Реактор с циркулирующим псевдоожиженным слоем с улучшенной циркуляцией
Изобретение относится к реактору с циркулирующим псевдоожиженным слоем. Реактор коксования в текучей среде включает реакционную секцию с плотным слоем, представляющую собой круг в горизонтальном сечении относительно вертикальной оси, ограниченный стенкой реактора, в которой тяжелую нефть подвергают термическому крекингу, область основания, в которую вводят псевдоожижающий газ для псевдоожижения слоя мелкоизмельченных твердых частиц кокса в реакционной секции, множество колец впускных отверстий для тяжелой нефти, расположенных по периметру стенки реактора в реакционной секции и на разных высотах над областью основания, верхнюю область, в которой газ и мелкоизмельченные частицы кокса выходят из реакционной секции, множество перегородок, имеющих форму усеченного конуса, расположенных на различных высотах в реакционной секции с плотным слоем выше области основания реактора, причем каждая перегородка расположена между последовательной парой колец впускных отверстий для тяжелой нефти и отходит от ее верхнего края у стенки реактора, проходя вниз и радиально внутрь от стенки реактора до нижнего, внутреннего края, определяющего центральное отверстие. Изобретение обеспечивает улучшенную схему циркуляции псевдоожиженного слоя и снижение образования загрязнений. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 4 ил., 2 табл., 6 пр.
Область техники
Изобретение относится к реактору с циркулирующим псевдоожиженным слоем с улучшенной схемой циркуляции. Более конкретно оно относится к реакторам коксования в текучей среде с улучшенной циркуляцией и пониженными характеристиками образования загрязнения.
Уровень техники
Реакторы с циркулирующим псевдоожиженным слоем (ЦПС) являются хорошо известными устройствами, которые можно использовать для осуществления различных многофазных химических реакций. В этом типе реактора текучую среду (газ или жидкость) пропускают через гранулированное твердое вещество со скоростями, достаточно большими для того, чтобы суспендировать твердое вещество и заставить его вести себя так, будто оно представляет собой текучую среду. Псевдоожижение поддерживают с помощью псевдоожижающего газа, такого как воздух, пар или газообразный реагент, введенный через распределитель (решетка, разбрызгиватели или другие средства) в основание реактора. Реакторы ЦПС в настоящее время используют во многих промышленных применениях, среди которых присутствуют каталитический крекинг тяжелой нефти, полимеризация олефина, газификация угля и обработка воды и отходов. Одним из основных применений является применение в области камер сгорания с циркулирующим псевдоожиженным слоем, в которых сжигают уголь или другое топливо с высоким содержанием серы в присутствии известняка для уменьшения выбросов SOx; выбросы оксидов азота также уменьшаются в результате достигаемых в слое относительно низких температур. Другим применением является способ коксования в псевдоожиженном слое, известный как коксование в текучей среде, и его вариант Flexicoking™, оба разработанные Exxon Research and Engineering Company.
Коксование в псевдоожиженном слое является способом переработки нефти, в котором тяжелую нефть, обычно остаток от фракционирования, не поддающийся дальнейшей перегонке (кубовой остаток), превращают в более легкие, более полезные продукты путем термического разложения (коксования) при повышенных температурах реакции, обычно составляющих примерно от 480 до 590°С (примерно от 900 до 1100°F). Способ осуществляют в установке с большим реакторным сосудом, содержащим горячие частицы кокса, которые поддерживают в псевдоожиженных условиях при требуемой температуре реакции с помощью пара, впрыскиваемого в нижней части сосуда, со средним направлением движения частиц кокса вниз через слой. Тяжелую нефть нагревают до температуры, при которой ее можно перекачивать насосом, смешивают с паром для распыления и подают через множество впускных сопел, расположенных на нескольких последовательных уровнях в реакторе. Пар впрыскивают в секцию десорбера в нижней части реактора и проводят вверх через частицы кокса в десорбере, по мере того, как они осаждаются сверху из основной части реактора. Часть подаваемой жидкости покрывает частицы кокса в псевдоожиженном слое и затем разлагается на слои твердого кокса и более легкие продукты, которые выделяются в виде газа или испаренной жидкости. Легкие углеводородные продукты реакций коксования (термического крекинга) испаряются, смешиваются с псевдоожижающим паром и проходят вверх через псевдоожиженный слой в зону разбавленной фазы, расположенную выше плотного псевдоожиженного слоя частиц кокса. Эта смесь испаренных углеводородных продуктов, образованных в реакциях коксования, продолжает течь вверх через разбавленную фазу с помощью пара при поверхностных скоростях, составляющих примерно от 1 до 2 метров в секунду (примерно от 3 до 6 футов в секунду), увлекая некоторые мелкие твердые частицы кокса. Большинство увлеченных твердых частиц отделяют от газовой фазы с помощью центробежной силы в одном или более циклонных сепараторов и возвращают в плотный псевдоожиженный слой через опускные трубы с помощью силы тяжести. Смесь пара и углеводородной газообразной фазы из реактора затем выгружают из выпускных газовых отверстий циклона в секцию скруббера в камере повышенного давления, расположенной выше секции реакции и отделенной от нее перегородкой. Смесь резко охлаждают в секции скруббера путем контакта с жидкостью, стекающей по щиткам скруббера в секции скруббера. Контур циркуляционного орошения конденсирует жидкость на внешней части охладителя и направляет ее назад в верхний ряд секции скруббера, чтобы обеспечить отвод тепла для быстрого охлаждения и конденсации наиболее тяжелой фракции жидкого продукта. Эту тяжелую фракцию обычно направляют рециклом на экстинкцию, подавая назад в зону реакции псевдоожиженного слоя.
