外管56中。外管56配备有限定封闭的入口端的端壁69，该端壁与内管54的开放的出口端59相对且与其间隔开。汽化水从出口端59紧靠外管56的端壁69排出，外管在内部将水接收到入口端。汽化水在进入外管56时反转其流动方向，并且沿相反方向流动。

嵌套管58包括具有波状构型的壁。该波状壁可以包括螺旋壁、扭转壁或另外类型的非圆柱形壁，该非圆柱形壁沿其长度限定峰和谷。另选地或结合地，峰和谷可以沿波状壁的周边限定。波状壁优选为螺旋状。所述“波”优选地是均匀的，但它们不必一定是均匀的。例如，外管56的外壁80可以具有波形构型以增加外管壁周围的湍流，从而改善跨过波状外壁80的热传递。螺旋壁80增加了管56中水对催化剂的冷却和水的沸腾。当汽化水行进通过外管56时，热量从催化剂床60跨过外管56的波状外壁80到达外管56中的水。在图1中，内管54不是波状的，而是圆柱形的。

可以与液态水混合的蒸汽沿着一个或多个外管56向下环形行进到嵌套管对58中的一个或多个相应的内管54，并且从外管56的开放的出口端81离开。出口端81具有与出口管板65中开口重合的开口。汽化水离开外管56并从一个或多个外管从催化剂床60被抽出到出口歧管62中。出口歧管62由水管板61和出口管板65限定。出口歧管与外管56直接下游连通并且从该外管收集汽化水。内管54延伸穿过出口歧管62，但仅通过出口管56与出口歧管连通，该出口管通过出口管板65与出口歧管直接连通。来自出口歧管62的蒸汽在蒸汽管线63中离开催化剂冷却器50。

流化喷枪64从流化歧管66接收流化气体(诸如空气)，流化歧管仅与用于在催化剂冷却器50的催化剂床60中流化再生的催化剂的流化喷枪连通。流化歧管66由流化管线68进料。流化喷枪64可以从其下端散发流化气体。在us5,027,893中提供了催化剂冷却器的常规示例。

导流板70和71横跨催化剂冷却器50延伸，以将内部的嵌套管对58横向保持在适当位置，但允许它们由于热力所致的纵向的自由膨胀和收缩。

催化剂冷却器50通过入口50i从再生器14中的催化剂床39接收热催化剂，该入口在催化剂冷却器中的催化剂床60中进行收集。通过循环穿过嵌套管对58的水，热催化剂在催化剂床60中冷却。在返混式冷却器中，催化剂通过相同的入口50i进入和离开催化剂冷却器50。在流通式催化剂冷却器中，经冷却的催化剂通过出口53离开催化剂冷却器50。

图2是沿图1中2-2截取的截面图。可以使用较多或较少的流化分配器64。图2中示出了位于包括内管54和外管56的七个嵌套管对58之间的四个流化分配器64。

图3为图1的嵌套管对58’的局部视图，但内管54’的内壁55’和外壁80一样，也具有波状构型，以促进跨过波状内壁55’的热传递。图3中的许多元件具有与图1中相同的配置，并且具有相同的参考标号。图3中对应于图1中的元件但具有不同配置的元件具有与图1相同的附图标号，但用撇号(‘)标记。在图3中，外管54的外壁80也是波状的。内管54’的波状内壁55’促进在壁55’上从外管56中的热水蒸汽到内管54’中的水的热传递。内管54’具有开放的出口端59’，而外管56在其入口端处限定端壁69。除这些指出的例外之外，图3中的其他一切都与图1中相同。

图4为图3的嵌套管对58”的局部视图，其中内管54’的内壁55’具有波状构型以促进在波状内壁55’上的热传递，但外壁80”不具有波状构型。图4中的许多元件具有与图3中相同的配置，并且具有相同的参考标号。图4中对应于图3中的元件但具有不同配置的元件具有与图3相同的附图标号，但用双撇号(“)标记。在图3中，外管54”的外壁80”不是波状的而是圆柱形的。内管54’具有开放的出口端59’，而外管56”在其入口端处限定端壁69”。除这些指出的例外之外，图4中的其他一切都与图3中相同。

