专利名称：催化裂化进料雾化喷嘴的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于炼油厂催化裂化装置的进料雾化喷嘴。
进料雾化喷嘴的任务是将催化裂化装置的原料油(重油或渣油或其混合物)及口炼油雾化成细小的液滴喷入提升管，在提升管内的温度下，原料油气化并且在催化剂作用下发生裂化反应，然后经过分离装置，进行油气、剂的分离进入下道工序。
一般的进料雾化喷嘴，都由混合腔及喷出段构成。在混合腔中，被雾化的液体与辅助雾化的蒸汽相遇，相互剪切撕裂，形成相互掺混的两相流，然后这种两相流通过喷出段的喷口喷出。这些喷嘴基本都是利用流体动力学的流动稳定性理论，在混合腔中产生尽可能大的汽(气)液两相速度差，来达到撕裂和破碎液体的目的，但其效果却往往不是很理想，原因在于基于这种原理的喷嘴，不能合理地利用雾化蒸汽的能量。
国内外早期使用的雾化喷嘴为喉管式喷嘴，蒸汽通过一根管子直接喷入喷嘴混合腔的液体中，通过蒸汽和液体之间的剪切来撕裂液体，喷口为一般的圆形射流喷口，雾化效果较差，同时不能产生催化工艺所需的扁平扇形的喷雾射流，雾化平均粒径多在80-100μm，称为第一代进料喷嘴。
经过改进之后产生了第二代进料喷嘴，如国外的靶式喷嘴和国内的预膜式喷嘴，以及其它的一些喷嘴，这些喷嘴的雾化平均粒径多在60-80μm。由于需要极大的汽(气)液两相速度差，来达到撕裂和破碎液体的目的，所以须采用极大的进汽(气)速度，有的甚至达到或超过了音速，能耗较大，并且会产生脉动。如若达不到这种速度，喷嘴就难以正常工作，雾化效果急剧恶化，并且操作弹性也受到影响。这些喷嘴也难以产生催化工艺所需的扁平扇形的喷雾射流。
进入九十年代后，国外的石油公司加大了对于进料喷嘴的研究力度，Mobil和Kellog公司于1990年开始合作进行新型进料雾化喷嘴的开发研究工作，于1994年开发出一种新型进料喷嘴Atomax；UOP公司于1995年开发出一种新型喷嘴OPtimix ；这些喷嘴在其混合腔采用了各自不同的蒸汽分布结构和不同的喷口形式，其雾化平均粒径在60μm左右； Shell公司于1998年开发出一种新型进料喷嘴，并在中国申请了发明专利98192423．3，这种喷嘴是一种外混式的进料喷嘴，在这种喷嘴内蒸汽与原料油在喷口处混合，利用蒸汽的高速带动原料油从喷口喷出；上述的喷嘴可以产生催化工艺所需的扁平扇形的喷雾射流，称为第三代新型雾化进料喷嘴。
本发明的任务，是提供一种可以形成非常均匀细小的液滴，从而与催化剂充分接触，在提升管内的温度下，原料油迅速气化，使裂化反应在气态进行，可以提高轻质油(汽油、柴油)的产率，降低生焦，使喷嘴产生的喷雾射流具有一定的初速，可以在提升管进料段的催化剂的密相流动有一定的穿透力，可使喷雾射流达到提升管中部，喷雾射流有扁平扇面的形状，对提升管截面有良好的覆盖，减小返混，且喷雾射流的速度可以迅速减弱，不至于射到喷嘴对面的提升管管壁，造成提升管内的结焦的催化裂化装置的进料雾化喷嘴。
本发明的任务是这样实现的本发明包括蒸汽入口1、原料油入口2、蒸汽分布孔4、蒸汽分布器5、外管6、环形空间混合腔7、混合腔前端8、喷头9、喷口10，外管6的一端部有蒸汽入口1，外管6上有原料油入口2，外管6另一端有喷头9，喷头9的前端开有喷口10，外管6内有蒸汽分布器5，外管6与蒸汽分布器5之间有环形空间混合腔7及混合腔前端8，蒸汽分布器5上有蒸汽分布孔4。
本发明还采用如下实施方案蒸汽分布器5的前端可以是平板形的，也可以是球形的，它构成了雾化喷嘴的芯管，其上开有均布的1～30排的蒸汽分布孔4。
蒸汽分布器5端部上的蒸汽分布孔4也可以是1～30圈。
蒸汽分布器5的整个圆管段上，开有1～90排沿圆周均匀分布的蒸汽分布孔4。
蒸汽分布孔4沿蒸汽分布器5的长度方向上可以是均布的，也可以是散布的。
蒸汽分布孔4的直径在1～10mm。
