一种将微粒固体输送到流化床外部的方法

专利名称：一种将微粒固体输送到流化床外部的方法
技术领域：
本发明涉及一种将微粒固体输送到流化床外部的方法以及实施该方法的装置。该方法增强了颗粒的循环并减小了气体夹带。该方法适用于流化床催化裂化(FCC)单元和其它反应，例如硫化焦化装置，软化焦化装置(flexicoker)和液化床煤燃器，大量的微粒固体在连接竖管(standpipe)和立管(riser)的不同容器之间流通。
背景技术：
在常规的流化床催化裂化(FCC)反应中通常包括一个再生器，一个立管反应器和一个洗提器(stripper)，如授权给Hedrick的美国专利5 562 818所示，被细分的再生催化剂留在再生器内并与反应器立管下部的碳氢化合物原料相接触。碳氢化合物原料和蒸汽通过进料喷嘴进入立管。温度约为200℃至约700℃的进料、蒸汽及再生催化剂的混合物向上流过立管反应器，并将进料转化成较轻的产品，而焦炭层则沉积在催化剂表面上。接着，碳氢化合物的蒸汽和来自竖管顶部的催化剂流过旋流器，以将用过的催化剂从蒸汽产品流中分离出来。用过的催化剂进入洗提器中，蒸汽被导入该洗提器内，以从催化剂中除去碳氢化合物产品。含有焦炭的已用过催化剂穿过洗提器的竖管进入存在有空气而且温度介于620℃与760℃之间的再生器中，焦炭层的燃烧形成了再生催化剂和烟气。烟气通过旋流器在再生器的上部区域从夹带的催化剂中分离出来，同时再生的催化剂返回到再生器的流化床内。接着，通过再生器的竖管将再生的催化剂从再生器流化床内抽出，重复上述的循环，使再生的催化剂与反应区内的进料接触。
催化剂的流通对FCC单元的整体性能和可靠性十分重要。用于催化剂流通的主要动力来自形成于竖管内的稳定和足够的压力。竖管设计的一个关键部件就是入口设计，因为该入口设计决定了催化剂的入口条件，而入口条件又影响着整个竖管的操作。
在现有技术中，洗提器竖管和再生器竖管的入口设计是一个锥形的料斗，例如在由R.A.Meyers撰写的“石油提炼工艺手册”第二版(Handbook of Petroleum Refining Process)的公开出版文献中示出的那样。现有技术中入口料斗设计的关键内容在于当将催化剂颗粒从流化床抽入竖管内时，气泡也与催化剂一起被吸入。入口料斗为气泡提供了停留时间，以在进入竖管之前，聚结并发展成一个大气泡。由于大气泡具有较高的立管速度，因此大气泡就有更好的机会回到流化床内，这样就减少了进入竖管的气体夹带量。
但是，现有技术中竖管入口的设计构思具有几个缺陷。如果入口料斗过小，那么被吸入入口料斗内的大量气泡就不会有足够的时间长大，而是直接流入竖管，从而导致气体夹带量高的问题。另一方面，如果当为了能够允许小气泡长大而使入口料斗足够大时，那么就可能形成大气泡，而且气泡将在克服催化剂向下的流动同时试图上升的过程中静止悬挂在料斗的内部。这些巨大的悬挂气泡可能会暂时限制催化剂流入到竖管内。当气泡最终成长得足够大从而逸入流体床内时，大气泡的释放将使催化剂突然涌入竖管内，从而在竖管内产生剧烈的压力摆动。大气泡的成长和释放将使竖管的工作不稳定，这不是我们所希望的。现有技术的主要缺陷在于竖管入口设计的目标是为了减少夹带进入竖管的气体量，实际上，这种设计反而会促使大量气泡被吸入。这样必然会使效率非常低下。另外，在现有技术中，入口料斗的设计是一个庞大的结构，这样对于许多FCC单元而言就没有足够的空间放置这种入口料斗。一种公认的折衷方案就是或者将一个直管或一个非对称料斗用作竖管的入口，但这样就会使上述的问题进一步恶化。
