НОВАЯ НАСАДКА С ТРЕХМЕРНОЙ СТРУКТУРОЙ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ КОНТАКТА МЕЖДУ ГАЗОВОЙ ФАЗОЙ И ДИСПЕРГИРОВАННОЙ ТВЕРДОЙ ФАЗОЙ В ПРОТИВОТОКЕ
NEW NOZZLE WITH THREE-DIMENSIONAL STRUCTURE TO IMPROVE CONTACT BETWEEN GAS PHASE AND DISPERSED SOLID PHASE IN COUNTER-CURRENT FLOW

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
англ.
Изобретение заключается в новом типе насадки, предназначенной для оснащения отгонных секций установок крекинга в псевдоожиженном слое (сокращенно FCC, fluid catalytic cracking ()).
На фиг. 1 схематично представлена установка FCC, соответствующая технологии, именуемой R2R, то есть, райзер 1 и два последовательных регенератора 5 и 6. Эта технология особенно хорошо подходит для крекинга тяжелого сырья. Термин «райзер» означает трубчатый реактор с восходящим псевдоожиженным потоком, в котором протекают реакции крекинга.
Поскольку этот термин укоренился в контексте FCC, авторы используют это англоязычное название в последующем тексте. Получаемый на выходе из второго регенератора (6) регенерированный катализатор подают в нижнюю часть райзера (1), он поднимается вдоль райзера (1) и вызывает реакции крекинга и некоторые побочные реакции, приводящие к образованию кокса, который отлагается на поверхности указанного катализатора. После крекинга закоксованный катализатор отделяют от газообразного отходящего потока в устройстве разделения, расположенном в верхней части (2) райзера (1), как правило, дополненном одним или двумя ступенями циклонов, затем подают в зону (4) отгонки, которая предназначена для высвобождения максимального количества углеводородов, адсорбированных на поверхности катализатора, чтобы на закоксованном катализаторе осталось минимально возможное количество адсорбированных углеводородов, катализатор затем подают в секцию регенерации, включающую две стадии (5), (6).
Секция регенерации включает первую стадию (5), псевдоожижение на которой обеспечивается устройством (12) псевдоожижения, за которой следует вторая стадия (6), псевдоожижение на которой обеспечивается устройством (12') псевдоожижения, выходящий со второй стадии катализатор снова подают в нижнюю часть райзера (1).
Отгонку осуществляют при помощи текучей среды (9) для отгонки, как правило, водяного пара. Поток внутри отгонной секции (4), в целом, представляет собой противоток нисходящей эмульсионной фазы (катализатор+газ) и восходящего псевдоожижающего газа.
Насадка (4) или все другие ее технологические эквиваленты (примеры насадок показаны на фиг. 2, в порядке справа налево: дефлекторы, диски и кольцевые пластины, насадка), расположенные внутри отгонной секции, предназначены для облегчения контакта между катализатором и текучей средой для отгонки и обеспечения достаточной гомогенности.
Насадка, используемая в настоящее время в установках FCC в соответствии с технологией R2R, показана на фиг. 2а.
Одним из примеров способа, для которого особенно хорошо подходит насадка, соответствующая настоящему изобретению, является технология R2R, предназначенная для крекинга тяжелых углеводородных остатков, таких как вакуумный дистиллят или продукты атмосферной перегонки, как правило, после гидропереработки.
В целом, изобретение может быть применено в сочетании со всеми технологиями каталитической конверсии в псевдоожиженном слое, в которых требуется отгонная секция:
FCC с одним регенератором (более легкое сырье) или с разнонаправленной селективностью, крекинг нафты NCC (аббревиатура англоязычного термина «Naphta Catalytic Cracking»), глубокий каталитический крекинг DCC (аббревиатура англоязычного термина «Deep Catalytic Cracking»), конверсия метанола в олефины (MTO) или бензин (MTG).
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 схематично показана установка каталитического крекинга в соответствии с технологией R2R, в которой возможно расположить отгонную секцию в верхней части райзера и типичным образом разместить насадку внутри отгонной секции.
На фиг. 2 представлено несколько примеров типичной насадки, используемой в установках отгонки.
