СИСТЕМА И СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ КОНВЕРСИИ ТЯЖЕЛЫХ МАСЕЛ
SYSTEM AND METHOD OF INCREASING CONVERSION CAPACITY OF HEAVY OILS

Данное изобретение относится к системе и соответствующему способу повышения пропускной способности конверсии тяжелых масел.
Гидроконверсия тяжелых нефтепродуктов может быть достигнута с использованием различных технологических систем. Ядром технологии является реактор гидроконверсии, который может быть реактором с неподвижным слоем, с кипящим слоем или суспензионного типа. В последнем случае катализатор диспергирован в реакционной среде и равномерно распределен внутри самого реактора.
Одна система EST (от «ENI Slurry Technology», «суспензионная технология ENI») (IT-MI2007A1044; IT-MI2007A1045; IT-MI2007A1198; IT-MI2008A1061; IT-MI2010A1989) предусматривает подачу выходящего потока из верхней части реактора в парожидкостный сепаратор высокого давления/высокой температуры (HP/HT). Газ, выходящий из HP/HT сепаратора, направляется в секцию обработки газа, из которой извлекается и рециркулирует в реактор поток, обогащенный водородом, тогда как жидкость направляется через серию сосудов с уменьшающимися давлением и температурой (сепаратор среднего давления, атмосферную колонну и вакуумную колонну) для разделения продуктов реакции и рециркуляции катализатора и неконвертированного сырья.
Если продукты реакции получают исключительно в паровой фазе (VPO) (от Vapor Phase Outflow, выходящий поток паровой фазы), секции низкого давления, которые могут приводить к образованию кокса за пределами реактора, можно исключить, хотя это приведет к снижению пропускной способности установки.
В случае, когда присутствует катализатор и отсутствует водород, при давлениях ниже давления в реакторе, было экспериментально обнаружено, что могут происходить реакции дегидрирования, приводящие к образованию водорода и кокса. Высокая температура, низкое давление и длительное время пребывания в удерживаемой в сосудах жидкости могут вызывать образование твердых веществ за пределами реактора того же порядка величины, что и внутри реактора. В дополнение к этому, если вакуумная установка не имеет достаточно больших размеров на стадии проектирования, образование водорода в нижней части вакуумной колонны может оказывать значительное воздействие на фракционирующую способность колонны.
2
Благодаря применению системы EST, в соответствии с которой продукты получают только в паровой фазе (VPO), которую авторы настоящего изобретения будут называть EST-VPO, суспензия будет ограничена зоной высокого парциального давления Н, что устраняет все проблемы, связанные с дегидрированием и образованием твердых веществ за пределами реактора. На фоне этого преимущества пропускная способность установки EST-VPO с прямой рециркуляцией из HP/HT сепаратора значительно ниже, при той же самой температуре реакции, чем для установки EST с рециркуляцией из вакуумной колонны. Потеря пропускной способности может быть компенсирована повышением температуры реакции, хотя это приводит к увеличению образования твердых веществ внутри самого реактора.
2
Подача газа с высокой концентрацией H (также называемого «вторичным», чтобы отличить его от «первичного» газа того же состава, подаваемого в реактор) в соединительный трубопровод между реактором и сепаратором высокого давления/высокой температуры является одним из способов повышения пропускной способности конверсии установки EST-VPO за счет десорбирующего эффекта самого газа.
Система EST-VPO, которая не предусматривает использования вторичного газа, имеет меньшую пропускную способность при таких же рабочих условиях, поскольку жидкость, выходящая из HP/HT сепаратора и рециркулируемая в реактор, имеет тот же состав, что и жидкость, выходящая из реактора. Использование вторичного газа увеличивает расход продуктов реакции, выходящих из верхней части сепаратора. В то же время, состав жидкой фазы, рециркулируемой в реактор, изменяется, и жидкая фаза опять подвергается реакции гидроконверсии, однако на этот раз она обеднена более легкими компонентами, которые перешли в газовую фазу. Поскольку продукты выходят только из верхней части сепаратора в системе EST-VPO, увеличение их расхода соответствует повышению пропускной способности установки. Можно показать, что чем в большей степени жидкость, рециркулируемая в реактор, аналогична по составу жидкости, которая выходит из реактора, - тем больше будет смещение в сторону образования легких продуктов. По сравнению с системой EST-VPO, в которой это не предусмотрено, благодаря десорбирующему действию вторичного газа, жидкость, рециркулируемая в реактор, будет тяжелее, чем жидкость, выходящая из реактора и, как следствие, количество продуктов, выходящих с паровой фазой, будет увеличиваться, хотя и с другим составом. Подача газа с высоким содержанием водорода в соединительный трубопровод между верхней частью реактора и сепаратором HP/HT дает возможность повысить пропускную способность конверсии системы EST-VPO.
