НОВОЕ УСТРОЙСТВО РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗА/ЖИДКОСТИ, ПРЕДНАЗНАЧЕННОЕ ДЛЯ РЕАКТОРОВ С ТРЕХФАЗНЫМ ПСЕВДООЖИЖЕННЫМ СЛОЕМ, ПОДОБНЫХ ИСПОЛЬЗУЕМЫМ В ПРОЦЕССЕ H-OIL
NEW GAS/LIQUID SEPARATION DEVICE INTENDED FOR REACTORS WITH THREE-PHASE FLUIDISED BED, SIMILAR TO THOSE USED IN H-OIL PROCESS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение заключается в усовершенствовании определения параметров верхней части трехфазных реакторов, используемых в процессе «H-Oil», с целью достижения улучшенного разделения газовой и жидкой фаз в указанной верхней зоне, часто именуемой «recycle cup». Англоязычный термин «recycle cup» в настоящем тексте соответствует термину «зона рециркуляции жидкости» или, проще, «зона рециркуляции». Англоязычный термин «spirale riser» в настоящем тексте соответствует выражению «устройство разделения газа/жидкости».
Процесс «H-Oil» представляет собой способ гидрокрекинга тяжелых углеводородных остатков типа вакуумного газойля, в ходе которого образуется фаза жидких углеводородов, фаза газообразного водорода, диспергированная в форме пузырьков, и фаза катализатора, диспергированная в форме частиц, размер которых обычно составляет от 0,2 до 2 мм. Таким образом, в процессе «H-Oil» используется трехфазный псевдоожиженный слой, и для осуществления этого процесса применяют особый реактор, при этом, указанный реактор оборудован устройством разделения газа/жидкости, расположенным в верхней части реактора с тем, чтобы обеспечивать рециркуляцию жидкости, возвращаемой после отделения в реакционную зону реактора. Одним из важных параметров реакторов типа «H-oil» является степень рециркуляции жидкости, определяемая как отношение расхода рециркулируемой жидкости к расходу поступающей жидкости, которая, как правило, лежит в интервале от 1 до 10.
Настоящее изобретение можно определить как усовершенствованное устройство разделения газа/жидкости для реакторов типа «H-oil», которое обеспечивает возвращение большей части жидкости без газа в реакционную зону и выведение газа (который может еще содержать небольшое количество жидкости) из реактора.
Задачей настоящего изобретения является разработка устройства, позволяющего достичь эффективности разделения газа/жидкости, превосходящей соответствующий параметр для «spirale riser» известного уровня техники.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР
На фиг. 1 представлена соответствующая известному уровню техники схема реактора с трехфазным псевдоожиженным слоем, используемого в процессе «H-oil». На этой фигуре можно видеть реакционную зону (22), соответствующую трехфазному псевдоожиженному слою, содержащему катализатор, зону, расположенную над каталитической зоной и именуемую зона (29) разделения газа/жидкости, которая позволяет рециркулировать жидкость в нижнюю часть реактора при помощи рециркуляционного насоса (20). Устройства разделения газа/жидкости представлены элементами (27) и (28), при этом, нижний край некоторых элементов находится в зоне (29), тогда как нижний край других элементов находится на конической поверхности «recycle cup» (39). Именно эти устройства разделения являются объектом настоящего изобретения, остальное в реакторе относительно известного уровня техники не изменено.
На фиг. 2 схематично представлено более подробное изображение верхней части реактора, именуемой зона рециркуляции жидкости, так как она оканчивается внутренним каналом (25) который, после разделения газа/жидкости, обеспечивает поступление жидкости в нижнюю часть реактора при помощи рециркуляционного насоса (20). Устройства разделения газа/жидкости (27) и (28) установлены вдоль конической поверхности (30) зоны рециркуляции. Поступление газожидкостной смеси осуществляется по каналам (70). Разделение газа/жидкости происходит в устройствах (55). Каждое устройство (55) состоит из трубчатого элемента (70), обеспечивающего поступление газожидкостной смеси, оканчивающегося последовательностью из двух изгибов, лежащих в двух различных плоскостях:
- первая плоскость, обозначенная (yz), перпендикулярна оси х,
- вторая плоскость, обозначенная (xy), перпендикулярна оси z.
