復合霧化催化裂化進料噴嘴開發(fā)研究

1、 復合霧化催化裂化進料噴嘴開發(fā)研究摘要 本文建立了冷態(tài)試驗系統(tǒng)，試驗中利用LS-2000激光粒度分析儀對霧化場進行測量分析。并設計了六種具有不同結構參數(shù)的噴頭，這些參數(shù)包括噴頭的出口長度、出口寬度、出口角度等。進行了不同注氣壓力和不同氣液比ALR下噴嘴的霧化特性的冷態(tài)試驗研究，包括兩個方面的主要內容:結構參數(shù)和操作參數(shù).試驗研究發(fā)現(xiàn)，噴霧中大穎粒是引起催化裂化結焦和產(chǎn)量降低的重要原因;噴霧場霧化的空間不均勻性是不可避免的，但適當增加氣液質量比ALR可減緩其趨勢。對噴頭結構進行了深入分析，指出了噴頭內部過渡結構及出口幾何尺寸的關鍵作用，球形過渡結構霧化效果最好，錐面過渡

2、結構效果最差噴頭出口的短邊倒角對改善噴嘴的霧化效果沒有積極作用，并摸索出了具有指導意義的噴頭設計的規(guī)律。當長徑比逐漸增大時，噴嘴霧化粒度，即索太爾平均直徑SMD有減小的趨勢。適當增加節(jié)流處長度，可以增加氣液作用時間，改善霧化效果.霧化性能的好壞與氣、液管路的物理、幾何因素關系很小，液相流最隨著君/P,的增大而增加，兩者之間存在單調遞增的關系。壓降是噴嘴霧化的源動力.對噴頭結構的改進和創(chuàng)新設計實質上是為了改變噴嘴壓降的分布。研究發(fā)現(xiàn)，噴嘴噴頭段霧化效率較高，當該段壓降占總壓降的65%時，噴嘴霧化效率達最高。 關鍵詞:催化裂化，進料噴嘴，氣液比ALR，索太爾平均直徑SMD 第一章緒論1.1前言 我

3、國是世界能源生產(chǎn)和消費大國，又是一個人均能源資源相對匾乏的國家。全國總人口數(shù)占世界總人口的20%，已探明的煤炭儲量占世界儲量的11%，原油占2.4%，天然氣僅占1.2%，人均煤炭資源為世界平均值的42.5%，人均石油資源為世界平均值的17.1%,人均天然氣資源為世界平均值的”.20%Hl1。目前，能源匾乏已成為中國經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸、能源安全也引政界及業(yè)內人士的廣泛重視，節(jié)能環(huán)保在全社會達成共識。 煉油工業(yè)是能源加工工業(yè)，在生產(chǎn)過程中又要消耗大量的能源，主要是水、電、汽和燃料。煉油工業(yè)節(jié)能可以增加石油產(chǎn)品，降低成本，直接關系到石油資源的合理利用、環(huán)境保護和企業(yè)的經(jīng)濟效益。 進入上世紀八十年代，全球

4、范圍內原油劣質化傾向日趨嚴重。特別是近幾年來，我國原油短缺，進口依賴度已超過400/612).隨著重質油的開采和產(chǎn)品需求結構的變化，原油深度加工技術成為當今世界煉油工業(yè)開發(fā)的重點。一個國家的煉油企業(yè)的平均輕質油收率從某種程度上體現(xiàn)了這個國家煉油企業(yè)重油加工的深度和水平。目前，美國煉油廠的平均輕質油收率達80%以上，而我國平均約為600/a，說明我國煉油企業(yè)的重油加工深度普遍偏低，與國際先進水平相比差距較大131.石化廠重油催化裂化裝置原料來源緊張，渣油摻入比例增加，原料性質逐年重質化、劣質化，原料中殘?zhí)己扛?，有時達到8.3%(常規(guī)催化裂化原料中的殘?zhí)贾狄话阍?%左右)，在重油催化裝置所加工的