竖管入口的几何形状不仅影响催化剂的流通，而且被夹带的气体还可能对FCC单元的洗提器的性能产生负面冲击。一般情况下，洗提器包括多个特殊的托架，如发明人为johnson等人的国际申请PCT/US95/09335所示。主容器内的特殊托架提高了通过蒸汽冲洗的碳氢化合物蒸汽的效率。接着，用过的催化剂通过带有料斗入口的洗提器竖管被输送至再生器，如现有技术所述。洗提器竖管的料斗入口在减少气体夹带量方面效率很低。第二FCC论坛(Second FCC Forum(1996年5月15至17，得克萨斯州林区))的Nougier等人的研究结果表明即使在主容器中的强化洗提之后，留在洗提器内的蒸汽仍然含20至25％克分子(或约为40％重量比)的碳氢化合物产品。从洗提竖管进入再生器的夹带量除了对上述的催化剂流通产生影响外还有两个负面作用。首先，从洗提器夹带到再生器内的气体意味着碳氢化合物产品的损失，但这部分损失可能已被还原成产品。第二，被夹带的碳氢化合物已在再生器内被燃烧，而这种燃烧消耗了再生器内有限的空气并产生了必须除去的多余热量。因此，必须减少夹带到洗提器竖管中的气体量。

发明内容
本发明的一个目的在于通过一个竖管入口设计来减少进入到竖管内的气体夹带量。这将使形成于竖管内的整体压力和催化剂的流通速度得以提高，同时还提高了竖管的稳定性。气体夹带量的减少还将减少上述从洗提器夹带到FCC单元之再生器内的碳氢化合物。
这样目的可由下述的方法来实现。一种通过一竖管将微粒固体输送到流化床外部的方法，其中流化床的密度为0.32-0.64g/cm3，所述竖管穿过所述流化床的底壁延伸到所述的流化床内，其中用于接收来自流化床的微粒固体的所述竖管的入口设置于所述底壁附近且其局部密度高于0.64g/cm3的一个位置上。
本发明还涉及一种用于实施上述方法的装置，包括用于在一容器中保持微粒固体床处于流化床模式的装置，一根用于将所述微粒固体输送到所形成的流化床内的导管，和一根延伸到所述流化床内并用于将微粒固体输送到流化床之外的竖管，其中，所述竖管的上部包括有一个用于接收来自流化床的微粒固体的入口，所述入口位于所述容器的底壁附近，在使用时所述底壁产生局部反流化作用，从而在其上方和竖管入口附近形成一个局部致密的流化区域。
本申请人发现通过使用本发明的方法，固体能够以较少的气体夹带量平滑地流入竖管内。其它优点如下所述。
用于使催化剂在FCC单元内循环流通的主动力源来自形成于竖管内的温度和足够的压力。竖管设计的一个关键部件在于入口设计，因为它决定了催化剂的入口条件，而催化剂的入口条件又影响整个竖管的操作。因此，必须通过恰当地设计竖管入口来减少气体的夹带量。
本发明的竖管入口设计的关键构思与具有许多上述缺陷的现有技术之入口料斗设计完全不同。本发明的设计构思依赖于部分流态化停滞，而不是气泡在料斗内的聚结和长大，从而减少气体夹带量，其具体内容如下所述。
使FCC催化剂在再生器或洗提器内保持流化状态的原因在于流化气体向上的连续供给。因此，只要流化气体的供给被切断，那么被流化的催化剂就会开始沉降，或立即停止流化态作用。在这种流化态停止的最初阶段，气泡从流化床内快速逸出，如Khoe等人在“粉末技术(Powder Technology)”第66卷(1991)发表的文章所述，该文章在本说明书中作为参考引用。当所有的气泡被耗尽后，FCC催化剂仍然能够在完全停止流化之前的一定时间内保持在致密的流化状态下，如Khoe等人的文章所述。在Khoe等人的实验中，反流化态过程可通过切断流化气体源而起动。本申请人发现通过在选定的区域内有策略地关闭向上流动的流化气体而在流化床内实现局部的反流化过程。本发明的竖管入口设计在关键区域采用这种局部反流化作用，以消除气泡并允许被流化的催化剂流入竖管内。


现结合非限制性的附图，对本发明作出进一步的说明。
图1为包括有一个再生器竖管的FCC单元之再生器下部的剖视图；图2为图1所示的再生器竖管入口的局部放大剖视图；图3为图2所示的再生器竖管入口的另一实施例；图4为当将催化剂从靠近FCC单元的再生器容器底壁的空间内抽出时，再生器竖管入口的又一实施例。
具体实施例方式