蒸汽分布孔4的面积之和与蒸汽分布器5的芯管截面积之比在0．1～5之间。
蒸汽分布器5的芯管直径与外管6直径之比在0．2～0．95之间。
蒸汽分布器5的前部与喷口10之间的距离在外管6直径的0．1～20倍之间。
蒸汽分布器5前部的数排蒸汽分布孔4可以与喷口10相对应。
喷头9可以是球形的，还可以是椭球形的。
喷口10可以是一个，也可以是一个以上。
喷口10的形状是狭长的。
喷口10的扩散角α的范围在10°～180°，喷口10的宽度δ在2～20mm之间。
各喷口10可以平行排列，也可以呈角度β排列，β的范围在0°～45°之间，各喷口10之间的距离B在3～50mm之间。
各喷口10间夹角的平分线与喷嘴轴线的夹角￠在0°～±60°之间。
原料油入口2与外管6之间的夹角γ在10°～90°之间。
本发明提供的新型喷嘴是一种基于内混式雾化原理的雾化喷嘴，在其混合腔内部具有特殊的气体分配器，通过这种气体分配器，气、液两相在混合腔中以较好的方式接触、破碎，能够合理地利用雾化蒸汽的能量，蒸汽不必具有很大的速度，蒸汽经过这种特殊设计的分布器时产生很小的压降，就可以在喷嘴混合腔内部形成匀细的汽液两相流，汽相以小气泡的形式存在于液相之中；在混合腔中形成的匀细的气液两相流；在喷嘴的喷出段具有一个或数个狭长的喷口。通过喷口加速喷出，气液两相在很小的区域产生非常大的剪切，使液滴更细小；同时由于喷出喷回后的泄压，汽液(气液)两相流内气泡体积迅速膨胀(爆破)，进一步细化了液滴的粒径。并且这种喷嘴运行平稳，不会产生脉动。
由于喷口形状为扁平形，可以形成平面扇形射流，能覆盖整个提升管截面同时，催化剂可以一次通过油雾射流，不会由于通过油雾区的行程太大而在催化剂表面形成很厚的油层，影响产品选择性。因此这种喷嘴产生的喷雾射流的形状也满足催化裂化工艺的要求。
图1为本发明的结构示意图；图2为本发明蒸汽分布器5端面平形的结构示意图；图3为本发明蒸汽分布器5端面球形的结构示意图；图4为本发明蒸汽分布孔4的排列图5为本发明蒸汽分布孔4圈形排列图；图6为本发明喷口10扩散角α示意图；图7为本发明喷口10夹角￠的示意图；图8为本发明喷口10角度β、距离B、宽度δ的示意图。
下面结合附图对本发明做进一步说明如图1所示，包括蒸汽入口1、原料油入口2、蒸汽分布孔4、蒸汽分布器5、外管6、环形空间混合腔7、混合腔前端8、喷头9、喷口10，外管6的一端部有蒸汽入口1，外管6上有原料油入口2，外管6另一端有喷头9，喷头9的前端开有喷口10，外管6内有蒸汽分布器5，外管6与蒸汽分布器5之间有环形空间混合腔7及混合腔前端8，蒸汽分布器5上有蒸汽分布孔4。
蒸汽分布器5如图2、3所示，靠近前部的圆管部分开有1～30圈(排)均布的蒸汽分布孔4，其前部可以是平板形的，也可以是球形的，它构成了雾化喷嘴的芯管，在平板形或球形的头部开有均匀分布的孔4，其前端也可以是一个空心管，在芯管式的蒸汽分布器5的整个圆管段上，开有1～90排沿圆周均匀分布的蒸汽分布孔4，这些孔4沿蒸汽分布器5的芯管方向上可以是均布的，也可以是不均匀分布的，孔4的直径在1～10mm，全部蒸汽分布孔4的面积之和与蒸汽分布器5芯管3的截面积之比在0．1～5之间，芯管3的直径与外管6的直径之比在0．2～0．95之间，蒸汽分布器5的前部与喷口10之间的距离在外管6直径的0．1～20倍之间，蒸汽分布器5前部的数排蒸汽分布孔4也可以与喷口10相对应。
喷嘴的长度或外管的长度根据现场需要而定，外管的直径与喷嘴的处理量有关，设计的原则是环形空间内原料油的流速保持在0．1-9米／秒之间。
