СПОСОБ ОТДЕЛЕНИЯ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ ОТ ГАЗОВОГО ПОТОКА
SEPARATION OF SOLID PARTICLES FROM GAS FLOW

По данной заявке испрашивается приоритет заявки на патент США №13/018510, дата подачи заявки - 01.02.2011.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способу отделения мелких твердых частиц от газового потока.
Уровень техники
Промышленные стандарты уменьшают установленное ими количество твердых частиц, выбрасываемых в окружающую среду. Зачастую потоки выбрасываемого газа, такие как газообразные продукты сгорания (отходящие газы), содержат твердые частицы. Указанные стандарты требуют уменьшения количества твердых частиц в выбрасываемых потоках для повышения качества окружающей среды.
Часто для уменьшения вредных выбросов твердых частиц используют системы с циклонами. В системах с циклонами эффективность улавливания твердых частиц может быть функцией скорости частиц и распределения твердых частиц по размерам (которое здесь сокращенно может быть записано как «PSD»). Чем больше средний размер частицы твердой фазы, содержащейся в потоке отходящих газов, тем больше эффективность улавливания систем с циклонами. Обычно поток отходящих газов может содержать твердые частицы с размером в интервале от 30 до 40 мкм при среднем размере частиц менее 10 мкм. Вообще улавливание твердых частиц меньшего размера может быть более затруднительным при использовании существующего технологического оборудования, такого как внешний сепаратор третьей ступени, который зачастую используют вместе с одной или большим количеством ступеней циклонов. Поэтому эти системы не могут удовлетворять новым экологическим нормам и техническим нормативным требованиям, которые требуют меньших выбросов твердых частиц. В связи с этим желательно усовершенствовать существующие системы для обеспечения выбросов газа, характеризуемых более низким содержанием твердых частиц, в особенности, более мелких частичек, которые труднее отделить от газов.
Раскрытие изобретения
Одним примером воплощения изобретения может быть способ отделения твердых частиц от газового потока. Этот способ может включать регенерацию катализатора в регенераторе, отделение твердых частиц в циклонах первой и второй ступеней, направление газового потока из сепаратора второй ступени во внешний сепаратор третьей ступени и направление газового потока из внешнего сепаратора третьей ступени в циклонный рециркулятор для получения очищенного газового потока.
Другим примером воплощения может быть также способ отделения твердых частиц от газового потока. Этот способ может включать регенерацию катализатора в регенераторе, отделение твердых частиц в циклонах первой и/или второй ступени, и направление газового потока из циклона первой и/или второй ступени в сепаратор внешней ступени. Указанный сепаратор внешней ступени может содержать корпус, в свою очередь, содержащий входное отверстие для приема газового потока, первое выпускное отверстие для очищенного газового потока и второй выпускное отверстие для отделенных твердых частиц. Обычно в корпусе находится электрическое поле, расположенное между указанным входным отверстием и по меньшей мере одним циклоном.
2
Еще одним примером воплощения может быть также способ отделения твердых частиц от газового потока. Способ может включать регенерацию катализатора в регенераторе, отделение твердых частиц в циклонах первой и/или второй ступени, направление газового потока из циклона первой и/или второй ступени в сепаратор внешней ступени и направление газового потока из сепаратора внешней ступени в циклонный рециркулятор. Указанный циклонный рециркулятор может создавать плотность электрического тока менее 0,1 мА/м для получения очищенного газового потока и дополнительного газового потока, содержащего твердые частицы. Этот дополнительный газовый поток может быть направлен к сепаратору внешней ступени.
Раскрытые здесь воплощения могут обеспечить удаление из потока твердых частиц меньшего размера, которые может быть затруднительным удалять из газового потока в традиционных системах разделения третьей ступени. В частности, в описанных здесь воплощениях изобретения может быть использовано устройство, которое электростатически заряжает твердые частицы и в то же время использует центробежную силу для отделения твердых частиц и направления в место их накопления. В частности, устройство может агрегировать твердые частицы и отделять их в одном резервуаре для повышения эффективности сбора частиц и снижения стоимости системы. Вообще, такое устройство является, в особенности, эффективным для улавливания твердых частиц размером менее 10 мкм.
В одном примере воплощения циклонный рециркулятор, использующий комбинацию из электростатических зарядов и центробежных сил, может агломерировать и собирать твердые частицы, содержащиеся в газовом потоке. Собранные вместе твердые частицы затем могут быть направлены во внешний сепаратор третьей ступени. В таком случае из циклонного рециркулятора может быть получен очищенный отходящий газ и направлен в систему утилизации тепла отработанных газов, например в теплообменник, для утилизации их тепловой энергии и отвода в дымовую трубу.
