НОВАЯ НАСАДКА С ТРЕХМЕРНОЙ СТРУКТУРОЙ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ КОНТАКТА МЕЖДУ ГАЗОВОЙ ФАЗОЙ И ДИСПЕРГИРОВАННОЙ ТВЕРДОЙ ФАЗОЙ, ПРОТЕКАЮЩЕЙ В ПРОТИВОТОКЕ
NEW NOZZLE WITH THREE-DIMENSIONAL STRUCTURE FOR IMPROVING CONTACT BETWEEN GAS PHASE AND DISPERSED SOLID PHASE FLOWING IN COUNTERFLOW

КОНТЕКСТ ИЗОБРЕТЕНИЯ
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). Описание этой технологии можно найти, например, в документе US 5716585.
Эта технология особенно хорошо подходит для крекинга тяжелого сырья (7,8), относящегося к типу вакуумного дистиллята или продуктов атмосферной перегонки, как правило, после гидропереработки.
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 (3), 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.
После отгонки катализатор подают в секцию регенерации, включающую две стадии (5), (6).
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 или все другие ее технологические эквиваленты, такие как показанные в качестве примера на фиг. 2 (в порядке справа налево: дефлекторы, диски и кольцевые пластины, насадка), расположенные внутри отгонной секции (4), предназначены для облегчения контакта между катализатором и текучей средой для отгонки и обеспечения достаточной гомогенности.
Одним из примеров способа каталитического крекинга, особенно хорошо подходящего для крекинга тяжелых остатков, таких как вакуумный дистиллят или продукты атмосферной перегонки, как правило, после гидропереработки, является технология R2R.
Вообще, 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, соответствующая технологии 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 насадки известного уровня техники, часто встречающихся в отгонных секциях установок каталитического крекинга.
Фиг. 3 представляет собой трехмерное изображение насадки известного уровня техники, наиболее близко соответствующее документу US 6224833, позволяющее показать две системы полос, расположенные в форме треугольника.
Фиг. 4а представляет собой трехмерное изображение одного элемента насадки, соответствующей изобретению. На этой фигуре хорошо видно 3 лопасти, каждая из которых лежит в плоскости, отличной от других, и образующийся элемент в проекции подобен звезде с 3 лучами.
Фиг. 4b представляет собой проекцию на плоскость элементов, которые расположены в рассматриваемой плоскости согласно шагу в виде треугольника. Эта плоскость соответствует слою, и этот термин будет использован в последующем тексте.
Репликация определенного количества слоев по вертикальной оси позволяет создать законченную структуру насадки, соответствующей изобретению. В каждом слое простой элемент реплицируется согласно шагу в виде треугольника, и этот шаг постоянен в разных слоях.
В одном из вариантов осуществления изобретения может иметь место смещение совокупности элементов при переходе от одного слоя к следующему. Группа из 3 наиболее близко расположенных элементов данного слоя (N) образует треугольник. В следующем слое (N+1) этот треугольник оказывается смещенным так, что вершины треугольника слоя (N+1) располагаются на месте центра окружности, вписанной в треугольник слоя (N). В следующих слоях смещение может быть продолжено.
Ориентация элементов во втором слое изменена, предпочтительно, путем поворота на 180° относительно первого слоя. В этом случае, в третьем слое повторяется ориентация первого слоя.
Изменение ориентации от одного слоя к следующему равным образом может быть случайным, что также входит в объем настоящего изобретения.
Также в объем настоящего изобретения входит отсутствие изменения ориентации элементов от одного слоя к следующему.
Фиг. 4с представляет собой трехмерное изображение всей структуры насадки, соответствующей изобретению, позволяющее показать расстояние b, разделяющее два последовательных слоя.
На фиг. 5 сопоставлены результаты моделирования CFD (аббревиатура англоязычного термина Computational Fluid Dynamics, вычислительная гидродинамика) для насадки известного уровня техники (фиг. 5b), для насадки настоящего изобретения (фиг. 5с) в случае, когда начальное неравномерное распределение ориентировано по горизонтальной, по существу, оси (фиг. 5а).
