УСТРОЙСТВА ДЛЯ НАГНЕТАНИЯ ПОТОКОВ ГАЗА В ПСЕВДООЖИЖЕННЫЙ СЛОЙ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ Российский патент 2014 года по МПК B05B1/34 B01J8/18 

Область изобретения

Изобретение по существу относится к устройству для нагнетания потока газа в псевдоожиженный слой твердых частиц. Более конкретно варианты настоящего изобретения относятся к нагнетательным форсункам.

Предпосылки к созданию изобретения

В нефтеперерабатывающей и химической промышленности, а также и в других перерабатывающих отраслях часто возникает необходимость в нагнетании потока газа в слой мелких твердых частиц, равномерно распределяя газ по сечению слоя. Нагнетание газа способствует равномерному и тесному контакту газообразной среды со слоем твердых частиц для достижения некоторой цели, например, для проведения химической реакции между газом и твердыми частицами и/или для осуществления массообмена между газом и твердыми частицами.

Устройство для нагнетания газа в псевдоожиженный слой типично состоит из плоской плиты с сеткой отверстий, трубчатой решетчатой системы или из последовательности концентрических колец. Эти распределители предназначены для физического перекрытия как можно большей части сечения слоя для создания условий для равномерного распределения газа по всему слою. Газ из центрального источника вводится в пространство под плоским пластинчатым распределителем или в основной коллектор трубчатой решетки и/или кольцевого распределителя, оттуда газ течет по трубчатой решетке или по кольцевой системе и выходит в слой через множество форсунок, которые равномерно распределяют газ по слою. Пластинчатые распределители обычно имеют не строго плоскую форму, а немного вынуты вверх или вниз, чтобы лучше противостоять давлению, создаваемому газом и/или расположенным сверху слоем твердых частиц. Пластинчатые распределители с сеткой отверстий могут содержать форсунки, но могут и не содержать их и типично содержат рисунок отверстий, распределенных по пластине, сквозь которые газ попадает в слой. К другим вариантам распределителей газа для псевдоожиженных слоев твердых частиц относятся куполовидные распределители и так называемые "грибовидные" распределители.

Для достижения равномерности распределения газовой среды, нагнетательные форсунки обычно создают с такой площадью сечения, чтобы добиться падения давления газа, проходящего через нагнетательные форсунки из распределительного коллектора в слой твердых частиц. Поддержание положительного падения давления на нагнетательных форсунках позволяет создать равномерный поток газа на все нагнетательные форсунки, несмотря на различия, которые могут возникнуть в давлении в слое в точке нагнетания. Когда газ течет вверх сквозь слой твердых частиц, этот слой "ожижается" и начинает себя вести как жидкость. Такой псевдоожиженный слой твердых частиц создает давление, пропорциональное глубине слоя и плотности смеси частиц и газа такое же, как и жидкость той же плотности и глубины. Типично, такие псевдоожиженные слои твердых частиц имеют глубину от нескольких футов до 30 футов и более, и их измеренная плотность составляет от нескольких фунтов на кв. фут до более 40 футов на куб фут. Давление, создаваемое столбом псевдоожиженного слоя твердых частиц может находиться в диапазона от 1 фунта на кв. дюйм до 10 фунтов на кв. дюйм и более. Кроме того, слой твердых частиц часто бывает весьма турбулентным, что означает, что давление в любой отдельной точке слоя колеблется во времени и меняется от точки к точке на данной глубине слоя. Поэтому важно создавать газовые распределители с достаточным перепадом давления, чтобы преодолевать флуктуации давления, которые ожидаются в положении газового распределителя в слое. Типичное эмпирическое правило для конструкций газовых распределителей гласит, что для нагнетательных форсунок, направленных вниз, минимальный перепад давления должен быть 15% от перепада давления в слое, а для форсунок, направленных вверх, такой перепад должен быть равным 30% от перепада давления в слое.

Помимо поддержания минимального перепада давления для равномерного распределения газообразной среды, нагнетательные форсунки также предназначены для нагнетания газа в слой с относительно высокой скоростью. Если скорость газа слишком мала, пульсации давления могут мгновенно привести к тому, что твердые частицы из слоя будут прижаты обратно и потекут из слоя в нагнетательную форсунку. Такой обратный поток твердых частиц в нагнетательную форсунку нежелателен, поскольку он может привести к эрозии нагнетательной форсунки, если твердые частицы слежатся в сплошную массу. Более того, если твердые частицы достаточно далеко проникнут в нагнетательную форсунку, они могут попасть в основной коллектор, где они подхватываются поступающим газом и выбрасываются через одну или более дальше расположенную форсунку. В таком случае может возникнуть сильная эрозия одной или более форсунки, расположенной дальше относительно той форсунки, через которую твердые частицы попадают в коллектор. Для предотвращения обратного потока твердых частиц в нагнетательные форсунки скорость в форсунке поддерживают по существу выше определенной минимальной величины, обычно более 20 футов в секунду.

Проблемой, которая сохраняется в газовых распределителях для псевдоожиженных слоев, является эрозия нагнетательных форсунок в точке выпуска газа в слой твердых частиц. Удары твердых частиц по выпускной кромке форсунки в течение длительного времени приводят к постепенному износу наконечника форсунки. По мере усиления износа конец форсунки может подвергнуться такой сильной эрозии, которая уничтожит точку крепления, где форсунка проходит сквозь коллектор. В результате образуется отверстие в коллекторе и снижаются характеристики распределителя. Когда это происходит, приходится проводить дорогостоящий и затратный по времени ремонт для восстановления характеристик решетки или кольца.

