СПОСОБ ОТДЕЛЕНИЯ ГАЗА ИЗ ПСЕВДООЖИЖЕННОЙ СМЕСИ ГАЗЫ/ТВЕРДЫЕ ВЕЩЕСТВА
METHOD OF SEPARATION OF GAS FROM FLUIDIZED MIX OF GAZES/SOLID SUBSTANCES

Настоящее изобретение касается способа отделения газа из псевдоожиженной смеси газ/твердое вещество, реактора для осуществления этого способа и использования этого способа в соответствующем реакторе с целью наиболее оптимального применения промышленных установок переработки химически активных веществ, в частности, в установках каталитического крекинга в псевдоожиженном слое (в дальнейшем называемого FCC или fluid catalytic cracking на английском языке).
В течение многих лет промышленники занимаются проблемой отделения газов, собираемых на выходе реактора, содержащего псевдоожиженную смесь газ/твердое вещество. Действительно, в таких смесях газ увлекает за собой твердые частицы, причем тем больше, чем выше скорость газа. На выходе таких смесей обычно располагают эффективные циклонные сепараторы. Однако эти циклоны быстро изнашиваются, если газ увлекает твердые частицы в большом количестве и/или с высокой скоростью, поскольку упомянутые частицы оказывают абразивное воздействие на внутреннюю стенку упомянутых циклонов.
Общеизвестно, что срок службы циклона в условиях эрозии сокращается как с увеличением концентрации увлекаемого газом твердого вещества, так и с повышением скорости этого газа. Следовательно, чем меньше скорость газа и концентрация твердых веществ, тем больше срок службы циклонов. Увеличение срока службы циклонов позволяет либо увеличить количество газов, проходящих через установки, не затронутые преждевременным износом, либо уменьшить число остановок установок, в которых периодически появляются проблемы износа. Этот износ отмечают, например, в установках или частях установок, содержащих псевдожиженные смеси, таких как установки FCC, либо внутри реактора с восходящим или нисходящим потоком, либо внутри разъединителя, или же внутри регенератора. При этом производители отмечают одновременно быстрый износ циклонов и большие потери твердых веществ.
Для уменьшения абразивного износа циклонов, приводящего к уменьшению их срока службы, и сокращения потерь твердых веществ, являющихся источником проблем для окружающей среды и эрозии расположенных на выходе систем, которая еще больше сказывается на стоимости обслуживания установок, в которых используют эти псевдожиженные смеси, а также на расходах по закупке катализатора, были предложены различные устройства.
Все эти устройства располагают в той части псевдоожиженной смеси, где слой является более или менее плотным. Например, согласно решению, раскрытому в патенте US2687343, устройство располагают на границе раздела между плотной фазой и разбавленной фазой псевдоожиженного слоя. Оно представляет собой конструкцию из двух концентричных труб, изогнутых в виде колец, расположенных одно внутри другого, на которых установлены перегородка, а также толстая решетка, образующая каналы, перпендикулярные к стенкам реактора, причем устройство представляет собой жестко скрепленную конструкцию. Эта конструкция может перемещаться по всей высоте реактора.
В решении, описанном в патенте US 3851405, располагают стержни или трубки через фиксированные промежутки, причем функцией этих стержней или трубок является замедление скорости частиц, которые движутся над псевдоожиженной смесью. Промежуток между каждым внутренним элементом и ближайшим к нему элементом находится в интервале, составляющем от 0,005 до 0,3 высоты псевдоожиженного слоя, и отношение площади проекции всех внутренних элементов к площади сечения реактора равно, по меньшей мере, 0,5.
В патенте ЕР49130 описано устройство, позволяющее уменьшить количество частиц, увлекаемых газом, и представляющее собой внутреннее устройство, расположенное в свободной зоне реактора, при котором отношение площади проекции к сечению реактора равно, как минимум, 0,8, а отношение отверстия к площади незанятого сечения реактора колеблется от 0,3 до 0,9. Такое внутреннее устройство получают посредством соединения дисков и колец, вращающихся тел и/или сборки наклонных пластинок для удаления частиц в нисходящем направлении.