Компоненты подаваемого вещества, которые не испаряются немедленно, покрывают частицы кокса в реакторе и затем разлагаются на слои твердого кокса и более легких продуктов, которые выделяются в виде газа или испаренных жидкостей. В течение контактирования подаваемого вещества с псевдоожиженным слоем некоторые частицы кокса могут покрываться подаваемым сырьем неоднородно или слишком сильно и при столкновении с другими частицами кокса могут прилипать друг к другу. Эти более тяжелые частицы кокса нельзя эффективно подвергнуть псевдоожижению паром, впрыскиваемым в нижнюю часть секции десорбера, так что они затем проходят вниз из секции реактора в секцию десорбера, где они могут прилипать к щиткам секции десорбера и нарастать на них, в основном на самых верхних рядах щитков. Обычно секция десорбера имеет множество перегородок, обычно называемых «щитки» из-за их формы в виде перевернутых швеллеров, вытянутых в продольном направлении в нескольких наложенных друг на друга рядах или ярусах поперек корпуса десорбера. Кокс проходит через эти щитки при прохождении вниз через десорбер и подвергается воздействию пара, который поступает из разбрызгивателей на дне сосуда ниже щитков, и перераспределяется по мере движения в верхнюю часть десорбера. Твердый кокс из реактора, в основном состоящий из углерода с меньшими количествами водорода, серы, азота и следами ванадия, никеля, железа и других элементов, полученных из сырья, проходит через десорбер и выходит из реакторного сосуда в камеру сгорания, где его частично обжигают в псевдоожиженном слое с воздухом для повышения его температуры от примерно 480 до 700°С (от примерно 900 до 1300°F), после чего частицы горячего кокса направляют рециклом в зону реакции в псевдоожиженном слое для обеспечения тепла для реакций коксования и для действия в качестве центров нуклеации при образовании кокса.
Способ Flexicoking™, также разработанный Exxon Research and Engineering Company, фактически представляет собой способ коксования в текучей среде, который выполняют в установке, включающей реактор и камеру сгорания, часто называемую нагревателем в этом варианте описанного выше способа, а также включающим газогенератор для газификации коксового продукта путем реакции со смесью пар/вода с образованием топливного газа с низкой теплотой сгорания. В этом случае нагреватель функционирует в обедненной кислородом среде. Произведенный газогенератором газ, содержащий увлеченные частицы кокса, возвращают в нагреватель для предоставления части требуемого для реактора тепла. Возвратный поток кокса, направленный из газогенератора в нагреватель, предоставляет остальное требуемое тепло. Горячий коксовый газ, выходящий из нагревателя, используют для образования пара высокого давления перед осуществлением очистки. Коксовый продукт непрерывно удаляют из реактора. Принимая во внимание сходство способа Flexicoking и способа коксования в текучей среде, термин «коксование в текучей среде» используют в этом техническом описании, чтобы обозначить и охватить как коксование в текучей среде, так и Flexicoking, за исключением случаев, когда требуется их различение.
Секция десорбции установки коксования в текучей среде расположена в нижней части реактора. Частицы кокса из реактора проходят в десорбер, где они контактируют с десорбирующим паром из разбрызгивателя, расположенного на дне секции десорбции, для удаления продуктов углеводородной газообразной фазы из кокса, которое выполняют на дне установки. В результате хорошего перемешивания в реакторе, определенное количество кокса, поступающего в десорбер, все еще покрыто способным к крекингу углеводородным веществом. Для этого вещества десорбер действует как дополнительная секция реакции, в которой может происходить крекинг и сушка. По мере того, как это вещество проходит через десорбер, происходят дополнительные реакции крекинга. По этой причине в десорбере чрезвычайно желательным является пробковый режим течения, чтобы минимизировать количество способного к крекингу вещества, направляемого в камеру сгорания или нагреватель в виде унесенного противоточным потоком углеводорода, где он эффективно понижает свое качество до кокса. Для основных установок для коксования в текучей среде, в отличие от установок для Flexicoking, это явление не является большим недостатком, так как данные количества малы, однако в случае установок для Flexicoking это вещество направляют в нагреватель, где его подвергают воздействию высокотемпературной, бедной кислородом среды. Не прореагировавшее вещество, которое поступает в нагреватель, может крекироваться с образованием всего диапазона продуктов газообразной фазы. Эти продукты затем выносятся в верхнюю часть нагревателя, где они могут конденсироваться на поверхностях, что приводит к ограничениям производительности и/или продолжительности функционирования.