5、原料中其性質是最差的ff。因此，原料餾分很重、粘度很大，同時還含有大量一次加工后殘存的金屬及硫、氮等雜質，從而決定了重油在反應過程中難于裂化、液收降低及生焦量高等特點，甚至出現(xiàn)設備嚴重結焦，影響裝置正常生產(chǎn)的情況。 重油催化裂化技術水平的高低應主要從以下四個方面進行論證:(1)重油的劣質化程度:(2)產(chǎn)率分布水平:(3)催化劑品種的開發(fā):(4)硬件設備的開發(fā)應用。資料4J表明，經(jīng)過多年的努力，我國重油催化裂化的各項工藝技術得到了發(fā)展，如高選擇性、低生焦、抗金屬污染的各種REY, REHY和超穩(wěn)Y催化劑，高效霧化進料噴嘴，催化劑取熱器，催化劑與油氣的快速分離，催化劑高效再生，金屬鈍化劑，Co助嫩

6、劑等，這一系列技術均已接近世界先進水平。但從綜合水平來看，如能耗、劑耗、開工周 期、人均加工量等與國外還有一定差距;在改進提升管氣固接觸、提高油劑快分效率、改善待生催化劑汽提效果、開發(fā)新型催化劑和各種助劑等方面，還有待進一步提高. 進料噴嘴的任務就是將原料油霧化，向提升管內均勻噴油，經(jīng)過霧化的原料油進入提升管反應器后很快就會全部汽化，并且迅速地在催化劑上發(fā)生裂解反應，完成工藝過程。催化裂化進料噴嘴，特別是重油催化裂化進料噴嘴，是催化裂化關鍵設備之一。中國石化在2005年4月下旬召開的“煉化企業(yè)長周期運行經(jīng)驗交流會”上明確提出:近幾年內主要裝置要實現(xiàn)的長周期運行目標中，催化裂化要達到兩年以上，這

7、就對噴嘴結構及其霧化效果提出了更高的要求。 另外，我國引進的Total噴嘴，其特點是用高的油壓(大于I.4MPa)，將油噴在硬質靶材上撞碎成細滴，然后用高速氣流將破碎的微細油滴吸入提升管。由于需要高的油壓，在役煉廠采用有困難，這說明國外進口的一些噴嘴在中國市場上不太適用，有霧化效果不好，易堵塞、結焦、壽命短等缺點。1.2工藝及噴嘴特性【S-9 目前中國的狀況是:催化裂化占33.4%，焦化占6.9%.重整占5.6%，加氫裂化占4.9%，加氫精制和加氫處理占8.2%?？梢姶呋鸦に囋跓捇械闹匾恢?。 催化裂化裝置的工藝過程如圖1-1所示。催化裂化一般分為四個系統(tǒng)，即反應一再生系統(tǒng)、分餾系統(tǒng)、吸

8、收穩(wěn)定系統(tǒng)、主風、煙氣能量回收系統(tǒng)，新的裝置還設有油品精制系統(tǒng)。 催化裂化反應是在催化表面進行的，分解反應生成氣體汽油、柴油等分子較小的產(chǎn)物離開催化劑進入產(chǎn)品回收系統(tǒng)，而縮合反應生成的焦碳，則沉積在催化劑上，使其活性逐漸下降，為了使反應不斷進行，就必須及時燒去催化劑表面上的積炭使之恢復活性，這一過程稱為“再生”。 進料噴嘴的任務就是將原料油霧化，向提升管內均勻噴油，使原料油迅速蒸發(fā)，從而提高其和催化劑顆粒的反應速率。經(jīng)過霧化的原料油進入提升管反應器后很快就會全部汽化，并且迅速地在催化劑上發(fā)生裂解反應，完成工藝過程。對于重油，若不能盡快汽化，將易形成熱裂化環(huán)境，引起焦炭產(chǎn)率升高，產(chǎn)品分布變差。

