專利名稱：一種將微粒固體輸送到流化床外部的方法
技術領域：
本發明涉及一種將微粒固體輸送到流化床外部的方法以及實施該方法的裝置。該方法增強了顆粒的循環并減小了氣體夾帶。該方法適用于流化床催化裂化(FCC)單元和其它反應，例如硫化焦化裝置，軟化焦化裝置(flexicoker)和液化床煤燃器，大量的微粒固體在連接豎管(standpipe)和立管(riser)的不同容器之間流通。
背景技術：
在常規的流化床催化裂化(FCC)反應中通常包括一個再生器，一個立管反應器和一個洗提器(stripper)，如授權給Hedrick的美國專利5 562 818所示，被細分的再生催化劑留在再生器內并與反應器立管下部的碳氫化合物原料相接觸。碳氫化合物原料和蒸汽通過進料噴嘴進入立管。溫度約為200℃至約700℃的進料、蒸汽及再生催化劑的混合物向上流過立管反應器，并將進料轉化成較輕的產品，而焦炭層則沉積在催化劑表面上。接著，碳氫化合物的蒸汽和來自豎管頂部的催化劑流過旋流器，以將用過的催化劑從蒸汽產品流中分離出來。用過的催化劑進入洗提器中，蒸汽被導入該洗提器內，以從催化劑中除去碳氫化合物產品。含有焦炭的已用過催化劑穿過洗提器的豎管進入存在有空氣而且溫度介于620℃與760℃之間的再生器中，焦炭層的燃燒形成了再生催化劑和煙氣。煙氣通過旋流器在再生器的上部區域從夾帶的催化劑中分離出來，同時再生的催化劑返回到再生器的流化床內。接著，通過再生器的豎管將再生的催化劑從再生器流化床內抽出，重復上述的循環，使再生的催化劑與反應區內的進料接觸。
催化劑的流通對FCC單元的整體性能和可靠性十分重要。用于催化劑流通的主要動力來自形成于豎管內的穩定和足夠的壓力。豎管設計的一個關鍵部件就是入口設計，因為該入口設計決定了催化劑的入口條件，而入口條件又影響著整個豎管的操作。
在現有技術中，洗提器豎管和再生器豎管的入口設計是一個錐形的料斗，例如在由R.A.Meyers撰寫的“石油提煉工藝手冊”第二版(Handbook of Petroleum Refining Process)的公開出版文獻中示出的那樣。現有技術中入口料斗設計的關鍵內容在于當將催化劑顆粒從流化床抽入豎管內時，氣泡也與催化劑一起被吸入。入口料斗為氣泡提供了停留時間，以在進入豎管之前，聚結并發展成一個大氣泡。由于大氣泡具有較高的立管速度，因此大氣泡就有更好的機會回到流化床內，這樣就減少了進入豎管的氣體夾帶量。
但是，現有技術中豎管入口的設計構思具有幾個缺陷。如果入口料斗過小，那么被吸入入口料斗內的大量氣泡就不會有足夠的時間長大，而是直接流入豎管，從而導致氣體夾帶量高的問題。另一方面，如果當為了能夠允許小氣泡長大而使入口料斗足夠大時，那么就可能形成大氣泡，而且氣泡將在克服催化劑向下的流動同時試圖上升的過程中靜止懸掛在料斗的內部。這些巨大的懸掛氣泡可能會暫時限制催化劑流入到豎管內。當氣泡最終成長得足夠大從而逸入流體床內時，大氣泡的釋放將使催化劑突然涌入豎管內，從而在豎管內產生劇烈的壓力擺動。大氣泡的成長和釋放將使豎管的工作不穩定，這不是我們所希望的。現有技術的主要缺陷在于豎管入口設計的目標是為了減少夾帶進入豎管的氣體量，實際上，這種設計反而會促使大量氣泡被吸入。這樣必然會使效率非常低下。另外，在現有技術中，入口料斗的設計是一個龐大的結構，這樣對于許多FCC單元而言就沒有足夠的空間放置這種入口料斗。一種公認的折衷方案就是或者將一個直管或一個非對稱料斗用作豎管的入口，但這樣就會使上述的問題進一步惡化。