Фиг. 3 представляет собой трехмерное изображение структуры насадки известного уровня техники, наиболее близко соответствующее документу US 6224833, позволяющее показать две системы полос, образующие друг с другом угол альфа, составляющий от 60 до 90°.
Фиг. 4а представляет собой трехмерное изображение структуры соответствующей изобретению насадки в варианте ее осуществления, именуемом «закрытые шевроны».
Фиг. 4b представляет собой трехмерное изображение структуры соответствующей изобретению насадки в варианте ее осуществления, именуемом «открытые шевроны».
Фиг. 5 поясняет соединение двух полос на уровне сгиба и представляет собой вариант открытых шевронов с отверстием на уровне указанного сгиба.
На фиг. 6 сопоставлены результаты трехмерного моделирования, полученного методом CFD (аббревиатура англоязычного термина Computational Fluid Dynamics, вычислительная гидродинамика) для насадки известного уровня техники (фиг. 6b), для насадки настоящего изобретения варианта «закрытые шевроны» (фиг. 6с) и для насадки настоящего изобретения варианта «открытые шевроны» (фиг. 6d).
Фиг. 6а соответствует начальному неравномерному распределению. Оно перпендикулярно плоскости, в которой лежат полосы.
На фиг. 7 представлены результаты моделирования CFD для насадок с такой же геометрией, но при начальном неравномерном распределении, перпендикулярном показанному на фиг. 6а. Фиг. 7b, 7с и 7d имеют то же смысл, что и, соответственно, фиг. 6b, 6с и 6d.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Достаточно полное описание технологии каталитического крекинга типа R2R представлено в документе US 5716585.
Напомним, что насадка, соответствующая настоящему изобретению, применима к совокупности технологий каталитического крекинга, в которых требуется отгонная секция для очистки катализатора.
Можно считать, что наиболее близкий к настоящему изобретению уровень техники представлен в документе US 6224833, где описана насадка («packing» согласно англоязычной терминологии), образованная двумя группами параллельных полос, лежащих в двух различных пересекающихся плоскостях. Все полосы одной плоскости параллельны друг другу, две ближайшие полосы одной и той же плоскости отделены расстоянием, примерно равным ширине полосы.
Полосы, принадлежащие второй плоскости, расположены точно в промежутках, оставленных свободными полосами первой плоскости.
В результате образуется структура, которая вынуждает восходящий поток газа проходить по извилистой траектории, а катализатор - скользить, в принципе, вдоль разных полос. Вообще, продвижение газа осуществляется по двум рядам параллельных траекторий, имеющих общие точки, точнее, точки касания, где, как предполагается, возникает возмущение, которое в действительности неустойчиво.
В документе WO 2015/095540 описана структура насадки, включающая три полосы, расположенные в разных плоскостях. В результате образуется структура, близкая к структуре, описанной в документе US 6224833, где полосы одной и той же плоскости могут иметь разную ориентацию согласно срединной оси, принадлежащей указанной плоскости. Тем не менее, каждая полоса остается плоской, и данный документ не содержит описания действительно трехмерной структуры.
Целью настоящего изобретения является описание структуры насадки, которая является действительно трехмерной, то есть, в которой отсутствует привилегированное направление или привилегированная плоскость, при этом, имеет некоторую организацию, которая не является случайной. Функцией такой насадки является улучшение контакта между газовой фазой и твердой дисперсной фазой таким образом, чтобы в потоке этой смеси, рассматриваемом в каждом элементе объема этого потока, отсутствовало привилегированное направление, или, другими словами, осуществление настолько анизотропного контакта между фазами, насколько это возможно.
Улучшенный контакт между закоксованным катализатором и газом для отгонки позволяет, при неизменных общих параметрах, уменьшить расход газа для отгонки или размер отгонной секции. В случае функционирования при одинаковых размерах отгонной секции и одинаковом расходе газа, более гомогенное перемешивание позволяет улучшить параметры отгонки и, таким образом, уменьшить Δкокса между райзером и регенератором. «Δкокса» означает весовое процентное содержание кокса и углеводородов, адсорбированных на катализаторе. В классическом случае, оно составляет от 0,6 до 1% для установки с одним регенератором и от 1 до 1,5% для установки с двумя регенераторами.