В нефтеперерабатывающей промышленности широко используется процесс каталитического крекинга с псевдоожиженным катализатором, в котором применяются псевдоожиженные слои мелкодисперсных твердых частиц. Этот процесс каталитического крекинга с псевдоожиженным катализатором применяется для крекинга потоков кипящего тяжелого газойля для получения более ценных легких кипящих фракций, таких как бензин и легкие углеводороды. В этом процессе применяются твердые катализаторы в порошковой форме для облегчения разрыва атомных связей углерод-углерод в подаваемом газойле, для формирования меньших молекул, которые находятся в диапазоне кипения бензина. Помимо бензина на выходе процесса также присутствует значительное количество легких газов, таких как пропан и бутан, которые улавливают и преобразуют в полезные продукты. Процесс каталитического крекинга с псевдоожиженным катализатором является наиболее широко применяемым процессом "преобразования" в нефтеперерабатывающей промышленности, и с момента внедрения этого процесса в начале 1940-х гг., общая производительность построенных установок достигла нескольких миллионов баррелей (1 баррель = 159 л) в сутки. Как таковой процесс каталитического крекинга с псевдоожиженным катализатором имеет огромное экономическое значение и является самой прибыльной частью нефтеперерабатывающего предприятия в США и большинства нефтеперерабатывающих заводов в мире.

Катализатор, который используется в этом процессе каталитического крекинга является мелкодисперсным твердым веществом, состоящим в основном из диоксида кремния и оксида алюминия как в кристаллической, так и в аморфной форме. Применение порошкового катализатора стало ключевым фактором успеха этого процесса и привело к развитию целой области технологических операций, получивших название "псевдоожижение". Мелкодисперсный порошковый катализатор можно заставить вести себя как жидкость, если его правильно аэрировать или "псевдоожижать" воздухом или другим газом. Псевдоожиженный порошок можно заставить течь по трубам, и поддерживать уровень в емкости, как это делает жидкость. Псевдоожиженный порошок, как и жидкость, также генерирует гидростатическое давление, пропорциональное плотности и глубине смеси в емкости или в вертикальном стояке. Порошок также можно транспортировать пневматикой, потоком газа, если газ имеет достаточную скорость. Способность порошкового катализатора течь между емкостями сыграла важнейшую роль в разработке работоспособных процессов каталитического крекинга. Ранние попытки использовать фиксированные слои гранул катализатора были неудовлетворительными из-за необходимости часто регенерировать катализатор для удаления углеродистых отложений, которые являются побочным продуктом крекинга. Эти углеродистые отложения, в основном содержащие углерод и некоторое количество водорода и серы, деактивируют катализатор и их необходимо удалять на этапе сжигания. Применение псевдоожиженного катализатора позволило катализатору постоянно циркулировать между реакционными и регенерирующими емкостями установки каталитического крекинга с псевдоожиженным катализатором, поэтому необходимость в циклическом ведении процесса крекинга для выполнения этапов реакции и регенерации отпала.

В процессе каталитического крекинга с псевдоожиженным катализатором в емкости регенератора для удаления углеродистых отложений с катализатора и восстановления активности катализатора используются большие объемы воздуха. Воздух нагнетают в слой катализатора с углеродистыми отложениями с помощью решетки из труб или распределителей кольцевого типа. В процессе каталитического крекинга также применяются большие трубчатые или кольцевые распределители, установленные на секции отгонки, где отработанный катализатор обрабатывают паром для удаления оставшихся углеводородов прежде, чем направить катализатор в регенератор. На других этапах процесса каталитического крекинга применяются меньшие трубные или кольцевые распределители для нагнетания пара или воздуха для поддержания порошка катализатора в псевдоожиженном или аэрированном состоянии. Нагнетательные форсунки, применяемые на каждом из таких этапов, могут подвергаться эрозии, как описано выше.

Предпринималось много попыток улучшить конструкцию нагнетательной форсунки для уменьшения вредных эффектов эрозии и продления срока службы распределителя. К ним относятся применение экзотических сплавов и керамических материалов, чтобы сделать саму нагнетательную форсунку более твердой и более устойчивой к эрозии, защита нагнетательного конца форсунки твердыми накладками, например, металлическими накладками или тугоплавкими накладками, и/или изменение конструкции форсунки.

В современных конструкциях распределителей для регенератора каталитического крекинга с псевдоожиженным катализатором применяются распределители из трубной решетки и форсунки двухступенчатой конструкции. Такая конструкция показана на фиг.1А, которая является видом сверху распределителя из трубной решетки, состоящего из трех одинаковых решеток, расположенных треугольником, охватывающих круглое сечение регенератора. На фиг.1В показан вид сбоку одной из трубных решеток, показывающий как главная магистраль подачи воздуха подходит снизу, разветвляясь на три патрубка, которые, кроме того, поддерживают решетку. Все решетки установлены на одинаковой высоте в слое порошкового катализатора, чтобы создавать как можно более равномерное давление нагнетания воздуха. На фиг.1С показано сечение одной из ветвей решетки, иллюстрирующее направленное вниз расположение форсунок, расположенных под углом 45° к вертикали. Такая трубная решетка доказала свою высокую эффективность физического распределения воздуха по сечению слоя катализатора так, что горение углеродистых отложений происходит равномерно.

На фиг.1D приведено сечение одной из форсунок нагнетания воздуха, в которой используется двухступенчатая, так называемая "трубка Борда". На фиг.1Е-1Н приведены разные виды расположения форсунок внутри одной из ветвей решетки. Металлические ветви решетки покрыты устойчивым к коррозии огнеупорным материалом, который защищает и сами ветви решетки, и последний участок нагнетательных форсунок от коррозии под изнашивающим действием частиц катализатора.

Трубка Борда, или двухступенчатая форсунка состоит из прямой трубки с концентричным каналом на впускном конце. В трубке Борда размер канала выбирают так, чтобы создать достаточный перепад давления, способствующий равномерному распределению воздуха по решетке, при этом перепад давления обычно составляет 1-3 фунта на кв. дюйм. За каналом следует трубчатый участок большего диаметра, который замедляет газ так, чтобы скорость на выпуске в слой твердых частиц не приводила к чрезмерной эрозии и/или трению катализатора. См., например, Joseph W. Wilson, "Fluid Catalytic Cracking", p. 140-141, Penwell Publishing, 1997, где описано применение трубки Борда в качестве нагнетательной форсунки в установках каталитического крекинга с псевдоожиженным катализатором.

Рекомендуемая длина трубки Борда составляет минимум шесть диаметров трубки, чтобы поток в трубке после канала полностью сформировался. На практике было установлено, что если форсунка слишком коротка, поток на выходе будет турбулентным и на конце форсунки возникнет сильная эрозия.

