催化裂化反应器研究进展.pdf

技术综述 文章编号 催化裂化反应器研究进展 赵文斌 朱丽云 苏楷然 王振波 金有海 中国石油大学 华东 化学工程学院 山东 青岛 摘要 论述了自提升管反应器诞生以来其结构变化的发展历程以及现代催化裂化工艺中使用的各 类反应器 包括变径提升管反应器 多段进料提升管反应器 下行式反应器 组合式反应器以及其它 类型的反应器 比较和归纳了各类反应器的特点和应用 阐述了组合式反应器的优点以及改进后 的提升管反应器和组合式反应器在工业中的应用 在此基础上 提出了未来催化裂化反应器的研 究方向 关键词 催化裂化 提升管反应器 下行式反应器 组合式反应器 研究进展 中图分类号 TQ TE 文献标志码 B doi j issn Technical Process in Catalytic Cracking Reactor ZHAO Wen bin ZHU Li yun SU Kai ran WANG Zhen bo JIN You hai College of Chemical Engineering China University of Petroleum East China Qingdao China Abstract The structure of riser reactor created and modern reactors of catalytic cracking process are introduced including diameter changing riser reactor multiple staged feeding riser reactor downer reactor combined reactor and other reactors The application and characteristics of vari ous reactors are compared and summarized the paper mainly elaborates the advantages of com bined reactor and application of improved riser reactor and combined reactor in industry Using this as a foundation some suggestions for future research are described Key words catalytic cracking riser reactor downer reactor combined reactor technical process 世纪 年代以来 石油化学工业中的催化裂 化工艺取得了长足的发展 该工艺在炼油过程中占有 举足轻重的地位 也是炼油企业在未来重点发展的 对象 催化裂化反应器作为催化裂化工艺的核心设备 之一 在从流化床反应器过渡到提升管反应器以及下 行式反应器的过程中 国内外研究者在减少反应时 间 提高油剂接触效率 抑制返混等方面对反应器不 断进行优化改进 并取得一定成就 文中重点介绍一 些新型催化裂化反应器以及组合式反应器 比较各类 反应器的优缺点及其应用情况 并对未来反应器的改 进方向进行展望 第 卷 第 期 石 油 化 工 设 备 Vol畅 No畅 年 月 PETRO CHEMICAL EQUIPMENT Sept 收稿日期 基金项目 高校自主创新科研计划研究生创新基金 CX A 资助 中国博士后科学基金 M 作者简介 赵文斌 男 甘肃武威人 硕士研究生 从事多相流动 重油催化裂化方面研究 通信作者 朱丽云 1 单提升管反应器 1 1 传统单提管反应器 传统提升管通常为等径直管型提升管 单侧进 催化剂 传统的预提升段以直管式和环管式两种方 式通入预提升蒸汽 结构较为简单 传统提升管反应 器结构见图 图 传统提升管反应器结构示图 从流化床反应器发展到提升管反应器 反应时 间大幅缩短的同时 也改善了产品的选择性 不仅极 大地提高了轻油产率 而且大幅降低了焦炭产率 掺 渣比例明显提高 随着原油重质化 劣质化日益严 重 传统提升管反应器表现出诸多不足 例如 再生 催化剂从一侧进入提升管底部 沿轴向易形成 S 分 布 导致催化剂径向分布不均匀 影响油气与催化剂 的接触效率 降低目标产品的收率 其次 等径直筒 型提升管反应器再生斜管出口处缓冲空间小 下料 阻力大 致使再生催化剂间歇下料 易产生波动 不 利于装置操作的稳定性 1 2 变径提升管反应器 传统提升管固相浓度低 径向分布不均 变径提 升管反应器应运而生 其结构示意见图 