СЕПАРАТОР ГАЗА И ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ
GASES AND SOLIDS SEPARATOR

Изобретение относится к сепараторам газа и твердых частиц. Более конкретно настоящее изобретение относится к сепаратору газа и твердых частиц, который содержит трубчатый корпус, с одного конца указанного корпуса расположен впускной патрубок, предназначенный для впуска смеси газа и твердых частиц, при этом указанный впускной патрубок выполнен так, что он придает завихрение смеси газа и твердых частиц, с противоположного конца указанного корпуса расположено выпускное отверстие для твердых частиц и соосно расположен трубчатый выпускной патрубок для газа, размещенный на конце указанного корпуса, причем указанный сепаратор дополнительно содержит устройство стабилизации вихревого движения, содержащее стержень, расположенный на стабилизирующей пластине.
Такой сепаратор описан в документе ЕР-А 360360. В этой заявке на патент описан вихревой трубчатый сепаратор, в котором в трубчатом корпусе расположено устройство стабилизации вихревого движения, предназначенное для поддержания вихревого движения, заканчивающегося на пластине, к которой прикреплен стержень. Согласно документу WO-A 2004/009244 стержни могут быть расположены вдоль оси трубчатого корпуса с целью улучшения стабильности вихревого движения. В описании рассказано о стержнях, которые занимают от 20% до 100% длины. Даже описано, что стержни доходят до места, находящегося внутри выпускного патрубка для газа.
Сепараторы, соответствующие упомянутым выше заявкам на патенты, могут быть использованы в процессах крекинга с псевдоожиженным катализатором (КПК). В таких процессах углеводородное сырье контактирует с горячим катализатором крекинга в лифт-реакторе. Сырье расщепляется на продукты с более низкой температурой кипения, такие как газ, СПГ, легкие дистилляты нефти и масла каталитического крекинга. Более того, кокс и нелетучие продукты откладываются на катализаторе, что приводит к расходованию катализатора. Лифт-реактор выходит в сепаратор, когда израсходованный катализатор отделяют от продуктов реакции. На следующем этапе израсходованный катализатор обрабатывают, обычно с помощью пара, с целью извлечения из катализатора нелетучих углеводородных продуктов. Обработанный катализатор проходит в устройство восстановления, в котором кокс и оставшиеся углеводородные материалы сгорают и в котором катализатор нагревают до температуры, нужной для реакций крекинга. Далее горячий восстановленный катализатор возвращают в область лифт-реактора. При восстановлении получают дымовые газы, которые содержат частицы катализатора.
Устройства восстановления КПК обычно снабжены сепараторами, которые за одну или несколько ступеней осуществляют разделение газа и твердых частиц. Сепараторы, соответствующие упомянутым выше заявкам на патент, могут быть использованы в так называемых сепараторах третьей ступени (СТС) с целью извлечения мелких частиц катализатора, захваченных потоками газа на предыдущих ступенях сепарации. СТС может содержать резервуар, который включает в себя несколько вихревых трубчатых сепараторов. Эти сепараторы представляют собой циклонные сепараторы с осевым потоком. Дымовой газ, поступающий в трубку сепаратора, проходит через лопасти, придающие вихревое движение потоку газа. Результирующие силы перемещают частицы катализатора к стенке трубки, где они отделяются от потока газа. Отделенные частицы падают через низ трубок и собираются в конической нижней части резервуара сепаратора. Отделенные частицы выходят из резервуара вместе с небольшим количеством дымового газа. Этот поток, содержащий частицы, также называется нижним потоком СТС.
В настоящее время обнаружили, что количество газа, присутствующее в нижнем потоке СТС, может быть целесообразно уменьшено с помощью устройства стабилизации вихревого движения.