Хотя трубка Борда и применение твердых материалов для создания форсунки и/или защиты конца форсунки значительно увеличили срок службы решетчатых распределителей в процессе каталитического крекинга с псевдоожиженным катализатором, такие конструкции все же подвержены эрозионному износу, что требует периодической замены всей ветви решетки. Ремонт такого типа труден и может привести к увеличению сроков, необходимых для рутинного обслуживания во время запланированных остановок.

Другой пример распределителя воздуха, используемого в процессе регенерации катализатора, используемого в псевдоожиженном слое установки каталитического крекинга, приведен в патенте US 4,222,843. Как описано в этом источнике, распределитель воздуха содержит множество форсунок, в кольцевом коллекторе и в цилиндрическом корпусе, при этом в каждой форсунке выполнено расходящееся отверстие для нагнетания сжатого воздуха. Расходящееся отверстие каждой форсунки сформировано с полууглом менее 7° для обеспечения максимальной скорости воздуха без разрушения отработанного катализатора.

В патенте US 4,460,130 описана нагнетательная форсунка, расположенная снаружи коллектора, имеющая центральное отверстие и впуск для текучей среды, отходящий от форсунки к центральному проходу. Площадь сечения центрального отверстия в форсунке в направлении потока по меньшей мере в одной точке меньше, чем площадь сечения впуска для текучей среды так, что основная часть перепада давления газа, текущего из центрального канала через впуск для текучей среды и форсунку, создается форсункой. Центральное отверстие расходится кнаружи под углом менее 15°, чтобы избежать струйного перфорирования и возникновения завихрений.

Тем не менее потребность в устройствах для распределения газа, менее подверженных эрозионному износу, сохраняется.

Краткое описание изобретения

Согласно одному аспекту варианты настоящего изобретения относятся к нагнетательной форсунке для использования в устройстве для распределения газа, содержащей трубку, имеющую впуск для текучей среды и выпуск для текучей среды, при этом впуск для текучей среды имеет множество отверстий, ограничивающих поток.

Согласно другому аспекту варианты настоящего изобретения относятся к нагнетательной форсунке для использования в устройстве для распределения газа, содержащей трубку, имеющую впуск для текучей среды и выпуск для текучей среды, в которой впуск для текучей среды содержит кольцевое отверстие, окружающее устройство ограничения потока.

Согласно другому аспекту варианты настоящего изобретения относятся к газораспределительному устройству, содержащему распределительный коллектор, сообщающийся по текучей среде с источником газа, и множество нагнетательных форсунок; каждая из нагнетательных форсунок содержит впуск для текучей среды, расположенный внутри распределительного коллектора, и выпуск для текучей среды; в котором впуск содержит множество ограничивающих поток отверстий. В некоторых вариантах вышеописанное газораспределительное устройство может быть расположено в емкости, например, для распределения газа в емкости для проведения реакций полимеризации, регенерации отработанного катализатора или газификации угля.

Согласно другому аспекту варианты настоящего изобретения относятся к газораспределительному устройству, содержащему распределительный коллектор, сообщающийся по текучей среде с источником газа, и множество нагнетательных форсунок; каждая из множества форсунок содержит впуск для текучей среды, расположенный в распределительном коллекторе, и выпуск для текучей среды, в котором впуск содержит кольцевое отверстие, окружающее устройство ограничения потока. В некоторых вариантах вышеописанное газораспределительное устройство может быть расположено в емкости, например, для распределения газа в емкости для проведения реакций полимеризации, регенерации отработанного катализатора или газификации угля.

Другие аспекты и преимущества настоящего изобретения будут очевидны из нижеследующего подробного описания и приложенной формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

Фиг.1А (вид сверху) и 1В (вид сбоку) иллюстрируют решетчатый распределитель в виде трубчатой решетки по предшествующему уровню техники.

Фиг.1С - сечение ветви решетки распределителя по предшествующему уровню техники, показанного на фиг.1А, содержащего форсунку на основе трубки Борда.

Фиг.1D - детальный вид трубки Борда, используемой в устройстве по фиг.1С.

Фиг.1Е-1Н - несколько видов в перспективе расположения трубки Борда в ветви решетки по фиг.1С.

Фиг.2А (сечение) и 2В (вид со стороны впускного конца) - нагнетательные сопла по настоящему изобретению.

Фиг.3А (сечение) и 3В (вид со стороны впускного конца) - нагнетательные сопла по настоящему изобретению.

Фиг.4А (сечение) и 4В (вид со стороны впускного конца) - нагнетательные сопла по настоящему изобретению.

Фиг.5А (сечение) и 5В (вид со стороны впускного конца) - нагнетательные сопла по настоящему изобретению.

Фиг.6А (сечение) и 6В (вид со стороны впускного конца) - нагнетательные сопла по настоящему изобретению.

Фиг.7А (сечение) и 7В (вид со стороны впускного конца) - нагнетательные сопла по настоящему изобретению.

Фиг.8А (сечение) и 8В (вид со стороны впускного конца) - нагнетательные сопла по настоящему изобретению.

Фиг.9А (сечение) и 9В (вид со стороны впускного конца) - нагнетательные сопла по настоящему изобретению.

Фиг.10 - сечение трубы ветви решетки распределителя, содержащей форсунки по вариантам настоящего изобретения.

Фиг.11 - сечение трубы ветви решетки распределителя, содержащей форсунки по вариантам настоящего изобретения.

Фиг.12 - сечение емкости, содержащей плоский пластинчатый распределитель, содержащий форсунки согласно вариантам настоящего изобретения.

Фиг.13 - сечение емкости, содержащей плоский пластинчатый распределитель, содержащий форсунки согласно вариантам настоящего изобретения.

Фиг.14А-14Е - внутренняя структура потока для стандартной форсунки с трубкой Борда, полученная в результате анализа методом вычислительной гидродинамики.

Фиг.15А-15К - последовательные кадры анимации, полученной методом вычислительной гидродинамики для стандартной форсунки с трубкой Борда, которые иллюстрируют движение и нестабильность струи, выходящей из отверстия и наличие такой нестабильности на всей длине вплоть до конца трубки.

