复合雾化催化裂化进料喷嘴开发研究

1、 复合雾化催化裂化进料喷嘴开发研究摘要 本文建立了冷态试验系统，试验中利用LS-2000激光粒度分析仪对雾化场进行测量分析。并设计了六种具有不同结构参数的喷头，这些参数包括喷头的出口长度、出口宽度、出口角度等。进行了不同注气压力和不同气液比ALR下喷嘴的雾化特性的冷态试验研究，包括两个方面的主要内容:结构参数和操作参数.试验研究发现，喷雾中大颖粒是引起催化裂化结焦和产量降低的重要原因;喷雾场雾化的空间不均匀性是不可避免的，但适当增加气液质量比ALR可减缓其趋势。对喷头结构进行了深入分析，指出了喷头内部过渡结构及出口几何尺寸的关键作用，球形过渡结构雾化效果最好，锥面过渡结构效果最差喷头出口的短边

2、倒角对改善喷嘴的雾化效果没有积极作用，并摸索出了具有指导意义的喷头设计的规律。当长径比逐渐增大时，喷嘴雾化粒度，即索太尔平均直径SMD有减小的趋势。适当增加节流处长度，可以增加气液作用时间，改善雾化效果.雾化性能的好坏与气、液管路的物理、几何因素关系很小，液相流最随着君/P,的增大而增加，两者之间存在单调递增的关系。压降是喷嘴雾化的源动力.对喷头结构的改进和创新设计实质上是为了改变喷嘴压降的分布。研究发现，喷嘴喷头段雾化效率较高，当该段压降占总压降的65%时，喷嘴雾化效率达最高。 关键词:催化裂化，进料喷嘴，气液比ALR，索太尔平均直径SMD 第一章绪论1.1前言 我国是世界能源生产和消费大国

3、，又是一个人均能源资源相对匾乏的国家。全国总人口数占世界总人口的20%，已探明的煤炭储量占世界储量的11%，原油占2.4%，天然气仅占1.2%，人均煤炭资源为世界平均值的42.5%，人均石油资源为世界平均值的17.1%,人均天然气资源为世界平均值的”.20%Hl1。目前，能源匾乏已成为中国经济发展的瓶颈、能源安全也引政界及业内人士的广泛重视，节能环保在全社会达成共识。 炼油工业是能源加工工业，在生产过程中又要消耗大量的能源，主要是水、电、汽和燃料。炼油工业节能可以增加石油产品，降低成本，直接关系到石油资源的合理利用、环境保护和企业的经济效益。 进入上世纪八十年代，全球范围内原油劣质化倾向日趋严

4、重。特别是近几年来，我国原油短缺，进口依赖度已超过400/612).随着重质油的开采和产品需求结构的变化，原油深度加工技术成为当今世界炼油工业开发的重点。一个国家的炼油企业的平均轻质油收率从某种程度上体现了这个国家炼油企业重油加工的深度和水平。目前，美国炼油厂的平均轻质油收率达80%以上，而我国平均约为600/a，说明我国炼油企业的重油加工深度普遍偏低，与国际先进水平相比差距较大131.石化厂重油催化裂化装置原料来源紧张，渣油掺入比例增加，原料性质逐年重质化、劣质化，原料中残碳含量高，有时达到8.3%(常规催化裂化原料中的残碳值一般在6%左右)，在重油催化装置所加工的原料中其性质是最差的ff。

5、因此，原料馏分很重、粘度很大，同时还含有大量一次加工后残存的金属及硫、氮等杂质，从而决定了重油在反应过程中难于裂化、液收降低及生焦量高等特点，甚至出现设备严重结焦，影响装置正常生产的情况。 重油催化裂化技术水平的高低应主要从以下四个方面进行论证:(1)重油的劣质化程度:(2)产率分布水平:(3)催化剂品种的开发:(4)硬件设备的开发应用。资料4J表明，经过多年的努力，我国重油催化裂化的各项工艺技术得到了发展，如高选择性、低生焦、抗金属污染的各种REY, REHY和超稳Y催化剂，高效雾化进料喷嘴，催化剂取热器，催化剂与油气的快速分离，催化剂高效再生，金属钝化剂，Co助嫩剂等，这一系列技术均已接近