参照图1，图1为根据本发明，FCC单元的常规再生器容器20之下部的剖视图，其中FCC单元设置有一个再生器竖管10，该竖管10包括一个用于吸入再生催化剂的入口部分60。用过的催化剂通过一个常规的剩余催化剂输送管70从洗提器(未示出)输送出来并进入再生器20，在再生器20内，沉积在催化剂上的焦炭被主要空气格栅送进的空气烧掉。来自格栅30的空气和所形成的燃烧气体通过再生器上升，以使流化床40内的催化剂被流化。燃烧气体和夹带的再生催化剂在再生器的上部被旋流器(未示出)分离。燃烧气体从再生器的上部排出，而被旋流器(未示出)分离的再生催化剂返回流化床40内。再生器20内的流化床40的常规密度介于0.32-0.64g/cm3(20至40lb/ft3)的范围内，同时还存在许多上升的气泡。流化床40的密度主要由从空气格栅30流入的空气所控制，较大流量的流化空气将产生更多的气泡和低密度的流化床40。流化床40通过一个设置于再生器竖管10之底部并用于控制再生催化剂吸入再生器竖管10内的速度的滑阀(未示出)或其它装置保持在一定的水平50上。再生器竖管10的顶部包括一个根据本发明的竖管入口60，该竖管入口60在图中被一个断开圆所包围，其完全浸没在位于再生器20内的流化床40中。尽管竖管10在图1中以垂直状态被示出并从底部延伸到再生器20内，但本发明的竖管入口60还可不通过底部而是通过侧壁延伸到再生器20内，而且竖管入口还可以是倾斜的，而不是垂直的。
参照图2，图2示出了图1中的竖管入口60的细节，再生器竖管10一般为一个直径约为1至5英寸的圆筒形导管。再生的催化剂最好通过两种类型的开口中的一个或两个被吸入到竖管10内。开口的第一最佳实施例是一个竖管的顶部开口11。开口的第二最佳实施例是多个贯穿竖管10之上部壁的开口12。尽管在图2中开口12以狭槽示出，但也可采用其它形式，例如圆形孔。位于开口11和/或12下方的是一个围绕竖管10的水平圆盘13。在下面的说明中，部件13将被称为“圆盘”，对于圆筒形的容器而言，这是最合理的称呼。但，应该理解部件13可以是任意所需形状的盘。由于整个竖管入口都浸没在流化床40内，而催化剂在流化床40内被来自空气格栅30(见图1)的连续向上的流化气体所流化，圆盘13基本上挡住了从下方供给的流化气体并在恰好位于圆盘13上方的区域内起动反流化过程。当完全被流化的再生催化剂与气泡一起被吸向竖管开口11和12时，流化气体被圆盘13挡住(除非在下文中另有说明)，而且朝向竖管开口11和12流动的气泡也非常迅速地离开连续供给的流化气体。这样就形成了一个致密的流化区域14，该区域在图2中以被断开线封闭的形式示出，而且在竖管开口11和12附近几乎不存在气泡。这样就可通过在进入竖管10之前消除气泡而使催化剂局部流化，但并未达到使催化剂不再流动的完全反流化状态。为防止在圆盘13上方的致密流化区域14内完全反流化，最好还供给少量的气体流。小流量的气体最好通过圆盘13上的通风口13c和/或通过位于圆盘上方的气体喷射环15进给。尽管气体喷射环15已在图2中示出，但也可采用其它装置例如气体注入格栅来达到防止在位于圆盘13上方的致密流化区域内完全反流化的目的。
圆盘13可包括一个向下凸出的侧面或凸缘13a，该凸缘环绕着圆盘13，最好环绕着圆盘的圆周。圆盘13下方被凸缘13a所环绕的空间允许圆盘收集来自下方的流化气体。为连续地流过流化气体，凸缘13a还可包括多个允许流化气体流向致密流化区域14外部的通风口13b。或者，也可采用一个通风管16，以将来自圆盘13之下方的流化气体排向位于致密流化区域14之上方的位置。尽管我们建议将圆盘13样子一个在图2中的致密流化区域实现局部反流化的装置，但也可采用其它装置完成同样的目的。其中一种可选方案如图3所示。
参照图3，再生催化剂通过顶部开口11′或多个开口12′或者通过开口11′和开口12′再次被吸入竖管10′内。替代图2所示的水平圆盘13，图3示出了一个位于开口11′和12′并环绕竖管10′的锥形圆盘13′。锥形圆盘13′的功能在于有策略地阻挡从下方流入的流化气体并在恰位于圆盘13′上方的区域内起动局部反流化过程。这样就形成了一个致密的流化区域14′，该区域在图3中被断开线所包围。为防止在致密流化区域14′内产生完全反流化作用，最好通过圆盘13′上的通风口13c′和/或通过设置于圆盘13′上方的气体喷射环15′供给少量的气体流。