Такие известные устройства способствуют замедлению частиц, увлекаемых текучей средой, но при этом занимают слишком большую проходную площадь, что приводит к увеличению скорости газовых потоков и, следовательно, к увлечению частиц вместо его ограничения. Кроме того, сужение прохода при использовании таких устройств может привести к созданию напора, несовместимого с нормальной работой установок, в которых применяют псевдожиженные слои.
В патенте US2728632 было предложено расположить над псевдоожиженным слоем всего один ярус параллельных между собой отражателей, при этом каждый отражатель образует угол альфа с вертикалью, составляющий от 1 до 30 градусов, и отношение ширины каждого отражателя к расстоянию (диаметру), разделяющему два отражателя, равно, по меньшей мере, 4:1 и предпочтительно составляет от 8:1 до 15:1. Этот набор отражателей занимает весь объем, не занятый плотным псевдоожиженным слоем в реакторе. Эту конструкцию можно применять как для смесей газ/твердое вещество, так и для смесей жидкость/твердое вещество, и она может быть использована в рамках процесса каталитического крекинга. Однако, чем больше отношение ширины каждого отражателя к расстоянию (диаметру), разделяющему два отражателя, тем больше объем, занимаемый внутренним устройством. Например, в случае процесса каталитического крекинга эта конфигурация несовместима с присутствием другого оборудования, такого как циклоны, внутри емкости. Кроме того, внутреннее устройство такого размера создает механические напряжения, связанные, в частности, с весом пластин.
Другие специалисты по псевдоожиженным слоям предложили ввести в плотную часть псевдоожиженного слоя внутренние элементы, позволяющие разделить слой на отдельные потоки, обеспечивающие лучший контакт между нисходящим слоем твердых частиц и проходящими противотоком газами, как описано в заявке WO00/035575.
Заявитель поставил перед собой задачу разработать способ отделения частиц от газа, выходящего из псевдоожиженного слоя, согласно которому максимально возможную площадь сечения реактора обрабатывают при помощи внутреннего устройства с целью отклонения максимального количества частиц в сторону слоя, ограничивая при этом занимаемую им площадь на любых уровнях упомянутого реактора, чтобы получить максимально возможную проходную площадь, а также ограничивая объем, который оно занимает внутри упомянутого реактора.
В рамках настоящего описания под сечением реактора следует понимать секущую плоскость, перпендикулярную к оси упомянутого реактора. Свободное сечение реактора является проходной площадью, остающейся свободной в плоскости сечения упомянутого реактора, не считая внутреннего оборудования (циклоны, трубопроводы, другие обычные устройства).
Таким образом, объектом настоящего изобретения является способ отделения газа из псевдоожиженной смеси газ/твердые вещества, содержащейся в реакторе, который содержит, по меньшей мере, один вход для нагнетания и один выход для удаления газа и, в случае необходимости, один вход и один выход для твердых веществ в упомянутой псевдоожиженной смеси, отличающийся тем, что содержит этап, на котором частицы, увлекаемые газом, отделяют при помощи внутреннего устройства, расположенного параллельно сечению реактора в части псевдоожиженной смеси, где степень разрежения превышает 0,7, при этом сечение этого внутреннего устройства, параллельное плоскости свободного сечения упомянутого реактора, занимает менее 10% свободного сечения реактора, и тем, что внутреннее устройство содержит, по меньшей мере, один внутренний унитарный блок, который содержит, по меньшей мере, два яруса отражателей.
Под твердыми веществами следует понимать любой тип материалов, используемых в псевдоожиженных смесях, но предпочтительно речь, прежде всего, идет о твердых частицах, учитывая наиболее распространенный размер твердых веществ, помещаемых в псевдоожиженные смеси.
Предпочтительно отражатели одного яруса упомянутого, по меньшей мере, одного внутреннего унитарного блока имеют наклон в направлении, противоположном наклону отражателей смежного яруса.
Под углами в противоположных направлениях следует понимать углы, один из которых по отношению к сечению реактора является острым, а другом тупым.
