РАСПЫЛИТЕЛЬНАЯ ФОРСУНКА С ВНУТРЕННИМ КОЛЬЦОМ ДЛЯ ДИСПЕРСИИ ЖИДКИХ ЧАСТИЦ ДЛЯ КАТАЛИТИЧЕСКОГО КРЕКИНГА
CATALYTIC CRACKING SPRAY NOZZLE WITH INTERNAL LIQUID PARTICLE DISPERSION RING

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[0001] Настоящая патентная заявка испрашивает приоритет по патентной заявке США №61/902,848, поданной 12 ноября 2013 г., которая включена в настоящую заявку посредством ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0002] Настоящее изобретение относится в целом к распылительным форсункам и, более конкретно, к узлам распылительных форсунок, в частности приспособленным для распыления и разбрызгивания жидкости, подаваемой в лифт-реактор каталитического крекинга с флюидизированным катализатором.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0003] Узел распылительной форсунки приведенного выше типа показан и описан в патенте США №5,921,472, содержание которого включено в настоящую заявку посредством ссылки. Такие узлы распылительных форсунок обычно включают в себя корпус форсунки, который задает смесительную камеру, в которую вводят жидкий углеводород и газ под давлением, такой как пар, и в которой распыляется жидкий углеводород. Для улучшения распыления жидкости в смесительной камере, отбойный стержень проходит в камеру и задает отбойную поверхность для жидкости на средней линии смесительной камеры, диаметрально противоположную относительно впуска для жидкости, с которой поток жидкости под давлением сталкивается и диспергируется в поперечном направлении, и поперечно которой из впуска для газа направляется пар под давлением для дополнительного взаимодействия с жидкостью и ее разделения на мелкие капли. Распыленная жидкость в смесительной камере направляется под действием пара под давлением через удлиненный трубчатый ствол, обычно установленный в стенке лифт-реактора каталитического крекинга, для выпуска из распылительного наконечника на его конце, расположенном ниже по ходу потока, в лифт-реакторе.
[0004] Корпус форсунки, который задает смесительную камеру и принимает отбойный стержень, впуск для жидкого углеводорода и впуск для пара под давлением, является относительно дорогостоящим компонентом узла распылительной форсунки. Корпус форсунки обычно выполняют станочной обработкой из цельной металлической заготовки, а вследствие сложности формы, обработка является трудоемкой и длительной, существенно увеличивающей стоимость узла форсунки. Для эффективной работы необходимо дополнительно продолжать перемешивание распыленного жидкого углеводорода и пара во время прохождения через удлиненный ствол узла форсунки без нежелательного расслаивания.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0005] Задачей изобретения является создание узла распылительной форсунки для подачи жидкого углеводорода, относительно простого по конструкции и подходящего для значительно более экономичного изготовления.
[0006] Другой задачей является создание узла распылительной форсунки, охарактеризованного выше, в котором корпус распылительной форсунки имеет более простое и легкое в сборке конструктивное решение, эффективно улучшающее непрерывное перемешивание распыленного жидкого углеводорода и пара во время прохождения через удлиненный ствол узла форсунки.
[0007] Другие задачи и преимущества изобретения должны стать понятными после прочтения следующего подробного описания со ссылками на прилагаемые чертежи.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0008] На фиг. 1 схематично показан узел распылительной форсунки согласно настоящему изобретению, установленный в стенке лифт-реактора каталитического крекинга.
[0009] На фиг. 2 показан увеличенный продольный разрез узла распылительной форсунки, показанной на фиг. 1.
[0010] Поскольку изобретение может претерпевать различные модификации и иметь альтернативные конструкции, конкретный иллюстративный вариант его осуществления показан на чертежах и подробно описан ниже. Следует понимать, что изобретение в общем не ограничено конкретной раскрытой формой выполнения, а напротив, охватывает все модификации, альтернативные конструкции и аналогичные решения, соответствующие сущности и объему изобретения. В этом отношении понятно, что, хотя проиллюстрированный узел распылительной форсунки является особенно эффективным для распыления и разбрызгивания жидких углеводородов в системах каталитического крекинга, следует понимать, что область применения узла форсунки не ограничена данным вариантом применения. Кроме того, несмотря на то, что показанный узел форсунки описан на примере взаимодействия с газом под давлением в виде пара, может быть использована любая воздушная среда или газообразная текучая среда под давлением.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0011] Как показано более конкретно на чертежах, приведенный в качестве примера узел 10 распылительной форсунки согласно изобретению установлен известным способом в теплоизолированной стене 11 (показана линиями воображаемого контура) лифт-реактора с флюидизированным катализатором. Узел 10 форсунки установлен в трубчатой гильзе 12, неподвижно закрепленной в стене 11 под острым углом к вертикали для выпуска распыленного жидкого углеводорода в направлении вверх в лифт-реактор. Трубчатая гильза 12 имеет выступающий наружу фланец 14, к которому можно прикрепить опорный фланец 15, закрепленный на узле 10 распылительной форсунки.