Фиг.16А-20B - внутренняя структура потока для трубок Борда и модифицированных трубок Борда, полученная в результате анализа методом вычислительной гидродинамики.

Фиг.21A-25B - внутренняя структура потока для форсунок согласно настоящему изобретению, полученная в результате анализа методом вычислительной гидродинамики.

Фиг.26A-31B - сравнение внутренней структуры потока для форсунок согласно настоящему изобретению, полученной в результате анализа методом вычислительной гидродинамики с такой же структурой стандартных трубок Борда.

Подробное описание

Согласно одному аспекту варианты настоящего изобретения относятся к устройству для нагнетания потока газа в псевдоожиженный слой твердых частиц. Более конкретно, варианты настоящего изобретения относятся к нагнетательной форсунке, которая может создавать такой профиль скорости газа, который позволяет предотвратить или уменьшить эрозию нагнетательной форсунки.

Нагнетательные форсунки могут иметь впуск для текучей среды, сообщающийся по текучей среде с газораспределительным коллектором, и выпуск для текучей среды, сообщающийся по текучей среде, например, с емкостью. Впуск для текучей среды нагнетательной форсунки по вариантам настоящего изобретения может содержать один или более проходов для текучей среды, проходящих параллельно или поперечно оси форсунки. Проходы для текучей среды могут быть выполнены и распределены по форсунке так, чтобы получить один или более из следующих эффектов: требуемый перепад давления на форсунке; стабильный профиль скорости газа; равномерный профиль скорости, который может быть сцентрирован по выпуску форсунки; и максимальная скорость, меньшая, чем так, при которой возникает истирание твердых частиц, подвергающихся псевдоожижению.

Примеры нагнетательных форсунок по вариантам настоящего изобретения показаны на фиг.2-9. Хотя на чертежах показаны цилиндрические форсунки круглого сечения, можно использовать и другие формы/профили сечения, например квадратные, прямоугольные, шестигранные, восьмигранные и пр. В настоящем описании термин "диаметр" также понимается как эквивалентный диаметр для некруглой формы сечения.

На фиг.2А (сечение) и фиг.2В (вид со стороны впускного конца) показана нагнетательная форсунка согласно настоящему изобретению. Форсунка 10 может содержать трубку 12, имеющую впускной конец 14 для текучей среды и выпуск 16 для текучей среды. Впускной конец 14 может быть сформирован, например, множеством радиальных отверстий 17, ограничивающих поток, распределенных по окружности трубки 12. В настоящем описании термин "множество" относится к двум или более, даже если на чертеже показано иное количество. Как показано на фиг.2В, впускной конец может быть заглушен торцевой пластиной 18 (заглушкой), не имеющей отверстий так, чтобы газ поступал в трубку 12 только через радиальные ограничительные отверстия 17.

Количество и диаметр ограничивающих поток отверстий могут зависеть от требуемого перепада давления на трубке 10. Множество радиальных ограничивающих поток отверстий может быть распределено по трубке 12 в форме проходящего по окружности ряда. В других вариантах могут иметься другие проходящие по окружности ряды радиальных ограничивающих поток отверстий.

Отношение внутреннего диаметра D_T выпуска трубки к диаметру D_O радиального ограничивающего поток отверстия может быть больше, чем 2:1. В других вариантах отношение внутреннего диаметра D_T выпуска трубки к диаметру D_O радиального ограничивающего поток отверстия может находиться в диапазоне от 2:1 до 20:1.

Множество радиальных ограничивающих поток отверстий может быть расположено на трубке на расстоянии L от входного осевого конца трубки, расположенного рядом с впуском. В некоторых вариантах расстояние L может быть менее двух внутренних диаметров выпуска 14 для текучей среды, в других вариантах - менее полутора внутренних диаметров выпуска 14 для текучей среды, в других вариантах - менее одного диаметра выпуска 14 для текучей среды, и в других вариантах - менее половины диаметра выпуска 14 для текучей среды. В других вариантах радиальные ограничивающие поток отверстия могут быть расположены так близко к осевому концу, как это возможно чтобы обеспечить технологичность изготовления и структурную целостность.

На фиг.3А (вид сбоку) и фиг.3В (вид со стороны впускного конца) показан вариант нагнетательной форсунки согласно настоящему изобретению. Нагнетательная форсунка 20 может содержать трубку 22, имеющую впуск 24 для текучей среды и выпуск 26 для текучей среды. Впуск 24 для текучей среды может быть образован, например, множеством осевых ограничивающих поток отверстий 27, распределенных аксиально по впускной пластине 28.

Как показано на фиг.3В, осевые отверстия 26 для потока могут быть разнесены по впускной пластине 28 с одинаковыми интервалами. Использование одинаковых интервалов облегчает изготовление и сохраняет структурную целостность. Более важным является то, что равномерно разнесенные ограничивающие поток осевые отверстия позволяют создать равномерный, сцентрированный профиль потока.

На фиг.3А и 4А одинаковыми позициями обозначены одинаковые детали. На фиг.4А осевые ограничивающие поток отверстия 26 могут иметь длину L_O, которую можно подбирать для получения требуемого профиля перепада давления или скорости потока. В некоторых вариантах длина L_O может обеспечивать стабилизацию потока в осевом ограничивающем поток отверстии 27, в результате чего он выходит из отверстия с более равномерным профилем скорости, что, соответственно, приводит к более равномерному профилю скорости на выпуске 26 для текучей среды. Например, длина L_O в некоторых вариантах настоящего изобретения может равняться по меньшей мере четырем диаметрам осевого ограничивающего поток отверстия, в других вариантах - по меньшей мере пяти диаметрам осевого ограничивающего поток отверстия.

Длина от выходного конца 32 до выпуска 24 для текучей среды также должна быть достаточной для создания стабильного, равномерного профиля скорости. В некоторых вариантах отношение осевой длины трубки к осевой длине множества ограничивающих поток отверстий может быть по меньшей мере 4:1, в других вариантах находиться в диапазоне от 5:1 до 50:1.

Количество и диаметр осевых ограничивающих поток отверстий также могут зависеть от требуемого перепада давления на трубке 20. В некоторых вариантах отношение внутреннего диаметра выпускного отверстия трубки к диаметру осевого ограничивающего поток отверстия составляет более 2:1, в других вариантах находится в диапазоне от 2:1 до 20:1.

