УСТРОЙСТВО, СОДЕРЖАЩЕЕ БОКОВЫЕ ИНЖЕКТОРЫ ЖИДКОСТИ, ДЛЯ ОГРАНИЧЕНИЯ ПРОЦЕССОВ ОТЛОЖЕНИЯ ТВЕРДОГО ОСАДКА В ОБОРУДОВАНИИ С КОНИЧЕСКИМ ДНОМ
DEVICE CONTAINING SIDE LIQUID INJECTORS FOR LIMITATION OF PROCESSES OF SOLID PRECIPITATE DEPOSITION IN EQUIPMENT WITH CONICAL BOTTOM

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области уменьшения отложений осадков или нестабильных или нерастворимых молекул в оборудовании для разделения и перегонки, предпочтительно с коническим дном, которое установлено после процессов рафинирования, обрабатывающих тяжелые или загрязненные продукты. Изобретение применимо, без ограничений, к процессам, в которых образуются жидкости, способные загрязнять оборудование, таким как висбрекинг, гидрокрекинг в кипящем слое, каталитический крекинг, замедленное коксование при переработке нефтепродуктов, а также к процессам ожижения угля и обработки биомассы.
Уровень техники
Уменьшение отложений, загрязняющих оборудование, является большой проблемой в установках обработки или конверсии углеводородного сырья, в частности, тяжелого сырья. Действительно, загрязнение оборудования требует остановки установки и ее демонтажа для проведения очистки. В частности, в установках конверсии углеводородного сырья в кипящем слое загрязнение стенок и дна сепарационного оборудования может быть вызвано частицами, происходящими из асфальтенов, которые флоккулируют с образованием твердых отложений, молекулами, адсорбирующимися на стенках, частицами кокса, катализаторной пылью, сульфидами металлов на основе никеля, железа и/или ванадия или, в более общем смысле, любыми твердыми веществами, содержащимися в обрабатываемом углеводородном сырье.
Патентная заявка US4534851A описывает способ введения жидкого углеводородного сырья в линию переноса к реакционной зоне, включающий введение пара и углеводородного сырья в форме восходящего потока с раздельными концентрическими потоками, причем поток углеводородного сырья является внутренним потоком, а поток пара является кольцевым потоком; и направление части пара к внутренним стенкам указанной линии переноса, тогда как остальной пар и углеводородное сырье выводятся из реакционной зоны в направлении, параллельном продольной оси.
Однако эта заявка не описывает устройство, позволяющее уменьшить застойные зоны благодаря возврату жидких углеводородов или введению внешней подпиточной жидкости одновременно как внутрь усеченно-конической части, так и внутрь цилиндрической части оборудования.
Сущность изобретения
Изобретение относится к устройству для нисходящего течения жидких углеводородов, содержащему твердые частицы на дне оборудования (1), имеющему верхнюю цилиндрическую часть (11) диаметром D1, нижнюю усеченно-коническую часть (12) с углом наклона α от 5° до 85° относительно вертикальной оси (z) указанной верхней цилиндрической части, линию выпуска (9) диаметром D2, отличающееся тем, что оно содержит:
- по меньшей мере один инжектор (5) для ввода рециркулирующей и/или подпиточной жидкости в усеченно-коническую часть (12) оборудования (1);
- по меньшей мере один инжектор (6) для ввода рециркулирующей и/или подпиточной жидкости в цилиндрическую часть (11) оборудования (1);
причем указанный инжектор или инжекторы (5), находящиеся в указанной усеченно-конической части, наклонены относительно стенки нижней усеченно-конической части под углом β1 в вертикальной плоскости (xz) и под углом β2 в горизонтальной плоскости (xy); а указанные инжектор или инжекторы (6), находящиеся в указанной цилиндрической части, наклонены относительно стенки верхней цилиндрической части под углом θ1 в вертикальной плоскости (xz) и под углом θ2 в горизонтальной плоскости (xy), причем углы β1 и θ1 составляют от 5° до 175°, а углы β2 и θ2 составляют от 90° до 270°.
Предпочтительно, устройство согласно изобретению содержит линию рециркуляции (4) части жидкости, выходящей из указанной линии выпуска (9), причем указанная линия рециркуляции (4) подает возвращаемую жидкость в по меньшей мере один из указанных инжекторов (5) или (6).
Устройство согласно изобретению может содержать линию подпитки (10) для подачи подпиточной жидкости в по меньшей мере один из указанных инжекторов (5) или (6).
Указанные инжекторы могут быть распределены на горизонтальных слоях (7) в усеченно-конической части и на горизонтальных слоях (8) в цилиндрической части, соответственно.