Соответственно, в настоящем изобретении предложен сепаратор газа и твердых частиц, содержащий трубчатый корпус, с одного конца указанного корпуса расположен впускной патрубок, предназначенный для впуска смеси газа и твердых частиц, при этом указанный впускной патрубок выполнен так, что он придает завихрение смеси газа и твердых частиц, с противоположного конца указанного корпуса расположено выпускное отверстие для твердых частиц и соосно расположен трубчатый выпускной патрубок для газа, размещенный на конце указанного корпуса, причем указанный сепаратор дополнительно содержит устройство стабилизации вихревого движения, содержащее стержень, расположенный на стабилизирующей пластине, в указанном сепараторе стержень расположен вдоль оси трубчатого корпуса и в этой стабилизирующей пластине и стержне предусмотрен канал.
Было обнаружено, что газ в области, расположенной сразу под стабилизирующей пластиной, фактически не содержит твердых частиц. Предусматривая канал в стабилизирующей пластине и стержне устройства стабилизации вихревого движения, через этот канал можно эффективно извлекать из системы очищенный газ. Достоинство этого состоит в том, что не требуется осуществлять извлечения газа из потока твердых частиц. В процессе КПК стало обычным извлекать газ из потока твердых частиц из СТС в так называемом сепараторе четвертой ступени. Настоящее изобретение открывает возможность отказаться от необходимости устанавливать сепаратор четвертой ступени.
Специалистам в рассматриваемой области ясно, что сепаратор, соответствующий настоящему изобретению, также может быть использован в других областях. Достоинства улучшенного вихревого движения и эффективной сепарации газа и твердых частиц могут быть использованы в других областях, таких как электростанции, работающие на угле, установки для газификации угля, установки для обработки руд металлов и так далее.
Сепаратор, соответствующий изобретению, работает лучше, так как стержень расположен вдоль большей части оси корпуса. Следовательно, целесообразно, чтобы стержень был расположен вдоль, по меньшей мере, 20%, предпочтительно от 30 до 100%, более предпочтительно от 80 до 100% оси трубчатого корпуса, при этом считаем, что указанная ось расположена от впускного отверстия выпускного патрубка для газа до стабилизирующей пластины. Так как наиболее удобно, чтобы чистый газ, который отделен снизу стабилизирующей пластиной, не контактировал с газом, содержащим твердые частицы, то наиболее предпочтительно, чтобы стержень тянулся от стабилизирующей пластины до впускного отверстия выпускного патрубка для газа, то есть чтобы стержень заходил внутрь выпускного патрубка для газа или даже тянулся дальше выпускного патрубка для газа.
В таком случае предпочтительно, чтобы стержень был прикреплен внутри выпускного патрубка для газа с помощью опорного средства. Предпочтительно, чтобы указанное опорное средство представляло собой придающее вихревое движение средство, такое как конструкция из лопастей, при этом указанное средство завихрения расположено так, что оно уменьшает вихревое движение газа, выходящего через выпускной патрубок для газа. При желании стержень также закреплен в трубчатом корпусе. Предпочтительно, чтобы крепление было осуществлено с помощью конструкции из лопастей, расположенных в выпускном патрубке для газа. Эта конструкция из лопастей при использовании преобразует вихревое движение газа, выходящего из трубчатого корпуса в выпускной патрубок для газа, в увеличение давления ниже по направлению движения относительно конструкции из лопастей. Таким образом, сепаратор, снабженный такой конструкцией из лопастей, будет отличаться уменьшенным перепадом давления.
Для управления количеством газа, который протекает по каналу, внутренний диаметр канала не обязательно должен быть одинаковым. Внутренний диаметр канала может содержать сужение, предназначенное для обеспечения прохождения нужного потока газа. Если присутствует сужение, то оно может быть расположено в любом месте канала. Тем не менее, предпочтительно, чтобы оно было расположено на входе в канал, то есть у стабилизирующей пластины. Таким образом, количеством чистого газа управляют с самого начала, при этом поток через оставшуюся часть канала не встречает никаких помех. Природа сужения может быть выбрана в соответствии с внутренним диаметром оставшейся части канала и нужным потоком газа через канал. Предпочтительно, чтобы сужение представляло собой уменьшение диаметра, при этом значение диаметра составляло от 95 до 75% самого большого внутреннего диаметра канала. Целесообразно, чтобы канал был выполнен так, чтобы от 11 до 3% газа, который течет в сепаратор, проходило через устройство стабилизации вихревого движения.