9、由于重油催化裂化的原料油在進入反應段與熱催化劑接觸之前，基本處于液態(tài)，而催化裂化反應是在氣相條件下進行的，因此，原料油進料高效霧化噴嘴的作用就是將進料霧化成極細小的霧滴，均勻地分散在催化劑表面上，進行氣相裂解反應，以達到提高 催化裂化工藝流程圖 Fig1-1 Schematic drawing of FCC輕油收率又降低焦炭產(chǎn)率的目標。進料噴嘴應具備以下主要性能: (1)霧化粒徑細小而均勻，最好接近催化劑的平均粒徑(605m )，以提高原料油霧的汽化速度和反應速度，抑制焦炭的生成; C2)能使已霧化的原料油均勻、迅速、充分地與催化劑接觸。為此要求霧滴應具有良好的統(tǒng)計分布與空間分布特性，即使其具

10、有較細的平均液滴粒徑、較窄的粒徑分布和極少的大液滴。霧化流股的噴射角度大，覆蓋提升管截面，無死區(qū): (3)霧滴速度適當，有利于催化劑的正常工作和使用壽命。噴霧射流應呈扁平扇形，且射流分布均勻，兩個對噴噴嘴產(chǎn)生的噴霧射流應覆蓋整個提升管截面，以使油劑能夠迅速而充分地接觸，減少返混，并使油霧迅速汽化。這樣霧化流股速度合理，既能穿透上升的催化劑流，又不至于噴在器壁上引起結焦，又不至于使催化劑產(chǎn)生較大的破碎損耗; (4)噴嘴壓降要小，在滿足霧化粒徑盡可能小的前提下，降低進料壓力和霧化蒸汽耗量，以利于節(jié)能 (5)油與霧化蒸汽應平穩(wěn)均勻混合噴入提升管，而不應產(chǎn)生節(jié)涌: (6)操作彈性大、性能可靠、結構簡單

11、、耐沖蝕、能長周期運行且檢修更換方便.只有在上述條件下，原料油才能與催化劑快速而充分地混合，實現(xiàn)超短接觸。1.3應用及研究現(xiàn)狀 伴隨著催化裂化技術在整個石油化工行業(yè)中的地位日益突出，進料噴嘴的開發(fā)經(jīng)歷了一個逐漸發(fā)展的過程.從最初的開口管、開口槽噴嘴(顆粒粗大，大小不均)到以后的沖擊型、螺線型噴嘴(粒100-3005m )，發(fā)展到近年來較普遍應用的臨界文丘里噴嘴(粒徑從30-605m) (10)0 自上世紀六十年代以來，埃索、環(huán)球等大型石油公司對FCC進料噴嘴的研究都相當重視，并相繼研制出不少新型進料噴嘴，典型專利有下列八種6, 分析這些噴嘴的技術特點是: (1)序號為1-3的三種型式進料噴嘴，

12、適用于側向進料。研制的重點在于改善噴嘴的霧化性能，而霧化流股在提升管內的分布工況需借助于噴嘴數(shù)量和布置的合理性來改善; (2)序號為5-7的三種型式進料噴嘴，適用于中心進料。研制的重點在于改善提升管內霧化流股的分布工況; (3)序號為8的噴嘴也適用于中心進料.研制的重點既考慮了改善霧化性能，又考慮了霧化流股的合理分布。因此有上述兩類噴嘴的特點. 這三類噴嘴的研制重點，適用情況雖然不同，但它們的霧化機理主要取決于兩種作用，一是霧化介質直接沖擊原料油使其破碎，二是使原料油在提升管內形成強烈擾動的紊流噴射流股，與周圍介質發(fā)生撞擊，使其撕裂破碎?？偠灾@些噴嘴的霧化效果都主要取決于速度(霧化介質對

13、原料油的沖擊速度和霧化流股的噴射速度)。因此，上述噴嘴往往難以同時滿足上節(jié)所提到的反應工藝對噴嘴的性能要求。 近年來有多種新型高效進料噴嘴問世.如Kellogg公司從扁嘴形發(fā)展到Atomax型，直至Atomax一型;UOP公司在Premix的基礎上，又推出Optimix噴嘴;Lummus公司的Micro-Jet進料噴嘴采用一種成膜型設計，能利用分散介質的功能來剪切細的油射流，在靠近噴嘴末端進行霧化，從而可減少其后噴嘴重新聚結的可能性。 目前，上述催化裂化裝置采用的進料噴嘴按霧化機理的不同大體上劃分為四類5.22-24)，如下所述 這類噴嘴的霧化機理是利用收斂一擴張的喉道形結構，盡可能大地提高氣