Хотя унос противоточным потоком углеводорода не является большой проблемой для установок коксования в текучей среде, эти установки все же испытывают различные типы проблем, возникающих при функционировании десорбера. Накопление осаждений на щитках десорбера, которые обычно принимают характерную форму, из-за которой их называют «акульи плавники», делает десорбер подверженным к уменьшению зазоров, что может прервать циркуляцию кокса в секции десорбера, ограничить псевдоожижение кокса в секции реактора и привести к захвату мелких камешков, раздробленных в течение теплового цикла. Акульи плавники, если они достаточно большие, могут, в конечном счете, привести к незапланированной потере производительности или незапланированному отключению реактора.
Плотный псевдоожиженный слой ведет себя, главным образом, как реактор идеального смешения. Однако численное моделирование динамики текучих сред и исследование с применением меченых атомов показали, что значительные количества увлажненного кокса могут быстро обходить секцию реакции и контактировать с щитками десорбера. Предполагаемый механизм для образования слоев осажденного кокса состоит в том, что тонкая пленка жидкости (не превращенного или частично превращенного подаваемого вещества) на коксе вызывает слабое прилипание частиц кокса к другим частицам и/или поверхности щитков десорбера. Часть данной влажной пленки превращается в кокс, связывая частицы кокса друг с другом. Спустя некоторое время, углеводородные вещества из газообразной фазы конденсируются в пустотах между частицами, создавая слои осажденного вещества, которые являются очень твердыми и трудно поддающимися удалению.
Существующая в установках коксования в текучей среде практика состоит в повышении температур реактора для ускорения реакций термического крекинга. Это делает возможным более быструю сушку кокса и, таким образом, уменьшает количество увлажненного кокса, которое поступает в десорбер. Однако, при более высокой температуре реактора возрастает скорость повторного крекинга газообразных углеводородов и уменьшается выход жидких C4+, что приводит к экономическим потерям.
Ранее с различной степенью успеха предпринимали другие попытки для преодоления этой проблемы. Например, как сообщают Hsiaotao Bi et al. в "Flooding of Gas-Solids Countercurrent Flow in Fluidized Beds", Eng. Chem. Res., 2004, 43, 5611-5619, десорберы плотно подгоняли к разбрызгивателям пара, расположенным в нижней части щитков десорбера. Также использовали щитки с отверстиями, расположенными на выбранных интервалах, с разбрызгивателями, подающими постоянный поток пара в отверстия для уменьшения образования загрязнения.
Сущность изобретения
Заявитель разработал улучшенную схему для реакторов с циркулирующим псевдоожиженным слоем, для которых представляет проблему образования загрязнения на распределителе псевдоожижающего газа в основании реактора либо компонентами подаваемого в реактор вещества, либо продуктами реакции, либо смесями инертных компонентов реактора с подаваемым веществом или продуктами реакции. Эта схема особенно подходит для реакторов коксования в текучей среде, однако она потенциально подходит для других реакторов ЦПС, в которых встречаются похожие проблемы.
Согласно настоящему изобретению реактор с циркулирующим псевдоожиженным слоем имеет реакционную секцию с плотным слоем, представляющую собой круг в горизонтальном сечении относительно вертикальной оси, ограниченный стенкой реактора. Реактор имеет область основания, в которую впрыскивают псевдоожижающий газ для псевдоожижения слоя мелко измельченных твердых частиц в реакционной секции с плотным слоем, выход в верхней части, через который газ и мелко измельченные твердые частицы выходят из реактора, а также по меньшей мере одну расположенную на опорах перегородку в форме усеченного конуса в секции реакции выше основания реактора, при этом перегородка, или каждая из них, определена ее верхней гранью на стенке реактора, проходя вниз и радиально внутрь от стенки реактора до нижней, внутренней грани, которая определяет центральное круглое отверстие. Эти расположенные на опоре перегородки обычно проходят вниз и внутрь от стенки реактора под углом, составляющим от 30° до 60° от горизонтали. Каждая перегородка предпочтительно покрывает кольцевую площадь сечения потока, составляющую от 10 до 70% общего поперечного сечения реактора на ее высоте в реакторе. Для получения наилучших результатов множество перегородок располагают на разных высотах в плотном слое реактора выше основания реактора.
В предпочтительной форме, используемой в установках коксования в текучей среде, реактор включает:
реакционную секцию с плотным слоем, ограниченную стенкой реактора, обычно имеющую форму усеченного конуса с большим верхним сечением, область основания ниже реакционной секции с плотным слоем, в которую вводят псевдоожижающий газ для псевдоожижения плотного слоя мелко измельченных твердых частиц кокса в реакционной секции с плотным слоем, впускные отверстия тяжелой нефти, расположенные по периметру стенки реактора на разных высотах над областью основания, секцию скруббера или секцию повышенного давления выше реакционной секции с плотным слоем, отделенную от реакционной секции с плотным слоем, циклоны сверху реакционной секции с плотным слоем, каждый их которых имеет впускное отверстие в циклон для потока выходящего газа и частиц кокса, выходное отверстие для газов циклона, выходящих в секцию высокого давления выше секции реактора, и опускную трубу циклона для возвращения частиц кокса, отделенных в циклоне от газа, в реакционную секцию с плотным слоем, секцию десорбции в области основания реактора, включающую щитки десорберов и разбрызгиватели десорбирующего пара, множество имеющих форму усеченного конуса перегородок, расположенных на различных высотах в реакционной секции с плотным слоем выше области основания реактора.