Сепараторы, соответствующие документам EP-A 360360 и WO-A 2004/009244, оба представляют собой вихревые трубчатые сепараторы. Это подразумевает, что впускной патрубок для газа соосен с трубчатым корпусом. Для того чтобы придать завихрение смеси газа и твердых частиц, сепаратор снабжен придающим вихревое движение средством, таким как лопасти, которое расположено от внешней стороны впускной трубки для газа до стенки трубчатого корпуса. В сепараторах третьей ступени, которые используются в процессах КПК, обычно применяют несколько вихревых трубчатых сепараторов. Следовательно, для такой области применение вихревых трубчатых сепараторов очевидно. Тем не менее, возможно использовать сепараторы, соответствующие изобретению, в других областях. Следовательно, сепараторы, соответствующие настоящему изобретению, не ограничиваются вихревыми трубчатыми сепараторами. Соответственно сепаратор, соответствующий настоящему изобретению, является сепаратором, в котором впускной патрубок, предназначенный для входа смеси газа и твердых частиц, расположен по касательной к трубчатому корпусу. Таким образом, сепаратор является тангенциальным циклонным сепаратором. Тангенциальный вход смеси газа и твердых частиц приводит к завихрению смеси. Вихревое движение, которое возникает из такого завихрения, стабилизируется стержнем и стабилизирующей пластиной. В качестве альтернативы, сепаратор, соответствующий настоящему изобретению, может быть выполнен в виде вихревого трубчатого сепаратора, в котором впускной патрубок для входа смеси газа и твердых частиц расположен соосно с трубчатым корпусом и снабжен придающим вихревое движение средством. Подходящим придающим вихревое движение средством являются лопасти.
Устройство стабилизации вихревого движения расположено вблизи выпускного отверстия для твердых частиц. Предпочтительно, чтобы стабилизирующая пластина была расположена в трубчатом корпусе сепаратора. Целесообразно, чтобы стабилизирующая пластина была расположена на расстоянии от выпускного отверстия для твердых частиц, указанное расстояние составляет от 5 до 25% длины трубчатого корпуса, при этом длина представляет собой расстояние между выпускным отверстием для твердых частиц и впускным отверстием выпускного патрубка для газа. Целесообразно, чтобы стабилизирующая пластина была расположена перпендикулярно продольной оси трубчатого корпуса. Предпочтительно, чтобы указанная пластина имела форму диска.
Как отмечено выше, целесообразно, чтобы соответствующие настоящему изобретению сепараторы использовались в процессе КПК, в частности в так называемом сепараторе третьей ступени (СТС). В таком варианте осуществления изобретения СТС содержит несколько сепараторов, соответствующих настоящему изобретению. Варианты осуществления блоков СТС описаны в документах WO-A 2004/009244 и US-A-6174339. Соответственно, в настоящем изобретении дополнительно предложено устройство разделения, содержащее резервуар, общий впускной патрубок для газа, общий выпускной патрубок для газа и общее выпускной патрубок для твердых частиц, при этом резервуар дополнительно содержит верхнюю трубную пластину и нижнюю трубную пластину, эти две трубные пластины определяют верхнее пространство, которое сообщается с общим выпускным патрубком для газа, газонепроницаемое среднее пространство, которое сообщается с общим впускным патрубком для газа, и нижнее пространство, которое сообщается с общим выпускным патрубком для твердых частиц, при этом несколько сепараторов, каждый из которых содержит впускной патрубок для газа, выпускной патрубок для газа и выпускной патрубок для твердых частиц, расположены так, что впускные патрубки для газа сепараторов сообщаются со средним пространством, выпускные отверстия для твердых частиц сепараторов сообщаются с нижним пространством и выпускные патрубки для газа сепараторов сообщаются с верхним пространством, при этом в устройстве разделения сепараторы являются сепараторами, соответствующими изобретению. Предпочтительно, чтобы сепараторы были такого типа, которые содержат впускной патрубок для входа смеси газа и твердых частиц, расположенный в трубчатом корпусе сепаратора, соосно с ним, и снабжены придающим вихревое движение средством.
