Способ конверсии исходного жидкого материала в парофазный продукт

Способ конверсии исходного жидкого материала в парофазный продукт

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу конверсии исходного жидкого материала в парофазный продукт с использованием псевдоожиженного слоя с перекрестным потоком.

Предпосылки создания изобретения

Многие промышленные способы основаны на псевдоожиженном слое в качестве среды контактирования твердого вещества и жидкости. Большая площадь поверхности, связанная с псевдоожиженными твердыми веществами, может привести к увеличенным скоростям массо- и теплопереноса по сравнению с конкурирующими альтернативами. Это является особенно важным применительно к промышленным химическим реакциям. В одном важном применении псевдоожиженный слой используется для контактирования жидкой реакционной фазы с псевдоожиженными твердыми частицами; частицы обеспечивают каталитические или термические выгоды, которые позволяют протекать реакциям. Ряд таких способов используется в переработке углеводородов. Двумя промышленными примерами данного типа способа является жидкофазный каталитический крекинг и жидкофазное коксование.

Обогащение является обычной классификацией для способов, используемых нефтепереработчиками для улучшения качества тяжелой нефти или тяжелой фракции сырой нефти. Термин "остаток" часто используется для описания неперегоняющейся фракции нефти, которая кипит выше примерно 530-565°С. Сырая нефть обычно относится к тяжелой, когда она содержит значительную фракцию остатка, или "тяжелого" материала. Псевдоожиженные слои обладают многими преимуществами применительно к способу обогащения.

В обычном способе термического обогащения, или способе термической конверсии, твердые вещества не играют каталитическую роль. Точнее энергия активации преодолевается только путем подвода тепла, преобразуя исходное сырье в более ценные продукты. В указанных способах псевдоожиженный слой твердых веществ обеспечивает тепло, необходимое для реакций конверсии: жидкое углеводородное сырье подается к горячим твердым веществам, где оно взаимодействует с образованием продуктов способа. Реакции, включенные в конверсию сырья в продукты, часто называются реакциями крекинга и коксования.

В конечном счете, если обеспечивается достаточное время реакции, исходное жидкое сырье полностью взаимодействует с образованием конечных продуктов, которые в условиях способа являются либо газами, либо твердыми веществами. Продукты, представляющие наибольший интерес, являются обычно частью газов, образовавшихся в способе, которые могут быть конденсированы в жидкости в условиях окружающей среды. Здесь они называются "жидкими продуктами" и в большинстве случаев представляют собой наиболее ценные продукты способа термического обогащения. Твердый продукт способа называется коксом, а часть газов, которые являются неконденсирующимися, называется неконденсирующимися газами.

В промежуточные моменты реакции в реакторе присутствует жидкая фаза. В течение указанного периода до завершения химической конверсии имеется возможность ухудшения конечного выхода способа. В любом промышленном способе целью является максимизация количества продуктов, получаемых из сырья, что обычно приравнивается к максимизации качества и выхода жидких продуктов. В результате путем правильной разработки способа конечное количество и качество жидких продуктов может быть увеличено. Некоторыми примерами способов с псевдоожиженным слоем, которые являются попытками осуществления этого, являются жидкофазное коксование, коксование в вертикальном трубчатом реакторе и коксование малым временем пребывания.

На основании общедоступных знаний по исследованию и обогащению были сделаны следующие заключения относительно признаков идеального способа термического обогащения:

1. Молекулы сырья с качеством, приемлемым для традиционной нефтеочистки, не должны подвергаться воздействию жестких термических условий, связанных с реакциями крекинга. Было показано присутствие в исходном материале частично конденсированных полициклических ароматических соединений с получением кокса в реакциях рекомбинации в случае воздействия условий термической конверсии. Выход жидкости может быть улучшен, если данная фракция удаляется до обработки. Хотя это до некоторой степения субъективно, на основании здравого смысла линия разграничения приблизительно связана с молекулами, содержащими 3-4 ароматических кольца.