По вертикали оба последовательные изгиба находятся на одной высоте. Высота по вертикали (по оси z) первого изгиба и высота по вертикали (по оси z) второго изгиба, по существу, одинаковы. Под «по существу» понимается перепад по вертикали, не превышающий величину D диаметра канала (70) поступления газожидкостной смеси.
Жидкость, стекающая после выхода из элементов разделения вдоль конической стенки (30), отводится по нисходящему выпускному каналу (25), газ выходит из второго изгиба каждого из элементов разделения (27) и (28). Газ занимает верхнюю часть (39V) зоны (39) разделения, находящуюся над межфазной поверхностью (24) газ/жидкость, и выходит из реактора по выпускному каналу (67).
На фиг. 3 представлена информация, позволяющая произвести определение параметров соответствующих изобретению устройств разделения (27) и (28). В частности, отмечены угол альфа первого изгиба и угол бета второго изгиба, а также расстояние D1, разделяющее два последовательных изгиба.
На фиг. 4 визуально представлена эффективность разделения газа/жидкости, полученная путем трехмерного моделирования при помощи программного обеспечения Fluent™. Это моделирование относится к выходу устройства разделения и к зоне рециркуляции в целом. Оно позволяет посредством оттенков серого цвета отобразить присутствие газа (светло-серый) и локализацию жидкости (темно-серый). Чем темнее оттенок серого, тем больше присутствует жидкости.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
При исследовании известного уровня техники в области разделения газа/жидкости в трехфазных реакторах типа «H-oil» выявлен документ US 4886644, кратко проанализированный ниже:
Патент US 4886644, который можно рассматривать как наиболее современный уровень техники, посвящен концепции «spiral riser» в процессе «H-oil».
Основные пункты формулы изобретения относятся к конструкции «spiral riser» (число оборотов спирали и угол по отношению к горизонтали).
Описываемый в цитируемом тексте «recycle cup» соответствует верхней части реактора, которая позволяет, после разделения газа и жидкости, возвращать жидкость в реакционную зону реактора и выводить газ по соответствующему каналу.
Авторами в нижеследующем тексте вместо «recycle cup» использованы термины «верхняя зона рециркуляции жидкости» или просто «зона рециркуляции».
В документе US 4886644, кроме того, показана компоновка верхней зоны рециркуляции, в которой канал отведения газа/жидкости в верхней части реактора объединен с гидроциклоном.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение можно определить как устройство разделения газа/жидкости, размещаемое в зоне рециркуляции реакторов с трехфазным псевдоожиженным слоем, используемых в процессах гидрокрекинга тяжелых углеводородных остатков в присутствии водорода под высоким давлением, процесса, именуемого авторами «H-oil». Вообще, настоящее устройство может быть использовано в реакторах всех типов с трехфазным псевдоожиженным слоем, где требуется разделение газа и жидкости.
Под процессом, осуществляемым в трехфазном псевдоожиженном слое, понимается процесс, в котором в реакционной зоне присутствуют три фазы: жидкая фаза, представляющая собой, как правило, подлежащий обработке материал, газовая фаза под высоким давлением, как правило, водород, и твердая фаза, соответствующая катализатору в форме твердых частиц, чаще всего, с диаметром в диапазоне от 0,2 до 2 мм, предпочтительно, от 0,7 до 1,5 мм.
Устройство разделения, соответствующее настоящему изобретению, состоит из множества элементов разделения (27) и (28), функционирующих параллельно и установленных вертикально, начиная от конической поверхности (30) зоны (39) рециркуляции.
Зона (39) рециркуляции включает верхнюю часть (39V), соответствующую газу, и нижнюю часть (39L), соответствующую жидкости. Эти две зоны во время функционирования разделены межфазной поверхностью (24) газ/жидкость.