Длина трубопровода после подачи вторичного газа служит в качестве теоретической равновесной ступени разделения жидкость/пар. Геометрические размеры и гидродинамика соединительного трубопровода выполнены с возможностью достижения равновесия между жидкостью и паром в смеси выходящего из реактора потока/вторичного газа перед поступлением в сепаратор. Если равновесие жидкость/пар не должно быть достигнуто, - эффект добавления вторичного газа в худшем случае может сводиться к простому добавлению газа.
Хотя использование десорбирующего газа для облегчения выделения компонентов в газовую фазу, которые обычно включены в жидкую фазу, и подача десорбирующего газа в соединительный трубопровод между верхней частью реактора и сепаратором известны (IT-MI2007A1044), отсутствует описание того, каким образом десорбирующий газ должен быть подан в этот трубопровод.
Соединительный трубопровод между верхней частью реактора и сепаратором должен быть спроектирован надлежащим образом для достижения равновесия жидкость/пар в потоке перед тем, как он поступит в сепаратор.
Авторы настоящего изобретения обнаружили, что соответствующий наклон вверх соединительного трубопровода между верхней частью реактора и сепаратором необходим для достижения равновесия жидкость/пар перед вводом в парожидкостный сепаратор.
Объединение выбранного наклона с подходящей вставкой трубопровода подачи вторичного газа при подходящей длине и/или подходящем поперечном сечении соединительного трубопровода также может быть целесообразным.
Система для гидроконверсии тяжелых масел, составляющая предмет настоящего изобретения, по существу, содержит реактор, парожидкостный сепаратор и секцию для десорбции продуктов конверсии за пределами реактора, содержащую трубопровод для подачи десорбирующих газов, расположенный таким образом, что указанная подача газа происходит в некотором месте в соединительном трубопроводе между верхней частью реактора и парожидкостным сепаратором, в котором указанный соединительный трубопровод имеет наклон вверх, по меньшей мере от места подачи, с величиной наклона от 2% до 20%, предпочтительно от 3% до 12%.
При подходящем наклоне вверх трубопровода, в пределах определенного диапазона расхода газа/жидкости, выходящих из реактора, устанавливается режим стратифицированного волноводного потока, в котором происходит подходящее повторное смешивание между фазами от места, в которое подается вторичный газ.
Установление режима стратифицированного волнового потока дает возможность непрерывного обновления поверхности жидкости, находящейся в контакте с газом, что приводит к увеличению эффективности массообмена.
Рекомендуется, чтобы трубопровод подачи десорбирующего газа был наклонен относительно оси соединительного трубопровода между верхней частью реактора и парожидкостным сепаратором под углом от 20° до 65°, более предпочтительно от 30° до 60°, еще более предпочтительно от 40° до 50°. Также целесообразно, чтобы поток десорбирующего газа предпочтительно осуществлялся в нисходящем направлении.
Также предпочтительно, чтобы указанный трубопровод подачи с рекомендованными выше углами наклона находился в вертикальной плоскости, проходящей через ось соединительного трубопровода.
