论文部分内容阅读
[摘 要]由于重油作为催化裂化的原料油，在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油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，以达到既提高轻质油品收率又降低焦炭产率的目标。
[关键词]催化裂化；进料雾化；喷嘴研究
中图分类号：TE966 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）21-0298-01
随着催化裂化技术的迅速发展，催化裂化装置的原料油日趋重质化和劣质化，这给工艺过程带来难于裂化、焦炭产率高及设备结焦等问题，实践证明，采用高效进料雾化喷嘴是解决上述问题的有效途径之一。
一 进料喷嘴的作用
FCC进料喷嘴的任务就是将原料油雾化，并向提升管内均匀喷油，使原料油迅速蒸发，从而提高与催化剂颗粒的接触效率，进而提高反应速率。经过雾化的原料油进入提升管反应器后很快就会汽化，并且迅速地在催化剂上发生裂化反应，完成流化催化裂化过程。对于重油，若不能尽快汽化，容易形成热裂化或过度裂化环境，引起焦炭产率升高，产品分布变差。
二 喷嘴应用及研究
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。从最初的第一代直筒式，第二代喉管式，到后来的第三代；最早问世的属LPC喷嘴，之后又有研究人员相继开发成功BWJ，KH，HW和UPC型等高效FCC进料喷嘴，发展到近年来较普遍应用的临界文丘里喷嘴，目前，国内外催化裂化装置采用的进料喷嘴，按雾化机理的不同大致划分为以下几类。
2.1 喉管类雾化喷嘴
这类喷嘴的雾化机理是利用收敛——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，撕裂液体薄膜；利用气体的能量克服原料油的表面张力和黏度约束，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。
2.1.1 LPC型进料雾化喷嘴。LPC型喷嘴是在喉管式喷嘴的基础上研制出来的一种复合型喷嘴，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。
2.1.2 KH—2型进料雾化喷嘴。KH—2型喷嘴是混合式双喉管喷嘴，原料油从侧面进入混合腔，雾化介质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，目前该型喷嘴已有出口为两个喷头的结构，这样每一组可形成两个或三个汇集点，使雾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。
2.1.3 KH—4型喷嘴。KH—4型喷嘴是在KH—2型喷嘴的基础上设计出来的，它是将出口处的双喉道改成多喉道，但是雾化原理基本相同，采用气动雾化方法，利用气体能量克服原料油的表面张力和黏度的约束，使其破碎成微细颗粒。原料油以低速从侧面进入混合腔，雾化蒸汽通过第一喉道将其加速到超音速，剪切破碎原料液体。液体第一次雾化成油滴，但这时的油滴较大且分布不均匀。气液混合物从第一喉道进入第二喉道，由于雾化蒸汽与原料油小液滴存在速度差，第一次被剪切破碎成雾滴状，进一步被雾化喷向提升管，与上升的再生催化剂充分接触并发生催化裂化反应。该喷嘴在实际运行中，易引起管线共振且雾化蒸汽压力要大于0.6MPa。
2.1.4 SKH—4型喷嘴。SKH—4以原KH—2喷嘴结构为基础，在混合腔后增加旋流部件，出口仍采用双喉道，其改进的思想是利用旋流器旋转产生的离心力将液体展成液膜，增大气液作用面积，降低液体黏性和表面张力，然后在气动力的作用下实现雾化。
2.2 靶式类进料雾化喷嘴
这类喷嘴的雾化机理是，在压力作用下的原料油，垂直且高速地撞击金属靶，使之形成破碎的液滴并在靶柱上形成液膜，再与横向的雾化气流作用进行第一次雾化；完成第一次雾化的汽液两相流在喷嘴出口处加速，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。
2.2.1 BX—Ⅱ靶式进料雾化喷嘴。其主要特点是：①雾化效果良好（雾化油滴粒径小于80μm），有利于提高轻质油品收率，减少生焦量；②喷嘴出口呈扁平状，喷出的油雾呈扇形，更易与催化剂充分接触，有利于催化裂化反应；③气、液相分别通过孔板进入压力较低的混合室，进料的稳定性好；④喷嘴的处理量和通道面积较大，不易结焦和堵塞；⑤孔板更换方便，适合于处理量变化大的装置。