Каждый из элементов разделения (27) и (28) оканчивается последовательностью из двух изгибов:
первый изгиб лежит в плоскости (z,y), второй изгиб лежит в плоскости (x,y).
Ориентация первого изгиба в плоскости (yz) определяется углом α, составляющим от 45° до 315°, предпочтительно, от 60° до 300°, более предпочтительно, от 80° до 200°.
Ориентация второго изгиба в плоскости (xy) определяется углом β, составляющим от 0° до 135°, предпочтительно, от 10° до 110°, более предпочтительно, от 30° до 100°.
Ось z соответствует вертикальной оси, плоскость (xy) представляет собой плоскость, перпендикулярную оси z, таким образом, плоскость, по существу, горизонтальную.
Два последовательных изгиба разделены расстоянием D1, составляющим от D/2 до 4D, предпочтительно, от D/2 до 2D, где D означает диаметр канала (70).
2
Устройство разделения газа/жидкости, соответствующее настоящему изобретению, характеризуется, вообще, плотностью размещения элементов разделения (27) и (28) от 5 до 70 единиц на м пустого корпуса реактора.
Настоящее изобретение также может быть определено как способ гидрокрекинга тяжелых углеводородных остатков в трехфазном псевдоожиженном слое с использованием устройства разделения газа/жидкости, соответствующего отличительным особенностям, изложенным выше, при этом, указанный способ осуществляют при следующих рабочих условиях:
- абсолютное давление от 2 до 35 МПа, предпочтительно, от 5 до 25 МПа, более предпочтительно, от 6 до 20 МПа, и
- температура от 300°С до 550°С, предпочтительно, от 350°С до 500°С, более предпочтительно, от 370°С до 430°С, наиболее предпочтительный диапазон температуры составляет от 380°С до 430°С,
- поверхностная скорость восходящего потока внутри каждого из впускных каналов (70), вообще, составляет от 0,1 до 20 м/с, предпочтительно, от 0,2 до 15 м/с, более предпочтительно, от 0,3 до 10 м/с.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для лучшего понимания изобретения необходимо кратко описать функционирование реактора известного уровня техники типа «H-oil», подобного изображенного на фиг. 1. На фиг. 1 представлена типичная схема, отражающая принципиальные элементы реактора типа «H-oil», соответствующего известному уровню техники. Этот реактор сконструирован особым образом с использованием надлежащих материалов, позволяющих производить операции с реакционноспособными жидкостями, суспензиями жидкость/твердая фаза (то есть, жидкостями, содержащими суспендированные в них мелкие твердые частицы), твердыми телами и газами при повышенных температуре и давлении, и предназначен, предпочтительно, для обработки водородом жидких углеводородных остатков при высокой температуре и высоком давлении, то есть, давлении от 2 до 35 МПа, предпочтительно, от 5 до 25 МПа, более предпочтительно, от 6 до 20 МПа и температуре от 300°С до 550°С, предпочтительно, от 350°С до 500°С, более предпочтительно, от 370°С до 460°С, при этом, наиболее предпочтительный диапазон температуры составляет от 380°С до 440°С.
Реактор (10) типа «H-oil» снабжен надлежащим впускным каналом (12) для подачи загрузки тяжелых углеводородов (11) и газа (13), содержащего водород. Выпускные каналы расположены в верхней части реактора (10). Выпускной канал (40) предназначен для отведения паров, которые могут содержать некоторое количество жидкости, и, по выбору, канал (24) позволяет отводить, преимущественно, жидкость. В реакторе также имеется система, позволяющая вводить и выводить частицы катализатора, схематично показанная как канал (15) для подачи свежего катализатора (16) и канал (17) для отведения использованного катализатора (14).
Загрузку тяжелых углеводородов производят по каналу (11), тогда как газ, содержащий водород, подают по каналу (13). Затем загруженная смесь и газообразный водород поступают по каналу (12) в реактор (10), в нижнюю часть реактора.