Предпочтительно, соотношение D1/D2 между диаметром D1 цилиндрической части и диаметром D2 линии выпуска на дне усеченно-конической части составляет от 1,1 до 1000, предпочтительно от 2 до 500 и предпочтительно от 3 до 100.
Предпочтительно, угол α составляет от 10° до 70°, предпочтительно от 15° до 60° и очень предпочтительно от 30° до 50°.
Предпочтительно, углы β1 и θ1 составляют от 10° до 150°, очень предпочтительно от 15° до 120°, более предпочтительно от 15° до 90° и еще более предпочтительно от 20° до 60°.
Предпочтительно, углы β2 и θ2 составляют от 90° до 180°.
Очень предпочтительно, углы β2 и θ2 равны 90°.
Предпочтительно, диаметр D1 составляет от 0,1 м до 30 м, предпочтительно от 0,5 м до 20 м и очень предпочтительно от 1 м до 10 м.
Предпочтительно, высота H между двумя горизонтальными слоями составляет от 0,01 м до 10 м, предпочтительно от 0,05 м до 5 м и очень предпочтительно от 0,1 м до 1 м.
Предпочтительно, число инжекторов N на слой составляет от 1 до 30.
Предпочтительно, число инжекторов на слой составляет от 2 до 20, причем указанные инжекторы в пределах одного слоя отделены на угол δ, равный 360/N, где N означает число инжекторов на слой.
Очень предпочтительно, число инжекторов на слой составляет от 2 до 10, еще более предпочтительно от 2 до 6.
Предпочтительно, оборудование (1) представляет собой средство газожидкостного разделения, позволяющее обрабатывать углеводородное сырье.
Изобретение относится также к способу конверсии углеводородного сырья с применением указанного устройства.
Предпочтительно, указанный способ включает стадию гидроконверсии в кипящем слое для сырья, углеводородные фракции, по меньшей мере 50 вес.% которых имеют температуру кипения выше 300°C.
Скорость жидкости V, вводимой через указанные инжекторы, составляет от 0,05 м/сек до 40 м/сек, предпочтительно от 0,1 м/сек до 30 м/сек и очень предпочтительно от 0,5 м/сек до 10 м/сек.
Доля инжекции жидкости, вводимой через инжекторы (5) и (6), от жидкости, циркулирующей в оборудовании (1), предпочтительно составляет от 1% до 400%, предпочтительно от 5% до 100%, очень предпочтительно от 10% до 60% и еще более предпочтительно от 20 до 50%.
Краткое описание фигур
Другие характеристики и преимущества устройства согласно изобретению выявятся при прочтении нижеследующего описания неограничивающих примеров осуществления, обращающегося к приложенным фигурам, описанным ниже.
Фиг. 1:
показывает принципиальную схему устройства согласно изобретению.
Фиг. 2:
иллюстрирует реализацию инжекторов для введения рециркулирующих жидких углеводородов и/или подпиточной жидкости внутрь цилиндрической и усеченно-конической частей оборудования.
Фиг. 3:
иллюстрирует устройство согласно изобретению и осуществление множества боковых инжекторов для введения жидкости в цилиндрическую и усеченно-коническую части оборудования, в виде спереди и виде сверху: (3A) множество инжекторов (6) в цилиндрической части оборудования 1; (3B) множество инжекторов (5) в усеченно-конической части оборудования 1.
Фиг. 4:
(4A: изометрическая проекция, 4B: вид сверху) показывает для конфигурации, не содержащей инжекторов, части оборудования, где объемная доля твердой фазы превышает 0,1 об.%. Эти зоны являются зонами аккумулирования твердых частиц.
Фиг. 5:
показывает для конфигурации, содержащей инжекторы, части оборудования, где объемная доля твердой фазы превышает 0,1 об.%.
Подробное описание изобретения
Вообще говоря, изобретение применимо к любому оборудованию, в котором циркулируют жидкие углеводороды и в котором существует возможность застоя и скопления твердых частиц на дне оборудования. Более конкретно, устройство согласно изобретению находится в нижней части колонны атмосферной или вакуумной дистилляции, разделительного резервуара или любого другого устройства газожидкостного разделения, позволяющего обрабатывать углеводородное сырье.
Далее в тексте "инжектором" будет называться любое средство, известное специалисту, позволяющее ввести жидкость от стенки оборудования внутрь, причем указанное средство питается от по меньшей мере одной линии переноса жидкости.
Фиг. 1 показывает принципиальную схему изобретения.