В другом примере воплощения сепаратор третьей ступени может быть снабжен множеством небольших электрических проводов, расположенных по всему резервуару для генерирования электростатических зарядов для агломерации твердых частиц. При прохождении заряженных твердых частиц вниз эти частицы могут агломерироваться с укрупнением до образования сгустков твердых частиц большего размера, и затем они могут быть собраны и удалены.
Определения
Используемый здесь термин «поток» может включать различные углеводородные молекулы и/или другие вещества, такие как газы, например, водород, диоксид углерода, моноксид углерода и кислород или примеси, такие как тяжелые металлы, соединения серы и азота. Кроме того, поток может включать одну или большее число фаз, например дисперсную систему. Один пример потока может включать поток, содержащий газ и твердую фазу, такой как аэрозоль.
3
Используемый здесь термин «миллиграммы на нормальный кубический метр» может быть сокращенно указан как «мг/Нм».
Линии, показанные на схеме технологического процесса, представленной на фигурах, могут взаимозаменяемым образом обозначать как, например, линии, трубопроводы, исходное сырье, продукты, эффлюенты, фракции, части или потоки.
Используемые здесь термины, например, «частицы», «твердые частицы», «частицы твердой фазы» могут быть использованы взаимозаменяемым образом.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - схематическое изображение примера воплощения установки для проведения каталитического крекинга с псевдоожиженным слоем с использованием внешнего сепаратора третьей ступени и циклонного рециркулятора.
Фиг.2 - схематическое изображение поперечного разреза примера выполнения внешнего сепаратора третьей ступени, в котором создано поле электростатических зарядов для повышения эффективности сбора твердых частиц.
Осуществление изобретения
Установка 100 для проведения крекинга в псевдоожиженном слое катализатора (здесь и далее процесс может быть именован как «FCC») может содержать реактор 120, регенератор 200, внешний сепаратор 400 третьей ступени, циклонный рециркулятор 500 и фильтр 550. Обычно реактор 120, регенератор 200 и сепаратор 400 третьей ступени может представлять собой любой подходящий аппарат, такой как описан, например, в патентном документе US 7048782 B1.
В рассматриваемом примере воплощения реактор 120 может содержать лифт-реактор 130, циклон 140 реактора и зону 150 отпаривания. Обычно реактор 120 содержит внутреннюю камеру 160. Кроме того, с регенератором 200 соединен выводной стояк 180, служащий для подачи отработанного катализатора в регенератор 200, а регенерированный катализатор из регенератора 200 транспортируется в нижнюю часть лифт-реактора 130 посредством выводного стояка 190 для регенерированного катализатора.
Регенератор 200 может содержать циклонный сепаратор 210 первой ступени, циклонный сепаратор 220 второй ступени, выпускной патрубок 230 и распределитель 250 воздуха. Обычно регенератор 200 содержит внутреннюю камеру 240. Хотя на фигуре показаны циклонный сепаратор 210 первой ступени и циклонный сепаратор 220 второй ступени, может быть использовано любое подходящее количество ступеней циклонов. Обычно циклонный сепаратор 210 первой ступени и циклонный сепаратор 220 второй ступени размещены внутри корпуса регенератора 200. Циклонный сепаратор 210 первой ступени и циклонный сепаратор 220 второй ступени используют для отделения газов горения от уносимого их потоком катализатора. Хотя сепаратор 210 первой ступени часто используют последовательно соединенным с сепаратором 220 второй ступени, может быть использован только один сепаратор 210 или 220.
Внешний сепаратор 400 третьей ступени может содержать резервуар 410, вмещающий один или большее количество циклонов 420, и может быть именован как сепаратор 400 внешней ступени, если только ступень 210 или 220 осуществляет сепарацию. Обычно газы поступают во внешний сепаратор 400 третьей ступени, и в результате действия центробежной силы большая часть твердых частиц выходит из днища резервуара 410, в то время как газы могут быть удалены с боковой стороны резервуара 410. Обычно из резервуара 410 выходят два потока, при этом нижний поток содержит увлеченные им твердые частицы большего размера, а поток, выходящий с боковой стороны резервуара 410, содержит увлеченные им твердые частицы меньшего размера.