变径 提升管反应器改变了提升管的直径 将底部预提升 区的等径管改为扩大管或缩径管 其目的在于改变 流化空间 降低或增大气体线速 进而改善催化剂偏 流现象 并减轻再生催化剂从斜管进入提升管的压 力阻力 有利于装置的平稳操作 图 变径提升管反应器结构示图 变径提升管虽然优势明显 但也存在自身缺陷 与传统等径提升管相比 扩径的提升管颗粒速度降 低 压力梯度有较大幅度的增加 能耗增加 另外 扩径比过大会加剧催化剂颗粒团聚和滑落现象 1 3 多段进料提升管反应器 催化裂化原料来源广泛 物料性质复杂 多样 原料油催化裂化反应所需的操作条件以及反应程度 差异比较大 单一入口进料对催化裂化反应程度影 响极大 目标产物收率低 多段进料提升管反应器 图 则很好地解决了这一难题 如图 所示 在提 图 多段进料提升管反应器结构图 第 期 赵文斌 等 催化裂化反应器研究进展 升管不同高度设置多个入口 分段 多层进料 以满 足不同原料的反应条件要求 达到选择性多产烯烃 最大量生产轻油以及轻油改质等目的 在新结构 下 可根据实际反应要求调整反应器的进料位置和 反应时间 将重油转化为有价值的产品 如汽油和烯 烃 但多段进料结构的缺点在于 不同的进气 比例会影响提升管内的压力梯度分布 增加压力匹 配难度 操作要求苛刻 基于多段进料提升管技术 石油化工科学研究 院开发了同时多产液化气和柴油及降低汽油烯烃含 量工艺技术 MGD 该工艺以重质油为原料 进 料方式不同 进行选择性裂化 该工艺在提高液化 气收率 升高 柴油收率 升高 以及 大幅降低催化裂化汽油中的烯烃含量 质量分数降 低 方面效果明显 将多段进料技术与两段提升管催化裂解增产丙 烯 TMP 工艺结合 不仅使提升管内的固相颗粒 分布更加均匀 提升管扩径段的颗粒浓度明显增加 操作更加稳定 其气固流场及物料浓度分布都优于 传统的单提升管和双提升管反应器 2 下行式催化裂化反应器 提升管反应器内催化剂颗粒逆重力场流动 固 相颗粒跟随性差 径向分布不均 返混严重 呈现 环 核 流动结构 下行式反应器打破了传统提升 管反应器设计的思路 是一种全新的突破 下行式反 应器结构示意见图 图 下行式提升管反应器结构示图 下行式反应器采用气固顺重力场并流向下运动 方式 其关键技术是在下行活塞流稀相反应区设置 高效快速终止反应系统 下行式催化裂化反应器具有以下特点 催 化剂颗粒在反应器内顺重力场与原料并行流动 接 近平推流 无偏流分布 无返混 油剂接触均匀 混合 迅速 催化剂与裂解油的接触时间短 裂解温度高 可有效控制结焦量 反应目标产物收率增加 但是 下行床反应器也存在缺点 由于原料油气 和催化剂均为顺重力场流动 催化剂颗粒在重力和 高速油气携带的作用下具有较高的下行速度 这使 得催化剂颗粒停留时间缩短 床层的催化剂浓度偏 低 与油气的接触时间减少 在循环量相同的情况 下 下行式反应器的轻油转化率比逆重力流动的反 应器低 为了实现下行床内气 固两相速度和颗粒 浓度径向分布良好 必须保证气体和催化剂颗粒在 入口段充分接触 混合并均布 3 组合式提升管反应器 3 1 提升管和流化床串联反应器 在单提升管已无法满足日益苛刻的催化裂化反 应要求时 许多学者考虑把提升管反应器与其它反 应器组合 以求提高催化裂化反应器的性能 例如 将单提升管反应器连续 高效 处理量大的特点与其 它反应器的优点结合 形成组合工艺 在催化剂 和油气比相同的情况下 催化裂化原料与催化剂接 触效率提高 促使催化反应更加充分 其中提升管 与流化床耦合反应器是最常见的组合式提升管反应 器 见图 在提升管与流化床耦合反应器相结 合的组合式提升管反应器中 保留了提升管反应器 高效的传递与输送性能 对于催化时间较长的气 固 反应 流化床反应器为其提供良好的反应环境 同时 又促进利于降烯烃的反应 如氢转移 芳构化等 图 提升管和流化床串联反应器结构示图 针对催化裂化装置的结焦问题 提升管 流化 石 油 化 工 设 备 年 第 卷 床层 旋风分离器的组合式反应器将提升管 流化 床层设为反应区 旋风分离器和集气室系统置于 上述反应区域内形成密闭系统 该组合装置在减少 了设备死角的同时 又最大限度地降低了结焦量 减 少了油气在床层空间的停留时间 并且能满足一些 特殊的催化反应工艺要求 3 2 双提升管反应器 对于单提升管反应器 随着单程催化裂化反应 的进行 催化剂活性逐渐降低 不仅降低了提升管的 后续反应能力 并且导致中间产物过裂化严重 降低 目标产物收率 双提升管反应器可以较好地解 决这个问题 双提升管反应器是将两根提升管结合 形成双提升管反应器 其结构形式有串联式双提升 管和并联式双提升管 见图 图 双提升管反应器结构示图 