Улучшение отгонки дает преимущество, заключающееся в уменьшении на 5-10% Δкокса в отгонной секции. Следствием такого уменьшения Δкокса является увеличение расхода рециркуляции твердой фазы от 5 до 10% (при неизменной температуре в райзере).
С другой стороны, улучшение отгонки позволяет увеличить выход ценных продуктов.
Другим преимуществом улучшения перемешивания эмульсии твердых частиц и газа является приращение емкости отгонной секции (повышение предела захлебывания). В случае, когда эта емкость является ограничительным параметром для установки, это означает повышение общей пропускной способности процесса.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение может быть определено как насадка с трехмерной структурой, предназначенная для использования, особенно, в установках каталитического крекинга и, в более общем смысле, в установках, где должен осуществляться по возможности наиболее гомогенный контакт между газовой фазой и твердой дисперсной фазой, каким бы ни было их направление внутри указанной насадки. Именно это в последующем тексте подразумевается под анизотропной насадкой с трехмерной структурой.
Более конкретно, соответствующая изобретению насадка позволяет осуществить гомогенный контакт между восходящей газовой фазой и нисходящей дисперсной твердой фазой, перемещающимися в противотоке, при этом, указанная насадка отличается трехмерной структурой, образованной совокупностью рядов шевронов.
Ряды шевронов, по существу, параллельные, распределены в двух плоскостях, образующих угол альфа, составляющий от 20 до 70°, предпочтительно, от 45 до 60°С относительно горизонтали.
Каждый ряд шевронов характеризуется углом бета, определяющим границу шеврона, при этом, этот угол составляет от 60 до 120°, предпочтительно, от 70 до 110°.
Для промышленных установок ширина шеврона составляет от 3 до 40 см, предпочтительно, от 5 до 15 см. Для лабораторных/пилотных установок эта ширина составляет от 1 до 50 мм, предпочтительно, от 3 до 15 мм.
Выбор этой ширины должен был сделан в зависимости от размера, характеризующего камеру для размещения насадки: должно быть обеспечено, как минимум, от 2 до 4 периодов.
Два соседних ряда шевронов в одной и той же плоскости разделены пространством, примерно, того же размера, что и ширина одного ряда шевронов. Ряды шевронов, принадлежащие второй плоскости, находятся точно в интервалах, оставшихся свободными между рядами шевронов первой плоскости, с образованием структуры с шахматным порядком.
Согласно одному из вариантов настоящего изобретения, границы каждого ряда шевронов открыты, и ширина указанного отверстия составляет от 5% до 30%, предпочтительно, от 8% до 25% ширины шевронов.
При ширине отверстия более 30% снижается эффективность насадки, так как значительное пустое пространство между полосами - это пространство, которое фаза (эмульсионная или газовая) проходит беспрепятственно и, следовательно, не отклоняется и не перемешивается со второй фазой. Влияние оптимальной ширины показано далее в примере, включенном в настоящую заявку.
Насадка с трехмерной структурой, соответствующая изобретению, реализована в форме параллелепипедных или кубических блоков, размер сторон которых может достигать от 2 до 3 м.
Насадка, соответствующая изобретению, особенно хорошо подходит для применения в способах каталитического крекинга в псевдоожиженном слое в качестве средства улучшения контакта между восходящей газовой фазой и нисходящей эмульсионной фазой (твердое вещество+газ).
Применительно к FCC, газовая фаза состоит из водяного пара, твердая фаза - из частиц катализатора со средним диаметром от 30 до 150 мкм, предпочтительно, от 40 до 90 мкм, при этом, отгонная секция представляет собой камеру, функционирующую в режиме псевдоожиженного слоя со скоростью псевдоожижения, обычно, от 10 см/с до 40 см/с.
2
2
Поток твердой фазы в отгонной секции обычно составляет от 10 до 250 кг/м⋅с, предпочтительно, от 20 до 180 кг/м⋅с.