В рамках настоящего изобретения, если внутреннее устройство занимает менее 10% свободного сечения реактора, это значит, что площадь, занимаемая сечением упомянутого внутреннего устройства, параллельным или наложенным на свободное сечение реактора, соответствует менее 10% площади упомянутого свободного сечения. Таким образом, в отличие от других известных систем, таких как описанная в документе US 4589352, под внутренним устройством нет объема для удержания твердого вещества.
Степень разрежения псевдоожиженной смеси определяют как отношение объема газа к общему объему псевдоожиженной смеси. Таким образом, плотную фазу псевдоожиженной смеси можно определить как фазу, в которой степень разрежения имеет значение менее 0,7, то есть, когда объем газа меньше 70% от объема псевдоожиженной смеси. Разбавленную фазу определяют как фазу, в которой степень разрежения превышает 0,7, то есть, когда объем газа превышает 70% от объема псевдоожиженной смеси.
Чтобы вычислить степень разрежения псевдоожиженной смеси, можно отталкиваться от плотности компонентов упомянутой псевдоожиженной смеси. Известно, что степень разрежения или ее неотъемлемый показатель, то есть плотность, не является однородной по всей ее высоте и/или по ее ширине в реакторе и, в частности, сильно колеблется между его нижней частью и верхней частью. Степень разрежения можно вычислить на основании плотности газа, присутствующего в псевдоожиженной смеси (Dg), плотности применяемых твердых веществ (Ds) и плотности псевдоожиженной смеси (Dm).
Эту степень разрежения вычисляют при помощи следующего уравнения (I):
Степень разрежения = (Ds-Dm)/(Ds-Dg) (I)
Значения плотности твердого вещества и газовой смеси, содержащейся в псевдоожиженной смеси, можно измерить и/или вычислить при помощи известных специалисту методов.
Например, плотность псевдоожиженной смеси получают посредством измерения напора при помощи датчиков давления, расположенных на двух уровнях упомянутой смеси, считая при этом, что псевдоожиженная смесь ведет себя как жидкость (см. описание, стр. 5 работы “Fluidization Engineering”, Daizo Kunii et Octave Levenspiel, 2-е издание, 1991 год). Поскольку напор, измеренный между этими двумя точками псевдоожиженной смеси, равен, согласно нижеследующему уравнению (II):
DP=Dm*g*H (II),
произведению Dm плотности псевдоожиженной смеси, g ускорения свободного падения и Н расстояния, разделяющего эти две точки, то можно легко вычислить Dm.
3
3
В частном варианте выполнения изобретения, если псевдоожиженная смесь содержит твердое вещество, насыпная плотность которого составляет около 1350 кг/м, в газовой смеси, содержащей более 70% азота при давлении, близком к 2 бар, и при температуре порядка 750°С, внутреннее устройство в соответствии с изобретением предпочтительно располагают на уровне части псевдоожиженной смеси, степень разрежения в которой превышает 0,7, а плотность ниже 400 кг/м.
Одно из преимуществ настоящего изобретения связано с внутренним устройством, которое лишь в незначительной степени уменьшает проходное сечение для газов по сравнению с сечением трехуровневого реактора и приводит лишь к очень незначительному напору. За счет этого скорость газа не увеличивается или увеличивается в незначительной степени, и не отмечают дополнительного увлечения частиц по причине присутствия этого внутреннего устройства. Кроме того, использование, по меньшей мере, двух ярусов отражателей, наклоненных в противоположных направлениях относительно сечения реактора от одного яруса к другому, позволяет уменьшить объем, занимаемый внутренним устройством внутри реактора. Предложенное внутреннее устройство действует наподобие компактного баллистического сепаратора, который уменьшает кинетическую энергию твердых частиц, увлекаемых газом.
Другим преимуществом изобретения является также возможность размещения внутреннего устройства на любом уровне в разбавленной фазе, не опасаясь увлечения твердых частиц при увеличении скорости газов в результате их прохождения через внутреннее устройство.