Изобретение реализовано в оборудовании (1) с коническим дном, то есть содержащем верхнюю цилиндрическую часть (11) и нижнюю усеченно-коническую часть (12), где загрязняющие жидкие углеводороды (2) (то есть жидкость, содержащая твердые частицы или соединения, способные выпадать хлопьями или адсорбироваться на стенке) течет в нисходящем потоке от верха оборудования и выходит по выпускной линии (9). Усеченно-коническая форма, как хорошо известно специалисту, минимизирует отложения на дне, облегчая сток твердых веществ к выпускной линии под действием силы тяжести. Чтобы уменьшить образование отложений на стенке и на дне оборудования, устройство содержит боковые инжекторы для введения рециркулирующей и/или подпиточной жидкости: инжекторы (5) в усеченно-конической части и инжекторы (6) в цилиндрической части. Эти инжекторы могут быть распределены на стенке горизонтальными слоями в усеченно-конической части (7) и горизонтальными слоями в цилиндрической части (8). Выходящий жидкий поток выводится из оборудования по отводящей линии (3).
В первом варианте осуществления изобретения подпиточная линия (10) подает жидкость (которая может быть жидким флюсом) к боковым инжекторам (5) и (6), расположенным в усеченно-конической части и в цилиндрической части, чтобы уменьшить застойные зоны в оборудовании (1) и ограничить отложения твердых частиц на стенки. В качестве подпиточной жидкости подходит любая фракция, точка кипения которой больше или равна точке кипения жидких углеводородов, подаваемых в оборудование (1), например, поток с каталитического крекинга (HCO), легкий рецикловый газойль (LCO) или любая другая фракция: вакуумный газойль (VGO), атмосферные остатки (AR), вакуумные остатки (VR), деасфальтирванное масло (DAO), ароматический экстракт. В этом варианте осуществления расход жидкости, выходящий по отводящей линии (3), равен сумме расхода жидких углеводородов (2), циркулирующих в оборудовании, и расхода подпиточной жидкости, вводимой в подпиточную линию (10). Подпиточная жидкость, введенная через подпиточную линию (10), позволяет уменьшить застойные зоны, создавая турбулентность в оборудовании (1), чтобы ограничить отложения твердых частиц на стенках. Указанная введенная подпиточная жидкость может также играть роль флюса в случае, когда выбранная жидкость является ароматическим основанием.
Согласно другому варианту осуществления изобретения, часть жидких углеводородов, выходящих из оборудования (1), можно вернуть в цикл для подачи в боковые инжекторы (5) и (6). В этом варианте осуществления расход жидкости, выходящей через отводящую линию (3), равен расходу жидких углеводородов (2). Жидкость, возвращаемая по линии рециркуляции (4), позволяет уменьшить застойные зоны в оборудовании (1), создавая турбулентность, чтобы ограничить отложения твердых частиц на стенках.
Согласно последнему варианту осуществления изобретения, жидкость, вводимая в боковые инжекторы (5) и (6), может происходить одновременно из линии рециркуляции (4) и линии (10) для подпиточной жидкости. В этом варианте осуществления расход жидкости, выходящей через отводящую линию (3), равен сумме расхода жидких углеводородов, циркулирующих в оборудовании, называемых загрязняющей жидкостью (2), и расхода подпиточной жидкости, вводимой в подпиточную линию (10). Жидкость, введенная через подпиточную линию (10) и через линию рециркуляции (4), позволяет уменьшить застойные зоны, создавая турбулентность в оборудовании (1), чтобы ограничить отложения твердых частиц на стенках, и может также играть роль флюса, как описано выше.
Таким образом, жидкость, вводимая через боковые инжекторы (5) и (6), может быть рециркулирующей жидкостью из оборудования (1) и/или подпиточной жидкостью, то есть жидкостью из источника, внешнего для оборудования (1).
Определим долю инжекции жидкости, вводимой через боковые инжекторы (5) и (6), как отношение суммы расхода жидкости в линии рециркуляции (4) и расхода жидкости в подпиточной линии (10) к расходу жидких углеводородов, циркулирующих в оборудовании, т.е. загрязняющей жидкости (2).
Сырье, входящее в устройство, может содержать любой тип соединений, происходящих из потока, выходящего с процесса гидроконверсии, например, с установки в кипящем слое H-OIL™, а также любой тип соединений, поступающих с процесса гидроконверсии в суспендированном слое, процесса гидроочистки в неподвижном слое, в движущемся слое, псевдоожиженном слое, поток с каталитического крекинга (FCC), потоки с процессов термической конверсии, таких как коксование, висбрекинг, и с любого другого процесса разделения, как например, деасфальтирование растворителем.