На фиг. 6 сопоставлены результаты моделирования CFD (аббревиатура англоязычного термина Computational Fluid Dynamics, вычислительная гидродинамика) для насадки известного уровня техники (фиг. 6b), для насадки настоящего изобретения (фиг. 6с) в случае, когда начальное неравномерное распределение ориентировано по вертикальной, по существу, оси (фиг. 6а).
Моделирование состоит в исследовании способности двух видов насадки гасить начальное неравномерное распределение температуры.
Аналогия между температурой и концентрацией любой из фаз - газовой и дисперсной твердой - признана обоснованной специалистами в области моделирования такого рода.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Достаточно полное описание технологии каталитического крекинга типа R2R представлено в документе US 5716585.
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.
Настоящее изобретение состоит в насадке, структура которой является действительно трехмерной по сравнению со структурами известного уровня техники, остающимися двухмерными. Эта структура основана на воспроизведении простого трехмерного элемента во множестве параллельных плоскостей.
Обеспечение наилучшего контакта 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 является увеличение расхода рециркуляции твердой фазы от 5 до 10% (при неизменной температуре в райзере). В этом случае увеличивается выход ценных продуктов.
Другим преимуществом улучшения перемешивания эмульсии 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, позволяющая осуществить гомогенный и анизотропный контакт (то есть, без привилегированного направления в пространстве) между газовой фазой и дисперсной твердой фазой, перемещающимися в противотоке, при этом, указанная насадка отличается трехмерной структурой. Эта трехмерная структура состоит из простого элемента, образованного 3 секущими плоскостями, определяющими некоторый объем из трех лопастей, при этом, каждая лопасть расположена в одной из секущих плоскостей.
Различные простые элементы распределены в плоскости, отличной от 3 секущих плоскостей, согласно шагу в виде треугольника, при этом, конечная структура соответствует пакету из множества параллельных плоскостей, и в каждой из этих плоскостей плотность распределения простых элементов одинакова. Плоскость, в которой распределены простые элементы, называется слоем. Простые элементы вписываются в сетчатую структуру с шагом в виде треугольника, при этом, шаг составляет от 1 до 1,5-кратной величины минимального расстояния d, определяемого как:
d=(a+a*cos(60°)+b/2sin(90°- α))
В этом выражении угол α означает угол, который лопасти простого элемента образуют с горизонталью и который составляет от 45° до 75°, предпочтительно, от 55° до 65°; а означает ширину лопастей, составляющую от 3 см до 30 см, предпочтительно, от 5 см до 15 см; b означает расстояние, разделяющее два последовательных слоя, составляющее от 3 см до 50 см, предпочтительно, от 6 см до 20 см.
Шаг в виде треугольника, согласно которому распределены различные простые элементы в одном данном слое, составляет от 1 до 1,5-кратной величины минимального расстояния d, предпочтительно, составляет от 1,1 до 1,3d.
Расположение простых элементов может смещаться при переходе от одного слоя к следующему. Если сгруппировать 3 наиболее близко расположенных элемента данного слоя (N), они образуют треугольник. В следующем слое (N+1) этот треугольник оказывается смещенным так, что вершины треугольника слоя (N+1) располагаются на месте центра окружности, вписанной в треугольник слоя (N). В следующих слоях смещение может быть продолжено.
Для пояснения смещения между двумя последовательными слоями, обратимся к фиг. 4b, где показано размещение простых элементов двух последовательных, наложенных друг на друга слоев.
В объем настоящего изобретения также входит вариант осуществления без смещения между двумя последовательными слоями или же со случайным смещением в том смысле, что смещение может иметь место между определенными последовательными слоями и отсутствовать между другими последовательными слоями. Насадка, соответствующая настоящему изобретению, может быть применена в любом процессе, в котором требуется противоток между восходящей газовой фазой и нисходящей эмульсионной фазой (твердое вещество+газ).
В частности, насадка, соответствующая настоящему изобретению, особенно хорошо подходит для очистки катализатора в установках каталитического крекинга, при этом, указанную насадку размещают внутри отгонной секции, и указанная отгонная секция функционирует в режиме псевдоожиженного слоя со скоростью псевдоожижения от 10 см/с до 40 см/с.