对柴油重馏分选择性裂化多产高辛烷值汽油工 艺 MIP LTG 以两段提升管反应器串联 设计 了裂化和转化两个反应区 将不同的催化裂化反应 控制在不同的区域内进行 实现最大化生产烷烃 优 点在于可控性和选择性强 在提高产品性质的同时 也改善了产物分布 两段提升管催化裂解多产丙烯技术采用提升管 并联方式 在焦化蜡油的催化裂解过程中适应 性强 丙烯 轻质油的转化率高 干气产率很低 同时 对焦化汽油的改质效果明显 双提升管反应器较低的反应温度和较大的催化 剂与油气的比值有利于改善催化裂化和减少热裂 解 这些性能在最大限度地提高丙烯产量和降低干 气的反应中具有明显的优点 其中丙烯的收率高 达 液体收率接近 陈曼桥等采用两根提升管 一根用于轻烃催化 改质反应 另一根进行重油催化裂化反应 两根提升 管各自配备旋风分离器和分馏塔 进行气固分离和 分馏 待生催化剂经汽提后进入两个湍动床再生器 除去焦炭后循环使用 其优点是扩大了降低再生 催化剂温度措施的适用范围 提高了提升管内参与反 应的催化剂的活性 油气与催化剂接触时间短 从而 改善了催化柴油的性质和重油催化裂化的产品分布 3 3 下行床 提升管组合反应器 下行床反应器虽然具有许多优于提升管反应器 的特点 但下行床中催化剂颗粒的浓度较低 气固催 化反应效率低 另外 下行床对于入口结构形式要 求苛刻 敏感性强 两相在入口处的初始接触效果将 直接决定反应器的转化率和选择性 因此 结合提 升管固含率高 气固接触良好以及下行床气固分布 均匀 接近平推流的优点将获得更优的操作状态 清华大学流态化研究组开发了提升管 下行床 耦合反应器 其在提升管反应器内同心安装下 行管反应器 该装置综合利用提升管反应器和下行 床反应器特点 流化床系统颗粒浓度高 提升管内的 颗粒径向分布均匀 改善了气固接触时间 避免了过 裂化 提高了选择性 李强等设计的一种下行式反应器和提升管反应 器串联装置包括两个再生器 依据操作条件的不 同 在提升管反应器和下行式反应器选择不同的催 化剂用量 甚至采用催化剂种类不同 在提高汽油收 率 改善产品质量方面较有优势 提升管 下行床耦合技术是将提升管反应器和 下行床反应器串联 集合了两种反应器的特点 与单一任意一种反应器比较转化率更高 汽油中烯 烃含量减少 烯烃的转化率明显升高 对焦炭的选择 性好 甚至在获取更多的轻烯烃和汽油方面要比提 升管 提升管耦合反应器效果更好 4 其它形式反应器 4 1 多段提升管反应器 张瑞驰提出了一种三提升管反应器 该反应 器有 个提升管 特点在于可以灵活调整进入提升 管中催化剂的循环量以及轻油的反应条件 不仅在 工艺上保证产品分布和产品品质 并且有利于重油 大分子的裂化反应 根据生产调整和产品质量的需 要 多提升管反应器可以满足不同性质的进料分别 在不同环境下进行催化裂化反应 有利于抑制生 焦并提高产品收率 4 2 短接触旋流反应器 针对提升管缺陷 国内外许多科研单位相继开 第 期 赵文斌 等 催化裂化反应器研究进展 发出了不同形式的催化剂与油气短时接触催化裂化 技术 这些技术效果显著 但催化裂化反应设备并 没有实质性的改变 基本上都是采用再生器和沉降 器两器方式进行催化剂的循环 新型超短接触旋流反应催化裂化技术 利 用旋流反应器替代传统提升管反应器 不在提升管 末端设置快分装置和沉降器 反应器溢流出口连接 二级旋风器 其中旋流反应器兼作反应设备和一级 分离设备 实时分离反应产物 降低反应器内油气的 滞留时间 提高接触效率 改善了气固分布不均匀及 严重返混现象 反应器中生焦问题和二次裂化反应 得到有效控制 5 结语 随着原油重质化 劣质化日益突出 现有的催化 裂化反应器暴露出诸多弊端 为满足生产低碳烯烃 的需求和实现清洁生产的目标 对于催化裂化反应 器的改进是科研工作者当下亟待解决的难题 为了满足催化裂化越来越严格的操作要求和产 品要求 对于催化裂化反应器的改造不仅仅限于局 部结构的改进 需要从整体结构入手 开发出适宜的 催化裂化工艺和与之相配合的设备 参考文献 许友好 我国催化裂化工艺技术进展 J 中国科学 化学 XU You hao Progress of Catalytic Cracking Tech nology in China J Chinese Science Chemistry Vogt E Weckhuysen B M Fluid Catalytic Cracking Recent Developments on the Grand Old Lady of Zeolite Catalysis J Chemical Society Reviews 祝晓琳 李春义 杨朝合 等 变径提升管反应器扩径 