Еще одним преимуществом, связанным с уменьшением увлечения твердых частиц вверх за пределы внутреннего устройства, является небольшое уплотнение разбавленной фазы, расположенной под упомянутым внутренним устройством, что, в случае если применяемая реакция является экзотермической, обеспечивает лучшее удаление тепла, выделяемого при реакции, и, следовательно, лучший контроль за возможными побочными реакциями. Например, при реакции горения, как в процессах каталитической регенерации в FCC, обеспечивается лучшее удаление тепла, производимого при сжигании моноксида углерода, благодаря присутствию уплотненной фазы твердых веществ, и, следовательно, уменьшение температурных перепадов, связанных с явлением дожигания.
Можно также увеличить срок службы циклонов в установках, подверженных эрозии, и уменьшить периоды остановок агрегатов для ремонта и, следовательно, сократить расходы, связанные с производственными потерями и с заменой устройств.
Наконец, можно увеличить производительность установки, не опасаясь преждевременных остановок агрегатов, связанных с эрозией циклонов.
Настоящее изобретение касается, в частности, применения в рамках способа внутреннего устройства, в котором отношение площади проекции внутреннего устройства к площади свободного сечения реактора превышает 0,75. В промышленном реакторе свободное сечение реактора является сечением, не занятым другим оборудованием, таким как циклоны, трубопроводы или любое другое обычное устройство, то есть проходной площадью, остающейся свободной на плоскости сечения упомянутого реактора.
В заявленном способе внутреннее устройство ограничивает увлечение твердых веществ и не увеличивает более чем на 10% скорость проходящих через него газов.
Кроме того, предпочтительно внутреннее устройство выполнено таким образом, что занимает менее 5% свободного сечения реактора и что отношение площади проекции внутреннего устройства к площади свободного сечения реактора колеблется от 0,8 до 1. Таким образом, проекция внутреннего устройства на 100% свободного сечения реактора считается как оптимальное значение, достигаемое изобретением, особенно если внутреннее устройство занимает намного меньше 5% площади свободного сечения реактора.
Другим объектом изобретения является реактор, предназначенный для размещения в нем псевдоожиженной смеси, содержащий каналы подачи газа и твердых веществ, по меньшей мере, один канал удаления газа и канал удаления твердых веществ, отличающийся тем, что содержит внутреннее устройство, которое занимает не более 10% площади упомянутого свободного сечения реактора и в котором площадь проекции на упомянутое свободное сечение реактора соответствует более чем 75% площади упомянутого свободного сечения реактора, при этом упомянутое внутреннее устройство располагают в части упомянутого реактора, где степень разрежения псевдоожиженной смеси меньше 0,7.
Для выполнения своей функции отклонения твердых частиц в псевдоожиженный слой внутреннее устройство предпочтительно содержит средства, выполненные с возможностью отклонения твердых веществ в сторону дна упомянутого реактора.
Согласно изобретению, это внутреннее устройство содержит, по меньшей мере, один внутренний унитарный блок, предпочтительно, по меньшей мере, два так называемых внутренних унитарных блока, при этом каждый внутренний унитарный блок содержит, по меньшей мере, два яруса отражателей, при этом упомянутые отражатели второго яруса имеют наклон по отношению к сечению упомянутого реактора в направлении, противоположном наклону отражателей первого яруса. На практике при больших площадях внутреннее устройство будет содержать несколько внутренних унитарных блоков внутри реактора. Действительно, для реализации внутреннего устройства в промышленном масштабе внутреннее устройство следует выполнять перекрывающим все или часть свободного сечения реактора за счет расположения внутренних унитарных блоков рядом друг с другом, что позволяет обеспечить характеристики внутреннего устройства в соответствии с изобретением. В этом варианте выполнения отражатели одного яруса не обязательно являются параллельными между собой, поскольку промышленное внутреннее устройство может содержать несколько внутренних унитарных блоков.
i
Предпочтительно каждый внутренний унитарный блок содержит, по меньшей мере, два яруса отражателей, расположенных параллельно друг другу вдоль одного яруса и удерживаемых неподвижно соединенными между собой при помощи известных специалисту средств. Расстояния E, разделяющие два отражателя одного яруса, могут быть одинаковыми или разными.