Реактор соединяют с камерой сгорания/нагревателем с помощью линии подачи кокса обычным способом: в линии транспортировки холодного кокса забирают кокс со дна десорбера в камеру сгорания/нагреватель, и по линии возвращения горячего кокса приносят горячий кокс из камеры сгорания/нагревателя обратно в реактор. В случае применения установки для осуществления способа Flexicoking, за описанным выше сосудом нагревателя следует секция газификации.
В приложенных чертежах:
Фиг.1 представляет собой упрощенную схему вертикального сечения обычного реактора коксования в текучей среде, содержащего расположенные на опорах перегородки.
На Фиг.2 показана расположенная на опорах перегородка с опускными трубами.
На Фиг.3 показано сечение части перегородки, показанной на Фиг.2.
На Фиг.4 показано сечение альтернативной конфигурации для верхней части опускной трубы перегородки.
Подробное описание изобретения
На Фиг.1, которая представляет собой упрощенную схему реактора коксования в текучей среде, зона 10 коксования содержит плотную фазу псевдоожиженного слоя 11 нагретых затравочных частиц кокса, в которую вводят подаваемое вещество, нагретое до температуры, достаточной для начала реакций коксования (термического крекинга) и осаждения свежего слоя кокса на горячие псевдоожиженные частицы кокса, циркулирующие в слое. Зона коксования имеет форму усеченного конуса с небольшим наклоном с наибольшим сечением в верхней части так, что газ замедляется при движении к верху реакторного сосуда, при этом верхняя часть сосуда обычно имеет цилиндрическую форму. Обычно подаваемое вещество предварительно нагревают путем контакта с паровой фазой крекинга, проходящей через скруббер, как описано ниже. Подаваемое вещество вводят через множество сопел, расположенных в загрузочных кольцах 12a-12f, которые расположены так, чтобы подаваемое вещество с паром для распыления поступало непосредственно в плотный псевдоожиженный слой горячих частиц кокса в зоне 11 коксования. Каждое загрузочное кольцо состоит из набора сопел (обычно 10-20, не показанных на Фиг.1), которые расположены по круговому периметру стенки реактора на заданной высоте, при этом каждое сопло в кольце соединено со своей линией подачи, которая проходит через оболочку сосуда (то есть через 10-20 трубопроводов, проходящих в псевдоожиженный слой). Эти впускные сопла обычно расположены несимметрично вокруг реактора, чтобы оптимизировать режимы течения в реакторе согласно исследованиям с помощью моделирования, хотя не исключено симметричное расположение сопел, если таким образом можно оптимизировать режимы течения в реакторе. Обычно присутствуют 4-6 загрузочных колец, расположенных на различных высотах, хотя не все они могут быть задействованы в одно и то же время при работе установки.
В качестве псевдоожижающего газа в секции 13 десорбции в основании реактора 10 коксования принимают пар, поступающий через разбрызгиватели 14, расположенные непосредственно под щитками 15 десорбера, а также из нижних впускных отверстий 16. Пар проходит вверх в зону 13 десорбции реактора коксования в количестве, достаточном для получения поверхностной скорости псевдоожижения в зоне коксования, обычно составляющей примерно от 0,15 до 1,5 м/с (примерно от 0,5 до 5 фут/с). Зону коксования обычно поддерживают при температурах от 450 до 650°С (примерно от 840 до 1200°F) и давлении примерно от 0 до 1000 кПа изб. (примерно от 0 до 145 фунтов на кв. дюйм изб.), предпочтительно примерно от 30 до 300 кПа изб. (примерно от 5 до 45 фунтов на кв. дюйм изб.), что приводит к характерным продуктам превращения, которые включают газообразную фракцию и кокс, который осажден на поверхности затравочных частиц кокса.
Газообразные продукты реакций крекинга с увлеченными частицами кокса проходят вверх из плотной фазы реакционной зоны 11 через зону фазового перехода в верхней части 17 сосуда и, наконец, разбавленную фазу реакционной зоны на выпускных отверстиях циклонов 20 (показаны только два, один обозначен). Частицы кокса, отделенные от газообразных продуктов коксования в циклоне, возвращают в псевдоожиженный слой частиц кокса через опускную трубу(ы) 21 циклона, при этом газообразные продукты выходят через газовое выпускное отверстие(я) 22 циклонов в секцию мокрой очистки газа реактора (не показана). После прохождения через секцию мокрой очистки газа, которая оборудована очистными щитками, в которых поднимающиеся газообразные продукты непосредственно контактируют с потоком свежего подаваемого вещества, чтобы конденсировать высококипящие углеводороды в выходящем из реактора потоке (обычно 525°C+/975°F+) и направить их вместе со свежим подаваемым веществом в реактор, газообразные продукты, выходящие из скруббера, затем проходят во фракционирующую колонну (не показана). Во фракционирующей колонне продукты превращения разделяют на фракции легких потоков, таких как лигроин, потоков с промежуточной температурой кипения, таких как легкий газойль, и тяжелых потоков, включающих кубовый продукт.
