СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЖИДКОФАЗНОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ КОНВЕРСИИ ТЯЖЕЛОГО УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ
METHOD AND DEVICE FOR LIQUID-PHASE THERMAL CONVERSION OF HEAVY HYDROCARBON RAW MATERIAL

Изобретение относится к устройствам и способам жидкофазной термической конверсии (термическому крекингу, висбрекингу, пекованию, термополиконденсации) тяжелого углеводородного сырья, склонного к образованию отложений кокса на поверхности оборудования, и может найти применение в нефтеперерабатывающей промышленности.
Известен реактор для жидкофазного термического крекинга, в котором организовано перекрестно противоточное движение реакционной массы за счет использования внутренних устройств [Пат. РФ №2345121, C10G 9/14, опубл. 27.01.2009 г.], что позволяет повысить эффективность процесса термического крекинга за счет снижения степени закоксовывания реактора. При проведении процесса термического крекинга сырье после нагрева вместе с паром или газами термического крекинга через горизонтально распложенные патрубки тангенциально подают во внутренние стаканы, в которых формируются вращательные спиралевидные потоки. Под действием центробежной силы организованный спиралевидный поток выводится из реактора, причем образующиеся продукты термического крекинга выводятся через патрубки, расположенные в верхней части и в нижней части реактора.
Однако реактор имеет большое количество внутренних элементов, громоздок, сложен в изготовлении и обслуживании, кроме того, конструкция реактора не предусматривает наличия устройств, препятствующих уносу с газообразными продуктами капельной жидкости, образующейся из-за высокой турбулентности и неорганизованности движения реакционной среды в реакторе.
Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности является реактор, используемый в способе переработки нефтяных остатков [Пат. РФ №2408653, C10G 9/00, опубл. 10.01.2011 г.], который состоит из обечайки, верхнего и нижнего днищ, имеет сепарационное пространство в верхней части реактора и оснащен патрубками для вывода паров и жидкого продукта, расположенными на верхнем и нижнем днищах реактора, соответственно, а также патрубком для ввода термообработанного сырья, тангенциально расположенным на обечайке выше уровня жидкой фазы в реакторе, составляющем 50-75% высоты реактора.
Недостатком реактора является наличие застойной зоны в месте примыкания патрубка вывода жидкой фазы из-за смены направления движения жидкой фазы при выводе жидкого продукта из реактора с горизонтального вращательного на вертикальное поступательное.
Известен способ висбрекинга нефтяных остатков [Пат. РФ №2339675, C10G 9/00, опубл. 21.08.2007 г.], включающий нагрев сырья до 450-490°С в змеевике печи, подачу нагретого сырья в реакционную камеру, вывод продуктов висбрекинга во фракционирующую колонну с получением дистиллята, газойлевых фракций и остатка, причем после реакционной камеры устанавливают редуцирующий клапан.
Однако вывод парожидкостных продуктов висбрекинга для дальнейшей переработки в двухфазном состоянии через редуцирующий клапан, располагаемый на линии вывода продуктов из реактора, создает пульсирующий, неустойчивый режим процессов, происходящих как в реакторе, так и во фракционирующем оборудовании, сопровождающийся выбросами реакционной массы из реактора и ухудшением качества как дистиллятных продуктов, так и остаточных продуктов процесса по содержанию механических примесей (частиц кокса).
Наиболее близок к заявляемому по технической сущности способ переработки нефтяных остатков [Пат. РФ №2408653, C10G 9/00, опубл. 10.01.2011 г.] путем тангенциальной подачи в реактор термообработанного (нагретого) сырья выше уровня раздела фаз, и вывода паров и жидкого продукта с верха и низа реактора, соответственно.
При тангенциальном вводе двухфазного потока термообработанного сырья в реактор над уровнем жидкой фазы в сепарационном пространстве реактора происходит ускоренное и четкое разделение реакционной массы на паровую и жидкую фазы.