2
Циклонный рециркулятор 500 может представлять собой прямоточный циклон, действующий, как концентратор, электрически заряженный с помощью источника электрической энергии постоянного тока высокого напряжения. Обычно циклонный рециркулятор 500 содержит источник 504 электрической энергии постоянного тока и ряд электрических проводов 506, при этом, по меньшей мере, некоторое количество или часть проводов 506 могут быть расположены параллельно и для создания электрического поля проходят, по меньшей мере, вдоль части длины или высоты циклонного рециркулятора 500. Пример циклонного рециркулятора 500 описан, например, в патентном документе WO 2008/147233 А2. Напряжение может быть приложено к коронирующему электроду, при этом диаметр коронирующего электрода и его расстояние от стенки концентратора могут быть выбраны для создания электрического поля с получением плотности тока величиной менее 0,1 мА/м. Характеристики указанного циклонного рециркулятора 500 приведены ниже в табл. 1.
Таблица 1
Расстояние между электродами (мм)
Средняя величина напряженности электрического поля (В/м)
Плотность тока (мА/м<sup>2</sup>)
Скорость миграции частиц диаметром от 0,1 до 10 мкм (м/с)
от 450 до 600
<20,000
<0.1
от 0.01 до 0.05
Циклонный рециркулятор 500 может быть ориентирован, по существу, горизонтально или вертикально. В рассматриваемом примере воплощения ориентация циклонного рециркулятора по существу вертикальная. Захват твердых частиц в циклонном рециркуляторе 500 может быть минимизирован или предпочтительно совсем отсутствует. Прохождение потока в электростатическом поле способствует удалению твердых частиц с поверхности выпускного канала, расположенного на вертикальной оси циклонного рециркулятора 500, и в результате действия этого поля твердые частицы приближаются к стенкам циклонного рециркулятора 500, но не накапливаются на стенках. Поэтому твердые частицы могут агломерироваться сразу после выхода и могут быть возвращены к внешнему сепаратору 400 третьей ступени. При этом эффективность процесса рециркуляции может быть повышена за счет создания в циклонном рециркуляторе 500 электрического поля постоянного тока для агломерации твердых частиц, при условии, что выгрузка и накапливание твердых частиц рассчитаны таким образом, чтобы циклонный рециркулятор 500 не мог действовать в качестве электростатического осадителя. Различие между циклонным рециркулятором 500 и электростатическим осадителем показано, например, в патентном документе WO 2008/147233 А2.
3
3
Фильтр 550, который может представлять собой фильтр с нижним отводом потока, может сообщаться с внешним сепаратором 400 третьей ступени. Обычно трубопровод 570 транспортирует поток, содержащий твердые частицы, а трубопровод 560 транспортирует отдельный поток 560 газа, содержащий один или большее количество различных газов. Как правило, указанный отдельный поток 560 газа имеет достаточно низкие содержания твердых частиц, менее 10 мг/Нм, предпочтительно менее 5 мг/Нм, и может быть направлен в систему утилизации теплоты отработанного газа и затем в дымовую трубу.
Установка 100 для проведения каталитического крекинга с псевдоожиженным слоем может содержать одно или большее количество сужений Вентури 310, 450 и 540. Первое сужение Вентури 310 может обеспечить рециркуляцию дисперсной системы в трубопроводе 520. В частности, сужение Вентури 310 может действовать в качестве эжектора, использующего текучую среду в трубопроводе 300 в качестве движущей среды. Второе сужение Вентури 450 и используемое по усмотрению сужение Вентури 540 могут быть использованы для регулирования массовых расходов потоков, поступающих из внешнего сепаратора 400 третьей ступени и циклонного рециркулятора 500 соответственно.
Обычно сужения Вентури 450 и 540 регулируют массовый расход в трубопроводах 440 и 530 соответственно в пределах от 3 до 5 мас.%, исходя из суммарных потоков, выходящих из внешнего сепаратора 400 третьей ступени и циклонного рециркулятора 500 соответственно. Обычно потоки в трубопроводах 440 и 530 уже минимизированы в достаточной степени для того, чтобы обеспечить прохождение твердых частиц. В качестве альтернативы для сужений Вентури 450 и/или 540 могут быть использованы один или большее количество регулирующих клапанов.
При работе установки в реактор 120 обычно может поступать углеводородное сырье 110, содержащее один или несколько углеводородов, подаваемое в лифт-реактор 130. Снизу лифт-реактора 130 может быть подведен сжижающий газ 114 для обеспечения перемещения катализатора из стояка 190 для регенерированного катализатора вверх в лифт-реакторе 130. Один или большее количество углеводородов и катализатор могут перемешиваться с углеводородами, реагирующими в лифт-реакторе 130. Вообще продукты реакции могут быть отделены от катализатора на выходе из лифт-реактора 130 внутри корпуса 120 реактора. Обычно катализатор падает вниз в направлении зоны 150 отпаривания, в то время как продукты реакции, унесенные вместе с катализатором, могут поступать в циклон 140 реактора. Как правило, продукты реакции могут поступать в камеру 160 и выходить из нее в виде одного или большего количества крекированных легких углеводородов, содержащихся в потоке 170.