Предпочтительно, поперечное сечение (А) трубопровода, обеспечивающего соединение между верхней частью реактора и парожидкостным сепаратором, и длина (L) участка этого трубопровода между местом входа десорбирующих газов и местом входа в сепаратор удовлетворяют следующим соотношениям:
V
Vsec
L
(A x L)(Q+Q+Q) > 10 с, более предпочтительно > 15 с,
V
L
(Q+Q)/A > 0,5 м/с, более предпочтительно > 1 м/с,
Vsec
V
Vsec
V
2 > Q/Q> 0,25, более предпочтительно 1 > Q/Q> 0,5
V
L
Vsec
где Q и Q являются объемными расходами пара и суспензии (жидкость+твердое вещество), выходящих из верхней части реактора, и Q является объемным расходом вторичного газа.
Один вариант осуществления трубопровода (T), соединяющего верхнюю часть реактора с парожидкостным сепаратором, и трубопровода (I) для ввода десорбирующего газа проиллюстрирован на фиг.1.
Поток (1) газа и суспензии, выходящий из реактора, входит в точке (В) в трубопровод (T) и подвергается десорбции на участке между точкой (C) и точкой (F) с помощью газов, входящих через впускной трубопровод (I), наклоненный под углом от 20° до 65° относительно оси трубопровода (T). Секция трубопровода (Т), в которую врезан впускной трубопровод, наклонена вверх с величиной наклона от 2% до 20% относительно горизонтальной плоскости. Поток газа и суспензии, который подвергся десорбции, в конечном счете выходит в точке (F) для входа в сепаратор.
Длина (L) секции трубопровода (T) продолжается от места подачи десорбирующего газа до места ввода в сепаратор (от точки (C) до точки (F) на фиг.1, проходя через точки (D) и (E)).
Препятствия подходящей геометрии, которые способствуют тщательному повторному перемешиванию жидкой и паровой фазы и позволяют достичь равновесия жидкость/пар, могут быть вставлены внутри трубопровода, соединяющего верхнюю часть реактора со входом в сепаратор.
Рекомендуется, чтобы указанные препятствия были вставлены вдоль верхней стенки внутри указанного трубопровода, обеспечивающего соединение между верхней частью реактора и парожидкостным сепаратором, таким образом, чтобы заставить газ пробивать себе путь под жидкостью, тем самым вызывая адекватное повторное перемешивание и в то же время избегая любой аккумуляции твердого вещества за препятствием, которая может тем более осуществляться из-за положительной величины наклона трубопровода. Данный вариант осуществления проиллюстрирован на фиг.2, где при препятствии (G), расположенном:
- вдоль нижней стенки трубопровода (Т), могут возникать проблемы с аккумуляцией твердых веществ (AS) (фиг.2а);
- вдоль верхней стенки трубопровода (T), твердые вещества остаются диспергированными (DS) (фиг.2b).
Система применима для всех типов реакторов, в которых выходящий поток содержит двухфазный поток L/V, также включающий поток, полученный в результате слияния по меньшей мере одного потока жидкости и по меньшей мере одного потока пара, выходящего из реактора, включающего реакторы с неподвижным слоем, которые могут содержать диспергированное твердое вещество, суспензионные реакторы, предпочтительно барботажную колонну, и реакторы с кипящим слоем.
Еще одной задачей настоящего изобретения является способ гидроконверсии тяжелых масел, осуществляемый с помощью системы по изобретению.
Указанный способ гидроконверсии тяжелых масел включает направление тяжелого масла на стадию гидроочистки, осуществляемую в реакторе с подходящим катализатором гидрирования, причем в данный реактор подается водород или смесь водорода и легких углеводородов, осуществление стадии десорбции с подходящим десорбирующим газом на потоке жидкости и пара, выходящем из реактора, или на потоке, полученном в результате слияния по меньшей мере одного потока жидкости и по меньшей мере одного потока пара, выходящего из реактора, поступление указанного потока на парожидкостную сепарацию в подходящий сепаратор, отделяющий жидкую фазу, которую рециркулируют в реактор, за исключением промывок, от паровой фазы, содержащей продукты конверсии, причем указанная стадия десорбции осуществляется с помощью трубопровода, доставляющего десорбирующий газ, расположенного в некотором месте на трубопроводе, соединяющем верхнюю часть реактора и парожидкостный сепаратор и отличающемся тем, что указанный соединительный трубопровод наклонен вверх с величиной наклона от 2% до 20%, предпочтительно от 3% до 12%, по меньшей мере от места ввода.