Как показано на фиг.5А (вид в профиль) и фиг.5В (вид со стороны впускного конца), на которых одинаковыми позициями обозначены одинаковые детали, осевые ограничивающие поток отверстия 26 могут быть коническими. Например, осевое отверстие 26 для потока может иметь диаметр, увеличивающийся от впускного конца 30 к выпускному концу 32 отверстия, где в некоторых вариантах угол α конуса может быть равен до 15°, в других вариантах от 5° до 15°, и в отдельных вариантах от 7,5° до 12,5°.

На фиг.6А (вид в профиль) и фиг.6В (вид со стороны впускного конца) показан вариант нагнетательной форсунки по настоящему изобретению. Форсунка 60 может содержать трубку 62, имеющую впуск 64 для текучей среды и выпуск 66 для текучей среды. Впуск 64 для текучей среды может быть образован, например, кольцевым отверстием 68, окружающим устройство 70 ограничения потока. Как показано на фиг.6А устройство 70 ограничения потока может содержать диск 70D, соответственно установленный в центре впускного конца трубки 62.

Ширина W кольцевого отверстия может зависеть, помимо прочего, от требуемого перепада давления на форсунке 60. В некоторых вариантах диаметр диска 70D может составлять от 0,5 до 0,95 внутреннего диаметра трубки 62, в других вариантах - от 0,6 до 0,85 внутреннего диаметра трубки 62.

Сравнивая фиг.6А и 7А, где одинаковыми позициями обозначены одинаковые детали, видно, что устройство 70 ограничения потока имеет длину L_A, которую можно подбирать для получения требуемого перепада давления или профиля скорости. В некоторых вариантах длина L_A позволяет стабилизировать поток в кольцевом отверстии 68, который выходит из отверстия с более равномерным профилем скорости, что, соответственно, дает более равномерный профиль скорости на выходе 66 для текучей среды. В некоторых вариантах длина L_A может равняться по меньшей мере четырехкратной ширине W, в других вариантах - пятикратной ширине W.

Длина от выходного конца 72 кольцевого отверстия до выпуска 66 для текучей среды должна быть достаточной для возникновения стабильного, равномерного профиля скорости. В некоторых вариантах отношение продольной длины L_T трубки к длине L_A кольцевого отверстия может составлять по меньшей мере 4:1, в других вариантах может быть от 5:1 до 50:1.

Как показано на фиг.8А (вид в профиль) и 8В (вид со стороны впускного конца), 9А (вид в профиль и 9В (вид со стороны впускного конца), где одинаковые детали обозначены одинаковыми позициями, кольцевое отверстие 66 для потока может быть конусным, например, за счет использования устройства 70С ограничения потока, которое может быть коническим. Например, кольцевое отверстие 68 для потока может увеличиваться в диаметре от впускного конца 72 отверстия к выпускному концу 74 отверстия, и в некоторых вариантах угол β конусности может составлять до приблизительно 15°, в других вариантах угол β конусности может составлять от приблизительно 5° до приблизительно 15° и в отдельных вариантах от приблизительно 7,5° до приблизительно 12,5°. Как показано на фиг.9А, выпускной конец конического устройства 70С ограничения потока может быть срезан (в результате чего устройство 70F ограничения потока получает форму усеченного конуса).

Нагнетательные форсунки согласно вариантам настоящего изобретения, описанные выше, могут обеспечивать стабильный профиль скорости. Такие нагнетательные форсунки могут обеспечивать равномерный профиль скорости, сцентрированный по выпуску форсунки. Нагнетательные форсунки согласно вариантам настоящего изобретения могут предотвратить образование областей с высокой скоростью или локализованных струй, которые могут привести к истиранию частиц. Дополнительно, нагнетательные форсунки описанные выше, могут предотвратить образование областей с отрицательной осевой скоростью рядом с выпускным каналом форсунки, что снижает скорость эрозии форсунки.

Описанные выше нагнетательные форсунки могут устанавливать в газораспределительное устройство. Нагнетательные форсунки по вариантам настоящего изобретения могут использоваться со всеми типами распределительных устройств, которые в псевдоожиженный слой твердых частиц распределяют только газовую фазу. Например, к таким распределителям могут относится, помимо прочего, плоские пластинчатые распределители, системы решеток из труб, кольцевые распределители, сводчатые распределители и грибовидные распределители. Такие распределители могут устанавливаться в емкостях для проведения различных реакций или массообмена между газом и твердыми частицам, включая емкости для регенерации катализатора процесса каталитического крекинга с псевдоожиженным катализатором, емкости для полимеризации газовой фазы, емкости для газификации угля или восстановления железа из железной руды и т.п.

На фиг.10 и 11, на которых одинаковые детали обозначены одинаковыми позициями, показаны нагнетательные форсунки по вариантам настоящего изобретения, установленные в газораспределительном устройстве. Газораспределительное устройство 80 может содержать распределитель кольцевого типа (не показан), имеющий распределительный коллектор 82, сообщающийся по текучей среде с источником газа и множеством нагнетательных форсунок 84. Каждая нагнетательная форсунка может содержать впуск 86 для текучей среды, расположенный внутри коллектора, и выпускной канал 88. В некоторых вариантах, как показано на фиг.10 выпускной канал может быть расположен рядом с внешней периферией 89 газораспределительного коллектора 82. В других вариантах, например, как показано на фиг.11, выпускной канал 88 может заканчиваться в точке, отстоящей от газораспределительного коллектора 82.

Точно также, как показано на фиг.12 и 13, на которых одинаковые детали обозначены одинаковыми позициями, нагнетательные сопла по вариантам настоящего изобретения расположены в газораспределительном устройстве. Газораспределительное устройство 90 может содержать пластинчатый распределитель 91 в емкости 92, имеющей газораспределительный коллектор 93, сообщающийся по текучей среде с источником 94 газа, и множество нагнетательных сопел 95. Каждое нагнетательное сопло может иметь впуск 96 для текучей среды, расположенный внутри распределительного коллектора, и выпуск 97 для текучей среды. В некоторых вариантах, как показано на фиг.12, выпуск 97 для текучей среды может быть расположен рядом с верхней поверхностью 98 плоской плиты 99. В других вариантах, как показано на фиг.13, выпуски 97 для текучей среды могут заканчиваться в точке, расположенной над верхней поверхностью 98 плиты 99.