尽管在图3中示出了气体喷射环15′，但还可采用其它装置例如气体注入格栅来实现相同的目的，即防止在圆盘13′上方的致密流化区域14′内完全反流化的作用。位于锥形圆盘13′下方的空间允许圆盘收集来自下方的流化气体。为能够连续地流过流化气体，圆盘13′还可包括多个具有延长管13b′，以允许流化气体流向致密流化区域14′的外部。或者，也可采用一个通风管16′，以将来自圆盘13′下方的流化气体排向位于致密流化区域14′上方的位置。与图2所示的水平圆盘13相比，锥形圆盘13′的一个优点在于当来自气体喷射环15′的气体流被关闭时，催化剂停滞的可能性变小。
图4示出了再生器竖管入口的另一实施例，除了FCC过程最好从非常接近再生器120底部的区域吸入再生催化剂外，该实施例使用了与图1所示的构思相似的设计方案。用过的催化剂从洗提器(未示出)通过一个用过的催化剂之输送管170被输送到再生器容器120内。再生的催化剂在再生器的上部通过旋流器(未示出)与烟气分离。烟气从再生器容器的上部排出，而且通过旋流器(未示出)分离的再生催化剂返回再生器容器120的下部，以通过流化空气连续向上的流动和来自空气格栅130的气体燃烧形成流化床140。流化床140通过一个滑阀(未示出)或其它设置于再生器竖管10底部的装置保持在水平150上，以控制吸入再生器竖管110内的催化剂的速度。
在该实施例中，环绕竖管110的圆盘是再生器容器120之下端的一部分。再生器竖管110仍设置有两种入口中的一种或两种，以从再生器容器的流化床140内吸入催化剂。第一开口是竖管110顶部的开口111，第二开口是多个贯穿竖管110之上部壁的开口，其中竖管的上部壁恰好位于再生器120的底部容器壁113上方。尽管在图4中以垂直形式示出了竖管110，但本发明的竖管入口还可以应用到竖管110可能倾斜的其它结构中。图4所示的再生器容器的下端壁之功能与图2所示的圆盘13的功能相似，即产生局部反流化作用并形成一个致密的流化区域114(与图2中的区域14相同)，同时在竖管开口111和112附近几乎不存在气泡。为防止在容器壁附近产生完全的反流化作用，可通过一个气体喷射环115供给少量气体流。尽管在图4中示出了一个气体喷射环115，但也可采用其它装置例如气体喷射格栅来实现同样的目的，即防止在位于容器壁113上方的致密流化区域114内产生完全反流化作用。
根据图4的再生器竖管入口被安装到受让人的FCC单元内，该FCC单元最初设置有一个现有技术的料斗竖管入口。可拆掉最初的入口料斗并在竖管壁上制成四个6英寸宽、40英寸长的狭槽。当安装了这种新式再生器竖管入口后，FCC单元的催化剂流通速度增加了30％，同时在再生器竖管内产生了额外的3psi的压力。这清楚地说明本发明的竖管入口在减少再生器的气体夹带量方面十分有效，从而允许竖管以更高的密度工作并为催化剂的流通产生了更高的压力。此外，与先前的操作条件相比，即使催化剂在较高速度下流通，竖管的操作也能够更加平稳。
上面的说明证明，与现有技术相比，当将本发明的竖管设计应用到FCC单元的再生器竖管上时，其具有以下优点更稳定的操作-本发明的入口设计不依赖于现有技术的入口料斗机构吸入大量的气泡，以使气泡聚集并形成大气泡。相反，这种新式入口设计通过有策略地消除包围竖管入口区域的气泡和局部反流化处理使气泡的夹带量最少。因为这种新式设计不需要在料斗结构中形成并释放气泡，而气泡的产生和释放都将使竖管工作不稳定，所以本发明的设计必然更为稳定。
更加有效地减少气体夹带量-现有技术的构思在于吸入大量的气泡，同时试图减少气体的夹带量。另一方面，本发明的基本构思在于在催化剂进入竖管之前通过使催化剂产生局部反流化作用来有策略地消除气泡。这样，本发明的设计在减少气体夹带到竖管内方面更为有效。
更好地控制-现有技术的料斗设计对入口周围的气体夹带控制较少。随着催化剂流通速度的增加，越来越多的气泡被吸入料斗，从而导致越来越多的气体夹带。而，本发明的设计通过消除所有的气泡，接着导入平滑运转所需的少量气体而在入口附近保持对流动条件的完全控制。