2. Снижение температуры жидкой фазы обычно снижает скорости реакции в жидкой фазе при небольшом воздействии на скорости массопереноса. Это обеспечивает дополнительное время для извлечения продуктов реакции до реакций рекомбинации, превращающих указанные молекулы в предшественники кокса. В результате выход жидкости можно увеличить со снижением температуры.

3. Снижение температуры газовой фазы увеличивает выход жидкости при снижении чрезмерно глубокого крекинга продуктов. Чрезмерно глубокий крекинг представляет собой непрерывную деструкцию газофазных продуктов, когда они остаются при температурах реакции. Чрезмерно глубокий крекинг превращает жидкие продукты в неконденсирующиеся газы. Снижение чрезмерно глубокого крекинга путем снижения температуры реактора может увеличить выход жидкости и улучшить качество продукта. Снижение времени пребывания газообразных продуктов в реакторе имеет подобный эффект.

Имея в виду указанные концепции, идеальный ряд случаев, связанных со способом термического обогащения, включающим слой псевдоожиженных твердых веществ, может быть описан следующим образом:

1. Исходное жидкое сырье приводят в контакт с псевдоожиженными твердыми частицами.

2. Фракцию исходного жидкого сырья, содержащую молекулы с менее 3-4 ароматическими кольцами, выпаривают и собирают как продукт до того, как имеет место значительный крекинг данной фракции.

3. Молекулы, остающиеся в жидкой фазе на псевдоожиженных твердых частицах, начинают термически взаимодействовать.

4. Продукты термического взаимодействия, которые выделяются как пар с поверхности частиц псевдоожиженного слоя, уносятся псевдоожижающим газом и охлаждаются до того, как имеют место последующие реакции (т.е. чрезмерно глубокий крекинг).

5. Для остальной жидкости, оставшейся на частицах псевдоожиженного слоя, обеспечивают точное время пребывания, необходимое в условиях реакции для образования сухого твердого вещества с полным выделением продукта.

Жидкофазное коксование является промышленным способом термического обогащения, который может быть использован для иллюстрации многих концепций, приведенных выше. Способ жидкофазного коксования использует барботируемый псевдоожиженный слой твердых частиц. Данный тип псевдоожиженного слоя подобен кипящей жидкости. В способе жидкофазного коксования горячие твердые частицы поступают в реактор в зоне выше поверхности псевдоожиженного слоя. Удаление твердых частиц имеет место в нижней части реактора.

Жидкость распыляется в псевдоожиженный слой на нескольких различных уровнях, где она покрывает псевдоожиженные твердые частицы. Природа перемешивания твердых частиц в барботируемом псевдоожиженном слое приводит к условиям, когда твердые частицы в зоне подачи обычно хорошо перемешиваются. Перед выходом из реактора твердые частицы проходят через зону разделения, которая предназначена для увеличения времени, которое затрачивается жидким сырьем на нахождение в реакторе. Дополнительное время пребывания, обеспечиваемое для твердых частиц в секции разделения, вместе с разделяющим паром обеспечивает извлечение дополнительного продукта из исходного жидкого сырья, покрывающего поверхность псевдоожиженных твердых частиц.

Благодаря хорошим характеристикам перемешивания твердых частиц в устройстве жидкофазного коксования распределение времен пребывания ((RTD)(РВП)) псевдоожиженных твердых частиц и соответствующего реагирующего исходного жидкого сырья, которое они несут, является очень широким: время, которое твердые частицы и исходное жидкое сырье затрачивают на пребывание в реакторе, имеет большое количество вариаций. Общей моделью, используемой для описания систем, которые очень хорошо перемешиваются, является проточный емкостной реактор с мешалкой ((CSTR)(ПРМ)). ПРМ-модель описывает крайний случай идеально перемешиваемой системы. РВП твердых частиц в устройстве жидкофазного коксования приближается к РВП ПРМ. В результате часть твердых частиц следует коротким путем к выходу из реактора, тогда как другие затрачивают очень длительное время на пребывание в условиях реактора.