Недостатком способа является невысокая скорость движения жидкой фазы вдоль стенок реактора, что приводит к отложению кокса на поверхностях, расположенных ниже сепарационной зоны реактора. Кроме того, по мере протекания в реакторе процессов деструкции углеводородов сырья и испарения летучих продуктов с образованием паров, происходит поглощение значительного количества тепла и снижение температуры реакционной массы по вертикали реактора сверху вниз, что приводит к замедлению процесса термического крекинга в нижней части реактора и снижению общей глубины конверсии сырья. Для обеспечения необходимой глубины конверсии и требуемого качества жидкого продукта сырье для проведения нужных деструктивных термических превращений приходится нагревать в печи до температуры, превышающей оптимальную. Повышение температуры приводит к увеличению газо- и коксообразования, уменьшает выход среднедистиллятных фракций и их содержание в жидком продукте, что повышает вязкость и снижает его качество.
Задача изобретения - повышение качества жидкого продукта, снижение энергозатрат и уменьшение интенсивности отложения кокса в реакторе.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении способа:
- повышение качества жидкого продукта путем снижения вязкости и уменьшения концентрации механических примесей в жидком продукте за счет снижения интенсивности газо- и коксообразования,
- снижение энергозатрат на нагрев сырья за счет его нагрева до более низкой температуры,
- снижение интенсивности коксоотложения в реакторе за счет повышения скорости движения жидкой фазы вдоль стенок реактора и ликвидации застойных зон.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе, включающем тангенциальную подачу термообработанного сырья в реактор выше уровня раздела фаз, вывод паров и жидкого продукта с верха и низа реактора, соответственно, особенность заключается в том, что сырье предварительно смешивают с рециркулируемой частью жидкого продукта, полученную смесь вводят в реактор с наклоном к горизонту так, чтобы поверхность раздела фаз представляла собой поверхность вращения, при этом часть жидкого продукта рециркулируют, а балансовую часть жидкого продукта выводят.
Предлагаемое устройство для жидкофазной термической конверсии тяжелого углеводородного сырья включает реактор, имеющий обечайку, верхнее и нижнее днища, сепарационное пространство, патрубок для ввода термообработанного сырья, тангенциально расположенный на обечайке, и патрубки для вывода парообразного и жидкого продуктов, расположенные на верхнем и нижнем днищах, соответственно, особенность которого заключается в том, что нижнее днище реактора выполнено в форме выпукло-вогнутой поверхности вращения вокруг вертикальной оси, с выпуклой частью, прилегающей к обечайке реактора, патрубок ввода сырья расположен с наклоном к горизонту, а патрубок вывода жидкого продукта расположен тангенциально с наружной стороны выпуклой поверхности нижнего днища, кроме того, на линии ввода сырья в реактор дополнительно установлен гидроструйный насос, соединенный трубопроводом с линией ввода жидкого продукта.
В предлагаемом устройстве установка гидроструйного насоса на линии ввода сырья в реактор позволяет осуществить рециркуляцию части жидкого продукта с низа реактора на вход сырья за счет энергии сжатого сырья, находящегося в парожидкостном состоянии, которая ранее безвозвратно терялась на редуцирующем клапане, установленном на выходе их печи нагрева сырья.
Выполнение нижнего днища в форме выпукло-вогнутой поверхности вращения вокруг вертикальной оси реактора, с выпуклой частью, прилегающей к обечайке реактора, и расположение патрубка вывода жидкого продукта тангенциально с наружной стороны выпуклой поверхности нижнего днища позволяет ликвидировать застойную зону в месте прилегания патрубка вывода жидкого продукта к обечайке реактора и уменьшить отложения кокса в реакторе.
В заявляемом способе предварительное смешение сырья с рециркулируемой частью жидкого продукта обеспечивает уменьшение коксоотложения на стенках реактора за счет повышения расхода жидкой фазы через реактор, и соответствующего увеличения скорости движения жидкой фазы вдоль стенок реактора. Кроме того, ускоренное вращательное движение реакционной массы улучшает сепарацию продуктов реакции.
Помимо этого за счет рециркуляции жидкого продукта обеспечивается выравнивание вертикального профиля температур в реакторе, что позволяет проводить процесс в оптимальном температурном интервале и соответственно снизить температуру нагрева сырья при сохранении заданной глубины превращения сырья и качества жидкого продукта.
Ввод смеси сырья с рециркулируемой частью жидкого продукта в реактор с наклоном к горизонту обеспечивает близость формы поверхности раздела фаз к поверхности вращения, что повышает качество (уменьшает цветность) дистиллятных продуктов, выделяемых из паров, поскольку снижается образование капель жидкого продукта и уменьшается их унос из реактора с парами за счет лучшего разделения паров и жидкости в поле центробежных сил.