Как указано выше, нагнетательные форсунки по вариантам настоящего изобретения можно использовать, например, в газораспределительном устройстве, применяемом для каталитического крекинга с псевдоожиженным катализатором. Нагнетательные форсунки по вариантам настоящего изобретения, кроме того, можно также дополнительно использовать на других операциях процесса крекинга, как показано и описано со ссылками на фиг.1 патента US 5,314,610, содержание которого включено в настоящее описание путем отсылки. Как описано в этом патенте US 5,314,610, газораспределительное устройство можно использовать для отгоняющей среды, такой как пар или азот, в реакционную емкость процесса каталитического крекинга, или для нагнетания кислорода или воздуха для сжигания и удаления углеродистых отложений с отработанного катализатора.

Примеры

Нижеприведенные примеры получены способом моделирования и, хотя эти работы были реально проведены, изобретатели не используют в этих примерах прошедшее время, чтобы не нарушать существующих правил.

Модели нагнетательных форсунок по вариантам настоящего изобретения, сравнивались с трубками Борда и модифицированными трубками Борда с использованием метода "вычислительной гидродинамики". Вычислительная гидродинамика используется для проверки и сравнения картин течения при данной конфигурации нагнетательной форсунки, как показано на фиг.14-17. Как будет показано ниже, нагнетательные форсунки по вариантам настоящего изобретения могут снижать потенциал нестабильности потока и потенциал эрозионного износа наконечника форсунки. Исследования методом вычислительной гидродинамики проводились с использованием идентичных условий для каждой конфигурации модели нагнетательной форсунки так, чтобы потоки воздуха и перепады давления были одинаковыми для каждого варианта.

Сравнительный пример 1

На фиг.14А-14Е показаны результаты анализа методом вычислительной гидродинамики для стандартной форсунки, относящейся к типу трубки Борда, которые широко используются для создания псевдоожиженного слоя. Форсунка имеет длину 9 дюймов, внутренний диаметр на выходе 1,5 дюйма и диаметр входного канала 1,04 дюйма. На фиг.14А показано сечение газораспределительного коллектора, иллюстрирующее векторы скорости потока внутри коллектора, трубки Борда и окружающего слоя твердых частиц. Как можно было ожидать, когда газ ускоряется через отверстие и выходит в участок большего диаметра трубки Борда, расположенный после отверстия, возникают струи, обладающие высокой скоростью.

На фиг.14В показаны векторы скорости в одной плоскости, проходящей по сечению коллектора и трубки Борда и выходящей в слой твердых частиц. Результаты гидродинамических вычислений показывают, что на струю газа, выходящую из отверстия, влияет поток газа в коллекторе. Кроме того, анимированные результаты гидродинамические вычисления показывают что струя газа нестабильна, а колеблется из стороны в сторону в трубке Борда.

На фиг.14С и 14D приведены в увеличенном масштабе моментальные снимки газовой струи, выходящей из отверстия, наблюдаемые с двух разных направлений. Один вид приведен в направлении газового потока в коллекторе, а второй - в направлении, перпендикулярном направлению газового потока. Из этих видов ясно, что на струю газа из отверстия влияет поток газа в коллекторе.

На фиг.14Е приведен вид, в одной плоскости в центре трубки Борда, при этом плоскость ориентирована параллельно направлению потока газа в коллекторе. Неожиданно было обнаружено, что нестабильность струи газа сохраняется за концом форсунки и в псевдоожиженном слое твердых частиц, несмотря на то, что форсунка имела минимальное рекомендованное отношение длины к диаметру, равное 6,0. Более того, нестабильность газовой струи фактически приводит к отрицательной осевой скорости в одной части трубки. Анимированный вариант результатов гидродинамических вычислений показывает, что область отрицательной скорости нестабильна, а перемещается в трубке из стороны в сторону, как показано на фиг.15А, на виде с конца входного канала трубки, и на фиг.15В-15К, где приведены последовательные (сделанные с одинаковым временным интервалом) моментальные снимки результатов анализа методом вычислительной гидродинамики нагнетательной форсунки с трубкой Борда, показывающие, как струя движется из стороны в сторону в трубке Борда. Из этих результатов ясно, что такая конструкция форсунки позволяет твердым частицам попадать в область с отрицательной осевой скоростью, где они захватываются и выбрасываются с высокой скоростью, когда струя газа перемещается к другой стороне трубки. Такое поведение нестабильной газовой струи совпадает с наблюдаемой картиной износа на форсунках такого типа после их эксплуатации в течение некоторого времени.

Сравнительные примеры 2-5

На фиг.16-20 (сравнительные примеры 1-5) показаны моментальные снимки в осевой плоскости разных нагнетательных форсунок на основе модифицированных трубок Борда. Все нагнетательные форсунки оценивались в одинаковых условиях давления на входе, а размеры отверстий были подобраны так, чтобы создавать постоянный перепад давления на форсунке, равный 2,1 фунта на кв. дюйм. Каждая форсунка имеет длину 9 дюймов и внутренний диаметр 1,5 дюйма, что дает отношение длины к внутреннему диаметру, равное 6,0.

Сравнительный пример 1 (повтор) - на фиг.16 показана стандартная трубка Борда с одним отверстием, ранее показанная на фиг.14 и 15 и показанная здесь для справки.

Сравнительный пример 2 - на фиг.17 трубка Борда имеет двойное отверстие (каждое из которых имеет длину 1/4 дюйма и диаметр 1,04 дюйма). Расстояние между отверстиями равно 0,75 дюйма. Результаты гидродинамических вычислений не показывают улучшений в стабильности струи или в наличии областей с отрицательной осевой скоростью в трубке форсунки по сравнению со стандартной трубкой Борда.

Сравнительный пример 3 - на фиг.18 отверстие содержит короткий наклонный участок на выходном конце. И вновь результаты гидродинамических вычислений не показывают улучшений стабильности струи или в наличии областей с отрицательной осевой скоростью в трубке форсунки.