Поступившая текучая среда проходит через пластину (18) с надлежащими распределителями. На данной схеме показаны распределители типа «bubble-cap» (колпачки) (19), однако, понятно, может быть использован любой распределитель, известный специалистам в данной области, позволяющий распределять текучую среду, поступающую по каналу (12), по всей площади сечения реактора 10 наиболее равномерным образом.
Смесь жидкость/газ поднимается вверх, частицы катализатора вовлекаются в движение кипящего слоя потоком газа и потоком жидкости, создаваемым циркуляционным насосом (20), который может находиться внутри или вне реактора (10).
Восходящего потока жидкости, подаваемой насосом (20), достаточно для того, чтобы катализатор, находящийся в зоне реакции или каталитическом слое (22), увеличился в объеме, по меньшей мере, на 10%, предпочтительно, от 20 до 100% относительно объема в статичном состоянии (то есть, неподвижном) слоя катализатора, благодаря чему также возможен поток газа и жидкости через реактор (10), как показано стрелкой (21).
Из-за равновесия сил трения, порожденных восходящим потоком газа и жидкости, и силы тяжести, направленной вниз, слой частиц катализатора достигает верхнего уровня расширения, тогда как более легкие жидкость и газ продолжают двигаться в верхнюю часть реактора (10), выше уровня твердой фазы. На схеме максимальный уровень расширения катализатора соответствует межфазной поверхности (23). Ниже межфазной поверхности (23) находится зона (22) каталитической реакции, которая простирается от решетки (18) до уровня (23).
Выше межфазной поверхности (23) находится зона (39), в которой присутствуют только газ и жидкость. Частицы катализатора в реакционной зоне (22) движутся хаотично и находятся в псевдоожиженном состоянии, из-за чего такую реакционную зону называют трехфазной псевдоожиженной зоной.
Зона (29) с незначительной концентрацией катализатора, находящаяся выше уровня (23), заполнена движущимися жидкостью и газом. Газ отделяют от жидкости в верхней части реактора, именуемой «recycle cap» (30), с целью сбора и рециркуляции большей части жидкости по центральному каналу (25). Важно, что жидкость, рециркулируемая по центральному каналу (25), содержит как можно меньше газа или вообще не содержит газа, чтобы исключить явление кавитации в насосе (20).
Жидкие продукты, остающиеся после разделения газа/жидкости, могут быть отведены по каналу (24). Канал (40) используют для отведения газа.
Расширяющаяся часть на верхнем конце канала (25) образует зону рециркуляции жидкости 39V и 39L. Множество элементов разделения (27) и (28), ориентированных вертикально, связывает зону (29) газа/жидкости и зону (39) рециркуляции.
Газожидкостная смесь поднимается вверх по каналам элементов разделения (27) и (28). Часть отделенной жидкости затем направляется по центральному каналу (25) в направлении стрелки (31) к рециркуляционном насосу (20) и, таким образом, рециркулируется в нижнюю часть реактора (10) под решеткой (18).
Газ, отделенный от жидкости, движется в верхнюю часть реактора (10), откуда его отводят по верхнему каналу (40). Отведенный газ затем подвергают обычной обработке, направленной на как можно более полное отделение водорода, который рециркулируют в реактор по каналу (13).
В настоящем изобретении общая схема рециркуляции текучих сред не изменена относительно известного уровня техники, описанного выше. Модифицирована только геометрия элементов разделения (27) и (28) и геометрические параметры зоны (39) рециркуляции.
На фиг. 2 представлена более подробная схема зоны (39) рециркуляции, показанной на фиг. 1.
Газ и жидкость движутся в восходящем потоке, направление которого показано стрелкой (41), и поступают во впускные каналы (70), где направление потока сразу меняется, примерно, на 90° в первом изгибе и втором изгибе, которыми оканчиваются элементы разделения (27) и (28).
Уровень (24) отделяет верхнюю часть (39V), содержащую, преимущественно, отделенный газ, от нижней части (39L), содержащей, преимущественно, рециркулируемую жидкость. Разные порции (45) отделенной жидкости, выходящие из разных элементов разделения (27) и (28), текут вниз по конической стенке (30), собираются к центральному каналу (25) рециркуляции, по которому снова поступают в рециркуляционный насос (20).