Настоящее изобретение также относится к способу изготовления насадки, в котором могут быть использованы, так называемые, генеративные технологии, например, селективная лазерная плавка, селективное лазерное спекание или формование наплавкой.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение может быть определено как насадка с трехмерной структурой, предназначенная для использования, особенно, в установках каталитического крекинга и, в более общем смысле, в установках, где должен осуществляться по возможности наиболее гомогенный контакт между газовой фазой и твердой дисперсной фазой, каким бы ни было их направление внутри указанной насадки. Именно это в последующем тексте подразумевается под анизотропной насадкой с трехмерной структурой.
На фиг. 4а представлен один из видов насадки, соответствующей настоящему изобретению.
В данном случае, полосы, описанные в документе US 6224833, заменены рядами шевронов, что сводится к созданию симметричных сгибов, и вдоль продольной оси каждой полосы шевроны распределены согласно двум плоскостям, образующим друг с другом угол альфа, составляющий от 20° до 70°, предпочтительно, от 45° до 60°.
Каждый ряд шевронов может быть определен по отношению к двум плоскостям сгиба, образующим друг с другом угол бета, при этом, этот угол может изменяться от 60 до 120°, предпочтительно, от 70 до 110°.
Получаемая таким образом структура может быть квалифицирована как трехмерная.
Угол альфа каждой плоскости, включающей ряды шевронов, составляет от 20 до 70°, предпочтительно, от 45 до 60°С относительно горизонтали.
Угол бета, определяющий границу каждого ряда шевронов, составляет от 60 до 120°, предпочтительно, от 70 до 110°.
На фиг. 4b представлен измененный вариант структуры, показанной на фиг. 4а, в которой граница, соответствующая углу каждого сгиба, снабжена отверстием, благодаря которому газ может следовать по вторичной траектории в плоскости, отличной от плоскости основной траектории. Ширина указанного отверстия составляет от 5% до 30%, предпочтительно, от 8% до 25% ширины шевронов.
Твердая фаза в этих отверстиях на уровне границ может следовать по вторичной траектории, отличной от основной траектории, благодаря чему исключается накопление твердой фазы в полости шевронов. В целом, обеспечивается улучшение контакта между газовой и твердой фазами.
Реализация настоящей насадки представляет определенную сложность, особенно для варианта с открытыми шевронами с отверстием на месте сгиба.
Действительно, в данной конфигурации элементы не соприкасаются друг с другом, и жесткость шеврона может быть обеспечена, например, при помощи узкой соединительной полосы, как показано на фиг. 5. Другое возможное решение может заключаться в размещении насадки между двумя проволочными сетками, к котором могут быть приварены края полос, с образованием блока насадки.
Реализация соответствующей изобретению структуры также может быть осуществлена с использованием новых строительных технологий, в которых задействованы генеративные технологии, например, селективная лазерная плавка (согласно англоязычной терминологии «Selective Laser Melting», сокращенно SLM) или селективное лазерное спекание (согласно англоязычной терминологии «Selective Laser Sintering», сокращенно SLS) или формование наплавкой (согласно англоязычной терминологии «fused deposition modeling», сокращенно FDM).
Оценку улучшения перемешивания или же контакта между газовой фазой и эмульсионной фазой проводили путем трехмерного моделирования с использованием программного обеспечения вычислительной гидродинамики с фирменным названием Ansys Fluent.
2
Моделирование проведено по температуре: жидкость с неравномерным профилем температуры (перепадом температуры) течет сверху вниз с массовым расходом того же порядка, что и поток твердой фазы в отгонной секции (в данном случае, 100 кг/м⋅с). Проследили за изменением неравномерности распределения в осевом направлении (в направлении потока).
Неравномерное распределение состоит в том, что половина входного сечения орошается горячей текучей средой, а другая половина - холодной текучей средой, протекающей противоточно.
Использование температурного аналога для оценки изменения концентрации признано обоснованным специалистами в области моделирования такого рода.
Более конкретно, эффективность перемешивания коррелируется с некоторым коэффициентом, представляющим собой коэффициент дисперсности, определяемый следующим образом:
Эта формула относится к поверхности А, при этом, поверхность разделена на ряд N элементарных ячеек с элементарной поверхностью Ai.