结构简单-与现有技术的料斗结构相比，本发明的设计更为简单和耐用。
当本发明的竖管入口设计被应用于洗提器竖管上时，相对现有技术中用于提高FCC单元的洗提器和再生器性能的入口料斗设计，本发明能够提供更多的优点。除了上述将本发明应用于再生器竖管上以提高催化剂流通和竖管稳定性的益处外本发明还有其它优点更高的洗提效率-本发明的竖管入口设计在减少气体夹带到竖管内方面更加有效。由于洗提器竖管的气体夹带量可能包含约40％重量比的碳氢化合物产品，本发明的竖管入口设计通过减少由于气体夹带而造成的碳氢化合物损失来有效增加碳氢化合物的产量。
较低的再生器负载-由于本发明的洗提器竖管设计在减少气体夹带方面更加有效，因此将会有更少的碳氢化合物进入再生器。这样就会使空气的需要量减少，而且由于在再生器内燃烧的碳氢化合物更少，因此需要除去的热量也更少。更为重要的是，现在许多FCC单元受到再生器内空气源或除热能力的限制。因此，本发明可被用于消除该单元的瓶颈效应。
尽管上面的说明集中于将本发明应用于FCC单元内，但还可采用类似的竖管入口设计提高微粒固体的流通并减少在其它石油化学反应中的气体夹带量，例如流化焦化装置和软化焦化装置和除石油化学之外的工艺，例如循环的流化床燃烧器，在该燃烧器内，大量的微粒固体在由竖管和立管连接起来的不同容器之间流通。
权利要求
1.一种通过一竖管将微粒固体输送到流化床外部的方法，其中流化床的密度为0.32-0.64g/cm3，所述竖管穿过所述流化床的底壁延伸到所述的流化床内，其中用于接收来自流化床的微粒固体的所述竖管的入口设置于所述底壁附近且其局部密度高于0.64g/cm3的一个位置上。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于向流化床中加入流化气体，以在容器底部的上方和竖管入口附近保持一个微粒固体的致密流化区域。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于位于竖管上部的入口包括多个在上端之下和所述底壁之上贯穿竖管壁的开口。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于多个开口是位于上端之下和所述底壁之上贯穿竖管壁的垂直开口。
5.根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于竖管上端是开口的。
6.根据权利要求1至2之一所述的方法，其特征在于微粒固体是用过的流体催化裂化催化剂微粒，所述固体通过空气保持流体模式，而且沉积在用过的催化剂上的焦炭通过空气燃烧。
7.根据权利要求1至2之一所述的方法，其特征在于微粒固体是用过的流体催化裂化催化剂微粒，所述固体通过蒸汽保持流化模式。
8.一种用于实施如权利要求1至7之所述方法的装置，包括用于在一容器中保持微粒固体床处于流化床模式的装置，一根用于将所述微粒固体输送到所形成的流化床内的导管，和一根延伸到所述流化床内并用于将微粒固体输送到流化床之外的竖管，其中，所述竖管的上部包括有一个用于接收来自流化床的微粒固体的入口，所述入口位于所述容器的底壁附近，在使用时所述底壁产生局部反流化作用，从而在其上方和竖管入口附近形成一个局部致密的流化区域。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于竖管上部的入口包括多个位于竖管上端之下贯穿竖管壁的竖直开口。
10.根据权利要求8至9之一所述的装置，其特征在于竖管的上端是开口的。
全文摘要
一种通过一竖管将微粒固体输送到流化床外部的方法，其中流化床的密度为0.32－0.64g/cm
文档编号C10G11/18GK1781592SQ20051007424
公开日2006年6月7日 申请日期2000年2月18日 优先权日1999年2月22日
发明者戴维·J·布罗斯腾, 陈岳孟 申请人:国际壳牌研究有限公司