一種促進原料油與催化劑高效混合的催化裂化提升管進料混合段結構的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于石油化工技術領域，涉及一種催化裂化工藝中促進原料油與催化劑高效混合的提升管反應器進料混合段結構。
【背景技術】
[0002]催化裂化工藝在我國石油加工業中占有舉足輕重的地位，提供了我國市場70%以上的汽油和約30%的柴油。提升管反應器是催化裂化的核心裝置之一。高價值的目的產品汽油、柴油和液化氣等均是在其內獲得。
[0003]根據在裂化反應過程中所起的作用，通?？蓪⒄麄€提升管反應器由下至上分為預提升段、進料混合段、充分反應段以及出口快速分離區四個部分，在預提升段內，預提升汽(氣)從提升管底部進入，與再生斜管引入的大量的催化劑顆?；旌稀⒔佑|，并攜帶催化劑向上運動。當到達進料混合段時，催化劑顆粒與斜向上設置的霧化噴嘴噴入的原料油混合、接觸并迅速開始反應，生成汽油、柴油、液化氣等目標產品；現有工業裝置中噴嘴的安裝角度與提升管管壁呈30°?40°，原料油斜向上注入提升管反應器。在充分反應段，油、劑混合物一邊向上運動一邊繼續進行裂化反應。當到達提升管末端出口快速分離區時，在快速分離系統的作用下，反應產物——如柴油、汽油等和催化劑迅速分開，以防發生過度裂化。
[0004]在進料混合段內，盡管原料油和高活性的催化劑之間的接觸時間僅有0.2?0.3S，但在該區內卻完成了 50?60%的裂化反應，因此該區的原料油和催化劑之間的接觸與混合狀況將會直接影響到整個裂化反應的進程。
[0005]對于進料混合段內油劑兩相的流動與混合，最為理想的狀況包含兩個方面的意乂:
[0006]1.第一階段，首先要求油、劑之間實現快速、均勻、充分地接觸、混合，即在提升管反應器內，形成“全混流”以確保原料油霧滴的快速氣化和高選擇性轉化；油、劑之間的接觸、混合時間應當盡量縮短，應避免油、劑發生軸向“往復返混”而反復接觸，且油相和劑相的濃度分布相互“匹配”——油相濃度高的區域，催化劑濃度也較高，反之亦然；
[0007]2.第二階段，當油、劑之間的接觸混合、氣化過程結束之后，油劑混合物應以“平推流”的形式一起向上運動；即油、劑混合物應迅速由第一階段的“全混流”轉變為“平推流”。
[0008]然而，在目前原料油噴嘴斜向上設置的情況下，實際情況卻與理想狀況相去甚遠，主要問題也體現在兩個方面:
[0009](I)由于噴嘴斜向上設置，在提升管進料混合中，油、劑兩相之間呈“交叉-并流向上流動”的狀態，油、劑之間的速度差較低。而兩股并流的流體發生動量、質量、熱量交換進而混合的“強度”取決于二者的速度差。因此在進料混合段難以形成真正的“全混流”，整個混合過程在時間和空間上都較長，無法實現上述第一階段“全混流”向“平推流”的迅速過渡。
[0010]另外，研究表明，在噴嘴斜向上設置的情況下，當原料射流斜向上進入提升管之后，將在射流與提升管內壁之間形成一股“二次流”，因此在進料混合段的部分區域里，油劑兩相的接觸、混合狀況并不理想，主要表現在:油劑兩相在提升管截面上濃度分布并不“匹配”，油相濃度相對較高(低)的區域，劑相濃度卻較稀(高)。
[0011 ] (2)由于有“二次流”的存在，在提升管反應器進料混合段的一些區域內，催化劑存在著較為嚴重的返混現象，尤其在提升管邊壁附近，催化劑返混更為劇烈，這使得催化劑停留時間延長，也增大了油、劑之間反復接觸的幾率，造成較為嚴重的結焦。據報道，結焦最為嚴重的區域位于噴嘴上方500mm?2000mm的提升管內壁附近。