В частном варианте изобретения нижние края отражателей одного яруса и верхние края отражателей яруса, расположенного непосредственно снизу, образуют угол α, меняющийся от 0 до 90 градусов. Предпочтительно угол α выбирают равным 0 градусов или равным 90 градусов.
i
i
i
Когда угол α равен нулю, отражатели от одного яруса к другому расположены таким образом, что нижние края отражателей одного яруса находятся на расстоянии d от верхних краев отражателей яруса, расположенного непосредственно снизу, при этом d меняется от 0 до E. В предпочтительном варианте все промежутки E являются идентичными, и d равно E/2.
В одном ярусе каждый отражатель образован, по меньшей мере, одной пластиной, образующей угол θ с сечением упомянутого реактора таким образом, что sinθ равен отношению толщины яруса h к ширине L упомянутой пластины.
i
Предпочтительно E выбирают меньшим или равным произведению L на косинус угла θ, чтобы весь поток газа/твердого вещества, проходящий через внутренний унитарный блок, входил в контакт с отражателями. В ярусах одного внутреннего унитарного блока значения ширины L пластин отражателей могут меняться от одного яруса к другому.
Предпочтительно угол θ выбирают меняющимся от 10 до 90 градусов и даже от 10 до 60 градусов по отношению к сечению упомянутого реактора.
Еще предпочтительнее угол θ выбирают меняющимся от 30 до 60 градусов по отношению к сечению упомянутого реактора для каждого яруса отражателей.
1
2
1
2
2
1
1
В двух последовательных ярусах С и С углы θ и θ отражателей являются разными относительно сечения реактора, при этом один из них является острым, а другой - тупым, чтобы получать наклоны в противоположных направлениях. В предпочтительном варианте θравен θ+90 или 180-θ градусов.
i
i
В предпочтительном варианте изобретения внутренний унитарный блок содержит, по меньшей мере, три яруса отражателей, образующих угол θ с сечением упомянутого реактора, и четвертый, так называемый выпрямляющий ярус, расположенный над тремя первыми ярусами и содержащий отражатели, перпендикулярные к сечению упомянутого реактора. Этот последний ярус позволяет привести к единому виду потоки газов после их прохождения через три первых яруса, при этом, как правило, ширину L отражателей этого последнего яруса выбирают меньшей, чем ширина отражателей ярусов, расположенных на входе. В этой конфигурации углы θ выбирают таким образом, чтобы отражатели первого и третьего ярусов имели наклон в одном направлении, а отражатели второго яруса - в противоположном направлении.
Не выходя за рамки изобретения, можно предусмотреть, чтобы каждый отражатель состоял, по меньшей мере, из двух ребер взамен упомянутой пластины, которые предпочтительно имеют одинаковую ширину и попарно образуют угол, меняющийся от 0 до 90 градусов. Использование множества ребер, расположенных рядом друг с другом и образующих между собой угол, меняющийся от 0 до 90 градусов, позволяет еще больше уменьшить объем, занимаемый внутренним устройством в упомянутом реакторе, при этом два яруса могут проникать друг в друга. Такие внутренние устройства описаны в WO00/35575. Последним объектом изобретения является использование упомянутого способа в реакторе, оборудованном описанным выше внутренним устройством, для разделения газов и твердых веществ псевдоожиженного каталитического слоя и/или разъединителя/стриппера на выходе реактора в наименее плотной части смеси газы/твердые вещества.
3
В этом частном варианте выполнения изобретения предпочтительно внутреннее устройство располагают в регенераторе на уровне псевдоожиженного слоя, плотность которого должна быть ниже 400 кг/м.
Далее следует описание настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые фигуры и примеры.
На фиг.1 показаны два яруса внутреннего устройства, отражатели Di и Dj которых образуют, каждый, угол θ=45° с горизонталью, а нижние края отражателей Di и верхние края отражателей Dj образуют угол α, равный 90°.
i
Два смежных отражателя одного яруса разделены расстоянием E.