[0012] Узел 10 распылительной форсунки, как лучше всего показано на фиг. 2, в основном содержит зону 20 смешивания, имеющую впуск 21 для жидкого углеводорода и впуск 22 для сжатого газа, который в данном случае является паром, расположенный с наружной стороны стены 11 лифт-реактора, протяженную зону 24 протяженности ствола, сообщающуюся с зоной 20 смешивания, расположенную в опорной гильзе 12 форсунки и стене 11 лифт-реактора и проходящую через них, а также распылительный наконечник 25, имеющий одно или несколько выпускных отверстий 26, расположенных в лифт-реакторе для выпуска и направления распыленной жидкости.
[0013] Согласно изобретению, узел распылительной форсунки имеет относительно простую конструкцию, что делает его изготовление экономичным, и обладает функциональными возможностями эффективного распыления и направления подачи жидких углеводородов в системах каталитического крекинга. С этой целью в показанном варианте осуществления зона 20 смешивания и зона 24 протяженности ствола заданы общим корпусом форсунки в виде непрерывного цилиндрического трубчатого элемента 30, проходящего по существу по длине узла распылительной форсунки. Трубчатый элемент 30 может являться отдельным цельным участком трубы, например, стальной трубы по сортаменту Schedule 80 с внутренним диаметром около 2-8 дюймов (5,1-20,3 см). Трубчатый элемент 30 в данном случае имеет диаметрально противоположные просверленные отверстия 31, 32, смежные с расположенным выше по потоку концом, для приема впуска 21 для жидкости и расположенного противоположно ему отбойного стержня 34 соответственно.
[0014] Показанный впуск 21 для жидкости включает в себя впускной фитинг 38 имеющий цекованный участок 39 уменьшенного диаметра, который входит в отверстие 31, которое в данном случае выполнено с боковой стенкой с конусностью, направленной внутрь, для способствования фиксации фитинга 38 к трубчатому элементу 30 соответствующим круговым сварным соединением. Впускной фитинг 38 для жидкости имеет расположенный выше по потоку крепежный фланец 40 для крепления фитинга 38 к питающей линии 41, которая в свою очередь соединена с соответствующим источником подачи жидкого углеводорода. Впускной фитинг 38 для жидкости принимает установленный внутри элемент 42 жиклера, который задает впускной проход 44 заданного диаметра для входного потока жидкости, через который подаваемая жидкость направляется в зону 20 смешивания. Показанный элемент 42 жиклера и фитинг 38, имеют соответствующие конические входные участки 44, 45 для направления подаваемой жидкости в элемент 42 жиклера и через него.
[0015] Отбойный стержень 34 в данном случае выполнен в виде резьбового болта, установленного во втулке с внутренней резьбой или резьбовом фитинге 50, имеющем конец 51 со скошенной внутрь кромкой, смежный со скошенной внутрь стороной отверстия 32, для способствования сварке втулки 50 по окружности отверстия 32. Отбойный стержень 34 в данном случае имеет внешний участок 54 с наружной резьбой для регулируемого резьбового зацепления со втулкой 50, проходящий внутрь цилиндрический участок 55 в виде столбика, размещенный в трубчатом элементе 30, и головку с выступающим наружу буртиком 56 для фиксации участка 55 в виде столбика в заданном положении в зоне 20 смешивания напротив впуска 21 для жидкости.
[0016] Впуск 22 для газа, аналогично впуску 21 для жидкости, включает в себя фитинг 60, имеющий крепежный фланец 61 для крепления к питающей линии 62, соединенной с источником подачи пара, и расположенный ниже по потоку цилиндрический участок для крепления к расположенному выше по потоку аксиальному концу трубчатого элемента 30. Концы фитинга 60 для впуска пара и трубчатого элемента 30 также скошены для способствования креплению сварным соединением 64. Фитинг 60 для впуска пара включает в себя элемент 66 жиклера для задания прохода 68 заданного диаметра для впуска пара под давлением с расположенным выше по потоку коническим участком 69 для направления пара в проход 68 для впуска пара и через него.