3
3
Катализатор в зоне 150 отпаривания может проходить через выводной стояк 180 для отработанного катализатора в регенератор 200. Газ горения, как правило, воздух, может быть направлен в распределитель 250 для выжигания отложений кокса на поверхности катализатора. По усмотрению в регенератор 200 через трубопровод 260 может быть введен свежий катализатор. Газы и катализатор могут пониматься вверх, а регенерированный катализатор может падать вниз и поступать в стояк 190 для регенерированного катализатора. Газы горения, перемешанные с твердыми частицами, могут поступать в первую ступень 210 циклона. Часть катализатора может падать в стояк 190 для регенерированного катализатора, в то время как газы могут транспортироваться через канал 214 во вторую ступень 220 циклона. Кроме того, регенерированный катализатор может проходить через нижнюю часть регенератора и падать в направлении нижней части регенератора 200, в то время как газы могут проходить вверх через выходной патрубок 230, обычно через выпускную трубу, во внутреннюю камеру 240. Хотя большая часть катализатора и других твердых частиц отделена от отработанных газов в регенераторе 200, некоторое количество частиц еще может оставаться унесенными в потоке отходящих газов. Вообще, отходящий газ с твердой фазой может иметь концентрацию твердой фазы в интервале от 80 до 1000 мг/Нм и более предпочтительно от 300 до 500 мг/Нм. Как правило, твердые частицы в отходящем газе могут иметь распределение, приведенное ниже в табл. 2.
Таблица 2
Размер (мкм)
Массовой процент, полученный исходя из массы твердых частиц
Общий
Пример
0-4
от 1 до 90
40
4-8
от 1 до 90
8
8-15
от 1 до 90
23
15-30
от 1 до 90
25
>30
от 1 до 90
4
Распределение по размерам может изменяться в значительной степени в зависимости от схемы установки выше по ходу движения потока, рабочих параметров, катализатора или других добавок.
Трубопровод 300 может сообщать или соединять регенератор 200 с внешним сепаратором 400 третьей ступени. В рассматриваемом примере воплощения отходящий газ может проходить из регенератора 200 во внешний сепаратор 400 третьей ступени. Отходящий газ может поступать во внешний сепаратор 400 третьей ступени через входной патрубок 414 и проходить через циклоны 420. Твердые частицы большего размера могут быть отделены от отходящего газа и выходят из внешнего сепаратора 400 третьей ступени в виде другого потока 440. Трубопровод 430 может сообщать внешний сепаратор 400 третьей ступени с циклонным рециркулятором 500. Вообще в этом трубопроводе находится отходящий газ, имеющий большую часть твердых частиц размером менее 10 мкм. Интенсивность удаления твердых частиц из внешнего сепаратора 400 третьей ступени может быть функцией распределения частиц по размерам.
3
3
В большинстве случаев наиболее трудно удалять из потока твердые частицы размером менее 10 мкм. Обычно все твердые частицы размером 10 мкм или более могут быть отделены с помощью внешнего сепаратора 400 третьей ступени и после этого уловлены фильтром 550. Как правило, твердые частицы меньшего размера, которые не были отделены во внешнем сепараторе третьей ступени, могут быть направлены в циклонный рециркулятор 500 для дальнейшей обработки. Вообще в циклонном рециркуляторе 500 могут быть получены очищенный газовый поток, отводимый через трубопровод 510, и дополнительный поток в трубопроводе 520, который содержит твердые частицы. Очищенный газовый поток 510 перед выбросом через дымовую трубу может быть направлен в систему утилизации теплоты отходящего газа для отвода из него теплоты. Обычно дополнительный поток 520 содержит твердые частицы размером более 10 мкм, так как твердые частицы меньшего размера агломерируются в циклонном рециркуляторе 500. В циклонном рециркуляторе 500 может быть получен очищенный газовый поток 510, имеющий концентрацию твердых частиц не более 50 мг/Нм, предпочтительно не более 10 мг/Нм. С добавлением в схему установки FCC 100 циклонного рециркулятора 500 общий к.п.д. брутто может увеличиться от 60% до 95%. Дополнительный поток 520 может поступать в первое сужение Вентури 310 и затем может быть возвращен во внешний сепаратор 400 третьей ступени. В качестве альтернативы добавочный поток 530 или вместо, или в дополнение к дополнительному потоку 520, может проходить через сужение Вентури 540 и после этого может быть направлен непосредственно в фильтр 550. В другом случае другой поток 440, выходящий из внешнего сепаратора 400 третьей ступени, может быть транспортирован через второе сужение Вентури 450, и/или дополнительный поток 530 может быть направлен к фильтру 550. Вообще фильтр 550 может улавливать большую часть твердых частиц, поступающих во внешний сепаратор 400 третьей ступени, путем концентрирования твердых частиц в трубопроводе 570 для их удаления и утилизации. Верхний газовый поток 560, выходящий из фильтра 550, может быть направлен в систему утилизации теплоты отходящего газа и затем в дымовую трубу.