Зона разделения устройства жидкофазного коксования предназначена для получения РВП твердых частиц, которое является ближе к поршневому потоку. Модель поршневого потока представляет противоположную крайность ПРМ-модели. В модели поршневого потока РВП имеет одно единственное значение, так что все твердые частицы затрачивают одинаковое количество времени на пребывание в реакторе.

Хороший контроль над РВП псевдоожиженных твердых частиц и исходного жидкого сырья, которое они несут, является важным, и имеются много преимуществ работы с РВП, которое приближается к поршневому потоку. С РВП твердых частиц, приближающимся к РВП ПРМ, необходимо специально разрабатывать удержание твердых частиц реактора для твердых частиц, которые первыми выходят из реактора. Если удерживающее устройство реактора не предназначено ограничивать циркуляцию твердых частиц по короткому пути, тогда исходное жидкое сырье будет теряться, потому что оно не остается в реакторе в течение достаточного времени для полного взаимодействия.

Для снижения указанных потерь реактор должен быть выполнен крупней или должна быть снижена пропускная способность по твердым частицам. Широта РВП в ПРМ дает в результате более крупный реактор с ограниченной производительностью.

Поскольку все твердые частицы затрачивают одинаковое количество времени на пребывание в реакторе с поршневым потоком, конструкция реактора считается не имеющей короткой циркуляции твердых частиц и получаемых в результате потерь непрореагировавшего исходного жидкого сырья. Это обеспечивает физически меньший реактор с потенциально большей производительностью.

Отмечается, что в плане вышеуказанного рассмотрения реактор и способ гибкого коксования мало отличаются от реактора и способа жидкофазного коксования.

В дополнение к ограничениям благодаря РВП твердых частиц в устройстве жидкофазного коксования газофазная динамика, связанная с барботируемым псевдоожиженным слоем, приводит к очень широкому газофазному РВП в устройстве жидкофазного коксования. Практические соображения, связанные с конструированием реакторов жидкофазного коксования, требуют, чтобы использовалась значительная глубина слоя в сочетании с увеличением диаметра реактора для обеспечения конструкции удержания твердых частиц. Увеличенная высота слоя вместе с естественно широким РВП газа, связанным с барботируемым псевдоожиженным слоем, дает длительное время пребывания паровой фазы, что может дать потерю продукта в результате чрезмерно глубокого крекинга.

Разработаны различные конструкции реактора и способы, которые пытаются ввести идеализированные стадии переработки, с лучшим контролем над РВП как газовой фазы, так и твердой фазы по сравнению с жидкофазным коксованием. Одним таким способом является способ коксования в вертикальном трубчатом реакторе (или линией переноса). Вторым таким способом является способ коксования с малым временем пребывания, который описан в патенте США №5658455 (Hammond et al.), патенте США №5714056 (Hammond et al.) и патенте США №5919352 (Serrand et al.).

Способ коксования в вертикальном трубчатом реакторе основан на псевдоожиженном слое, но работает с намного более высокой скоростью жидкости, чем способ жидкофазного коксования, так что большая часть твердых частиц перемещается движущейся жидкостью. Это обычно относится к быстрому псевдоожижению или разбавленнофазному переносу и обеспечивает значительные различия в смешении газовой и твердой фаз по сравнению с барботируемым псевдоожиженным слоем. В данном типе реактора твердый носитель распыляется с питанием на одном конце реактора, или трубы, и транспортируется к противоположному концу трубы со скоростью, равной скорости газовой фазы, меньше скорости сдвига между двумя фазами. Преимуществом данной конструкции является то, что все твердые частицы перемещаются через слой с одинаковыми скоростями. Это дает РВП твердой фазы, которая приближается к РВП поршневого потока. Динамика газофазного перемешивания подобна перемешиванию твердых частиц: газофазное перемешивание также приближается к перемешиванию реактора с поршневым потоком.