豎管入口的幾何形狀不僅影響催化劑的流通，而且被夾帶的氣體還可能對FCC單元的洗提器的性能產生負面沖擊。一般情況下，洗提器包括多個特殊的托架，如發明人為johnson等人的國際申請PCT/US95/09335所示。主容器內的特殊托架提高了通過蒸汽沖洗的碳氫化合物蒸汽的效率。接著，用過的催化劑通過帶有料斗入口的洗提器豎管被輸送至再生器，如現有技術所述。洗提器豎管的料斗入口在減少氣體夾帶量方面效率很低。第二FCC論壇(Second FCC Forum(1996年5月15至17，得克薩斯州林區))的Nougier等人的研究結果表明即使在主容器中的強化洗提之后，留在洗提器內的蒸汽仍然含20至25％克分子(或約為40％重量比)的碳氫化合物產品。從洗提豎管進入再生器的夾帶量除了對上述的催化劑流通產生影響外還有兩個負面作用。首先，從洗提器夾帶到再生器內的氣體意味著碳氫化合物產品的損失，但這部分損失可能已被還原成產品。第二，被夾帶的碳氫化合物已在再生器內被燃燒，而這種燃燒消耗了再生器內有限的空氣并產生了必須除去的多余熱量。因此，必須減少夾帶到洗提器豎管中的氣體量。
發明內容
本發明的一個目的在于通過一個豎管入口設計來減少進入到豎管內的氣體夾帶量。這將使形成于豎管內的整體壓力和催化劑的流通速度得以提高，同時還提高了豎管的穩定性。氣體夾帶量的減少還將減少上述從洗提器夾帶到FCC單元之再生器內的碳氫化合物。
這樣目的可由下述的方法來實現。一種通過一豎管將微粒固體輸送到流化床外部的方法，其中流化床的密度為0.32-0.64g/cm3，所述豎管穿過所述流化床的底壁延伸到所述的流化床內，其中用于接收來自流化床的微粒固體的所述豎管的入口設置于所述底壁附近且其局部密度高于0.64g/cm3的一個位置上。
本發明還涉及一種用于實施上述方法的裝置，包括用于在一容器中保持微粒固體床處于流化床模式的裝置，一根用于將所述微粒固體輸送到所形成的流化床內的導管，和一根延伸到所述流化床內并用于將微粒固體輸送到流化床之外的豎管，其中，所述豎管的上部包括有一個用于接收來自流化床的微粒固體的入口，所述入口位于所述容器的底壁附近，在使用時所述底壁產生局部反流化作用，從而在其上方和豎管入口附近形成一個局部致密的流化區域。
本申請人發現通過使用本發明的方法，固體能夠以較少的氣體夾帶量平滑地流入豎管內。其它優點如下所述。
用于使催化劑在FCC單元內循環流通的主動力源來自形成于豎管內的溫度和足夠的壓力。豎管設計的一個關鍵部件在于入口設計，因為它決定了催化劑的入口條件，而催化劑的入口條件又影響整個豎管的操作。因此，必須通過恰當地設計豎管入口來減少氣體的夾帶量。
本發明的豎管入口設計的關鍵構思與具有許多上述缺陷的現有技術之入口料斗設計完全不同。本發明的設計構思依賴于部分流態化停滯，而不是氣泡在料斗內的聚結和長大，從而減少氣體夾帶量，其具體內容如下所述。
使FCC催化劑在再生器或洗提器內保持流化狀態的原因在于流化氣體向上的連續供給。因此，只要流化氣體的供給被切斷，那么被流化的催化劑就會開始沉降，或立即停止流化態作用。在這種流化態停止的最初階段，氣泡從流化床內快速逸出，如Khoe等人在“粉末技術(Powder Technology)”第66卷(1991)發表的文章所述，該文章在本說明書中作為參考引用。當所有的氣泡被耗盡后，FCC催化劑仍然能夠在完全停止流化之前的一定時間內保持在致密的流化狀態下，如Khoe等人的文章所述。在Khoe等人的實驗中，反流化態過程可通過切斷流化氣體源而起動。本申請人發現通過在選定的區域內有策略地關閉向上流動的流化氣體而在流化床內實現局部的反流化過程。本發明的豎管入口設計在關鍵區域采用這種局部反流化作用，以消除氣泡并允許被流化的催化劑流入豎管內。
現結合非限制性的附圖，對本發明作出進一步的說明。
圖1為包括有一個再生器豎管的FCC單元之再生器下部的剖視圖；圖2為圖1所示的再生器豎管入口的局部放大剖視圖；圖3為圖2所示的再生器豎管入口的另一實施例；圖4為當將催化劑從靠近FCC單元的再生器容器底壁的空間內抽出時，再生器豎管入口的又一實施例。
具體實施例方式