段内固含率分布研究 J 石化技术与应用 ZHU Xiao lin LI Chun yi YANG Chao he et al Study on Distribution of Solid Holdup in the Enlarge ment Section of Variable Diameter Riser Reactor J Journal of Petrochemical Technology and Applica tions 吴文龙 韩超一 李春义 等 变径提升管反应器扩径 段内气固流动特性研究 J 石油炼制与化工 WU Wen long HAN Chao yi LI Chun yi et al Study on Characteristics of Gas solid Flow in the En largement Section of Variable Diameter Riser Reactor J Journal of Petroleum Refining and Chemical En gineering He P F Zhu C Ho T C A Two Zone Model for Flu id Catalytic Cracking Riser with Multiple Feed Injec tors J AICHE Journal Patel R Wang D W Zhu C et al Effect of Injection Zone Cracking on Fluid Catalytic Cracking J AICHE Journal Li J Fan Y P Lu C X et al Numerical Simulation of Influence of Feed Injection on Hydrodynamic Behavior and Catalytic Cracking Reactions in a FCC Riser under Reactive Conditions J Industrial Engineering Chemistry Research 丁万友 宁英男 殷喜丰 MGD 技术在重油催化裂化 装置的应用 J 化工生产与技术 DING Wan you NING Ying nan YIN Xi feng The Application of MGD Technology in the Heavy Oil Cat alytic Cracking Unit J Chemical Production and Technology 宫海峰 杨朝合 徐令宝 等 多层进气变径提升管内 颗粒固含率分布研究 J 当代化工 GONG Hai feng YANG Chao he XU Ling bao et al Study on the Distribution of Solid Holdup in a Di ameter Changing Riser with Multi injections J Journal of Modern Chemical Industry Cheng Y Wu C N Zhu J X et al Downer Reactor From Fundamental Study to Industrial Application J Powder Technology Guan G Q Ishizuka M Fushimi C et al Downward Gas solidsFlowCharacteristics in aHigh density Downer Reactor J Journal of Chemical Engineering of Japan Lanza A Islam M A de Lasa H Particle Clusters and Drag Coefficients in Gas solid Downer Units J Chemical Engineering Journal 王成秀 祝京旭 蓝兴英 等 下行床内提高颗粒浓度 及改善颗粒分布研究进展 J 化工学报 WANG Cheng xiu ZHU Jing xu LAN Xing ying et al Research Progress of Solid Holdup Increase and Solids Distribution Enhancement in Downer Reactors J Journal of Chemical Engineering Wang C X Li C Y Zhu J et al A Comparison