2
2
Поток твердой фазы в отгонной секции обычно составляет от 25 до 200 кг/м⋅с, предпочтительно, от 50 до 150 кг/м⋅с.
Что касается реализации трехмерной насадки, соответствующей изобретению, возможно использование, так называемых, генеративных технологий, например, селективной лазерной плавки, селективного лазерного спекания или формования наслоением.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение может быть определено как насадка с трехмерной структурой, предназначенная для осуществления контакта между восходящей газовой фазой и нисходящей эмульсионной фазой (твердое вещество+газ). Структура насадки, соответствующей настоящему изобретению, состоит из элемента с трехмерной геометрией, который повторяется в различных параллельных плоскостях. Простой трехмерный элемент представляет собой сложный объем, ограниченный 3 лопастями, при этом, каждая лопасть лежит в некоторой плоскости, и определяемые таким образом 3 плоскости таковы, что, взятые попарно, они всегда пересекаются. Таким образом, исключается случай, когда две плоскости могли бы быть параллельны. Лопастью именуется конечная, то есть, имеющая определенную длину и ширину, прямоугольная поверхность, вырезанная в плоскости.
Точнее говоря, каждая из лопастей расположена в плоскости, образующей с двумя другими плоскостями, соответствующими двум другим лопастям, угол 120°, как показано на фиг. 4а.
Ширина а лопастей, образующих простой элемент, может варьироваться в диапазоне от 3 см до 30 см, предпочтительно, от 5 см до 15 см.
Расстояние b, разделяющее два последовательных слоя, может варьироваться в диапазоне от 3 см до 50 см, предпочтительно, от 6 см до 20 см.
Лопасти образуют с горизонталью угол α, который должен составлять от 45° до 75°, предпочтительно, от 55° до 65°.
Вообще, в проекции на плоскость, в которой распределены элементы, плоскость, именуемую слоем, форма проецируемого элемента представляет собой звезду с 3 симметричными лучами, то есть, составляющими друг с другом угол 120°, как показано на фиг. 4b. Насадка, соответствующая изобретению, получена путем повторения простого элемента, описанного выше, в плоскости согласно шагу в виде треугольника, как показано на фиг. 4b.
Нужно понимать, что плоскость, в которой распределены простые элементы, отлична от 3 плоскостей, позволяющих определить указанный простой элемент, то есть, 3 плоскостей, в которых лежат 3 лопасти.
Простой элемент повторяется на плоскости согласно структуре с шагом в виде треугольника. Этот шаг выбран так, что лопасти не наложены друг на друга. Шаг, по меньшей мере, равен:
d=(a+a*cos(60°)+b/2sin(90°- α)),
однако, шаг может изменяться в интервале от 1 до 1,5 величин минимального расстояния d.
Угол α представляет собой угол, который лопасти простого элемента образуют с горизонталью и который составляет от 45° до 75°, предпочтительно, от 55° до 65°.
Расстояние а означает ширину лопастей, составляющую от 3 см до 30 см, предпочтительно, от 5 см до 15 см.
Расстояние b означает расстояние, разделяющее два последовательных слоя, составляющее от 3 см до 50 см, предпочтительно, от 6 см до 20 см.
Положение простых элементов в двух последовательных слоях схематично представлено на фиг. 4b согласно конфигурации, в которой в последующем слое имеет место смещение треугольника, объединяющего 3 соседних элемента.
В объем настоящего изобретения также входит вариант осуществления без смещения между двумя последовательными слоями или же со случайным смещением от одного слоя к следующему слою.
На фиг. 4с представлен образец полной структуры, образованной множеством слоев, наложенных друг на друга по вертикали.
На фиг. 4с показано 6 последовательных слоев, однако, возможно намного большее количество слоев.
Шаг в виде треугольника простых элементов в каждом из слоев одинаков, однако, возможно изменение ориентации простых элементов путем поворота при переходе от одного слоя к другому.