Из частиц кокса, которые проходят вниз из плотного слоя 11 в секцию 13 десорбера, частично десорбируют абсорбированные углеводороды в десорбере, используя десорбирующий газ, обычно пар, который поступает через разбрызгиватели 14 и впускные отверстия 15 для десорбирующего пара. Подвергшиеся десорбции частицы кокса проходят через трубопровод 25 в нагреватель (не показан), который функционирует при температуре, превышающей действительную рабочую температуру зоны коксования на величину, составляющую примерно от 40°С до 200°С, предпочтительно примерно от 65°С до 175°С, и наиболее предпочтительно примерно от 65°С до 120°С. Часть подвергшегося десорбции кокса, который не сожгли для удовлетворения тепловых требований зоны коксования, направляют рециклом в зону коксования через линию 26 возвращения кокса, выводя из линии 26 возвращения через колпак 27 для поступления в реактор вблизи верхней части реакционной зоны; остающуюся часть выводят из нагревателя в виде коксового продукта. Колпак наверху линии возвращения кокса обычно включает круглое кольцо, укрепленное на открытой верхней части линии возвращения с плоской круговой покрывающей плитой, центрированной по оси линии и круглого кольца и укрепленной на той же крестообразной структуре, которая поддерживает круглое кольцо. В предпочтительном варианте обеспечивают меньший поток горячего кокса из нагревателя, который нужно принять из второй линии 28 возвращения выше в реакторе 10 в точке в разбавленной фазе, где он весь увлекается во впускное отверстие(я) циклона в виде очищенного кокса для минимизирования закоксовывания циклонов реактора и связанного с этим увеличения падения давления. Если установка представляет собой установку Flexicoking, за нагревателем следует секция газогенератора с соединениями по потоку для кокса, возвратного кокса и газовых потоков, выполненными обычным образом.
Тяжелое нефтяное сырье, которое можно обрабатывать в способе коксования в текучей среде, включает тяжелые углеводородные масла, тяжелую и слабо крекированную нефть, остатки атмосферной перегонки нефти, остатки вакуумной перегонки нефти, или мазут, деготь, асфальт, битум, другие тяжелые углеводородные остатки, нефть из нефтеносных песков, нефть из битуминозных сланцев, уголь, угольные суспензии, жидкие продукты, полученные из способов сжижения угля, включая остатки после перегонки сжиженного угля, и их смеси. Такое сырье обычно имеет содержание коксового остатка по Конрадсону (ASTM D189-06e2) по меньшей мере примерно 5 масс.%, обычно примерно от 5 до 50 масс.%. Предпочтительным сырьем является остаток вакуумной дистилляции нефти (кубовые остатки).
Как показано на Фиг.1, перегородки 30 на опорах, проходящие радиально внутрь и вниз от их верхних краев, которые присоединены к стенкам реактора, в основном имеют коническую форму с центральным круговым отверстием для обеспечения течения вниз частиц кокса и течения вверх газообразных продуктов, и разделяют реактор на верхнюю зону подаваемого вещества и нижнюю зону сушки, минимизируя таким образом перепуск влажного твердого вещества в расположенную ниже зону десорбции. Перегородки предпочтительно располагают под углом от 30 до 60° вниз от горизонтали. Стандартная величина угла для перегородок составляет 45° вниз от горизонтали. Каждая перегородка обычно покрывает кольцевую площадь сечения потока, составляющую от 10 до 70%, предпочтительно от 20 до 60%, например, примерно 50% общего поперечного сечения реактора на ее высоте в реакторе (в случае конической формы реактора, показанного на Фиг.1, площадь поперечного сечения для вычисления можно представить как среднее значение площади на высоте верхнего и нижнего краев перегородки). Для получения наилучших результатов множество перегородок располагают на разных высотах в плотном слое реактора выше основания реактора, с одиночной перегородкой, расположенной между следующими друг за другом загрузочными кольцами. Обычно, если используют расположение на различных высотах в реакторе, количество высот составляет по меньшей мере две или три, хотя, если высота реактора является соответствующей, можно использовать даже четыре или более высот. В реакторе, имеющем, например, шесть загрузочных колец, перегородки могут быть расположены ниже колец 2, 4 и 6 (загрузочные кольца пронумерованы сверху вниз). Самую низшую перегородку, в любом случае, предпочтительно располагают ниже самого нижнего загрузочного кольца, как показано на Фиг.1, и последующие перегородки располагают между парами загрузочных колец на более высоких уровнях. В одном конкретном воплощении реактора одну перегородку располагают ниже самого низкого ряда действующих впускных сопел. Большую часть (по меньшей мере 50% и предпочтительно по меньшей мере 30%) подаваемого вещества предпочтительно вводят на промежуточных уровнях плотного слоя, например, в реакторе с шестью загрузочными кольцами в кольца 2, 3 и 4 (сверху вниз). Пар, предназначенный для истирания частиц, направляют через разбрызгиватель 15 ниже придонной перегородки, чтобы регулировать средний размер частиц циркулирующего кокса.