of Flow Development in High Density Gas solids Circu lating Fluidized Bed Downer and Riser Reactors J 石 油 化 工 设 备 年 第 卷 AICHE Journal 王德武 卢春喜 丁姗姗 等 提升管与流化床耦合反 应器内固含率的轴向分布 J 石油炼制与化工 WANG De wu LU Chun xi DING Shan shan et al The Axial Distribution of Solid Holdup in the Riser and Coupled Fluidized Bed Reactor J Journal of Pe troleum Refiningand Chemical Engineering 崔刚 卢春喜 流化床 提升管耦合流化床反应器研究 进展 J 当代化工 CUI Gang LU Chun xi Research Progress in Fluid ized Bed riser Coupled Reactor J Journal of Modern Chemical Industry 黄克峰 毛安国 许克家 等 催化裂化新型反应器的 冷模探索研究 J 石油炼制与化工 HUANG Ke feng MAO An guo XU Ke jia et al Cold Model Study on New Catalytic Cracking Reactor J Journal of Petroleum Refining and Chemical Engi neering Zhang J Shan H Chen X et al Multifunctional Two Stage Riser Catalytic Cracking of Heavy Oil J Indus trial Engineering Chemistry Research 姜楠 许友好 崔守业 多产汽油的 MIP LTG 工艺条 件研究 J 石油炼制与化工 JIANG Nan XU You hao CUI Shou ye Study on Conditions of MIP LTG Technology for Productive Gasoline J Journal ofPetroleum Refining and Chemical Engineering 孙金鹏 山红红 李春义 等 焦化蜡油两段提升管催化 裂解多产丙烯与焦化汽油改质研究 J 石油炼制与 化工 SUN Jin peng SHAN Hong hong LI Chun yi et al Study on the Catalytic Pyrolysis of Coker Gasoline Oil and Coker Naphtha Upgrading Based on TMP Technology J Journal of Petroleum Refining and Chemical Engineering Li C Y Yang C H Shan H H Maximizing Propylene Yield by Two stage Riser Catalytic Cracking of Heavy Oil J Industrial Engineering Chemistry Research 陈曼桥 武立宪 王文柯 等 一种双提升管催化裂化 方法及其装置 中国 CN A P CHEN Man qiao WU Li xian WANG Wen ke et al The Double Riser Catalytic Cracking Method and Its Device China CN A P 赵永志 程易 金涌 提升管与下行床颗粒团聚行为的 离散颗粒模拟 J 化工学报 ZHAO Yong zhi CHENG Yi JIN Yong CFD DEM Simulation of ClusteringPhenomena in Riser and Downer J Journal of Chemical Engineering Wu C Cheng Y Jin Y Modeling the Hydrodynamics in a Coupled High Density Downer to Riser Reactor J Powder Technology 李强 常学良 鲁维民 等 一种下行式反应器与提升 管反应器串联的催化裂化方法 中国 CN P LI Qiang CHANG Xue liang LU Wei