參照圖1，圖1為根據本發明，FCC單元的常規再生器容器20之下部的剖視圖，其中FCC單元設置有一個再生器豎管10，該豎管10包括一個用于吸入再生催化劑的入口部分60。用過的催化劑通過一個常規的剩余催化劑輸送管70從洗提器(未示出)輸送出來并進入再生器20，在再生器20內，沉積在催化劑上的焦炭被主要空氣格柵送進的空氣燒掉。來自格柵30的空氣和所形成的燃燒氣體通過再生器上升，以使流化床40內的催化劑被流化。燃燒氣體和夾帶的再生催化劑在再生器的上部被旋流器(未示出)分離。燃燒氣體從再生器的上部排出，而被旋流器(未示出)分離的再生催化劑返回流化床40內。再生器20內的流化床40的常規密度介于0.32-0.64g/cm3(20至40lb/ft3)的范圍內，同時還存在許多上升的氣泡。流化床40的密度主要由從空氣格柵30流入的空氣所控制，較大流量的流化空氣將產生更多的氣泡和低密度的流化床40。流化床40通過一個設置于再生器豎管10之底部并用于控制再生催化劑吸入再生器豎管10內的速度的滑閥(未示出)或其它裝置保持在一定的水平50上。再生器豎管10的頂部包括一個根據本發明的豎管入口60，該豎管入口60在圖中被一個斷開圓所包圍，其完全浸沒在位于再生器20內的流化床40中。盡管豎管10在圖1中以垂直狀態被示出并從底部延伸到再生器20內，但本發明的豎管入口60還可不通過底部而是通過側壁延伸到再生器20內，而且豎管入口還可以是傾斜的，而不是垂直的。
參照圖2，圖2示出了圖1中的豎管入口60的細節，再生器豎管10一般為一個直徑約為1至5英寸的圓筒形導管。再生的催化劑最好通過兩種類型的開口中的一個或兩個被吸入到豎管10內。開口的第一最佳實施例是一個豎管的頂部開口11。開口的第二最佳實施例是多個貫穿豎管10之上部壁的開口12。盡管在圖2中開口12以狹槽示出，但也可采用其它形式，例如圓形孔。位于開口11和/或12下方的是一個圍繞豎管10的水平圓盤13。在下面的說明中，部件13將被稱為“圓盤”，對于圓筒形的容器而言，這是最合理的稱呼。但，應該理解部件13可以是任意所需形狀的盤。由于整個豎管入口都浸沒在流化床40內，而催化劑在流化床40內被來自空氣格柵30(見圖1)的連續向上的流化氣體所流化，圓盤13基本上擋住了從下方供給的流化氣體并在恰好位于圓盤13上方的區域內起動反流化過程。當完全被流化的再生催化劑與氣泡一起被吸向豎管開口11和12時，流化氣體被圓盤13擋住(除非在下文中另有說明)，而且朝向豎管開口11和12流動的氣泡也非常迅速地離開連續供給的流化氣體。這樣就形成了一個致密的流化區域14，該區域在圖2中以被斷開線封閉的形式示出，而且在豎管開口11和12附近幾乎不存在氣泡。這樣就可通過在進入豎管10之前消除氣泡而使催化劑局部流化，但并未達到使催化劑不再流動的完全反流化狀態。為防止在圓盤13上方的致密流化區域14內完全反流化，最好還供給少量的氣體流。小流量的氣體最好通過圓盤13上的通風口13c和/或通過位于圓盤上方的氣體噴射環15進給。盡管氣體噴射環15已在圖2中示出，但也可采用其它裝置例如氣體注入格柵來達到防止在位于圓盤13上方的致密流化區域內完全反流化的目的。
圓盤13可包括一個向下凸出的側面或凸緣13a，該凸緣環繞著圓盤13，最好環繞著圓盤的圓周。圓盤13下方被凸緣13a所環繞的空間允許圓盤收集來自下方的流化氣體。為連續地流過流化氣體，凸緣13a還可包括多個允許流化氣體流向致密流化區域14外部的通風口13b。或者，也可采用一個通風管16，以將來自圓盤13之下方的流化氣體排向位于致密流化區域14之上方的位置。盡管我們建議將圓盤13樣子一個在圖2中的致密流化區域實現局部反流化的裝置，但也可采用其它裝置完成同樣的目的。其中一種可選方案如圖3所示。