[0012]多年來，針對提升管進料混合段內存在的上述兩個方面的不足，國內外許多科研院所、石油公司提出了多種提升管進料混合段結構，以期實現理想的油、劑混合過程。
[0013]中國石化石油化工科學研究院提出了一種抗返混提升管，主要特點有二:原料油采用軸切向進入提升管；進料段采用縮徑結構。這種結構有效地改善了所謂的“環一核結構”，改善了催化劑顆粒在提升管截面上分布不均勻的狀況，并抑制了催化劑顆粒在邊壁區域的返混，但是，這種結構由于采用軸切向進料，根據旋流的特點，原料油在提升管內的停留時間延長，這就增大了油、劑之間反復接觸的幾率，對于反應也是不利的。
[0014]美國UOP公司(US5348644、US6511635B2)曾經提出在提升管內噴嘴安裝位置的上游設置導流部件，希望能夠改善油、劑之間的初始接觸狀況。但是，通過我們的實驗發現，由于原料油的注入，將對提升管內噴嘴上游的區域產生極大的影響，因而這種結構的作用應當是非常有限的。
[0015]中國石油大學和洛陽森德石化工程有限公司也提出了兩種進料段結構(ZL201020623008.ZL201020622990)，即在噴嘴上方設置“流線型”的內構件，并引入輔助氣體的形式。其主要作用是控制和利用上述“二次流”，從而起到促進二次流區域油、劑混合，減少該區域催化劑顆粒和原料油的“往復返混”。但是這些改善仍舊存在著不足之處，內構件的引入，為進料段中焦炭堆積提供了附著點。更重要的是，在噴嘴斜向上設置的情況下，原料射流與催化劑之間的流動狀態為“交叉-并流向上”，油、劑之間速度差相對較小，因此二者產生動量、質量、熱量交換進而混合的“強度”較低。且噴嘴斜向上設置的進料形式從根本上難以抑制二次流的產生，即使是設置了內構件和輔助氣體，也僅僅是局部意義的改進，難以在進料混合段的“第一階段”形成真正的“全混流”，也難以在混合結束之后，由第一階段的“全混流”迅速過渡至“第二階段”的“平推流”。

【發明內容】

[0016]現有提升管反應器工業裝置中，原料油霧化噴嘴均是沿提升管軸向向上傾斜設置，即噴嘴與提升管反應器管壁的夾角為斜向上30°?40°，原料油斜向上注入提升管反應器。本發明提出一種促進原料油與催化劑高效混合的催化裂化提升管進料混合段結構。該結構中，將原料油霧化噴嘴的安裝方式為由傳統形式的斜向上設置改為沿提升管軸向斜向下設置，即將原料油霧化噴嘴噴入的原料油滴由斜向上噴入提升管改為斜向下進入提升管，使提升管進料混合段中原料油與催化劑顆粒逆流接觸，原料射流與催化劑之間的狀態呈“交叉-逆流”混合流動，增大了油、劑之間速度差，強化二者的動量、質量、熱量交換，進而增加了該區內的油、劑混合“強度”。
[0017]另外，在傳統形式提升管進料混合段結構中，“二次流”使得在進料混合段的部分區域里，油劑兩相的接觸、混合狀況并不理想，油劑兩相在提升管截面上濃度分布并不“匹配”，且在提升管邊壁附近催化劑返混劇烈，增大了油、劑之間反復接觸的幾率，造成較為嚴重的結焦。而從“二次流”產生的機理來看，斜向上進料則進料混合段中油、劑兩相為“交叉-并流”混合流動，并流流動的兩股流體若存在速度差和橫向速度梯度，必定會產生一股類似于空氣動力學中庫塔-茹可夫斯基升力的橫向力，該橫向力指向壁面，則必然產生“二次流”。而本發明提出噴嘴斜向下設置的進料段結構，原料油斜向下進入提升管，在提升管中油、劑逆流接觸、混合，庫塔如可夫斯基升力指向主流方向，則不會產生“二次流”，因此可大幅度改善傳統形式進料混合段內催化劑顆粒分布不均勻、油劑濃度不匹配、提升管邊壁催化劑返混劇烈的情況。
[0018]并且采用噴嘴射流與催化劑逆流接觸的方式