具体的实施方案

虽然结合具体的实施方案描述了以下内容，但应当理解，该描述旨在说明而不是限制前述描述和所附权利要求书的范围。

本发明的第一实施方案是一种用于在催化剂冷却器中冷却催化剂床的方法，该方法包括：将水从水歧管传递到内管；通过与在内壁上的外管中的经加热的水进行间接热交换来加热该内管中的水，以蒸发内管中的水的至少一些；将汽化水传递到嵌套在内管周围的外管；将热量从催化剂床跨过外管的外壁传递到外管中的水；将汽化水收集在出口歧管中；使催化剂在催化剂床中流化；其中内壁和外壁中的至少一者包括波状壁。本发明的一个实施方案是本段的先前实施方案至本段的第一实施方案中的一个、任意或所有实施方案，还包括多个内管和多个外管，该多个外管分别嵌套在相应内管周围并且将水从水歧管传递到多个内管，将热量从催化剂床跨过外管中的相应的外管的螺旋壁传递到外管中的相应的外管中的水，并且将汽化水从外管传递到出口歧管；其中外管中的每一个外管都具有螺旋壁。本发明的一个实施方案是本段的先前实施方案至本段的第一实施方案中的一个、任意或所有实施方案，还包括从内管中将水紧靠外管的端壁排出，并且反转水在外管中的方向。本发明的一个实施方案为本段中的先前实施方案至本段中的第一实施方案中的一个、任意或所有实施方案，其中外管具有波状外壁。本发明的一个实施方案为本段中的先前实施方案至本段中的第一实施方案中的一个、任意或所有实施方案，其中内管具有波状内壁。

本发明的第二实施方案是一种用于冷却催化剂床的设备，设备包括：容器，容器包括多个内管，多个内管各自被外管围绕，从而组成多个嵌套管，嵌套管包括波状壁；水歧管，水歧管由水管板限定并与多个内管连通；以及出口歧管，出口歧管由出口管板限定并与多个外管连通；分配器，分配器用于将流化气体分配到催化剂冷却器。本发明的一个实施方案为本段的先前实施方案至本段的第二实施方案中的一个、任意或所有实施方案，其中外管具有开放的出口端和封闭的入口端。本发明的一个实施方案为本段的先前实施方案至本段的第二实施方案中的一个、任意或所有实施方案，其中外管在入口端处具有端壁。本发明的一个实施方案是本段的先前实施方案至本段的第二实施方案中的一个、任意或所有实施方案，还包括外管的与内管的开放的出口端相对的端壁。本发明的一个实施方案为本段的先前实施方案至本段的第二实施方案中的一个、任意或所有实施方案，还包括具有开口的水管板，开口与内管的入口端重合。本发明的一个实施方案为本段的先前实施方案至本段的第二实施方案中的一个、任意或所有实施方案，还包括具有开口的出口管板，开口与外管的出口端重合。本发明的一个实施方案为本段的先前实施方案至本段的第二实施方案中的一个、任意或所有实施方案，其中内管各自具有波状壁。本发明的一个实施方案为本段中的先前实施方案至本段中的第二实施方案中的一个、任意或所有实施方案，其中外管各自具有波状壁。

本发明的第三实施方案是一种用于冷却催化剂的设备，设备包括：催化剂冷却器，催化剂冷却器包括多个内管，多个内管各自被外管围绕，从而组成多个嵌套管；外管中的每一个外管都具有波状外壁；水歧管，水歧管由水管板限定并与多个内管连通；出口歧管，出口歧管由出口管板和水管板限定，出口歧管与多个外管连通；以及分配器，分配器用于将流化气体分配到催化剂冷却器。本发明的一个实施方案为本段的先前实施方案至本段的第三实施方案中的一个、任意或所有实施方案，其中外管具有开放的出口端和封闭的入口端。本发明的一个实施方案为本段的先前实施方案至本段的第三实施方案中的一个、任意或所有实施方案，其中外管在入口端处具有端壁。本发明的一个实施方案是本段的先前实施方案至本段的第三实施方案中的一个、任意或所有实施方案，还包括外管的与内管的开放的出口端相对的端壁。本发明的一个实施方案为本段的先前实施方案至本段的第三实施方案中的一个、任意或所有实施方案，还包括具有开口的水管板，开口与内管的入口端重合。本发明的一个实施方案为本段的先前实施方案至本段的第三实施方案中的一个、任意或所有实施方案，还包括具有开口的出口管板，开口与外管的出口端重合。本发明的一个实施方案为本段的先前实施方案至本段的第三实施方案中的一个、任意或所有实施方案，其中内管各自具有波状壁。

尽管没有进一步的详细说明，但据信，本领域的技术人员通过使用前面的描述可最大程度利用本发明并且可容易地确定本发明的基本特征而不脱离本发明的实质和范围以作出本发明的各种变化和修改，并且使其适合各种使用和状况。因此，前述优选的具体的实施方案应理解为仅例示性的，而不以无论任何方式限制本公开的其余部分，并且旨在涵盖包括在所附权利要求书的范围内的各种修改和等效布置。

在前述内容中，所有温度均以摄氏度示出，并且所有份数和百分比均按重量计，除非另外指明。