На фиг.2 представлен другой вариант внешнего сепаратора 600 третьей ступени в другом примере воплощения изобретения. В этом примере воплощения внешний сепаратор 600 третьей ступени может заменить внешний сепаратор 400 третьей ступени и циклонный рециркулятор 500, показанные на фиг.1.
Вообще внешний сепаратор 600 третьей ступени может содержать корпус 610, охватывающий распределитель 624 и, по меньшей мере, один циклон, как правило, некоторое количество циклонов 642, 644, 646 и 648. В этом примере воплощения ориентация сепаратора, по существу, вертикальная 670, и газовый поток 300 из регенератора 200 может быть направлен непосредственно во входной патрубок 620 внешнего сепаратора 600 третьей ступени. Газ может быть распределен по всему корпусу 610 с помощью распределителя 624. Источник 634 электрического тока, генерирующий, например, постоянный ток, может быть соединен с одним или большим числом электрических проводов 630 для создания электрического поля внутри корпуса 610. Электрическое поле может быть создано с помощью ряда электрических проводов, протянутых поперек корпуса 610, через которые протекает электрический ток. Электрический ток может создавать поле, которое заряжает твердые частицы, приводя к их агломерации. Для агломерации твердых частиц может быть выбрана любая подходящая плотность тока.
Увеличение размера твердых частиц может улучшить эффективность улавливания внешнего сепаратора 600 третьей ступени. Такие электрические поля могут быть созданы выше по потоку от циклонов, описанных, например, в патентном документе US 4718923. Агломерированные твердые частицы могут поступать в циклоны 642, 644, 646, и 648, и могут быть сконцентрированы во втором выходном патрубке 660. Из второго выходного патрубка 660 сконцентрированные в нем частицы могут быть направлены в фильтр 550, как показано на фиг.1. Из первого выходного патрубка 650 может выходить очищенный газовый поток, который, по существу, может не содержать твердые частицы, в частности, размером менее 10 мкм. Очищенный газовый поток может быть направлен в систему утилизации отходящего тепла и затем в дымовую трубу.
Пример воплощения
Нижеследующий пример служит дополнительной иллюстрацией рассмотренных воплощений. Этот иллюстративный пример воплощения изобретения не имеет своей целью ограничить пункты формулы изобретения конкретными деталями этого примера. Пример основан на инженерных расчетах и полученном опыте проведения подобных процессов.
3
3
3
3
Если газовый поток 300 (фиг.1) имеет загрузку твердых частиц 400 мг/Нм и типичное распределение частиц по размерам, приведенное в табл. 2, концентрация твердых частиц в очищенном газовом потоке 510, отведенном из циклонного рециркулятора 500, может составлять всего 20 мг/Нм. В то же время в потоке 430, обработанном только во внешнем сепараторе 400 третьей ступени, концентрация твердых частиц может достигать 160 мг/Нм. Некоторые нормы выбросов из дымовых труб требуют для защиты окружающей среды, чтобы концентрация твердых частиц в потоке составляла менее 50 мг/Нм.
Считается, что специалист в данной области техники без проведения дополнительных проработки и исследований, используя вышеприведенное описание изобретения, может использовать изобретение в его наибольшей полноте. Предшествующие предпочтительные конкретные воплощения следует понимать, таким образом, лишь как иллюстративные, не ограничивающие каким бы то ни было образом остальную часть описания.
В изложенном выше описании все температуры приведены в градусах Цельсиях, а все доли и проценты весовые, если не указано иное.
Из вышеприведенного описания специалист в данной области техники легко может установить существенные признаки изобретения, и без выхода за пределы объема и сущности изобретения может произвести различные изменения и модификации изобретения, чтобы приспособить его к различным условиям и случаям применения.