2.2.2 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，HW型喷嘴与原Total喷嘴的雾化原理相同。
2.3 氣泡雾化喷嘴
国内外很多研究机构对气泡雾化机理、气泡雾化喷嘴的流量、流型及流场特性进行了深入的研究，并得到以下结论：气泡雾化喷嘴的雾化质量受雾化介质注入压力、气液比、注入形式等因素影响，而与注入截面积、喷嘴出口截面积等参数无关，且雾化效果受液体黏性的影响很小。以上特点使这种雾化方法极其适用于重、渣油等高黏度含杂质燃料的雾化。
2.4 旋流式雾化喷嘴
这类喷嘴是近年开发研制的新型进料喷嘴，在生产应用中已显示出更为高效的雾化性能，BWJ型雾化喷嘴是双流体的液体离心式喷嘴，其结构特点是在喷嘴混合室后设置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，并且快速回旋激烈掺混，使液体的黏度和表面张力进一步下降。
2.5 气动雾化和气泡雾化相结合的喷嘴
中国石油大学经过十几年的潜心研究，相继研究出UPC—α，NS—1型高效喷嘴。这两种喷嘴均采用了气动雾化方法和气泡雾化方法相结合，再加上独特的结构设计，从工业应用来看，该喷嘴具有如下特点：①雾矩为扁平扇形，可以适应出现变径转换的情况，且扩散角度可以达到110°，是现有喷嘴最大角度的一倍以上，具有良好的空间分布；②雾化粒径均匀，最大与最小粒径的比值小于1.3，雾化平均粒径是与各装置情况相匹配的最佳平均粒径；③雾矩流量分布可以控制，按照各装置的催化剂浓度分布和喷嘴个数设计所需要的流量分布；④四级雾化，雾化形成的距离缩短80%，便于雾滴在喷嘴内预热和部分汽化，大大减少生焦；气液化根据原料温度、黏度、蒸汽压力、温度设计最佳值，一般不大于5%；⑤液滴速率适当。
三 展望
催化裂化进料喷嘴雾化过程即气液两相流相互作用的过程，由于气液两相流理论尚不成熟，各种理论只能定性说明，不能定量计算，这也使得喷嘴设计主要依靠经验。为此，以后的研究工作应放在气液两相流理论的研究上，从本质上研究雾化机理：催化裂化进料喷嘴的雾化机理尚需深入研究，如何找到比较确切的雾化理论，用以指导喷雾良好的进料喷嘴的设计是目前急待解决的问题。
[关键词]催化裂化；进料雾化；喷嘴研究
中图分类号：TE966 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）21-0298-01
随着催化裂化技术的迅速发展，催化裂化装置的原料油日趋重质化和劣质化，这给工艺过程带来难于裂化、焦炭产率高及设备结焦等问题，实践证明，采用高效进料雾化喷嘴是解决上述问题的有效途径之一。
一 进料喷嘴的作用
FCC进料喷嘴的任务就是将原料油雾化，并向提升管内均匀喷油，使原料油迅速蒸发，从而提高与催化剂颗粒的接触效率，进而提高反应速率。经过雾化的原料油进入提升管反应器后很快就会汽化，并且迅速地在催化剂上发生裂化反应，完成流化催化裂化过程。对于重油，若不能尽快汽化，容易形成热裂化或过度裂化环境，引起焦炭产率升高，产品分布变差。
二 喷嘴应用及研究
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。从最初的第一代直筒式，第二代喉管式，到后来的第三代；最早问世的属LPC喷嘴，之后又有研究人员相继开发成功BWJ，KH，HW和UPC型等高效FCC进料喷嘴，发展到近年来较普遍应用的临界文丘里喷嘴，目前，国内外催化裂化装置采用的进料喷嘴，按雾化机理的不同大致划分为以下几类。
2.1 喉管类雾化喷嘴
这类喷嘴的雾化机理是利用收敛——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，撕裂液体薄膜；利用气体的能量克服原料油的表面张力和黏度约束，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。
2.1.1 LPC型进料雾化喷嘴。LPC型喷嘴是在喉管式喷嘴的基础上研制出来的一种复合型喷嘴，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。