Устройство для осуществления способа состоит из гидроструйного насоса 1 и реактора 2, трубопровода 3 подачи рециркулируемой части жидкого продукта в гидроструйный насос, а также линий подачи сырья и вывода продуктов. Реактор состоит из обечайки 4, верхнего 5 и нижнего 6 днища и оснащен патрубком подачи сырья 7, патрубком вывода паров 8 и патрубком вывода жидкого продукта 9. Предлагаемый реактор прост в изготовлении, не имеет внутренних устройств, обладает сниженной металлоемкостью.
Способ осуществляется следующим образом. Нагретое тяжелое углеводородное сырье (I) и подают в гидроструйный насос 1 в качестве рабочего тела, смешивают с подаваемой по линии 3 в гидроструйный насос рециркулируемой частью жидкого продукта (II). Смесь (III) подают в реактор 2 через патрубок подачи сырья 7. Из патрубка 8, расположенного на вернем днище реактора 5, выводят пары (IV), а из патрубка 9, расположенного на нижнем днище реактора 6, выводят жидкий продукт (V), часть которого (II) рециркулируют.
В доступной научно-технической и патентной литературе не был обнаружен способ жидкофазной термической конверсии тяжелого углеводородного сырья, включающий предварительное смешение с рециркулируемой частью жидкого продукта и введение полученной смеси в реактор таким образом, чтобы поверхность раздела фаз представляла собой поверхность вращения с использованием устройства, включающего гидроструйный насос, соединенный трубопроводом с линией ввода жидкого продукта в реактор, имеющий нижнее днище, выполненное в форме выпукло-вогнутой поверхности вращения вокруг вертикальной оси, с выпуклой частью, прилегающей к обечайке реактора, и патрубком вывода жидкого продукта, расположенным тангенциально с наружной стороны выпуклой поверхности нижнего днища. Таким образом, заявляемое изобретение соответствует критерию патентоспособности «новизна».
Исследованиями автора доказано, что жидкофазная термическая конверсия тяжелого углеводородного сырья, включающая его предварительное смешение с рециркулируемой частью жидкого продукта и введение полученной смеси в реактор таким образом, чтобы поверхность раздела фаз представляла собой поверхность вращения с использованием устройства, включающего гидроструйный насос подачи рециркулируемой частью жидкого продукта и реактор, имеющий нижнее днище, выполненное в форме выпукло-вогнутой поверхности вращения вокруг вертикальной оси, с выпуклой частью, прилегающей к обечайке реактора, и патрубком вывода жидкого продукта, расположенным тангенциально с наружной стороны выпуклой поверхности нижнего днища, позволяет повысить качество жидкого продукта, снизить энергозатраты и уменьшить отложение кокса в реакторе. Таким образом, заявляемое изобретение соответствует критерию патентоспособности «изобретательский уровень».
Ниже приводятся примеры, иллюстрирующие работоспособность предлагаемого способа.
Пример 1. Вакуумный остаток западносибирской нефти нагревают до 485°С и подвергают висбрекингу при 460°С и давлении 1,0 МПа в течение 8 мин в реакторе с выпукло-вогнутым днищем, с циркуляцией жидкого продукта с расходом 2:1 к расходу сырья. Остаток (+180°С), полученный в качестве жидкого продукта с выходом 86,5% масс., имеет условную вязкость при 80°С 13,0 и 0,18% масс. мехпримесей, что соответствует требованиям стандарта на топочный мазут М 100.
Пример 2 (в условиях прототипа). Вакуумный остаток западносибирской нефти нагревают до 500°С и подвергают висбрекингу при 460°С и давлении 1,0 МПа в течение 8 мин в реакторе с выпуклым эллиптическим днищем, без циркуляции жидкого продукта. Остаток (+180°С), полученный в качестве жидкого продукта с выходом 85% масс, имеет условную вязкость при 80°С 13,5 и 0,45% масс. мехпримесей.
Таким образом, заявляемый способ, осуществляемый в предлагаемом устройстве, позволяет получить из нефтяных остатков топочный мазут, соответствующий требованиям ГОСТ 10585-90 с повышенным выходом и улучшенным качеством. Предлагаемый способ соответствует критерию патентоспособности «промышленная применимость» и может быть использован в нефтеперерабатывающей промышленности.