[0017] Отбойный стержень 34 в данном случае разработан для улучшения диспергирования и распыления жидкости поперечным потоком пара под давлением с уменьшенным износом и эрозией отбойного стержня. С этой целью отбойная поверхность стержня 34 имеет наружную отбойную поверхность 70, расположенную с радиальным смещением относительно центральной оси зоны 20 смешивания на стороне от центральной линии, противоположной впуску 21 жидкости, и имеет конфигурацию с выемкой, обращенной внутрь, для повторного направления жидкости, сталкивающейся с отбойной поверхностью 70, обратно в центр зоны смешивания для улучшенного взаимодействия с поперечным потоком пара под давлением впуска 22 для газа. Выполненная в виде выемки отбойная поверхность 70 в данном случае имеет искривленную внутрь сферическую конфигурацию. Альтернативно, направленная внутрь выемка отбойной поверхности может иметь цилиндрическую конфигурацию с осью цилиндрической поверхности, предпочтительно расположенной поперек центральной оси 72 трубчатого элемента 30. В предпочтительном варианте осуществления отбойная поверхность 70 отстоит на расстояние "d" от центральной оси зоны смешивания на величину от 1/8 до 1/3 радиуса смесительной камеры, и наиболее предпочтительно на величину около 1/4 радиуса зоны смешивания.
[0018] Таким образом, во время работы узла 10 распылительной форсунки, жидкий углеводород, направленный в зону 20 смешивания, должен проходить через поперечный поток пара под давлением, направленный по центру в узел распылительной форсунки из впуска 22 для пара, и взаимодействовать с имеющей форму выемки отбойной поверхностью 70 отбойного стержня 34, который дробит жидкость, распыляет ее в поперечном направлении и повторно направляет обратно в центр зоны 20 смешивания для дополнительного улучшения измельчения частиц жидкости и направления под действием пара в зону 24 протяженности ствола и через нее. С помощью имеющей форму выемки отбойной поверхности 70, радиально отстоящей от оси 72 зоны 20 смешивания, поперечный поток пара под давлением улучшает измельчение частиц жидкости с уменьшенным препятствием от отбойного стержня аксиальному потоку пара, проходящему через зону смешивания в зону протяженности ствола. Радиальное смещение отбойной поверхности 70 относительно центральной оси 72 зоны 20 смешивания дополнительно минимизирует прямой удар потока по концу отбойного стержня 34 и образуемую в результате эрозию вокруг отбойной поверхности 70, которая может отрицательно влиять на показатели работы распыления и обуславливать необходимость замены отбойного стержня.
[0019] В качестве дополнительного признака настоящего варианта осуществления изобретения для улучшения непрерывного перемешивания распыленной жидкости и пара во время их прохода через зону 24 протяженности ствола в распылительный наконечник 25 между зоной 20 смешивания и зоной 24 протяженности ствола неподвижно установлено круговое дисперсионное кольцо 85. Цилиндрическое дисперсионное кольцо 85 в данном случае эффективно задает расположенный ниже по потоку конец зоны 20 смешивания и расположенный выше по потоку конец зоны 24 протяженности ствола. Обычно зона 24 протяженности ствола имеет длину по оси в 2-10 раз больше длины по оси зоны 20 смешивания. В данном случае, круговое дисперсионное кольцо 85 установлено на аксиальном расстоянии  ниже по ходу потока от центра отбойного стержня 34, которое меньше диаметра зоны 20 смешивания, и предпочтительно на расстоянии, соответствующем около 3/4 диаметра зоны 20 смешивания.
[0020] Показанное дисперсионное кольцо 85 является металлическим цилиндрическим кольцом, имеющим относительно небольшую радиальную глубину, и которое приварено или иначе закреплено в трубчатом элементе 30. Дисперсионное кольцо 85 имеет радиальную глубину "х", которая меньше 1/8 внутреннего диаметра трубы и, предпочтительно, составляет около 1/10 внутреннего диаметра. Неожиданно было обнаружено, что небольшой круговой уступ или козырек, заданный дисперсионным кольцом 85, направляет периферийную часть аксиального потока пара и распыленных капель жидкости внутрь в степени, достаточной для способствования непрерывному перемешиванию капель и пара при их прохождении по длине зоны 24 протяженности ствола и выпуске из распылительного наконечника 25. При этом, небольшая радиальная глубинка "х" дисперсионного кольца 85 не создает нежелательных помех потоку распыленной жидкости, проходящему из зоны 20 смешивания в зону 24 протяженности ствола.
[0021] Из приведенного выше можно увидеть, что предложен узел распылительной форсунки, имеющий относительно простую конструкцию и являющийся экономичным в изготовлении. При этом узел распылительной форсунки является эффективным для распыления жидких углеводородов в системах каталитического крекинга.