Впускные патрубки сепараторов сообщаются со средним пространством между трубными пластинами, которые в свою очередь сообщаются с общим впускным патрубком для газа сепаратора третьей ступени. Газ содержит твердые частицы, такие как частицы катализатора. Выпускные отверстия сепараторов для твердых частиц сообщаются с нижним пространством, которое представляет собой пространство для сбора твердых частиц, расположенное в нижней части резервуара и также называемое камерой для сбора твердых частиц. Камера для сбора твердых частиц снабжена выпускным отверстием для твердых частиц. Выпускной патрубок для газа каждого сепаратора сообщается с пространством для сбора чистого газа, то есть верхним пространством, которое в свою очередь сообщается с общим выпускным патрубком для газа сепаратора третьей ступени.
Сепараторы в таком устройстве разделения могут содержать стержни, которые выходят в пространство, отличное от верхнего пространства. Одно пространство, в которое некоторые или все стержни могут выходить, является общим выпускным патрубком для газа. Таким образом, поддерживается поток газа по каналам, расположенным в стержнях. Другой подходящий вариант заключается в том, чтобы предложить устройство разделения с четвертым пространством, в которое выходят стержни. Таким образом, чистота газа, который течет по каналам и который собирается в этом четвертом пространстве, может быть оценена и в зависимости от содержания твердых частиц в газе специалист в рассматриваемой области может решить выпускать ли газ, собранный в этом четвертом пространстве, вместе с газом по общему выпускному патрубку для газа. В качестве альтернативы, специалист в рассматриваемой области может решить подвергнуть газ из этого четвертого пространства дополнительному разделению газа и твердых частиц, например, фильтрации, флотации или дополнительной центробежной сепарации. Четвертое пространство может быть расположено в устройстве разделения, например, в виде пространства между верхним и средним пространствами или в виде пространства, расположенного над верхним пространством. Также четвертое пространство может быть расположено вне резервуара устройства разделения. Целесообразно, чтобы четвертое пространство содержало выпускной патрубок для газа, который сообщается с общим выпускным патрубком для газа устройства разделения, или содержало отдельный выпускной патрубок для газа.
Количество сепараторов, присутствующих в сепараторе третьей ступени, будет зависеть от скорости подачи сырья. Обычно в одном резервуаре расположено от 1 до 200 сепараторов.
-6
-6
3
3
3
Целесообразно, чтобы сепаратор, соответствующий изобретению, и устройство разделения, содержащее несколько таких сепараторов, могли использоваться для различных типов разделений газа и твердых частиц. Особенно, когда нужно малое содержание твердых частиц, целесообразно использовать сепаратор. Целесообразно использовать сепаратор, соответствующий изобретению, для отделения из потока газа твердых частиц, диаметр которых составляет от 1∗10 до 40∗10 м. Обычно содержание твердых частиц в потоке газа составляет от 100 до 500 мг/м при нормальных условиях. Содержание твердых частиц в очищенном газе, выходящем из улучшенного сепаратора, составляет менее 50 мг/м при нормальных условиях или даже менее 30 мг/м при нормальных условиях.
3
3
Соответственно, в настоящем изобретении дополнительно предложен процесс отделения твердых частиц из смеси газа и твердых частиц, заключающийся в прохождении смеси газа и твердых частиц через сепаратор или устройство разделения, содержащее несколько таких сепараторов, которые соответствуют изобретению. Целесообразно использовать этот процесс в процессах, в которых содержание твердых частиц в смеси газа и твердых частиц составляет от 100 до 500 мг/м при нормальных условиях и которые нацелены на получение потока газа, в котором содержание твердых частиц составляет менее 50 мг на м при нормальных условиях.