參照圖3，再生催化劑通過頂部開口11′或多個開口12′或者通過開口11′和開口12′再次被吸入豎管10′內。替代圖2所示的水平圓盤13，圖3示出了一個位于開口11′和12′并環繞豎管10′的錐形圓盤13′。錐形圓盤13′的功能在于有策略地阻擋從下方流入的流化氣體并在恰位于圓盤13′上方的區域內起動局部反流化過程。這樣就形成了一個致密的流化區域14′，該區域在圖3中被斷開線所包圍。為防止在致密流化區域14′內產生完全反流化作用，最好通過圓盤13′上的通風口13c′和/或通過設置于圓盤13′上方的氣體噴射環15′供給少量的氣體流。盡管在圖3中示出了氣體噴射環15′，但還可采用其它裝置例如氣體注入格柵來實現相同的目的，即防止在圓盤13′上方的致密流化區域14′內完全反流化的作用。位于錐形圓盤13′下方的空間允許圓盤收集來自下方的流化氣體。為能夠連續地流過流化氣體，圓盤13′還可包括多個具有延長管13b′，以允許流化氣體流向致密流化區域14′的外部。或者，也可采用一個通風管16′，以將來自圓盤13′下方的流化氣體排向位于致密流化區域14′上方的位置。與圖2所示的水平圓盤13相比，錐形圓盤13′的一個優點在于當來自氣體噴射環15′的氣體流被關閉時，催化劑停滯的可能性變小。
圖4示出了再生器豎管入口的另一實施例，除了FCC過程最好從非常接近再生器120底部的區域吸入再生催化劑外，該實施例使用了與圖1所示的構思相似的設計方案。用過的催化劑從洗提器(未示出)通過一個用過的催化劑之輸送管170被輸送到再生器容器120內。再生的催化劑在再生器的上部通過旋流器(未示出)與煙氣分離。煙氣從再生器容器的上部排出，而且通過旋流器(未示出)分離的再生催化劑返回再生器容器120的下部，以通過流化空氣連續向上的流動和來自空氣格柵130的氣體燃燒形成流化床140。流化床140通過一個滑閥(未示出)或其它設置于再生器豎管10底部的裝置保持在水平150上，以控制吸入再生器豎管110內的催化劑的速度。
在該實施例中，環繞豎管110的圓盤是再生器容器120之下端的一部分。再生器豎管110仍設置有兩種入口中的一種或兩種，以從再生器容器的流化床140內吸入催化劑。第一開口是豎管110頂部的開口111，第二開口是多個貫穿豎管110之上部壁的開口，其中豎管的上部壁恰好位于再生器120的底部容器壁113上方。盡管在圖4中以垂直形式示出了豎管110，但本發明的豎管入口還可以應用到豎管110可能傾斜的其它結構中。圖4所示的再生器容器的下端壁之功能與圖2所示的圓盤13的功能相似，即產生局部反流化作用并形成一個致密的流化區域114(與圖2中的區域14相同)，同時在豎管開口111和112附近幾乎不存在氣泡。為防止在容器壁附近產生完全的反流化作用，可通過一個氣體噴射環115供給少量氣體流。盡管在圖4中示出了一個氣體噴射環115，但也可采用其它裝置例如氣體噴射格柵來實現同樣的目的，即防止在位于容器壁113上方的致密流化區域114內產生完全反流化作用。
根據圖4的再生器豎管入口被安裝到受讓人的FCC單元內，該FCC單元最初設置有一個現有技術的料斗豎管入口。可拆掉最初的入口料斗并在豎管壁上制成四個6英寸寬、40英寸長的狹槽。當安裝了這種新式再生器豎管入口后，FCC單元的催化劑流通速度增加了30％，同時在再生器豎管內產生了額外的3psi的壓力。這清楚地說明本發明的豎管入口在減少再生器的氣體夾帶量方面十分有效，從而允許豎管以更高的密度工作并為催化劑的流通產生了更高的壓力。此外，與先前的操作條件相比，即使催化劑在較高速度下流通，豎管的操作也能夠更加平穩。
上面的說明證明，與現有技術相比，當將本發明的豎管設計應用到FCC單元的再生器豎管上時，其具有以下優點更穩定的操作-本發明的入口設計不依賴于現有技術的入口料斗機構吸入大量的氣泡，以使氣泡聚集并形成大氣泡。相反，這種新式入口設計通過有策略地消除包圍豎管入口區域的氣泡和局部反流化處理使氣泡的夾帶量最少。因為這種新式設計不需要在料斗結構中形成并釋放氣泡，而氣泡的產生和釋放都將使豎管工作不穩定，所以本發明的設計必然更為穩定。
更加有效地減少氣體夾帶量-現有技術的構思在于吸入大量的氣泡，同時試圖減少氣體的夾帶量。另一方面，本發明的基本構思在于在催化劑進入豎管之前通過使催化劑產生局部反流化作用來有策略地消除氣泡。這樣，本發明的設計在減少氣體夾帶到豎管內方面更為有效。