Сравнительный пример 4 - на фиг.19А (вид сбоку) и 19В (вид с конца со стороны впуска форсунки) длина отверстия увеличена с 1/4 дюйма до 1 дюйма. Такая конструкция демонстрирует уменьшение нестабильности по результатам гидродинамических вычислений. Однако область отрицательной осевой скорости все еще присутствует, хотя ее положение более стабильно.

Сравнительный пример 5 - на фиг.20А (вид сбоку) и фиг.20В (вид с конца со стороны впуска форсунки) толстая форсунка имеет длинный скошенный участок на выпускном конце отверстия. Такая конструкция демонстрирует очень стабильный профиль скорости. Однако газовая струя не находится в центре трубки и возникает относительно большая, хотя и стабильная область отрицательной осевой скорости.

Результаты гидродинамических вычислений трубки Борда и модифицированной трубки Борда на фиг.16-20 демонстрируют нестабильность потока и/или наличие отрицательной осевой скорости, которые являются нежелательными характеристиками для газовой нагнетательной форсунки.

Примеры 1-5

На фиг.21-25 (примеры 1-5) приведены моментальные снимки в осевой плоскости нагнетательных форсунок по вариантам настоящего изобретения. Все нагнетательные форсунки оценивались в тех же условиях, что и в сравнительных примерах 1-5 (одинаковое давление на входе и размер отверстий подобраны так, чтобы создавать постоянный перепад давления, равный 2,1 фунта на кв. дюйм). Каждая форсунка имеет длину 9 дюймов и внутренний диаметр 1,5 дюйма, что дает отношение длины к внутреннему диаметру, равное 6,0.

Пример 1. Фиг.21А (вид сбоку) и 21В (вид с конца со стороны впуска форсунки) иллюстрирует результаты гидродинамических вычислений, относящихся к отверстию, аналогичному показанному на фиг.6А и 6В. Конфигурация содержит кольцевое отверстие, окружающее плоский диск (диаметром 0,75 дюйма и длиной 1/4 дюйма), подвешенный в центре входного канала нагнетательной форсунки. Такая форсунка имеет очень стабильный профиль скорости. Однако профиль скорости не сцентрирован на выпускном канале. Дополнительно, могут возникать локализованные области, где может возникнуть обратный поток, и такая форсунка сложна в изготовлении.

Пример 2. На фиг.22А (вид сбоку) и 22В (вид с конца со стороны впуска форсунки) иллюстрируют результаты гидродинамических вычислений для отверстия, аналогичного показанному на фиг.9А и 9В. Конструкция отверстия содержит конус, подвешенный на входе в форсунку для формирования кольцевого отверстия. С точки зрения стабильности такая форсунка работает так же, как и показанная на фиг.21А и 21В, но демонстрирует улучшения профиля скорости, поскольку профиль скорости почти идеально сцентрирован в трубке форсунки. Однако такая форсунка сложна в изготовлении.

Пример 3. На фиг.23А (вид сбоку) и 23В (вид с конца со стороны впуска форсунки) показаны результаты гидродинамических вычислений для отверстия, аналогичного показанному на фиг.3А и 3В. Конфигурация отверстия содержит семь меньших отверстий для создания такого же перепада давления, как и в конструкции с единственным отверстием. Такая конструкция демонстрирует достаточно стабильный профиль скорости, который является очень равномерным на выходе из форсунки. Имеются некоторые области отрицательной осевой скорости, но они ограничены входной половиной форсунки и не достигают выпускного конца форсунки.

Пример 4. На фиг.24А (вид сбоку) и 24В (вид с конца со стороны впуска форсунки) показаны результаты гидродинамических вычислений для отверстия, аналогичного показанному на фиг.4А и 4В. Конфигурация отверстия включает множество (семь) отверстий, как и в примере 3, за исключением того, что тонкая пластина с отверстиями (толщиной 1/4 дюйма) была заменена на толстую пластину (1 дюйм). Применение толстой пластины с отверстиями улучшает стабильность профиля скорости по сравнению с примером 3 и демонстрирует очень равномерный профиль скорости на выходе нагнетательной форсунки. Кроме того, точка, в которой профиль скорости становится равномерным, возникает быстрее, чем при тонкой пластине в примере 3.

Пример 5. На фиг.25А (вид сбоку) и 25В (вид с конца со стороны впуска форсунки) показаны результаты гидродинамических вычислений отверстия, аналогичного показанному на фиг.2А и 2В. Конфигурация отверстия содержит множество (восемь) отверстий, которые перенесены на стенки трубки, а не расположены в торцевой пластине (заглушке). В торцевой пластине отверстий нет. И вновь площадь отверстий подобрана так, чтобы создавать перепад давления, равный 2,1 фунта на кв. дюйм, как и во всех предыдущих вариантах. Результаты гидродинамических вычислений показывают, что такая конструкция дает стабильный, равномерный профиль скорости. Анимированные результаты показывают почти полное отсутствие движения в профиле скорости. Кроме того, форсунка такой конструкции проста в изготовлении по сравнению со стандартной трубкой Борда по сравнительному примеру 1.

Пример 6. На фиг.26-31 приведено сравнение результатов гидродинамических вычислений для отверстия, аналогичного показанному на фиг.2А и 2В, с результатами гидродинамических вычислений стандартной трубки Борда по сравнительному примеру 1 (показанной на фиг.16 и для удобства повторенной на фиг.27, 29 и 31, где фиг.27А, 29А и 31А представляют вид сбоку, а фиг.27В, 29В и 31В представляют вид с конца со стороны впуска форсунки). Конфигурации отверстий включают множество (восемь) отверстий (фиг.26А (вид с конца) и 26В (вид сбоку со стороны впуска)), шесть отверстий (фиг.28А (вид с конца) и 28В (вид сбоку со стороны впуска)) и четыре отверстия (фиг.31А (вид с конца) и 31В (вид сбоку со стороны впуска), которые перенесены на стенки трубки, а не расположены в торцевой пластине. В торцевой пластине отверстий нет. И вновь, площадь отверстий подобрана так, чтобы создавать тот же перепад давления, равный 2,1 фунта на кв. дюйм, что и во всех ранее описанных конструкциях. Результаты гидродинамических вычислений показывают, что эти конструкции дают стабильный, равномерный профиль скорости (с уменьшенными колебаниями во времени), по сравнению с трубкой Борда. Результаты гидродинамических вычислений также показывают, что переход с восьми отверстий на шесть и на четыре отверстия улучшает равномерность скорости на выходе.