14、體流速和氣液兩相的速度差，撕裂液體薄膜，利用氣體的能量克服原料油的表面張力和粘度約束，使原料油破碎成微油顆粒。這類噴嘴的霧化效果隨霧化介質流速的加快而提高，流速過大會對催化劑有沖擊粉碎作用，甚至引起設備或管線的振動，因而霧化效果的進一步提高受到霧化介質流速的制約。 (1)LPC型進料霧化噴嘴LPC型噴嘴是在喉管式噴嘴基礎上研制出來的一種復合型噴嘴，結構如圖1-2所示。霧化蒸汽經(jīng)孔板加速后沿軸線進入預混合室，原料油從側面進入預混合室與霧化蒸汽預混合。預混合后的油氣經(jīng)文丘里管的收縮段、喉管及擴散段被進一步加速霧化成細小顆粒。LPC型噴嘴霧化效果好，平均霧滴直徑與催化劑粒徑相當，有利于催化裂化反應。

15、該噴嘴的出口呈扁平形，霧化流股呈薄扇形噴出，在提升管橫截面上覆蓋面積大，油氣與催化劑接觸充分、均勻。此外，該噴嘴還具有處理能力大、不易結焦、操作穩(wěn)定及結構簡單的優(yōu)點。 KH-2型進料霧化噴嘴型噴嘴是混合式雙喉管噴嘴，結構如圖1-3所示。 原料油從側面進入混合腔，霧化蒸汽通過第一喉道加速到超音速進入混合腔沖擊液體，進行第一次霧化.然后，氣液混合流通過第二喉道再次加速，并產(chǎn)生較大的速度差，在氣液速度差產(chǎn)生的氣動壓力作用下，液滴發(fā)生第二次霧化之后噴出。該噴嘴具有良好的霧化效果，霧化后平均粒徑接近催化劑粒徑。該噴嘴采用對稱式安裝，相對的兩個噴嘴為一組，目前該型噴嘴己有出口為三個噴頭的結構.這樣每一組可

16、形成兩個或三個匯集點，使霧化射流焦點控制在不同的高度上，多組噴嘴則使霧化流股匯集在多層空間上，可避免小液滴再次碰撞成大液滴，使催化裂化反應更加均勻。此外，該噴嘴還具有燕汽耗量小，操作彈性大的優(yōu)點. 第二類:靶式類進料霧化噴嘴 這類噴嘴的霧化機理是原料油在壓力作用下，在垂直方向上高速撞擊金屬靶使之形成破碎的液滴，在靶柱上形成液膜，再與橫向的霧化氣流作用進行第一次霧化，形成汽霧兩相流，最后在噴嘴頭出口處加速，實現(xiàn)第二次霧化。這類噴嘴要求有較高的油壓和較多的霧化介質，而且噴嘴本身的壓力降也較大。 原料油經(jīng)孔板以射流形式與靶體相撞，霧化熬汽經(jīng)孔板與液體成垂直方向射入混合室，然后流經(jīng)輸料管，從尾部扁平口

17、噴出。 靶式噴嘴除用于引進的整套裝置外，還在荊門煉油廠、石家莊煉油廠、金陵石化公司煉油廠等催化裂化裝置廣泛應用。其主要特點是: 霧化效果好，霧化油滴直徑小于805m，有利于提高輕油收率，減少生焦; 噴嘴出口為扁平形狀，油霧呈扇形噴出，能與催化劑充分接觸。有利于裂化反應，提高輕油收率: 油與氣分別通過孔板進入壓力較低的混合室。油氣互不干擾，進料的穩(wěn)定性好: 噴嘴處理能力大、通道面積大、不結焦、不堵塞; 孔板更換方便，適應于處理旦變化大的裝置; 靶式噴嘴能明顯提高輕油收串，減少生焦。 (2) HW型霧化噴嘴 HW型噴嘴是在靶式噴嘴結構的基礎上，在輸料管內設一塊與尾噴口扇形平面平行的直隔板(又稱預膜