В операциях процесса КПК во многих очистных установках для уменьшения потерь частиц катализатора КПК используются высокоэффективные СТС. Даже в таких случаях не является необычным использование сепаратора четвертой ступени для очистки нижнего потока (части, содержащей большое количество твердых частиц), выходящего из СТС. Твердые частицы, отделенные в СТС, перемещаются в сепаратор четвертой ступени с использованием небольшого количества газа в качестве средства перемещения частиц катализатора, что управляется соплом, обычно расположенным ниже по направлению движения относительно сепаратора четвертой ступени. Оборудование, используемое для обработки нижнего потока СТС, обычно представляет собой циклонный сепаратор четвертой ступени или керамический фильтр, работающий при высокой температуре. Циклонный сепаратор четвертой ступени обычно не извлекает все частицы катализатора из нижнего потока СТС, в результате чего имеется конечное содержание катализатора. Керамический фильтр извлекает практически 100% катализатора, но цена и надежность непрерывной работы во многих случаях делают его менее привлекательным. Керамический фильтр является частью оборудования, которая склонна к неисправностям.
Достоинство настоящего процесса состоит в том, что через стабилизирующую пластину и стержень выходит такое большое количество газа, что можно не использовать сепаратор четвертой ступени. Твердые частицы, отделенные в устройстве разделения, которое соответствует изобретению, могут просто собираться и отводиться. Соответственно, в настоящем изобретении предложен процесс, направленный на отделение твердых частиц из смеси газа и твердых частиц, в частности на отделение частиц катализатора из дымового газа в процессе КПК, что осуществляют путем прохождения смеси газа и твердых частиц через устройство разделения, как описано выше, при этом получают чистый газ и отделенные твердые частицы и отводят отделенные твердые частицы. Целесообразно, чтобы перед отведением отделенные твердые частицы собирались в приемном бункере для твердых частиц. Далее, особенно в случае частиц катализатора СТС, до отведения отделенные твердые частицы могут быть очищены инертным газом в приемном бункере для твердых частиц. В этих случаях твердые частицы не проходят никакой дополнительный этап разделения газа и твердых частиц.
Далее изобретение будет проиллюстрировано с помощью фиг.1-3.
Фиг.1 - вид, показывающий вариант осуществления сепаратора, в котором впуск смеси газа и твердых частиц осуществляется с помощью впускного патрубка, расположенного по касательной.
Фиг.2 - вид, показывающий сепаратор, соответствующий настоящему изобретению, в котором впускной патрубок для впуска смеси газа и твердых частиц расположен соосно с трубчатым корпусом сепаратора и снабжен придающим вихревое движение средством.
Фиг.3 - вид, показывающий устройство разделения, снабженное несколькими сепараторами, соответствующими настоящему изобретению.
На фиг.1 показан сепаратор, содержащий трубчатый корпус 1. Впускной патрубок 2 для газа и твердых частиц расположен так, чтобы смесь газа и твердых частиц подавалась в корпус 1 по касательной, за счет чего смеси придается вихревое движение.