Заявленный способ особенно рекомендуется в случае стадии гидроочистки, осуществляемой в реакторе с катализатором гидрирования в суспензионной фазе, предпочтительно выбранного из барботажной колонны или реактора с кипящим слоем.
При осуществлении способа с использованием суспензионного реактора также рекомендуется осуществлять эксплуатацию при объемном соотношении на выходе из реактора:
расход пара (Qv)
______________________________________________________________
L
(расход пара (Qv)+расход суспензии (Q))
составляющем более 0,75, предпочтительно более 0,85,
где суспензия содержит жидкость плюс твердое вещество.
Поперечное сечение (А) соединительного трубопровода между верхней частью реактора и парожидкостным сепаратором и длина (L) секции указанного трубопровода от места ввода десорбирующих газов до места ввода в сепаратор (от точки (С) до точки (F) на фиг.1) предпочтительно удовлетворяют следующим соотношениям:
V
Vsec
L
(A x L)(Q+Q+Q) > 10 с, более предпочтительно > 15 с,
V
L
(Q+Q)/A > 0,5 м/с, более предпочтительно > 1 м/с,
Vsec
V
Vsec
V
2 > Q/Q> 0,25, более предпочтительно 1 > Q/Q> 0,5
Vsec
где Q является объемным расходом вторичного газа.
Стадия гидроочистки предпочтительно осуществляется при температуре 400-450 °С и давлении 100-200 атм (10,1-20,3 МПа).
Катализатор гидрирования предпочтительно выполнен на основе сульфида Мо или W.
Более подробную информацию можно найти в вышеупомянутой заявке IT-MI2007A1198.
Для того, чтобы изобретение было лучше определено, описаны некоторые примеры, демонстрирующие эффективность использования вторичного газа в варианте осуществления способа согласно изобретению, ведущие к получению продуктов в газовой фазе (VPO).
Примеры
Как уже упоминалось ранее, переход от системы EST (с продуктами конверсии в жидкой фазе и наличием секций низкого давления) к системе EST-VPO (в которой продукты остаются только в газовой фазе) приводит к резкому снижению потенциальной пропускной способности установки. Для преодоления этого температура реакции должна быть увеличена, и должен использоваться вторичный газ, поскольку в отсутствие последнего потенциальная пропускная способность установки, при одинаковых остальных рабочих условиях, в любом случае снижается приблизительно на 20% по сравнению с эталонным случаем EST.
Вариант осуществления трубопровода (T), соединяющего верхнюю часть реактора с парожидкостным сепаратором, и трубопровода (I) для подачи десорбирующих газов уже был проиллюстрирован на фиг.1, в котором:
- секция трубопровода, соединяющая место ввода вторичного газа с точкой (D) наклонена вверх с величиной наклона 6%;
- впускной трубопровод для десорбирующих газов наклонен относительно оси трубопровода, соединяющего верхнюю часть реактора с парожидкостным сепаратором, под углом 45°;
- поток десорбирующего газа, подаваемый в соединительный трубопровод между верхней частью реактора и сепаратором, поступает в нисходящем направлении, в вертикальной плоскости, проходящей через ось соединительного трубопровода.
sec
sec
EST
Принимая во внимание, что расход вторичного газа (W) изменяется от 0 до 100, где 0 соответствует отсутствию вторичного газа, тогда как 100 указывает на то, что поток вторичного газа способен обеспечивать такую же потенциальную пропускную способность установки, что и при использовании системы EST (W), хотя работа осуществляется при более высокой температуре реакции, увеличение пропускной способности установки и значения в процентах при изменении вторичного газа показаны в таблице 1.
Таблица 1
(W<sub>sec</sub>/W<sub>sec</sub><sup>EST</sup>) × 100
Повышение загрузки свежего сырья
0
-
10
3,4%
20
6,3%
30
8,9%
40
11,1%
<u>50</u>
<u>13,1%</u>
60
14,8%
70
16,3%
80
17,7%
90
18,9%
100
20,1%
Таким образом, например, при использовании 50% расхода вторичного газа для достижения потенциальной пропускной способности установки с системой EST (хотя работа осуществляется при более высокой температуре) происходит повышение загрузки свежего сырья на 13,1%.