Твердые частицы могут представлять собой осажденные асфальтены, пыль (обычно диаметром меньше 500 микрон) от катализатора на подложке или без подложки или частицы кокса, сульфидов металлов, таких как никель, ванадий, железо, молибден.
Течение в устройстве является нисходящим, и устройство согласно изобретению может применяться внизу колонны вакуумной дистилляции, или внизу колонны атмосферной дистилляции, или внизу любого газожидкостного сепаратора.
Фиг. 2 показывает разные типы боковых инжекторов для возвращаемой части жидкости или для подпиточной жидкости.
Оборудование 1, которое может представлять собой, например, дистилляционную колонну или сепаратор, имеет верхнюю цилиндрическую часть (11) диаметром D1, нижнюю усеченно-коническую часть (12), выпускную линию (9), находящуюся внизу оборудования, по которой выходят жидкие углеводороды, диаметром D2. Усеченно-коническая часть (12) (называемая также коническим дном) имеет угол наклона α относительно вертикальной стенки цилиндрической части, принятой за ось z. Определим два типа инжекторов для введения жидкости (подпиточной или рециркулирующей):
- инжекторы (5) в усеченно-конической части оборудования (1),
- инжекторы (6) в цилиндрической части оборудования (1).
Инжекторы (5), находящиеся в усеченно-конической части (12), наклонены относительно стенки конического дна под углом β1 в вертикальной плоскости (xz) и под углом β2 в горизонтальной плоскости (xy), при этом x означает горизонтальную ось, z означает вертикальную ось цилиндрической части, перпендикулярную горизонтальной плоскости (xy).
Инжекторы (6), находящиеся в цилиндрической части (11), наклонены относительно стенки цилиндрического корпуса под углом θ1 в вертикальной плоскости (xz) и под углом θ2 в горизонтальной плоскости (xy).
Инжекторы предпочтительно ориентированы в одном и том же направлении вращения в горизонтальной плоскости (xy) и предпочтительно расположены в жидкостной зоне внизу колонны.
На фигуре 3A показано осуществление множества инжекторов (6) в цилиндрической части (11) оборудования (1), а на фигуре 3B показано осуществление множества инжекторов (5) в усеченно-конической части (12) оборудования (1).
Размещение инжекторов у стенки оборудования осуществляют горизонтальными слоями (8) в плоскости (xy) для инжекторов (6) в цилиндрической части (11) и горизонтальными слоями (7) для инжекторов (5) в усеченно-конической части (12). Каждый слой (7) инжекторов в усеченно-конической части (12) и (8) в цилиндрической части (11) содержит соответственно N инжекторов (5) или (6), расположенных на одной высоте по оси (z). На фигуре 3 N равно 2. Слои отделены друг от друга на высоту H. В пределах одного слоя каждый инжектор отделен от следующего на угол δ, равный 360/N, в плоскости (xy). Как показано на фигуре 3, один слой инжекторов может быть смещен относительно другого слоя инжекторов на угол γ в плоскости (xy).
Число слоев в каждой из усеченно-конической или цилиндрической части предпочтительно составляет от 1 до 20, предпочтительно от 1 до 10 и предпочтительно от 1 до 6.
Скорость V жидкости, вводимой в боковые нагнетательные линии (5) и (6), предпочтительно составляет от 0,05 м/сек до 40 м/сек, предпочтительно от 0,1 м/сек до 30 м/сек и очень предпочтительно от 0,5 м/сек до 10 м/сек. Предпочтительно, диаметры нагнетательных линий рассчитывают в зависимости от расхода вводимой жидкости, чтобы получить желаемые скорости введения.
Расход жидкости, возвращаемой по линии рециркуляции (4), плюс расход жидкости, вводимой по линии (10), деленные на расход жидких углеводородов (2), циркулирующих в оборудовании (1), предпочтительно составляет от 1% до 400%, предпочтительно от 5% до 100%, очень предпочтительно от 10% до 60% и еще более предпочтительно от 20% до 50%.
Диаметр D1 цилиндрической части (11) оборудования (1) предпочтительно составляет от 0,1 м до 30 м, предпочтительно от 0,5 м до 20 м и очень предпочтительно от 1 м до 10 м.
Соотношение D1/D2 между диаметром D1 цилиндрической части (11) и диаметром D2 линии выпуска (9) на дне усеченно-конической части D1/D2 предпочтительно составляет от 1,1 до 1000, предпочтительно от 2 до 500 и предпочтительно от 3 до 100.