Узкое РВП как твердой фазы, так и газовой фазы может потенциально обеспечить улучшения жидкофазного коксования, но способ псевдоожижения приводит к взаимодействию РВП твердой фазы и РВП газовой фазы. Это - потому, что скорость газовой и твердой фаз различаются только на скорость сдвига, которая является небольшой относительно средней скорости. Поскольку требуемые времена пребывания газовой и твердой фаз являются очень различными, это может быть рискованным.

Способ коксования с малым временем пребывания устанавливает короткое время пребывания газовой фазы с начальным предварительным выпариванием, что обеспечивает собирание ценных молекул с минимальной выдержкой в условиях реакции. В способе коксования с малым временем пребывания твердые частицы транспортируются механически, что обеспечивает независимое время пребывания твердых частиц. Механические ограничения не обеспечивают достаточно длительное время реакции жидкой фазы при расчетных скоростях подачи. Для компенсирования относительно короткого времени реакции жидкой фазы скорость реакции в способе коксования с малым временем пребывания увеличивают путем увеличения температуры реакции, действие, которое находится в прямом противоречии с идеализированным способом конверсии, описанным выше. Как результат увеличенной температуры в газовой фазе при чрезмерно глубоком крекинге могут образоваться сопряженные олефины, что может привести к неразрешимым проблемам засорения воздушной системы.

Краткое описание изобретения

Настоящее изобретение относится к способу конверсии исходного жидкого материала в парофазный продукт с использованием псевдоожиженного слоя с перекрестным потоком. Настоящее изобретение также относится к устройству, содержащему реактор с псевдоожиженным слоем с перекрестным потоком.

Исходным жидким материалом может быть любой подходящий материал. Исходный жидкий материал может состоять из единственного вещества или может состоять из множества веществ. Термин "исходный жидкий материал", как использовано здесь, означает, что материал представляет собой или ведет себя по существу как жидкая фаза непосредственно перед тем, как подвергнуться способу конверсии. В результате исходный жидкий материал может состоять из подходящего материала, который находится по существу в жидкой фазе при конкретной температуре, при которой он вводится в способ конверсии.

Предпочтительно, исходный жидкий материал состоит из жидкого углеводорода. Более предпочтительно, исходный жидкий материал состоит из тяжелого углеводорода. Для целей настоящего описания "тяжелым" углеводородом является углеводород, который имеет точку кипения выше примерно 530°С. Исходный жидкий материал поэтому, предпочтительно, включает, по меньшей мере, некоторое количество углеводорода, имеющего температуру кипения, которая является выше примерно 530°С. Более предпочтительно, тяжелый углеводород состоит из тяжелой нефти или тяжелой фракции сырой нефти.

Парофазный продукт может состоять из единственного продукта, или вещества, или может состоять из множества продуктов, или веществ. Термин "парофазный продукт", как использовано здесь, означает, что продукт представляет собой или ведет себя как паровая фаза в условиях способа конверсии, хотя продукт в конечном счете может быть конденсирующимся в жидкую фазу или даже в твердую фазу.

В одном аспекте способа настоящее изобретение представляет собой способ конверсии исходного жидкого материала в парофазный продукт, содержащий следующие стадии:

(a) создание псевдоожиженного слоя, содержащего твердые частицы и псевдоожижающую среду, где псевдоожижающая среда движется в по существу вертикальном направлении псевдоожижения и где твердые частицы находятся при температуре конверсии, которая является подходящей для облегчения конверсии исходного жидкого материала в парофазный продукт;

(b) перемещение твердых частиц в по существу горизонтальном направлении переноса твердых частиц из горизонтального положения вверх по потоку в горизонтальное положение вниз по потоку;

(c) введение исходного жидкого материала в псевдоожиженный слой в зоне подачи, расположенной между горизонтальным положением вверх по потоку и горизонтальным положением вниз по потоку, для того чтобы облегчить конверсию исходного жидкого материала в парофазный продукт; и

(d) сбор парофазного продукта.