6、世界先进水平。但从综合水平来看，如能耗、剂耗、开工周 期、人均加工量等与国外还有一定差距;在改进提升管气固接触、提高油剂快分效率、改善待生催化剂汽提效果、开发新型催化剂和各种助剂等方面，还有待进一步提高. 进料喷嘴的任务就是将原料油雾化，向提升管内均匀喷油，经过雾化的原料油进入提升管反应器后很快就会全部汽化，并且迅速地在催化剂上发生裂解反应，完成工艺过程。催化裂化进料喷嘴，特别是重油催化裂化进料喷嘴，是催化裂化关键设备之一。中国石化在2005年4月下旬召开的“炼化企业长周期运行经验交流会”上明确提出:近几年内主要装置要实现的长周期运行目标中，催化裂化要达到两年以上，这就对喷嘴结构及其雾化效果提

7、出了更高的要求。 另外，我国引进的Total喷嘴，其特点是用高的油压(大于I.4MPa)，将油喷在硬质靶材上撞碎成细滴，然后用高速气流将破碎的微细油滴吸入提升管。由于需要高的油压，在役炼厂采用有困难，这说明国外进口的一些喷嘴在中国市场上不太适用，有雾化效果不好，易堵塞、结焦、寿命短等缺点。1.2工艺及喷嘴特性【S-9 目前中国的状况是:催化裂化占33.4%，焦化占6.9%.重整占5.6%，加氢裂化占4.9%，加氢精制和加氢处理占8.2%。可见催化裂化工艺在炼化中的重要位置。 催化裂化装置的工艺过程如图1-1所示。催化裂化一般分为四个系统，即反应一再生系统、分馏系统、吸收稳定系统、主风、烟气能量

8、回收系统，新的装置还设有油品精制系统。 催化裂化反应是在催化表面进行的，分解反应生成气体汽油、柴油等分子较小的产物离开催化剂进入产品回收系统，而缩合反应生成的焦碳，则沉积在催化剂上，使其活性逐渐下降，为了使反应不断进行，就必须及时烧去催化剂表面上的积炭使之恢复活性，这一过程称为“再生”。 进料喷嘴的任务就是将原料油雾化，向提升管内均匀喷油，使原料油迅速蒸发，从而提高其和催化剂颗粒的反应速率。经过雾化的原料油进入提升管反应器后很快就会全部汽化，并且迅速地在催化剂上发生裂解反应，完成工艺过程。对于重油，若不能尽快汽化，将易形成热裂化环境，引起焦炭产率升高，产品分布变差。 由于重油催化裂化的原料油在

9、进入反应段与热催化剂接触之前，基本处于液态，而催化裂化反应是在气相条件下进行的，因此，原料油进料高效雾化喷嘴的作用就是将进料雾化成极细小的雾滴，均匀地分散在催化剂表面上，进行气相裂解反应，以达到提高 催化裂化工艺流程图 Fig1-1 Schematic drawing of FCC轻油收率又降低焦炭产率的目标。进料喷嘴应具备以下主要性能: (1)雾化粒径细小而均匀，最好接近催化剂的平均粒径(605m )，以提高原料油雾的汽化速度和反应速度，抑制焦炭的生成; C2)能使已雾化的原料油均匀、迅速、充分地与催化剂接触。为此要求雾滴应具有良好的统计分布与空间分布特性，即使其具有较细的平均液滴粒径、较窄

10、的粒径分布和极少的大液滴。雾化流股的喷射角度大，覆盖提升管截面，无死区: (3)雾滴速度适当，有利于催化剂的正常工作和使用寿命。喷雾射流应呈扁平扇形，且射流分布均匀，两个对喷喷嘴产生的喷雾射流应覆盖整个提升管截面，以使油剂能够迅速而充分地接触，减少返混，并使油雾迅速汽化。这样雾化流股速度合理，既能穿透上升的催化剂流，又不至于喷在器壁上引起结焦，又不至于使催化剂产生较大的破碎损耗; (4)喷嘴压降要小，在满足雾化粒径尽可能小的前提下，降低进料压力和雾化蒸汽耗量，以利于节能 (5)油与雾化蒸汽应平稳均匀混合喷入提升管，而不应产生节涌: (6)操作弹性大、性能可靠、结构简单、耐冲蚀、能长周期运行且检

11、修更换方便.只有在上述条件下，原料油才能与催化剂快速而充分地混合，实现超短接触。1.3应用及研究现状 伴随着催化裂化技术在整个石油化工行业中的地位日益突出，进料喷嘴的开发经历了一个逐渐发展的过程.从最初的开口管、开口槽喷嘴(颗粒粗大，大小不均)到以后的冲击型、螺线型喷嘴(粒100-3005m )，发展到近年来较普遍应用的临界文丘里喷嘴(粒径从30-605m) (10)0 自上世纪六十年代以来，埃索、环球等大型石油公司对FCC进料喷嘴的研究都相当重视，并相继研制出不少新型进料喷嘴，典型专利有下列八种6, 分析这些喷嘴的技术特点是: (1)序号为1-3的三种型式进料喷嘴，适用于侧向进料。研制的重点