2.1.2 KH—2型进料雾化喷嘴。KH—2型喷嘴是混合式双喉管喷嘴，原料油从侧面进入混合腔，雾化介质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，目前该型喷嘴已有出口为两个喷头的结构，这样每一组可形成两个或三个汇集点，使雾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。
2.1.3 KH—4型喷嘴。KH—4型喷嘴是在KH—2型喷嘴的基础上设计出来的，它是将出口处的双喉道改成多喉道，但是雾化原理基本相同，采用气动雾化方法，利用气体能量克服原料油的表面张力和黏度的约束，使其破碎成微细颗粒。原料油以低速从侧面进入混合腔，雾化蒸汽通过第一喉道将其加速到超音速，剪切破碎原料液体。液体第一次雾化成油滴，但这时的油滴较大且分布不均匀。气液混合物从第一喉道进入第二喉道，由于雾化蒸汽与原料油小液滴存在速度差，第一次被剪切破碎成雾滴状，进一步被雾化喷向提升管，与上升的再生催化剂充分接触并发生催化裂化反应。该喷嘴在实际运行中，易引起管线共振且雾化蒸汽压力要大于0.6MPa。
2.1.4 SKH—4型喷嘴。SKH—4以原KH—2喷嘴结构为基础，在混合腔后增加旋流部件，出口仍采用双喉道，其改进的思想是利用旋流器旋转产生的离心力将液体展成液膜，增大气液作用面积，降低液体黏性和表面张力，然后在气动力的作用下实现雾化。
2.2 靶式类进料雾化喷嘴
这类喷嘴的雾化机理是，在压力作用下的原料油，垂直且高速地撞击金属靶，使之形成破碎的液滴并在靶柱上形成液膜，再与横向的雾化气流作用进行第一次雾化；完成第一次雾化的汽液两相流在喷嘴出口处加速，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。
2.2.1 BX—Ⅱ靶式进料雾化喷嘴。其主要特点是：①雾化效果良好（雾化油滴粒径小于80μm），有利于提高轻质油品收率，减少生焦量；②喷嘴出口呈扁平状，喷出的油雾呈扇形，更易与催化剂充分接触，有利于催化裂化反应；③气、液相分别通过孔板进入压力较低的混合室，进料的稳定性好；④喷嘴的处理量和通道面积较大，不易结焦和堵塞；⑤孔板更换方便，适合于处理量变化大的装置。
2.2.2 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，HW型喷嘴与原Total喷嘴的雾化原理相同。
2.3 氣泡雾化喷嘴
国内外很多研究机构对气泡雾化机理、气泡雾化喷嘴的流量、流型及流场特性进行了深入的研究，并得到以下结论：气泡雾化喷嘴的雾化质量受雾化介质注入压力、气液比、注入形式等因素影响，而与注入截面积、喷嘴出口截面积等参数无关，且雾化效果受液体黏性的影响很小。以上特点使这种雾化方法极其适用于重、渣油等高黏度含杂质燃料的雾化。
2.4 旋流式雾化喷嘴
这类喷嘴是近年开发研制的新型进料喷嘴，在生产应用中已显示出更为高效的雾化性能，BWJ型雾化喷嘴是双流体的液体离心式喷嘴，其结构特点是在喷嘴混合室后设置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，并且快速回旋激烈掺混，使液体的黏度和表面张力进一步下降。
2.5 气动雾化和气泡雾化相结合的喷嘴
中国石油大学经过十几年的潜心研究，相继研究出UPC—α，NS—1型高效喷嘴。这两种喷嘴均采用了气动雾化方法和气泡雾化方法相结合，再加上独特的结构设计，从工业应用来看，该喷嘴具有如下特点：①雾矩为扁平扇形，可以适应出现变径转换的情况，且扩散角度可以达到110°，是现有喷嘴最大角度的一倍以上，具有良好的空间分布；②雾化粒径均匀，最大与最小粒径的比值小于1.3，雾化平均粒径是与各装置情况相匹配的最佳平均粒径；③雾矩流量分布可以控制，按照各装置的催化剂浓度分布和喷嘴个数设计所需要的流量分布；④四级雾化，雾化形成的距离缩短80%，便于雾滴在喷嘴内预热和部分汽化，大大减少生焦；气液化根据原料温度、黏度、蒸汽压力、温度设计最佳值，一般不大于5%；⑤液滴速率适当。
三 展望
催化裂化进料喷嘴雾化过程即气液两相流相互作用的过程，由于气液两相流理论尚不成熟，各种理论只能定性说明，不能定量计算，这也使得喷嘴设计主要依靠经验。为此，以后的研究工作应放在气液两相流理论的研究上，从本质上研究雾化机理：催化裂化进料喷嘴的雾化机理尚需深入研究，如何找到比较确切的雾化理论，用以指导喷雾良好的进料喷嘴的设计是目前急待解决的问题。