Каждая перегородка обычно составлена из сегментов, каждый из которых состоит из сегментной искривленной пластины, которая смонтирована на опорах, приваренных к оболочке реактора, при этом промежутки между отдельными сегментами закрыты так, чтобы образовывать непрерывную поверхность, имеющую форму усеченного конуса, проходящую от стенки реакторного сосуда внутрь в радиальном положении, определяя круг, который имеет площадь, предпочтительно равную приблизительно 50% от площади поперечного сечения сосуда (то есть диаметр, равный приблизительно 70% диаметра реактора на данном уровне). Если вычислительная гидрогазодинамика (ВГГД) или другие исследования показывают, что в конкретном реакторе большую или меньшую часть поперечного сечения реактора нужно занять перегородкой, например, 30% или 60% от площади поперечного сечения реактора, размер центрального отверстия нужно настроить соответствующим образом. В каждом случае исследования ВГГД можно использовать, чтобы оптимизировать размер перегородки относительно диаметра реактора и наклона перегородок. Каждая пластина проходит внутрь и вниз от стенки сосуда под выбранным углом к горизонтали, например, 45°С.
Чтобы способствовать сушке частиц кокса, может потребоваться кромка на внутреннем периметре перегородки. Она имеет форму, расширяющуюся внутри к низу и, предпочтительно, плавно соединяющуюся с наклоняющейся вниз поверхностью перегородки. Это расширение может быть направлено горизонтально или вверх, но обычно с наклоном вверх не более примерно 30°, так, чтобы не создавать каких-либо полостей, в которых может накапливаться кокс.
Было обнаружено, что накопление влажных твердых веществ на внутренних элементах десорбера является основной стадией в образовании загрязняющего твердого кокса: жидкость на твердых веществах образует мостики, которые связывают группы частиц друг с другом и с внутренними элементами реактора. Со временем газообразные углеводороды проникают в пустоты между связанными частицами и термически реагируют с образованием осажденных слоев твердого кокса. Осушенные твердые вещества связываются менее сильно и накапливаются менее быстро. Следовательно, основным критерием вероятного образования загрязнения является влажность твердых веществ, которые поступают в десорбер. Исследования ВГГД показали, что долю влажного кокса, которая проходит в десорбер, можно дополнительно уменьшить, включая в перегородки опускные трубы. Фактически опускные трубы действуют для перераспределения потока опускающихся твердых веществ по направлению к периметру реактора и, таким образом, подавляют каналирование в направлении центральной оси реактора, при этом они также обеспечивают прохождение пара вверх близко к периметру реактора, подвергая частицы кокса воздействию воздуха и уменьшая образование загрязнения на перегородках. В этой конфигурации, показанной в примерной форме на Фиг.2, перегородка 40 предпочтительно включает множество опускных труб 41 (обозначена только одна), которые обычно расположены равномерно вокруг перегородки между ее верхним внешним периметром 42 и ее нижней внутренней гранью 43 (не видной на Фиг.2, но показанной на Фиг.3). Обычно центр каждой опускной трубы расположен в положении между 20 и 80, предпочтительно от 40 до 60, например, 50 процентов от расстояния между внешним периметром перегородки и ее нижней внутренней гранью. Каждая опускная труба 41 обычно имеет форму вертикальной трубки, обеспечивая прохождение через перегородку потока опускающихся твердых веществ. Верхняя часть опускной трубы может иметь такой наклон, как показан на Фиг.3, чтобы он находился вровень с верхней поверхностью перегородки, обеспечивая прохождение частиц кокса вниз над поверхностью перегородки для более быстрого поступления в опускную трубу 41. Альтернативно, опускные трубы могут проходить вверх выше поверхности перегородки, как показано на Фиг.4, и оканчиваться в горизонтальной плоскости выше верхней поверхности перегородки. Опускная труба обычно проходит вниз от перегородки приблизительно до той высоты в реакторе, на которой оканчивается внутренняя грань перегородки, предпочтительно в пределах примерно 15 см (6 дюймов), например, примерно 75 мм (3 дюйма), выше или ниже этой высоты. Диаметр отдельных опускных труб обычно находится в диапазоне от примерно 10% до 70% от расстояния по горизонтали от стенки сосуда до внутренней грани перегородки (измеренного, исходя из нисходящей проекции граней перегородки и опускных труб, а не вдоль наклонной поверхности перегородки). В большинстве случаев диаметр отдельных опускных труб составляет от 15 до 50%, предпочтительно от 25 до 50% от расстояния по горизонтали от стенки сосуда до внутренней грани перегородки, например, примерно 40% от данного расстояния. Полная площадь опускных труб обычно составляет примерно от 10 до 50 процентов от площади отдельной перегородки и, в большинстве случаев, от 15 до 30 процентов, например, примерно 20 процентов от площади отдельной перегородки. Диаметр и длина опускных труб изменяются в зависимости от размера установки, обычно диаметр опускных труб составляет примерно от 25 до 120 см (примерно от 10 до 48 дюймов) и в большинстве случаев примерно от 60 до 100 см (примерно от 24 до 40 дюймов) в установках с диаметром примерно от 10 до 12 метров на рассматриваемой высоте перегородки, с длинами, составляющими приблизительно от 60 до 150 см (примерно от 24 до 59 дюймов), в большинстве случаев примерно от 85 до 130 см (примерно от 33 до 51 дюйма) для установок такого же диаметра, с размерами, подлежащими настройке для установок с другими размерами. Нижний конец опускных труб предпочтительно расположен приблизительно на уровне нижней грани 43 перегородки, так, чтобы приносить опускающийся поток частиц кокса в область турбулентного потока ниже застойной области между нижней частью перегородки и стенкой реактора.