Как описано выше, нагнетательные форсунки по вариантам настоящего изобретения могут обеспечить создание стабильного профиля скорости и/или равномерной скорости на выходном отверстии форсунки и/или ограничить области, имеющие отрицательную скорость потока. Преимущественно такие нагнетательные форсунки могут обеспечить уменьшение эрозии, и/или уменьшение истирания катализатора, и/или улучшение распределения газа.

Хотя в настоящее описание включено ограниченное количество вариантов, специалистам понятно, что возможны и другие варианты, не выходящие за пределы объема настоящего изобретения. Соответственно, объем изобретения ограничивается только приложенной формулой.

Изобретение относится к устройству для нагнетания потока газа в псевдоожиженный слой твердых частиц, а именно к нагнетательным форсункам, используемым в газораспределительном устройстве. Нагнетательная форсунка для использования в газораспределительном устройстве для нагнетания потока газа в псевдоожиженный слой содержит трубку, имеющую впуск для газа, выпуск для газа, внутренний диаметр и осевую длину. Упомянутый впуск для газа содержит множество отверстий, ограничивающих поток и распределенных по осевому концу трубки. Множество отверстий, ограничивающих поток, представляет собой множество радиальных ограничивающих поток отверстий, распределенных по окружности и проходящих сквозь трубку. Множество радиальных ограничивающих поток отверстий проходит сквозь трубку на длине L от входного аксиального конца трубки, ближайшего к упомянутому впуску, причем длина L меньше чем два внутренних диаметра трубки. Форсунка обеспечивает такой профиль потока газа, который позволяет предотвратить или уменьшить эрозию этой форсунки. 6 н. и 14 з.п. ф-лы, 31 ил., 6 пр.

1. Нагнетательная форсунка для использования в газораспределительном устройстве для нагнетания потока газа в псевдоожиженный слой, содержащая трубку, имеющую впуск для газа, выпуск для газа, внутренний диаметр и осевую длину, причем впуск для газа содержит множество отверстий, ограничивающих поток, распределенных по осевому концу трубки, причем множество отверстий, ограничивающих поток, представляет собой множество радиальных ограничивающих поток отверстий, распределенных по окружности и проходящих сквозь трубку, при этом множество радиальных ограничивающих поток отверстий проходит сквозь трубку на длине L от входного аксиального конца трубки, ближайшего к упомянутому впуску, причем длина L меньше, чем два внутренних диаметра трубки.

2. Форсунка по п.1, в которой отношение внутреннего диаметра выпуска для газа трубки к диаметру по меньшей мере одного ограничивающего поток отверстия превышает 2:1.

3. Форсунка по п.1, в которой осевая длина трубки по меньшей мере в 5 раз превышает внутренний диаметр выпуска для газа трубки.

4. Форсунка по п.1, в которой ограничивающие поток отверстия аксиально выровнены с трубкой.

5. Форсунка по п.1, в которой отношение осевой длины трубки к осевой длине по меньшей мере одного из множества ограничивающих поток отверстий равно по меньшей мере 4:1.

6. Форсунка по п.1, в которой осевой конец трубки, расположенный рядом с множеством расположенных по окружности ограничивающих поток отверстий, заглушен.

7. Нагнетательная форсунка для использования в газораспределительном устройстве для нагнетания потока газа в псевдоожиженный слой, содержащая трубку, имеющую впуск для газа и выпуск для газа, причем впуск для газа выполнен с кольцевым отверстием, окружающим ограничивающее поток устройство, выполненное в виде диска, подвешенного в центральной части упомянутого впуска.

8. Форсунка по п.7, в которой ограничивающее поток устройство имеет форму конуса или усеченного конуса.

9. Форсунка по п.7, в которой ширина кольцевого отверстия равна от 0,05 до 0,25 внутреннего диаметра трубки.

10. Форсунка по п.7, в которой длина ограничивающего поток устройства равна от 0,1 до 0,9 длины трубки.

11. Газораспределительное устройство для нагнетания потока газа в псевдоожиженный слой, содержащее распределительный коллектор, сообщающийся по текучей среде с источником газа, и множество нагнетательных форсунок, содержащих трубку, имеющую впуск для газа, выпуск для газа, внутренний диаметр и осевую длину, и впуск для газа по меньшей мере одной из множества нагнетательных форсунок расположен внутри распределительного коллектора, причем впуск для газа по меньшей мере одной нагнетательной форсунки содержит множество радиальных ограничивающих поток отверстий, распределенных по осевому концу нагнетательной форсунки, при этом множество радиальных ограничивающих поток отверстий проходит сквозь трубку на длине L от входного аксиального конца трубки, ближайшего к упомянутому впуску, причем длина L меньше, чем два внутренних диаметра трубки.

12. Устройство по п.11, в котором выпуск для газа расположен рядом с внешней периферией распределительного коллектора.

13. Устройство по п.11, в котором выпуск для газа находится снаружи внешней периферии распределительного коллектора.

14. Устройство по п.11, в котором отношение внутреннего диаметра выпуска для газа к диаметру по меньшей мере одного из указанных ограничивающих поток отверстий больше, чем 2:1.

15. Устройство по п.11, в котором длина трубки равна по меньшей мере пяти внутренним диаметрам выпуска для газа.

16. Устройство по п.11, в котором ограничивающие поток отверстия аксиально выровнены с трубкой.

17. Устройство по п.11, в котором отношение упомянутой осевой длины трубки к осевой длине по меньшей мере одного из множества ограничивающих поток отверстий равно по меньшей мере 4:1.

18. Регенератор отработанного катализатора, содержащий газораспределительное устройство по п.11, расположенное внутри указанного регенератора.

19. Реактор полимеризации, содержащий газораспределительное устройство по п.11.

20. Устройство газификации угля, содержащее газораспределительное устройство по п.11.