На фиг.2 показана предпочтительная конструкция в соответствии с изобретением. Речь идет о полном внутреннем устройстве (унитарном блоке) с 4 ярусами, из которых 3 являются ярусами отражателей и один ярус является выпрямляющим. Угол θ равен 45°, и угол α равен 0°. На фиг.2а показан вид сверху внутреннего устройства, которое в данном случае состоит из одного внутреннего унитарного блока. На фиг.2b показан вид в разрезе внутреннего устройства в сечении по высоте реактора, перпендикулярном по отношению к предыдущей фиг.2а. На этих фигурах показаны углы и расстояния, упомянутые в настоящем описании. На фиг.2с показан вид в разрезе по высоте реактора в сечении, перпендикулярном к сечению на фиг.2b: здесь показано количество ярусов и высота каждого из них.
На фиг.3 представлено трехмерное изображение цилиндрического элемента, представляющего собой емкость, содержащую внутреннее устройство с 4 ярусами, из которых 3 являются ярусами отражателей и один ярус - выпрямляющий.
На фиг.4 показан реактор в соответствии с изобретением, в котором внутреннее устройство расположено внутри разбавленной фазы упомянутого реактора.
Далее в настоящем описании следует примеры выполнения настоящего изобретения, которые носят иллюстративный, а не ограничительный характер.
ПРИМЕР I
В данном примере описано изменение массы увлекаемых частиц при поверхностной скорости газа 0,8 м/с, когда отношение площади проекции внутреннего устройства к сечению реактора (Ps) меняется от 0,5 к 1.
В этом примере размеры внутреннего устройства определены таким образом, чтобы его использовать в лабораторном реакторе.
Реактор, в котором помещено внутреннее устройство, имеет диаметр 0,34 м. В условиях использования реактора разбавленная фаза имеет высоту 3,5 м.
Внутреннее устройство состоит из трех ярусов, при этом угол альфа между двумя последовательными ярусами равен 0.
Первый и третий ярусы содержат, каждый, 4 отражателя, второй ярус содержит только 3 отражателя в силу геометрических условий, а также, чтобы избежать образования любой перегородки, препятствующей циркуляции газов и твердых веществ.
В нижнем ярусе угол θ наклона пластин равен 45 градусов. В смежном к нему верхнем ярусе этот угол θ равен 135 градусов, и в третьем ярусе угол θ опять равен 45 градусов.
Расстояние Ei между отражателями равно 0,07 метра.
Ширина L пластин, образующих отражатели, равна 0,1 метра.
Расстояние “d” между верхними краями отражателей первого яруса и нижними краями отражателей второго яруса составляет Е/2, то есть 0,035 м.
Толщина каждого яруса составляет 0,07 м, то есть равна произведению ширины “L” отражателей на синус угла θ.
В целом, выполненное таким образом внутреннее устройство имеет высоту 0,21 м, то есть примерно 6% от общей высоты разбавленной фазы реактора. При таком внутреннем устройстве отношение площади проекции внутреннего устройства к сечению реактора Ps равно 1.
Чтобы получить значения Ps 0,75 и 0,5, указанные в нижеследующей таблице, удаляют соответственно 1, затем 2 отражателя из каждого яруса.
Таблица 1
Ps
Масса увлекаемых частиц (%)
без внутреннего устройства
100
0,5
71
0,75
54
1,00
32
Было установлено, что чем больше отношение площади проекции внутреннего устройства к сечению реактора (Ps), тем меньше масса увлекаемых газами частиц.
ПРИМЕР II
1
2
1
1
2
1
3
1
В данном примере описано изменение массы увлекаемых частиц при поверхностной скорости газов 0,8 м/с, при этом внутренние устройства имеют 2 или 3 яруса отражателей (Nc). В этом случае отношение площади проекции внутреннего устройства к сечению реактора (Ps) равно 1. Ярусы отражателей ориентированы согласно предпочтительной конфигурации изобретения, где θ=45°, θ=θ+90° и α=0° при Nc=2 и где θ=45°, θ=θ+90°, θ=θ и α=0° при Nc=3.
L выбирают равной 0,28 м, то есть расстояние между двумя пластинами Ei меньше или равно 0,198 м, и ширина h каждого яруса равна 0,198 м.
Таблица 2
Nc
Масса увлекаемых частиц (%)
без внутреннего устройства
100
1
75
2
58
3
32
Отмечается, что чем больше число ярусов, оборудованных отражателями, тем меньше масса частиц, увлекаемых газами.