В качестве альтернативы опускным трубам перегородку можно снабдить расположенными в ней отверстиями, обычно круглыми, хотя эллиптические отверстия или щели также приводят к такому же эффекту.
Примеры 1-4
Были выполнены моделирования с использованием расчетной модели вычислительной гидрогазодинамики (ВГГД) псевдоожиженного слоя в реакторе Flexicoking. В результатах, показанных в таблице 1, сравнивают среднее по времени значение потока жидкости на увлажненных твердых веществах, усредненное по поперечному сечению десорбера (в верхней части десорбера) для псевдоожиженного слоя без конической перегородки и для трех воплощений псевдоожиженных слоев с коническими перегородками. Также в Таблице 1 показаны стандартные отклонения для среднего по времени значения потока. Все потоки нормализованы по отношению к количеству жидкости на увлажненных твердых веществах, определенному на примере, в котором отсутствует коническая перегородка.
| Таблица 1 | |||
| Пример | Внутренняя конфигурация реактора | Нормализованный поток твердых веществ, взвешенная средняя концентрация жидкости на твердом веществе | Отклонение от среднего |
| 1 | Отсутствует коническая перегородка | 1,00 | ±0,25 |
| 2 | Одна коническая перегородка, отсутствует опускная труба | 0,83 | ±0,14 |
| 3 | Две конические перегородки, отсутствует опускная труба | 0,62 | ±0,07 |
| 4 | Одна коническая перегородка, 22 опускных трубы | 0,70 | ±0,07 |
Сравнение примера 1 с примерами 2, 3 и 4 показывает, что наличие одной или более перегородок с опускными трубами или без них уменьшает вероятность образования загрязнения в десорбере. Сравнение примеров 2 и 3 показывает, что увеличение числа перегородок уменьшает вероятность загрязнения внутренних частей десорбера. Примеры 2 и 4 показывают, что опускные трубы улучшают рабочую характеристику перегородки.
Примеры 5-6
Для дополнительной оценки воздействия конических перегородок в установке коксования в псевдоожиженном слое, разработали модель для оценки изменений в выходах установки (кокс, жидкости), вызванных перегородками. В модели используют результаты для вариантов с одной и двумя перегородками для определения сдвигов выходов. Результаты в Таблице 2 показывают изменения в выходе жидких продуктов C5+ и в выходе кокса по сравнению с основным вариантом реактора, функционирующим без конической перегородки.
| Таблица 2 | ||
| Конфигурация реактора | Изменение в выходе жидких продуктов Cs+ по отношению к основному варианту, масс.% |
Изменение в выходе кокса по отношению к основному варианту, масс.% |
| Одна перегородка с опускными трубами | 1,0 | -1,5 |
| Две перегородки с опускными трубами | 0,2 | -1,0 |
Обе конфигурации реактора с присутствующими перегородками показывают улучшение в выходах жидких продуктов и уменьшение образования кокса. Эти сдвиги выходов представляют собой улучшение, вызванное конструкцией перегородки. Одиночная перегородка за счет ее расположения в реакторе показывает более высокие улучшения выходов жидких продуктов в установках и лучшее уменьшение образования кокса, чем вариант с двумя перегородками. Причина состоит в том, что расположение второй перегородки по отношению к впускным соплам может негативно влиять на температуру реактора и, таким образом, уменьшать эффект размещения на опорах, однако, при этом все еще достигают улучшения по отношению к основному варианту.
1. Реактор коксования в текучей среде, который включает реакционную секцию с плотным слоем, представляющую собой круг в горизонтальном сечении относительно вертикальной оси, ограниченный стенкой реактора, в которой тяжелую нефть подвергают термическому крекингу с образованием твердого кокса и газообразных продуктов крекинга, при этом реактор имеет:
область основания, в которую вводят псевдоожижающий газ для псевдоожижения слоя мелкоизмельченных твердых частиц кокса в реакционной секции с плотным слоем,
множество колец впускных отверстий для тяжелой нефти, расположенных по периметру стенки реактора в реакционной секции и на разных высотах над областью основания,
верхнюю область, в которой газ и мелкоизмельченные частицы кокса выходят из реакционной секции,
множество перегородок, имеющих форму усеченного конуса, расположенных на различных высотах в реакционной секции с плотным слоем выше области основания реактора, причем каждая перегородка расположена между последовательной парой колец впускных отверстий для тяжелой нефти и отходит от ее верхнего края у стенки реактора, проходя вниз и радиально внутрь от стенки реактора до нижнего, внутреннего края, определяющего центральное отверстие.