Твердые частицы могут состоять из любого твердого материала, который может быть достаточно псевдоожижен, чтобы удовлетворить требованиям изобретения. Предпочтительно, твердые частицы состоят по существу из частиц Geldart типа А и/или типа В. Твердые частицы могут также состоять из катализатора или содержать количество катализатора, которое способно облегчить или улучшить конверсию исходного жидкого материала.

Твердые частицы, предпочтительно, движутся в направлении переноса твердых частиц со скоростью, которая является значительно больше, чем скорость перемешивания твердых частиц в направлении переноса твердых частиц. Другими словами, критерий Пекле (Ре), описывающий движение твердых частиц, является относительно большим, так что движение твердых частиц в направлении переноса твердых частиц приближается к поршневому потоку.

Твердые частицы, предпочтительно, вводят в псевдоожиженный слой в горизонтальном положении вверх по потоку или рядом с ним и, предпочтительно, собирают в сборник твердых частиц, расположенный в горизонтальном положении вниз по потоку или рядом с ним.

Твердые частицы после того, как их собирают, предпочтительно, регенерируют для повторного использования. Стадия регенерирования твердых частиц для повторного использования может состоять из нагревания твердых частиц, предпочтительно, при температуре конверсии. Твердые частицы могут быть нагреты любым подходящим способом. Например, твердые частицы могут быть нагреты в газогенераторе или камере сгорания. Газогенератор или камера сгорания может использовать продукт реакций способа, такой как кокс, в качестве источника топлива.

Псевдоожижающая среда может состоять из любого подходящего псевдоожижающего газа или пара. В предпочтительных вариантах псевдоожижающая среда может состоять из газа, который получается в процессе регенерирования твердого материала.

Псевдоожижающая среда, предпочтительно, вводится в нижнем вертикальном положении ниже уровня твердых частиц, так что направление псевдоожижения является по существу направленным вверх. Псевдоожижающая среда и парофазный продукт собираются в верхнем вертикальном положении выше твердых частиц. Парофазный продукт и/или псевдоожижающую среду, предпочтительно, собирают вместе в сборнике пара. Парофазный продукт, предпочтительно, отделяют от псевдоожижающей среды и, предпочтительно, охлаждают для минимизации дополнительной конверсии и/или деструкции парофазного продукта.

Исходный жидкий материал может быть введен в псевдоожиженный слой любым подходящим образом. Предпочтительно, исходный жидкий материал распыляют, так что исходный жидкий материал контактирует с твердыми частицами в виде капель. Предпочтительно, исходный жидкий материал вводят в псевдоожиженный слой так, что исходный жидкий материал проникает в псевдоожиженный слой, предпочтительно, в виде капель.

Направление, в котором исходный жидкий материал распыляется или иным способом вводится в псевдоожиженный слой, может быть любым направлением, но, предпочтительно, оно является по существу перпендикулярным направлению переноса твердых частиц. В предпочтительных вариантах исходный жидкий материал вводится в псевдоожиженный слой либо в по существу вертикальном направлении распыления, либо в по существу горизонтальном направлении распыления. Когда направление является вертикальным, направление является, предпочтительно, противоположным направлению псевдоожижения.

Стадия сбора парофазного продукта может состоять из сбора парофазного продукта в множестве мест сбора парофазного продукта, расположенных горизонтально между горизонтальным положением вверх по потоку и горизонтальным положением вниз по потоку. Парофазный продукт может быть собран в местах сбора парофазного продукта в единственном сборнике пара или во множестве сборников пара. Парофазный продукт может иметь состав, который является различным в местах сбора паровой фазы, так что в различных местах могут быть собраны различые составы парофазного продукта.