Таким образом, большая часть жидкости (31) рециркулируется по центральному каналу (25) к насосу (20), создающему псевдоожиженное состояние. Газ и небольшую часть неотделенной жидкости отводят по каналу (40) в направлении, показанном стрелкой (67). Канал (40), как правило, на нижнем конце снабжен прорезями (65), которые позволяют зафиксировать высоту межфазной поверхности (24) газ/жидкость.
На фиг. 3 подробно показана геометрия устройства разделения газа/жидкости, соответствующего изобретению, и геометрические размеры, существенные для определения параметров указанного устройства.
Диаметр впускного канала (70) каждого из элементов разделения (27) и (28), как правило, составляет от 0,02 м до 0,5 м, предпочтительно, от 0,05 м до 0,4 м, более предпочтительно, от 0,1 м до 0,3 м.
Поверхностная скорость жидкости в восходящем потоке, направление которого показано стрелкой (41), как правило, составляет от 0,1 до 20 м/с, предпочтительно, от 0,2 до 15 м/с, более предпочтительно, от 0,3 до 10 м/с.
Ориентация первого изгиба в плоскости (yz) определяется углом α. Величина угла α составляет от 45° до 315°, предпочтительно, от 60° до 300°, более предпочтительно, от 80° до 200°.
Ориентация второго изгиба в плоскости (xy) определяется углом β. Величина угла β составляет от 0° до 135°, предпочтительно, от 10° до 110°, более предпочтительно, от 30° до 100°.
Высота Н1 между межфазной поверхностью (24) газ/жидкость и вторым изгибом в плоскости (ху) составляет от D до 10D, предпочтительно, от 2D до 5D, где D означает диаметр канала (70).
Расстояние D, разделяющее два последовательных изгиба, составляет от D/2 до 4D, предпочтительно, от D/2 до 2D, где D означает диаметр канала (70).
ПРИМЕРЫ, СООТВЕТСТВУЮЩИЕ ИЗОБРЕТЕНИЮ
В данном примере представлены параметры устройства разделения газа/жидкости, соответствующего изобретению. Рабочие условия процесса, а также геометрические параметры устройства, приведены в таблице 1.
Таблица 1. Рабочие условия в зоне рециркуляции и геометрические параметры разделителя
Расход газовой и жидкой фаз, поступающих в зону рециркуляции
Жидкость
Расход
кг/с
257,5
Плотность
кг/м<sup>3</sup>
730,3
Газ
Расход
кг/с
12,9
Плотность
кг/м<sup>3</sup>
32,6
Количество устройств разделения, соответствующих изобретению
35
Диаметр каждого канала (70)
Угол α первого изгиба
90°
Угол β второго изгиба
90°
Эффективность разделения газа/жидкости определяли по уравнению 1, приведенному ниже. Номера потоков соответствуют фиг. 3.
Эффективность отделения газа (% мас.)=Расход газа (67)/Расход газа (41) Ур. 1
В таблице 2 приведены значения достигнутой эффективности отделения газа и жидкости.
Таблица 2. Эффективность разделения
Эффективность отделения газа
100%
(англ.)
Трехмерное CFD-моделирование (computational fluid dynamics,  - вычислительная гидродинамика) изобретения осуществили при помощи программного обеспечения Fluent™.
Для каждой фазы (жидкой и газовой) использовали метод Эйлера и решали уравнения сохранения массы и количества энергии.
На фиг. 4 различными оттенками серого показана объемная доля жидкости в устройстве разделения, соответствующем изобретению, а также в зоне рециркуляции в целом. Чем больше интенсивность серого, тем выше концентрация жидкой фазы. Отмечается, что соответствующее изобретению устройство обеспечивает почти идеальное разделение газа и жидкости, которая образует нисходящий поток вдоль стенки (50). Газовая фаза выходит по трубе (53).