Предпочтительный вариант настоящего изобретения, именуемый «структурированным», состоит в применении, с одной стороны, изменения ориентации элементов путем поворота на 180° при переходе от одного слоя к следующему и, с другой стороны, смещения треугольников, как пояснено выше. Все сочетания поворота элементов и смещения треугольников, подобные поясняемому выше, входят в объем настоящего изобретения.
Один из примеров структурированной ориентации состоит в изменении ориентации путем поворота элементов при переходе от одного слоя к последующему на угол, составляющий от 10° до 180°, предпочтительно, от 120° до 180°, еще более предпочтительно, от 150° до 180°.
Эффектом применения такой трехмерной структуры является улучшение перемешивания между восходящей газовой фазой и нисходящей эмульсионной фазой, так как, если рассмотреть поток каждой из фаз в малом объеме, в нем отсутствует привилегированное направление течения какой-либо фазы. Таким образом, можно говорить об анизотропии структуры.
Вообще, поток газа всегда восходящий, поток эмульсии нисходящий, однако, принимая во внимание турбулентность, создаваемую насадкой с трехмерной структурой, соответствующей изобретению, перемешивание указанных фаз осуществляется без какого-либо привилегированного направления. Это улучшение перемешивания продемонстрировано в приводимом ниже примере и подкреплено результатами трехмерного моделирования.
Реализация настоящей насадки представляет определенную сложность, так как заключается в соединении относительно сложных структурных элементов.
Реализация соответствующей изобретению структуры 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 наслоением (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.
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 слой, 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 отгонной секции твердая фаза, суспендируемая восходящим газом, ведет себя как жидкость. Таким образом, отгонка происходит в режиме псевдоожиженного слоя.
Чтобы продемонстрировать способность насадки улучшать перемешивание, эмульсионную фазу, пользуясь подобием плотности, можно представить как жидкую фазу, протекающую сверху вниз.
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. 4b), и насадка настоящего изобретения, в которой каждый простой элемент вписан в сетку с шагом в виде треугольника, шаг составляет от 1 до 1,5 величин минимального расстояния, определяемого как «(a+a*cos(60°)+b/2sin(90°- α)», и ориентация простых элементов одного слоя смещена на 180° при переходе к последующему слою.
Для насадки сравнения угол альфа наклона полос относительно горизонтали составляет 60°, расстояние между полосами, принадлежащими к одной и той же плоскости, равно 8 см. Ширина полос равна 6,7 см.
Для насадки, соответствующей изобретению, угол альфа в данном примере равен 60°.
Для треугольника выполняется (a+a*cos(60°)+b/2sin(90°- α)), где a=6, см и b=8 см.
2
Моделирование проведено по температуре: жидкость с неравномерным профилем температуры течет сверху вниз с массовым расходом того же порядка, что и поток твердой фазы в отгонной секции, обычно 100 кг/м⋅с.
Неравномерное распределение состоит в том, что половина входного сечения орошается горячей текучей средой, а другая половина - холодной текучей средой, протекающей противоточно.
На фиг. 5с 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.
Таким образом, благодаря насадке, соответствующей изобретению, реализован трехмерный контакт. Чтобы использовать способность данной насадки рассеивать поток в разных направлениях, проведено второе моделирование с поворотом неравномерности распределения на входе на 90° (неравномерность распределения параллельна плоскостям насадки известного уровня техники). Результаты этого моделирования представлены на фиг. 6.
Профили температуры для новой конфигурации насадки подтверждают отсутствие привилегированного направления (см. фиг. 6с).
Величины относительного Cov, соответствующего данному случаю, также приведены в таблице 1 ниже.
Из таблицы 1, на основании величин относительного коэффициента дисперсности, явствует, что имеется значительное улучшение перемешивания фаз между плоскостью входа жидкости и плоскостью, расположенной на 40 см глубже в зоне насадки.
Таблица 1: Сравнение относительного Cov на входе насадки и на 40 см выше
Насадка
Известного уровня техники
Согласно изобретению
Относительный Cov, %: 1 моделирование
23
32
Относительный Cov, %: 2 моделирование
4
41