Способ может дополнительно содержать стадию сбора выпаренной фракции исходного жидкого материала в месте сбора паровой фазы, которое является смежным с зоной подачи, так что части исходного жидкого материала могут быть собраны как пар до прохождения значительной конверсии и/или деструкции. Выпаренная фракция исходного жидкого материала может быть собрана в сборнике пара.

В предпочтительном аспекте способа изобретения псевдоожижающая среда, такая как газ, вводится в реактор для псевдоожижения слоя твердых частиц так, что псевдоожижающая среда движется в по существу вертикальном направлении псевдоожижения. Твердые частицы переносятся по существу горизонтально в направлении переноса твердых частиц от впуска твердых частиц в горизонтальном положении вверх по потоку в реакторе до выпуска твердых частиц в горизонтальном положении вниз по потоку в реакторе, предпочтительно, но необязательно, под действием силы тяжести. Когда твердые частицы движутся через реактор, они контактируют с исходным жидким материалом, содержащим жидкий углеводород. Жидкий углеводород вводится в реактор в зоне подачи, которая расположена вниз по потоку от впуска твердых частиц. Твердые частицы находятся при температуре конверсии, что облегчает реакцию жидкого углеводорода с получением одного или более обогащенных углеводородных продуктов в качестве парофазного продукта. Парофазный продукт собирают в сборнике пара, предпочтительно, с псевдоожижающей средой. Парофазный продукт, предпочтительно, отделяют от псевдоожижающей среды и, предпочтительно, охлаждают для того, чтобы минимизировать дополнительную конверсию и/или деструкцию парофазного продукта. Твердые частицы собирают в сборнике твердых частиц, соединенном с выпуском твердых частиц, и, предпочтительно, регенерируют для повторного использования.

Выбор и разработка твердых частиц, системы сбора пара, переливного механизма и механизма псевдоожижения могут быть выполнены так, что время пребывания паровой фазы является коротким по сравнению с конкурирующими технологиями, и так, что распределение времен пребывания твердых частиц приближается к условиям поршневого потока, несмотря на значительное выделение продукта в псевдоожиженном слое. Изобретение обеспечивает относительно высокие отношения твердых частиц к жидкому сырью, что способствует достижению более низких температур реактора.

Например, в то время как имеются значительные ограничения по потоку твердых частиц, который может переработать единственный реактор коксования с малым временем пребывания, и в то время как значительные затраты, связанные с коксованием при малом времени пребывания, требуют, чтобы способ использовал относительно низкие отношения - твердые частицы-к-нефти, реактор коксования с перекрестным потоком может перерабатывать относительно большое количество твердых частиц. Данная характеристика позволяет изобретению использовать более высокие отношения - твердые частицы-к-нефти, чем может использоваться некоторыми конкурирующими способами, такими как способ коксования с малым временем пребывания.

Кроме того, в то время как способ коксования с малым временем пребывания принуждают использовать относительно высокую рабочую температуру для компенсирования низких отношений - твердые частицы-к-нефти, подобные требования не существуют для настоящего изобретения. При осуществлении настоящего изобретения используются относительно высокие отношения - твердые частицы-к-нефти с зонами подачи и извлечения продукта, которые чередуют таким образом, что можно точно регулировать время пребывания твердых частиц.

Краткое описание чертежей

Варианты изобретения теперь описываются со ссылкой на прилагающиеся чертежи, на которых:

на фиг.1 представлена схема реактора с псевдоожиженным слоем с перекрестным потоком согласно предпочтительному варианту настоящего изобретения; на фиг.2 представлена схема реактора с псевдоожиженным слоем с перекрестным потоком согласно предпочтительному варианту настоящего изобретения, изображающая распыление исходного жидкого материала в псевдоожиженном слое.