12、在于改善喷嘴的雾化性能，而雾化流股在提升管内的分布工况需借助于喷嘴数量和布置的合理性来改善; (2)序号为5-7的三种型式进料喷嘴，适用于中心进料。研制的重点在于改善提升管内雾化流股的分布工况; (3)序号为8的喷嘴也适用于中心进料.研制的重点既考虑了改善雾化性能，又考虑了雾化流股的合理分布。因此有上述两类喷嘴的特点. 这三类喷嘴的研制重点，适用情况虽然不同，但它们的雾化机理主要取决于两种作用，一是雾化介质直接冲击原料油使其破碎，二是使原料油在提升管内形成强烈扰动的紊流喷射流股，与周围介质发生撞击，使其撕裂破碎。总而言之，这些喷嘴的雾化效果都主要取决于速度(雾化介质对原料油的冲击速度和雾化流股

13、的喷射速度)。因此，上述喷嘴往往难以同时满足上节所提到的反应工艺对喷嘴的性能要求。 近年来有多种新型高效进料喷嘴问世.如Kellogg公司从扁嘴形发展到Atomax型，直至Atomax一型;UOP公司在Premix的基础上，又推出Optimix喷嘴;Lummus公司的Micro-Jet进料喷嘴采用一种成膜型设计，能利用分散介质的功能来剪切细的油射流，在靠近喷嘴末端进行雾化，从而可减少其后喷嘴重新聚结的可能性。 目前，上述催化裂化装置采用的进料喷嘴按雾化机理的不同大体上划分为四类5.22-24)，如下所述 这类喷嘴的雾化机理是利用收敛一扩张的喉道形结构，尽可能大地提高气体流速和气液两相的速度差，

14、撕裂液体薄膜，利用气体的能量克服原料油的表面张力和粘度约束，使原料油破碎成微油颗粒。这类喷嘴的雾化效果随雾化介质流速的加快而提高，流速过大会对催化剂有冲击粉碎作用，甚至引起设备或管线的振动，因而雾化效果的进一步提高受到雾化介质流速的制约。 (1)LPC型进料雾化喷嘴LPC型喷嘴是在喉管式喷嘴基础上研制出来的一种复合型喷嘴，结构如图1-2所示。雾化蒸汽经孔板加速后沿轴线进入预混合室，原料油从侧面进入预混合室与雾化蒸汽预混合。预混合后的油气经文丘里管的收缩段、喉管及扩散段被进一步加速雾化成细小颗粒。LPC型喷嘴雾化效果好，平均雾滴直径与催化剂粒径相当，有利于催化裂化反应。该喷嘴的出口呈扁平形，雾化

15、流股呈薄扇形喷出，在提升管横截面上覆盖面积大，油气与催化剂接触充分、均匀。此外，该喷嘴还具有处理能力大、不易结焦、操作稳定及结构简单的优点。 KH-2型进料雾化喷嘴型喷嘴是混合式双喉管喷嘴，结构如图1-3所示。 原料油从侧面进入混合腔，雾化蒸汽通过第一喉道加速到超音速进入混合腔冲击液体，进行第一次雾化.然后，气液混合流通过第二喉道再次加速，并产生较大的速度差，在气液速度差产生的气动压力作用下，液滴发生第二次雾化之后喷出。该喷嘴具有良好的雾化效果，雾化后平均粒径接近催化剂粒径。该喷嘴采用对称式安装，相对的两个喷嘴为一组，目前该型喷嘴己有出口为三个喷头的结构.这样每一组可形成两个或三个汇集点，使雾

16、化射流焦点控制在不同的高度上，多组喷嘴则使雾化流股汇集在多层空间上，可避免小液滴再次碰撞成大液滴，使催化裂化反应更加均匀。此外，该喷嘴还具有燕汽耗量小，操作弹性大的优点. 第二类:靶式类进料雾化喷嘴 这类喷嘴的雾化机理是原料油在压力作用下，在垂直方向上高速撞击金属靶使之形成破碎的液滴，在靶柱上形成液膜，再与横向的雾化气流作用进行第一次雾化，形成汽雾两相流，最后在喷嘴头出口处加速，实现第二次雾化。这类喷嘴要求有较高的油压和较多的雾化介质，而且喷嘴本身的压力降也较大。 原料油经孔板以射流形式与靶体相撞，雾化熬汽经孔板与液体成垂直方向射入混合室，然后流经输料管，从尾部扁平口喷出。 靶式喷嘴除用于引进