FF
FF
VPO
EST
Влияние вторичного газа на расход свежего сырья в расчете на увеличение процентного содержания может быть отображено на графике (фиг.3), иллюстрирующем то, что было показано в таблице. На фиг.4 также показано влияние вторичного газа на увеличение пропускной способности установки EST-VPO (W), работающей при более высокой температуре, по сравнению с потенциальной пропускной способностью EST (W). В последнем случае, при использовании 50% расхода вторичного газа потенциальная пропускная способность установки достигает 94% максимального расхода, что может быть получено в соответствии с приведенным выше определением.
sec
sec
EST
Десорбирующий эффект вторичного газа приводит к тому, что продукты, которые являются «более тяжелыми» по сравнению с ситуацией, в которой он не используется, покидают установку, однако преимущество, достигаемое с точки зрения производительности, является ощутимым. Различное качество полученных продуктов можно оценить путем анализа увеличения процентного содержания продуктов дизельного топлива, нафты и VGO в зависимости от отношения (W/W), выраженного в процентах относительно вторичного газа, как показано в таблице 2.
Таблица 2. Увеличение количества продуктов при изменении количества вторичного газа
(W<sub>sec</sub>/W<sub>sec</sub><sup>EST</sup>) × 100
Дизельное топливо
Нафта
VGO
0
-
-
-
10
2,9%
2,9%
6,8%
20
5,4%
5,3%
12,8%
30
7,6%
7,4%
18,1%
40
9,5%
9,1%
22,7%
<u>50</u>
<u>11,2%</u>
<u>10,5%</u>
<u>26,8%</u>
60
12,7%
11,6%
30,4%
70
14,0%
12,7%
33,8%
80
15,2%
13,5%
36,9%
90
16,3%
14,3%
39,8%
100
17,3%
15,0%
42,5%
sec
sec
EST
В этом случае также, если рассматривать 50% расход вторичного газа, достигнутый эффект представляет собой увеличение на 11,2%, 10,5% и 26,8% дизельного топлива, нафты и VGO, соответственно. Влияние на общее увеличение трех представляющих интерес продуктов также показано на фиг.5, где отражено изменение расхода продуктов в зависимости от отношения (W/W) × 100 вторичного газа в процентах.
Также, при 50% вторичного газа, как определено выше, достигаются 94%, 96% и 89% максимального расхода, который может быть достигнут для дизельного топлива, нафты и VGO, соответственно (фиг.6).
Как можно видеть, вторичный газ оказывает большее влияние на VGO, выходящий из установки, по сравнению с дизельным топливом и нафтой, что указывает на то, что десорбирующий эффект эффективен при вытеснении даже довольно тяжелых соединений в газовую фазу.
sec
sec
EST
Как уже было указано, по сравнению с системой EST-VPO без использования вторичного газа, жидкость, рециркулируемая в реактор, оказывается тяжелее, чем жидкость, выходящая из самого реактора, в результате десорбирующего действия газа. Фактически, когда молекулярную массу жидкой фазы, выходящей из HP сепаратора и рециркулируемой в реактор, контролируют в сравнении с молекулярной массой жидкой фазы, выходящей из верхней части реактора, по мере увеличения расхода вторичного газа отмечается, что два потока имеют все более выраженное различие по составу и, следовательно, по молекулярной массе. В отсутствие вторичного газа молекулярные массы (MW) двух жидких фаз являются идентичными, однако по мере увеличения расхода вторичного газа более легкие соединения, присутствующие в жидкой фазе, поступают в продукты, которые затем покидают установку в газовой фазе, тогда как жидкая фаза становится все более тяжелой. При 50% вторичного газа, согласно определению, данному выше, молекулярные массы двух потоков различаются на 11%. На фиг.7 показано изменение в MW двух жидких потоков по мере изменения отношения (W/W) вторичного газа, при этом обе величины выражены в процентах.