Подробное описание изобретения

Вообще настоящее изобретение относится к способу и устройству конверсии исходного жидкого материала в парофазный продукт. Предпочтительно, настоящее изобретение относится к способу и устройству конверсии тяжелого углеводородного исходного материала в более ценные продукты реакции. В предпочтительном варианте тяжелый углеводородный исходный материал состоит из тяжелой нефти или тяжелой фракции сырой нефти.

Что касается фиг.1 и 2, центральным устройством способа в предпочтительном варианте изобретения является реактор с псевдоожиженным слоем с перекрестным потоком (20). Как в большинстве способов с псевдоожиженным слоем, псевдоожижающая среда (22), предпочтительно газ, вводится в днище нижней части реактора (24) и выходит в верхней части реактора (20), так что псевдоожижающая среда (22) движется по существу в вертикальном направлении псевдоожижения (26).

Псевдоожижающая среда (22) псевдоожижает твердые частицы (28) с получением псевдоожиженного слоя (30). Твердые частицы (28) в псевдоожиженном слое (30) движутся по существу в горизонтальном направлении переноса твердых частиц (32) от входа твердых частиц (34) в горизонтальном положении вверх по потоку к выходу твердых частиц (36) в горизонтальном положении вниз по потоку. Твердые частицы (28) собирают в сборнике твердых частиц (38), который соединен с выпуском твердых частиц (36).

В предпочтительном варианте твердые частицы (28) движутся в направлении переноса твердых частиц (32) по существу под влиянием силы тяжести. Другими словами, для перемещения твердых частиц (28) механическое устройство, или агрегат, не используется.

Исходный жидкий материал (40) поступает в реактор (20) на входе питания (42), который расположен вниз по потоку от входа твердых частиц (34), так что вход питания (42) находится между входом твердых частиц (34) и выходом твердых частиц (36).

Парофазный продукт (44) собирают в сборнике пара (50), который расположен в верхнем вертикальном положении (48) выше твердых частиц (28) и псевдоожиженного слоя (30). Сборник пара (4 6) имеет множество мест сбора парофазного продукта (50). Места сбора парофазного продукта (50) расположены горизонтально между входом твердых частиц (34) и выходом твердых частиц (36). Испаренная фракция (51) исходного жидкого материала (40) также собирается в одном (или более) месте сбора парофазного продукта (50), смежном с входом питания (42).

Псевдоожижающая среда (22) также собирается в сборнике пара (46) с парофазным продуктом (44), так что псевдоожижающая среда проходит от нижнего вертикального положения (52) ниже твердых частиц (28) к сборнику пара (46) в верхнем вертикальном положении (48). Парофазный продукт (44) по существу отделяется от псевдоожижающей среды (22) и охлаждается для того, чтобы минимизировать дополнительную конверсию и/или деструкцию парофазного продукта (44).

Существенное различие между изобретением и традиционным способом с псевдоожиженным слоем состоит в том, что твердые частицы (28) в псевдоожиженном слое (30) движутся по существу перпендикулярно газовой фазе в псевдоожиженном слое (30). Твердые частицы (28) поступают на вход твердых частиц (34), проходят по длине реактора (20), предпочтительно, под действием силы тяжести и удаляются через выход твердых частиц (36). Поскольку потоки твердых частиц (28) и псевдоожижающей среды (22) создаются независимыми движущими силами, оба являются по существу независимыми. Это обеспечивает значительное увеличение гибкости в работе, что будет рассмотрено подробно в последующем описании.

Способ и устройство изобретения могут дать РВП твердых частиц, которое приближается к поршневому потоку, обеспечивая выделение парофазного продукта (44) в псевдоожиженном слое (30). Преимущества, следующие из РВП твердых частиц (28), вместе с другими преимуществами изобретения могут быть достигнуты специалистом в данной области техники с обеспечением значительного превосходства над прототипом.