18、板)構成的霧化噴嘴，其結構如圖1-5所示， 據(jù)了解，增加隔板后輸料管內表面積增加63%，液膜減薄，因中心液膜在離開噴嘴時受雙面氣流的作用，故霧化效果好，霧滴直徑比靶式噴嘴小24%，有利于油霧與催化劑的充分接觸。此外，該噴嘴同樣具有靶式噴嘴的其它優(yōu)點。 第三類:氣泡霧化噴嘴 許多學者己經(jīng)對氣泡霧化的機理、氣泡霧化噴嘴的流量特性、流型及流場特性、霧化特性等進行了廣泛的研究工作，并得到以下的結論:氣泡霧化噴嘴的霧化質A僅受空氣注入壓力、氣液比、空氣注入形式等因素影響，與空氣注入截面積、噴嘴出口截面積等參數(shù)無關:霧化效果受液體枯性的影響很小。以上特點使這種霧化方法極其適用于重. B WJ型霧化噴嘴是雙

19、流體的液體離心式噴嘴，其結構特點是在噴嘴混合室后有一個氣液兩相旋流器。該噴嘴的霧化機理是，原料油從混合室側面進入，霧化蒸汽沿軸線進入混合室，混合腔內的氣液兩相流體在一定壓力作用下進入渦流的螺旋通道，快速回旋般烈摻混，使液體的枯度和表面張力進一步下降，隨著旋流室直徑的減小，切向速度相應增大液體在離心力作用下展成薄膜，在與氣體介質的作用下實現(xiàn)第一次破碎霧化。之后，汽液兩相霧流再通過加速段和穩(wěn)定段形成汽液兩相穩(wěn)定的霧化流，在半球形噴頭內進一步加速經(jīng)扁槽外噴口噴出，實現(xiàn)第二次霧化。 BWJ型噴嘴的霧化效果好，采用國際先進的相位多普勒粒子分析儀對噴霧場進行測量的結果表明，霧滴索太爾拉徑約為605m，折算

20、成工業(yè)使用的重油平均霧滴直徑為505m，與催化劑粒徑相當，對催化裂化反應極為有利。該噴嘴呈薄扇形，噴出速度適中，噴射霧化角理想，段蓋面適宜，同時噴嘴壓降較低，霧化蒸汽量少，在壓降為0.3-0.4MPa時即可獲得良好的霧化效果。 此外，該噴嘴有較大的操作彈性，在設計處理量的15%范圍內，霧化粒徑、氣流比及噴出速度均能保證在標準范圍內，且不結焦，結構簡單易于制造安裝和更換。該噴嘴在荊門石化總廠催化裂解裝置上使用后，在操作條件相同的情況下，生焦減少0.957%.干氣減少0.475%，液收(液化氣+汽油+柴油)增加1.432%. 盡管上述各類噴嘴由于結構及霧化機理上的不同，顯示出某些操作特性有所差異但

21、是，這些噴嘴的共同特點是:(1)霧化效果良好 能將重油進料霧化成接近于催化劑顆粒大小的細微霧滴，有利于重油催化裂化的氣相反應。 (2)有較好的使用效果采用這些噴嘴后能降低生焦最，增加輕油收率，獲得了明顯的經(jīng)濟效益。 (3)霧化噴嘴亦是一種換能器 進料的霧化效果與蒸汽速度和壓力有直接關系，霧化過程也是能量轉化的過程，要使重油進料霧化，就必須給它提供足夠的能量。因此，要得到好的霧化效果就必須消耗一定的能量。耗能量的數(shù)值主要與原料油的性質有密切關系。對于重油進料，要得到較好霧化效果，每公斤重油能耗大約為4.2X104J。此外，作為換能器的噴嘴，結構的優(yōu)劣亦起了相當程度的作用.所以，各種類型噴嘴由于結構特點差異，顯示了某些操作特性有所區(qū)別。 進料噴嘴作為催化裂化工藝的六項核心技術之一，國內外迄今為止己做了大a的試驗和研究分析，但仍有