Угол α представляет собой угол наклона усеченно-конической части относительно вертикальной стенки (оси z) цилиндрической части и предпочтительно составляет от 5° до 85°, предпочтительно от 10° до 70°, очень предпочтительно от 15° до 60° и еще более предпочтительно от 30° до 50°.
Углы β1 и θ1 относительно соответственно стенки усеченно-конической части и стенки цилиндрической части составляют от 5° до 175°, предпочтительно от 10° до 150°, очень предпочтительно от 15° до 120°, более предпочтительно от 15° до 90° и еще более предпочтительно от 20° до 60°.
Углы β2 и θ2 относительно диаметра по оси y цилиндрической секции составляют от 90° до 270°, предпочтительно от 90° до 180°. Очень предпочтительно, углы β2 и θ2 равны 90°.
Число инжекторов N в стенке оборудования в каждом горизонтальном слое (8) в цилиндрической части (11) и в каждом горизонтальном слое (7) в усеченно-конической части (12) составляет от 1 до 30, предпочтительно от 2 до 20, очень предпочтительно от 2 до 10, более предпочтительно от 2 до 6. Каждый слой, находится ли он в одной и той же части или в двух частях, может иметь разное число инжекторов N.
Высота H между двумя слоями предпочтительно составляет от 0,01 м до 10 м, предпочтительно от 0,05 м до 5 м и очень предпочтительно от 0,1 м до 1 м.
Угол δ, разделяющий инжекторы по периметру одного и того же слоя, составляет от 0° до 180°, предпочтительно от 5° до 120°, очень предпочтительно от 10° до 90°. Предпочтительно, угол δ равен 360/N, где N означает число инжекторов на слой.
Угол γ обозначает угловое смещение одного слоя относительно другого. Этот угол может составлять от 0° до 180°, предпочтительно от 5° до 120°, очень предпочтительно от 10° до 90°.
Примеры
TM
D.M. Snider, An Incompressible Three-Dimensional Multiphase Particle-in-Cell Model for Dense Particle Flows, Journal of Computational Physics
523-549
Численное моделирование гидрогазодинамики (CFD, от английского Computational Fluid Dynamics) течения жидкости/частиц в оборудовании с коническим дном без инжекторов (сравнение) и в том же оборудовании с коническим дном, содержащем устройство согласно изобретению с боковыми инжекторами рециркулирующей жидкости, осуществляли с помощью программы Barracuda. Эта программа использует метод Эйлера для жидкой фазы и псевдо-лагранжев метод для фазы частиц (смотри публикацию  170 (2001), ).
Таблица 1 показывает условия моделирования, а также характеристики и размеры оборудования, содержащего устройство согласно изобретению (число инжекторов, число слоев, углы инжекторов).
Таблица 1
<b>Размеры оборудования</b>
Диаметр D1 (м)
1,2
Диаметр D2 (м)
0,25
Угол α
45°
Число слоев в цилиндрической части
1
Число слоев в усеченно-конической части
1
Число инжекторов на слой
2
Угол β1 и θ1
30°
Угол β2 и θ2
90°
<b>Рабочие условия</b>
Плотность жидких углеводородов (2) (кг/м<sup>3</sup>)
990
Расход циркулирующих жидких углеводородов (2) (кг/сек)
7,5
Доля инжекции (расход жидкости, возвращаемой в линию (4), деленный на расход циркулирующих жидких углеводородов (2))
30%
Плотность твердых частиц (кг/м<sup>3</sup>)
2800
Диаметр твердых частиц (микроны)
50
Расход твердых частиц (кг/сек)
0,02
Фиг. 4 (4A: изометрическая проекция, 4B: вид сверху) показывает для конфигурации без инжекторов (сравнение) зоны оборудования, где объемная доля твердой фазы превышает 0,1 об.%. Эти зоны представляют собой зоны аккумулирования твердых частиц.
Фиг. 5 показывает в виде сверху для конфигурации с инжекторами согласно изобретению зоны оборудования, где объемная доля твердой фазы превышает 0,1 об.%.
Из сравнения фигуры 4B и фигуры 5 можно видеть уменьшение зон скопления твердой фазы благодаря использованию боковых инжекторов для жидкости в устройстве согласно изобретению. Из расчетов объема четко следует, что в конфигурации по изобретению с рециркуляцией 30% жидких углеводородов для подачи в два инжектора в усеченно-конической части и в два инжектора в цилиндрической части с геометрией согласно изобретению, число зон аккумулирования, какие определены выше, уменьшается в 30 раз.