更好地控制-現有技術的料斗設計對入口周圍的氣體夾帶控制較少。隨著催化劑流通速度的增加，越來越多的氣泡被吸入料斗，從而導致越來越多的氣體夾帶。而，本發明的設計通過消除所有的氣泡，接著導入平滑運轉所需的少量氣體而在入口附近保持對流動條件的完全控制。
結構簡單-與現有技術的料斗結構相比，本發明的設計更為簡單和耐用。
當本發明的豎管入口設計被應用于洗提器豎管上時，相對現有技術中用于提高FCC單元的洗提器和再生器性能的入口料斗設計，本發明能夠提供更多的優點。除了上述將本發明應用于再生器豎管上以提高催化劑流通和豎管穩定性的益處外本發明還有其它優點更高的洗提效率-本發明的豎管入口設計在減少氣體夾帶到豎管內方面更加有效。由于洗提器豎管的氣體夾帶量可能包含約40％重量比的碳氫化合物產品，本發明的豎管入口設計通過減少由于氣體夾帶而造成的碳氫化合物損失來有效增加碳氫化合物的產量。
較低的再生器負載-由于本發明的洗提器豎管設計在減少氣體夾帶方面更加有效，因此將會有更少的碳氫化合物進入再生器。這樣就會使空氣的需要量減少，而且由于在再生器內燃燒的碳氫化合物更少，因此需要除去的熱量也更少。更為重要的是，現在許多FCC單元受到再生器內空氣源或除熱能力的限制。因此，本發明可被用于消除該單元的瓶頸效應。
盡管上面的說明集中于將本發明應用于FCC單元內，但還可采用類似的豎管入口設計提高微粒固體的流通并減少在其它石油化學反應中的氣體夾帶量，例如流化焦化裝置和軟化焦化裝置和除石油化學之外的工藝，例如循環的流化床燃燒器，在該燃燒器內，大量的微粒固體在由豎管和立管連接起來的不同容器之間流通。
權利要求
1.一種通過一豎管將微粒固體輸送到流化床外部的方法，其中流化床的密度為0.32-0.64g/cm3，所述豎管穿過所述流化床的底壁延伸到所述的流化床內，其中用于接收來自流化床的微粒固體的所述豎管的入口設置于所述底壁附近且其局部密度高于0.64g/cm3的一個位置上。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于向流化床中加入流化氣體，以在容器底部的上方和豎管入口附近保持一個微粒固體的致密流化區域。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于位于豎管上部的入口包括多個在上端之下和所述底壁之上貫穿豎管壁的開口。
4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于多個開口是位于上端之下和所述底壁之上貫穿豎管壁的垂直開口。
5.根據權利要求1至4之一所述的方法，其特征在于豎管上端是開口的。
6.根據權利要求1至2之一所述的方法，其特征在于微粒固體是用過的流體催化裂化催化劑微粒，所述固體通過空氣保持流體模式，而且沉積在用過的催化劑上的焦炭通過空氣燃燒。
7.根據權利要求1至2之一所述的方法，其特征在于微粒固體是用過的流體催化裂化催化劑微粒，所述固體通過蒸汽保持流化模式。
8.一種用于實施如權利要求1至7之所述方法的裝置，包括用于在一容器中保持微粒固體床處于流化床模式的裝置，一根用于將所述微粒固體輸送到所形成的流化床內的導管，和一根延伸到所述流化床內并用于將微粒固體輸送到流化床之外的豎管，其中，所述豎管的上部包括有一個用于接收來自流化床的微粒固體的入口，所述入口位于所述容器的底壁附近，在使用時所述底壁產生局部反流化作用，從而在其上方和豎管入口附近形成一個局部致密的流化區域。
9.根據權利要求8所述的裝置，其特征在于豎管上部的入口包括多個位于豎管上端之下貫穿豎管壁的豎直開口。
10.根據權利要求8至9之一所述的裝置，其特征在于豎管的上端是開口的。
全文摘要
一種通過一豎管將微粒固體輸送到流化床外部的方法，其中流化床的密度為0.32－0.64g/cm
文檔編號C10G11/18GK1781592SQ20051007424
公開日2006年6月7日 申請日期2000年2月18日 優先權日1999年2月22日
發明者戴維·J·布羅斯騰, 陳岳孟 申請人:國際殼牌研究有限公司