2. Реактор по п.1, в котором каждая перегородка отходит от стенки реактора под углом от 30° до 60° от горизонтали.
3. Реактор по п.1, в котором каждая перегородка отходит от стенки реактора под углом от 40° до 50° от горизонтали.
4. Реактор по п.1, в котором каждая перегородка покрывает кольцевую площадь сечения потока, составляющую от 10 до 70% общего поперечного сечения реактора на средней высоте в реакторе между верхним и нижним краями перегородки.
5. Реактор по п.4, в котором каждая перегородка покрывает кольцевую площадь сечения потока, составляющую от 20 до 60% общего поперечного сечения реактора на средней высоте в реакторе между верхним и нижним краями перегородки.
6. Реактор по п.5, в котором каждая перегородка покрывает кольцевую площадь сечения потока, составляющую от 25 до 40% общего поперечного сечения реактора на средней высоте в реакторе между верхним и нижним краями перегородки.
7. Реактор по п.1, в котором реакционная секция с плотным слоем имеет форму усеченного конуса с большим поперечным сечением сверху.
8. Реактор по п.1, в котором каждая перегородка имеет множество отверстий в ней для обеспечения нисходящего потока твердых частиц и восходящего потока газа.
9. Реактор по п.1, в котором каждая перегородка включает множество опускных труб для обеспечения нисходящего потока твердых частиц и восходящего потока газа, причем опускные трубы расположены равномерно по перегородке.
10. Реактор по п.1, который включает множество циклонов в верхней области, причем каждый имеет (1) впускное отверстие циклона для потока выходящего газа и частиц кокса, (2) выпускное отверстие для газа циклона в изолированной области повышенного давления выше реакционной секции и (3) опускную трубу циклона для возвращения частиц кокса, отделенных от газа в циклоне.
11. Реактор по п.1, который включает секцию десорбции в области основания реактора, причем секция десорбции включает щитки десорбера и разбрызгиватели десорбирующего пара.
12. Реактор по п.1, в котором каждая перегородка имеет расширяющуюся внутрь кромку на внутреннем крае перегородки.
13. Реактор коксования в текучей среде, который включает:
(i) реакционную секцию с плотным слоем, ограниченную стенкой реактора, имеющую форму круга в горизонтальном поперечном сечении относительно вертикальной оси и форму усеченного конуса с большим поперечным сечением сверху, в котором подаваемую тяжелую нефть подвергают термическому крекингу с образованием твердого кокса и газообразных продуктов крекинга,
(ii) область основания ниже реакционной секции с плотным слоем, в которую подают псевдоожижающий газ для псевдоожижения слоя мелкоизмельченных твердых частиц кокса в реакционной секции с плотным слоем,
(iii) множество колец впускных отверстий для тяжелой нефти, расположенных по периметру стенки реактора в реакционной секции с плотным слоем и на разных высотах над областью основания,
(iv) область повышенного давления выше реакционной секции с плотным слоем, отделенную от реакционной секции с плотным слоем,
(v) множество циклонов в верхней части реактора, каждый из которых имеет впускное отверстие в циклон для потока газа и частиц кокса, выходящих из реакционной секции, выпускное отверстие для газов циклона, выходящих в секцию высокого давления выше реакционной секции, и опускную трубу циклона для возвращения частиц кокса, отделенных от газа в циклоне, в реакционную секцию с плотным слоем,
(vi) секцию десорбции в области основания реактора, включающую щитки десорбера и разбрызгиватели десорбирующего пара,
(vii) множество перегородок, имеющих форму усеченного конуса и расположенных на различных высотах в реакционной секции с плотным слоем выше области основания реактора, причем каждая перегородка расположена между последовательной парой колец впускных отверстий для тяжелой нефти, и каждая перегородка имеет центральное отверстие и отходит от ее верхнего края у стенки реактора, проходя вниз и радиально внутрь от стенки реактора до нижнего, внутреннего края, определяющего центральное отверстие.
14. Реактор по п.13, в котором каждая перегородка отходит от стенки реактора под углом от 30° до 60° от горизонтали.
15. Реактор по п.13, в котором каждая перегородка покрывает кольцевую площадь сечения потока, составляющую от 10 до 70% общего поперечного сечения реактора на средней высоте в реакторе между верхним и нижним краями перегородки.
16. Реактор по п.13, в котором каждая перегородка включает множество опускных труб для обеспечения нисходящего потока твердых частиц и восходящего потока газа, причем опускные трубы расположены равномерно по перегородке.
17. Реактор по п.13, в котором каждая перегородка имеет расширяющуюся внутрь кромку на внутреннем крае перегородки.