如图6～图8所示，新型雾化进料喷嘴的喷头9和喷口10，其喷头9可以是球形或椭球形的，在其前端开有一个或数个狭长的喷口10。当喷口10为两个以上时，各喷口可以平行排列，可以不平行排列，而是相互间呈一定的角度β，β的范围在0°～45°之间，各喷口10之间的距离B则视需要而定，在3～50mm之间；喷口10的扩散角α的变化范围在10°～180°之间；喷口10的宽度δ在2～20mm之间；各喷口10的整体布置与喷嘴轴线可以不对称分布，即各喷口10间夹角的平分线与喷嘴轴线的夹角￠在0°～±60°之间。蒸汽分布器5的前部与喷口10之间的距离在0．1～5倍外管6直径之间。原料油入口2的直径应使其内原料油的流速低于10米／秒，原料油入口2与外管6之间的夹角γ在10°～90°之间。
原料油通过原料油入口2进人喷嘴内的环形空间7、混合腔前端8，并向喷头9的方向流动；雾化蒸汽通过蒸汽入口1进入位于中心的蒸汽分布器5，并通过芯管式蒸汽分布器5上多处沿圆周均匀分布的蒸汽分布孔4向外喷出，均匀、连续、平稳地喷入原料油中，与原料油均匀地混合。由于孔4在蒸汽分布器5的芯管圆周上均匀分布，并且位于原料油必经的位置，当原料油流经这些位置时自然被喷出的蒸汽所破碎，通过孔4喷出的蒸汽的运动方向与原料油的运动方向基本垂直，形成较大的相对速度，将原料油切割、破碎成很小的液滴，并且由于作用点多、接触面积大，使蒸汽与原料油在混合腔7内形成匀细的汽液两相流，从而完成了第一阶段的雾化。在这之后，混合腔7中的匀细的汽液两相流运动至喷头9处，通过喷口10高速喷出，与周围介质发生剧烈地碰撞、剪切，将液体雾化成细小的液滴，完成二次雾化；同时，由于从喷口10喷出后压力骤然降低，匀细的汽液两相流中的气泡体积突然爆破(膨胀)，将液滴进一步破碎成极为细小的液滴，从而完成整个雾化过程。
通过上述的过程可以看出，由于喷嘴混合腔的特殊设计，可以充分利用蒸汽的能量，在在压降很小的情况下，就能在混合腔内形成分布非常均匀的匀细的汽液两相流，使得雾化液滴细小均匀，且没有大液滴。并且通过喷口的特殊设计，利用了气泡雾化原理对液滴进行了进一步的雾化，同时可以形成不同形状的喷雾射流，如平面扇形、镁形、锥形等。
催化裂化提升管技术要求能够形成扁平扇形的喷雾射流，以覆盖整个提升管截面，使原料油与催化剂快速而充分地接触；同时要求雾化液滴有较小的平均粒径和窄的分布，以改善产品的选择性。本发明提出的多层半圆形喷口，可以生成所需的扁平扇形喷雾射流，且射流扩散角可以根据需要进行调节，完全可以满足提升管技术对喷雾形状的要求。由特殊的分布器与专门设计的喷口相结合，就可以产生具有细小液滴，形状符合要求的喷雾射流。
通过应用Malvern激光粒度测试仪的测试，在工业规模流量下(30吨／时)，本发明提出的喷嘴，可以将粘度为5厘泊的液体雾化成SMD粒径为50um的细小液滴。而目前在工业上正在使用的各种喷嘴的雾化液滴SMD粒径为60-80um。
喷口的形状与位置有一定的要求，要形成所要求形状的喷雾射流，有相应的喷口的形状，同时，喷口的面积与混合腔及处理量有一定的匹配关系，以达到临界雾化状态。即使处理量相同，当喷口形状改变时，其面积与处理量的匹配关系也要发生变化。为了保证长周期运行，喷头表面及喷口处要作耐磨处理。
当采用多排扁平喷口时，它们可以平行排列，也可以不平行排列。在实施例中，两排喷口之间有一定的夹角。平行排列的相邻两喷口喷出两排平行液雾，由于两排液雾间相对速度小，液雾容易汇集成大液滴，从而影响雾化效果。而各喷口之间有一定夹角的优点在于相邻两排喷口喷出的液雾呈一定角度相互分开向前运动，不会因汇集而凝聚成为大液滴，液滴可以得到进一步的雾化，经过一段距离液滴良好雾化后，由于相邻两排液雾分别向外运动，两排液雾之间压力相对较低，在两排液雾之外的相对较高的压力作用下，各排液雾仍然合为一排液雾，呈扇平扇形的喷雾射流。各排喷口之间的夹角为0°～30°。
喷雾射流的扩散角可以根据需要进行设计，以调整喷雾射流的覆盖角度。这种雾化进料喷嘴具有很好的雾化效果，并且适用于粘度较大的液体，如重油或渣油。这种雾化进料喷嘴具有良好的操作弹性，其处理量可以在70％-130％之间变化。这种喷嘴以用于炼油厂催化裂化装置。
权利要求