17、的整套装置外，还在荆门炼油厂、石家庄炼油厂、金陵石化公司炼油厂等催化裂化装置广泛应用。其主要特点是: 雾化效果好，雾化油滴直径小于805m，有利于提高轻油收率，减少生焦; 喷嘴出口为扁平形状，油雾呈扇形喷出，能与催化剂充分接触。有利于裂化反应，提高轻油收率: 油与气分别通过孔板进入压力较低的混合室。油气互不干扰，进料的稳定性好: 喷嘴处理能力大、通道面积大、不结焦、不堵塞; 孔板更换方便，适应于处理旦变化大的装置; 靶式喷嘴能明显提高轻油收串，减少生焦。 (2) HW型雾化喷嘴 HW型喷嘴是在靶式喷嘴结构的基础上，在输料管内设一块与尾喷口扇形平面平行的直隔板(又称预膜板)构成的雾化喷嘴，其结构

18、如图1-5所示， 据了解，增加隔板后输料管内表面积增加63%，液膜减薄，因中心液膜在离开喷嘴时受双面气流的作用，故雾化效果好，雾滴直径比靶式喷嘴小24%，有利于油雾与催化剂的充分接触。此外，该喷嘴同样具有靶式喷嘴的其它优点。 第三类:气泡雾化喷嘴 许多学者己经对气泡雾化的机理、气泡雾化喷嘴的流量特性、流型及流场特性、雾化特性等进行了广泛的研究工作，并得到以下的结论:气泡雾化喷嘴的雾化质A仅受空气注入压力、气液比、空气注入形式等因素影响，与空气注入截面积、喷嘴出口截面积等参数无关:雾化效果受液体枯性的影响很小。以上特点使这种雾化方法极其适用于重. B WJ型雾化喷嘴是双流体的液体离心式喷嘴，其结

19、构特点是在喷嘴混合室后有一个气液两相旋流器。该喷嘴的雾化机理是，原料油从混合室侧面进入，雾化蒸汽沿轴线进入混合室，混合腔内的气液两相流体在一定压力作用下进入涡流的螺旋通道，快速回旋般烈掺混，使液体的枯度和表面张力进一步下降，随着旋流室直径的减小，切向速度相应增大液体在离心力作用下展成薄膜，在与气体介质的作用下实现第一次破碎雾化。之后，汽液两相雾流再通过加速段和稳定段形成汽液两相稳定的雾化流，在半球形喷头内进一步加速经扁槽外喷口喷出，实现第二次雾化。 BWJ型喷嘴的雾化效果好，采用国际先进的相位多普勒粒子分析仪对喷雾场进行测量的结果表明，雾滴索太尔拉径约为605m，折算成工业使用的重油平均雾滴直

20、径为505m，与催化剂粒径相当，对催化裂化反应极为有利。该喷嘴呈薄扇形，喷出速度适中，喷射雾化角理想，段盖面适宜，同时喷嘴压降较低，雾化蒸汽量少，在压降为0.3-0.4MPa时即可获得良好的雾化效果。 此外，该喷嘴有较大的操作弹性，在设计处理量的15%范围内，雾化粒径、气流比及喷出速度均能保证在标准范围内，且不结焦，结构简单易于制造安装和更换。该喷嘴在荆门石化总厂催化裂解装置上使用后，在操作条件相同的情况下，生焦减少0.957%.干气减少0.475%，液收(液化气+汽油+柴油)增加1.432%. 尽管上述各类喷嘴由于结构及雾化机理上的不同，显示出某些操作特性有所差异但是，这些喷嘴的共同特点是:

21、(1)雾化效果良好 能将重油进料雾化成接近于催化剂颗粒大小的细微雾滴，有利于重油催化裂化的气相反应。 (2)有较好的使用效果采用这些喷嘴后能降低生焦最，增加轻油收率，获得了明显的经济效益。 (3)雾化喷嘴亦是一种换能器 进料的雾化效果与蒸汽速度和压力有直接关系，雾化过程也是能量转化的过程，要使重油进料雾化，就必须给它提供足够的能量。因此，要得到好的雾化效果就必须消耗一定的能量。耗能量的数值主要与原料油的性质有密切关系。对于重油进料，要得到较好雾化效果，每公斤重油能耗大约为4.2X104J。此外，作为换能器的喷嘴，结构的优劣亦起了相当程度的作用.所以，各种类型喷嘴由于结构特点差异，显示了某些操作特性有所区别。 进料喷嘴作为催化裂化工艺的六项核心技术之一，国内外迄今为止己做了大a的