Корпус дополнительно снабжен выпускным патрубком 3 для газа, частью 4 в виде усеченного конуса и выпускным отверстием 5 для твердых частиц. Смесь завихряется вокруг устройства стабилизации вихревого движения, которое содержит стабилизирующую пластину 6 и стержень 7. Вихревое движение в трубчатом корпусе находится в стабильном состоянии и происходит вокруг указанного стержня. Твердые частицы, которые отделяются благодаря центробежной силе, выходят из корпуса через отверстие 5 для твердых частиц. Вместе с твердыми частицами захватывается некоторое количество газа. В области, расположенной под стабилизирующей пластиной, газ фактически не содержит твердых частиц. Через канал 8, расположенный в стабилизирующей пластине и стержне, может быть выпущен такой газ вместе с газом, который очищен с помощью центробежной силы. Далее эти газы выходят через впускное отверстие 9 для газа и выпускной патрубок 3 для газа. Стержень, выпускной патрубок для газа и корпус соосны. Устройство показано не в масштабе; для ясности стержень и стабилизирующая пластина показаны больших размеров, чем они есть на самом деле. Тем не менее, на фиг.1 правильно показано, что стержень занимает примерно 85% длины по оси, определенной от впускного отверстия 9 до стабилизирующей пластины 6, то есть до конца канала 8.
На фиг.2 показан сепаратор другого типа. Этот сепаратор содержит трубчатый корпус 11 и соосный выпускной патрубок 13 для газа. Через кольцеобразное пространство 12, расположенное между трубчатым корпусом 11 и выпускным патрубком 13 для газа, в сепаратор может быть введена смесь газа и твердых частиц. Лопасти 20 придают смеси газа и твердых частиц вихревое движение. Вихревое движение переходит в стабильное вихревое движение вокруг устройства стабилизации вихревого движения, которое содержит стабилизирующую пластину 16 и стержень 17. Стержень проходит через впускное отверстие 19 выпускного патрубка 13 в выпускной патрубок 13. Стержень и стабилизирующая пластина снабжены каналом 18. На конце стержня расположено сужение 21. Освободившийся от твердых частиц газ проходит через сужение 21 и канал 18 и, в конце концов, выходит через выпускной патрубок 13 для газа. Отделенные твердые частицы выходят из трубчатого корпуса 11 через выпускное отверстие 15 для твердых частиц.
На фиг.3 схематически показан сепаратор третьей ступени. Устройство разделения содержит резервуар 31, общий впускной патрубок 32 для газа, общий выпускной патрубок 33 для газа и общий выпускной патрубок 34 для твердых частиц. Резервуар дополнительно содержит верхнюю трубную пластину 35 и нижнюю трубную пластину 36. Трубные пластины разделяют три пространства; верхнее пространство 37, которое сообщается с общим выпускным патрубком 33 для газа, нижнее пространство 38, которое сообщается с общим выпускным патрубком 34 для твердых частиц, и среднее пространство 39, которое сообщается с общим впускным патрубком 32 для газа. Между трубными пластинами 35 и 36 расположены несколько (на фиг.3 - четыре) сепаратора 40. Каждый сепаратор содержит трубчатый корпус 41, соосный выпускной патрубок 42 для газа и устройство стабилизации 43 вихревого движения, содержащее стержень и стабилизирующую пластину. Впуск сепаратора представляет собой кольцеобразное отверстие между выпускным патрубком 42 и трубчатым корпусом 41. Газовая смесь, содержащая твердые частицы и поступающая через общий впускной патрубок 32 для газа, распределяется по пространству 39. Через кольцеобразные впускные отверстия сепараторов 40 газ проходит через сепараторы. Придающие вихревое движение средства (не показаны), расположенные в кольцеобразных отверстиях, придают газу вихревое движение, тем самым вызывая разделение газа и твердых частиц. Вихревое движение стабилизируется с помощью устройства 43 стабилизации вихревого движения, и отделенные твердые частицы выходят из сепараторов и попадают в пространство 38 для выпуска через общий выпускной патрубок 34 для твердых частиц. Освобожденный от твердых частиц газ выходит из сепараторов 40 через выпускные патрубки 42 для газа. Так как в устройстве 43 стабилизации вихревого движения предусмотрен канал, то газ, увлеченный твердыми частицами, может присоединиться к газу, освобожденному от твердых частиц, и также выйти через выпускные патрубки 42 для газа. Очищенные газы собираются в пространстве 37 и выходят из резервуара 31 через общий выпускной патрубок 33 для газа.