1．催化裂化装置的进料雾化喷嘴，包括蒸汽入口(1)、原料油入口(2)、蒸汽分布孔(4)、蒸汽分布器(5)、外管(6)、环形空间混合腔(7)、混合腔前端(8)、喷头(9)、喷口(10)，外管(6)的一端有蒸汽入口(1)，外管(6)上有原料油入口(2)，其特征在于外管(6)另一端有喷头(9)，喷头(9)的前端开有喷口(10)，外管(6)内有蒸汽分布器(5)，外管(6)与蒸汽分布器(5)之间有环形空间混合腔(7)及混合腔前端(8)，蒸汽分布器(5)上有蒸汽分布孔(4)。
2．根据权利要求1所述的催化裂化装置的进料雾化喷嘴，其特征在于蒸汽分布器(5)的前端可以是平板形的，也可以是球形的，它构成了雾化喷嘴的芯管，其上开有均布的1～30排的蒸汽分布孔(4)。
3．根据权利要求2所述的催化裂化装置的进料雾化喷嘴，其特征在于蒸汽分布器(5)端部上的蒸汽分布孔(4)也可以是1～30圈。
4．根据权利要求1所述的催化裂化装置的进料雾化喷嘴，其特征在于蒸汽分布器(5)的整个圆管段上，开有1～90排沿圆周均匀分布的蒸汽分布孔(4)。
5．根据权利要求4所述的催化裂化装置的进料雾化喷嘴，其特征在于蒸汽分布孔(4)沿蒸汽分布器(5)的长度方向上可以是均布的，也可以是散布的。
6．根据权利要求1所述的催化裂化装置的进料雾化喷嘴，其特征在于蒸汽分布孔(4)的直径在1～10mm。
7．根据权利要求1所述的催化裂化装置的进料雾化喷嘴，其特征在于蒸汽分布孔(4)的面积之和与蒸汽分布器(5)芯管截面积之比在0．1～5之间。
8．根据权利要求1所述的催化裂化装置的进料雾化喷嘴，其特征在于蒸汽分布器(5)芯管直径与外管(6)直径之比在0．2～0．95之间。
9．根据权利要求1所述的催化裂化装置的进料雾化喷嘴，其特征在于蒸汽分布器(5)的前部与喷口(10)之间的距离是外管(6)直径的0．1～20倍之间。
10．根据权利要求2所述的催化裂化装置的进料雾化喷嘴，其特征在于蒸汽分布器(5)前部的数排蒸汽分布孔(4)可以与喷口(10)相对应。
11．根据权利要求1所述的催化裂化装置的进料雾化喷嘴，其特征在于喷头(9)可以是球形的，还可以是椭球形的。
12．根据权利要求1所述的催化裂化装置的进料雾化喷嘴，其特征在于喷口(10)可以是一个，也可以是一个以上。
13．根据权利要求1所述的催化裂化装置的进料雾化喷嘴，其特征在于喷口(10)的形状是狭长的。
14．根据权利要求1所述的催化裂化装置的进料雾化喷嘴，其特征在于喷口(10)的扩散角α的范围在10°～180°，喷口(10)的宽度δ在2～20mm之间。
15．根据权利要求1所述的催化裂化装置的进料雾化喷嘴，其特征在于各喷口(10)可以平行排列，也可以呈角度β排列，β的范围在0°～45°之间，各喷口(10)之间的距离B在3～50mm之间。
16．根据权利要求1所述的催化裂化装置的进料雾化喷嘴，其特征在于各喷口(10)间夹角的平分线与喷嘴轴线的夹角￠在0°～±60°之间。
17．根据权利要求1所述的催化裂化装置的进料雾化喷嘴，其特征在于原料油入口(2)与外管(6)之间的夹角γ在10°～90°之间。
全文摘要
一种用于炼油厂催化裂化装置的进料雾化喷嘴,由蒸汽分布孔4、蒸汽分布器5、喷口10等组成,外管6一端有喷头9,喷头9的前端开有喷口10,外管6内有蒸汽分布器5,蒸汽分布器5上有蒸汽分布孔4,可以形成非常均匀细小的液滴,从而与催化剂充分接触,在提升管内的温度下,使裂化反应在气态进行,可以提高轻质油的产率,降低生焦,可以在提升管进料段的催化剂的密相流动有一定的穿透力,可使喷雾射流达到提升管中部,喷雾射流有扁平扇面的形状,对提升管截面有良好的覆盖,减小返混。
文档编号C10G11/00GK1282777SQ0010977
公开日2001年2月7日 申请日期2000年7月7日 优先权日2000年7月7日
发明者毛羽 申请人:中国石油天然气集团公司, 石油大学(北京)