Вообще, рассматриваемая поверхность А соответствует поверхности плоскости Р, пересекающей область вычисления. Например, она может соответствовать сечению насадки.
Итак, можно разложить целостность насадки на ряд плоскостей Р, наложенных друг на друга в высоту, при этом, каждая плоскость или пласт, обозначена Р(hi), чтобы показать, что она соотносится с высотой h(i).
А означает общую поверхность рассматриваемого сечения,
Аi означает поверхность, соответствующую элементарной ячейке i,
N означает общее количество элементарных ячеек с поверхностью Ai, содержащихся в поверхности А,
Ti означает локальную температуру рассматриваемой элементарной ячейки i,
Т0 означает среднюю температуру поверхности А.
Вообще, чем меньше коэффициент Cov, тем лучше перемешивание газовой и твердой фаз в рассматриваемой плоскости.
Чтобы усовершенствовать оценку качества перемешивания, вводят относительный коэффициент, который учитывает изменение коэффициента дисперсности Cov между входом и выходом фазы текучей среды. В общем смысле, можно рассматривать течение твердой фазы, суспендированной в газе, как гомогенную текучую среду с соответствующими физико-химическими свойствами (плотностью, вязкостью и т.д.).
В данном случае, чтобы показать способность насадки улучшать перемешивание, эмульсионная фаза (твердая фаза+газ псевдоожижения), в силу подобия плотности, представлена как жидкая фаза, текущая сверху вниз. Половина потока имеет фиксированную температуру 350°К, другая половина - температуру 273°К.
Чем более значительно относительное изменение коэффициента дисперсности между входом и выходом зоны насадки, тем лучшим можно считать качество перемешивания в насадке в целом.
ПРИМЕРЫ
В приводимом ниже сравнительном примере сравнивается насадка известного уровня техники, соответствующая документу US 6224833 (фиг. 6b), и две насадки настоящего изобретения, вариант «закрытые шевроны» (фиг. 6с) и вариант «открытые шевроны» (фиг. 6d).
Для лабораторных или пилотных установок ширина шеврона составляет от 1 до 5 мм, предпочтительно, от 3 до 15 мм.
Для различных опробованных вариантов геометрии ширина полос составляет 6,7 см с углом наклона относительно горизонтали альфа 60° и расстоянием между полосами, принадлежащими одной и той же плоскости, 8 см.
Для шевронов с отверстиями ширина полос уменьшена на процентную долю отверстия. Угол бета шевронов равен 90°.
На фиг. 6с и 6d можно заметить некоторый боковой разброс температур, указывающий на то, что контакт между горячим и холодным потоками происходит не только в направлении полос, но и в направлении, по существу, перпендикулярном, что является фактором значительного увеличения коэффициента дисперсности. Перемешивание в направлении, перпендикулярном плоскостям полос, лучше видно на результатах, представленных на фиг. 7. На этой фигуре начальное неравномерное распределение повернуто на 90° относительно направления фиг. 6. Таким образом, при помощи насадки, соответствующей изобретению, реализован трехмерный контакт.
Данные таблицы 1, приведенной ниже, посредством величин относительного коэффициента дисперсности подтверждают, что имеется значительное улучшение перемешивания фаз между плоскостью входа жидкости и плоскостью, расположенной на 40 см глубже в зоне насадки.
Для открытых шевронов представлено два случая, соответствующих ширине отверстий 10 и 30%. Из полученных результатов явствует, что отверстие шириной 30% дает, по существу, тот же результат, что и насадка сравнения, поэтому следует ограничивать это отверстие, максимум, 25%.
Таблица 1: Сравнение относительного Cov на входе насадки и на 40 см выше для различных насадок, соответствующих известному уровню техники и соответствующих изобретению
Насадка
Известного уровня техники
Закрытые шевроны
Открытые шевроны (отверстие 10%)
Открытые шевроны (отверстие 30%) (не входит в объем изобретения)
Относительный Cov, %<i>, 1 случай (фиг. 5)</i>
23
29
32
23
Относительный Cov, %<i>, 2 случай (фиг. 6)</i>
4
17
19
-