Например, специалистам в данной области техники хорошо понятно, как оперировать рабочими условиями и параметрами аппарата, такими как увеличенные отношения твердые частицы-к-питанию и способность подавать питание более регулируемым и равномерным образом, для улучшения производительности и выхода при обычных температурах реакции. Гидродинамика изобретения была исследована физическими моделями текучести в холодном состоянии с использованием размерного анализа для установления связи с типичными рабочими условиями способа.

1. Реактор

В предпочтительном варианте реактор (20) разделен на ряд зон, причем каждая имеет различную функцию:

1) зона подачи твердых частиц (60),

2) зона подачи жидкости (62),

3) реакционная зона (64),

4) зона удаления твердых частиц (66),

5) газораспределительная зона (68),

6) зона над псевдоожиженным слоем (70).

Фиг.1 и 2, обе представляют схему, которая показывает указанные различные зоны реактора (20).

Реактор (20) может иметь любую подходящую форму. В предпочтительных вариантах реактор (20) имеет обычно прямоугольную форму. Длина реактора (20) обычно больше его ширины. Данная конструкция обеспечивает хорошее перемешивание твердых частиц (28) по ширине реактора (20) и способствует поддержанию характеристик поршневого потока в движущейся твердой фазе. Воздействие поршневого потока на характеристики способа описано ниже.

Газ вводится как псевдоожижающая среда (22) с помощью газораспределителя (76), расположенного на днище или рядом с днищем реактора (20). Газораспределитель (76) может быть различной сложности. Были испытаны конструкции с барботажным колпачком и ситчатой тарелкой, но любая конструкция, способная адекватно псевдоожижать твердые частицы, является приемлемой. Псевдоожижающая среда (22) вместе с любым парофазным продуктом (44), образовавшимся в реакции, обычно выходит в верхней части реактора (20).

Высота реактора (20) такова, что включает как псевдоожиженный слой (30), содержащийся в реакторе (20), так и высоту, необходимую для высвобождения твердых частиц в зоне над псевдоожиженным слоем (70), как рассмотрено ниже.

Для обеспечения эффективного контактирования между исходным жидким материалом (40) и твердыми частицами и получения преимущества высоких отношений твердые частицы-к-питанию обычно желательно обеспечивать количество твердых частиц (28) по существу в избытке, который требуется для зоны подачи жидкости (62). При установке нескольких устройств, изображенных на фиг.1, последовательно масса твердых частиц (28) будет контактировать более равномерным образом при снижении требований обработки твердых частиц. Для увеличения производительности ширина реактора (20) может быть увеличена, и такая возможность недоступна многим промышленным конструкциям.

Характеристики твердых частиц

Твердые частицы (28) в реакторе (20) обеспечивают площадь поверхности, на которой протекает реакция конверсии. Кроме того, твердые частицы (28) обеспечивают источник или отвод тепла реакции в зависимости от того, является ли реакция эндотермической или экзотермической. Наиболее критическим показателем твердых частиц (28) является то, что твердые частицы должны достаточно хорошо псевдоожижаться, чтобы удовлетворять требованиям изобретения.

Твердые частицы (28) могут необязательно также обеспечивать каталитическую функцию для облегчения или улучшения реакций конверсии, которые имеют место в реакторе. Например, твердые частицы (28) могут состоять из или содержать количество катализатора, которое способно облегчить и/или улучшить реакции конверсии, такого как цеолит типа Y или другой материал, который является подходящим для использования в каталитическом крекинге или подобных процессах.

На основании классификации Geldart (Kunni D. and Levenspiel O. Fluidization Engineering, 2ed., Butterworth-Heinemann, 1991) следующие два типа твердых частиц (28) могут быть подходящими для реактора (20):

1. Частицы Geldart типа А: аэрируемые частицы или материалы, имеющие небольшой средний размер частиц (<40 мкм) или низкую плотность частиц (<1400 кг/м³). Псевдоожиженный катализатор крекинга является примером данного типа частиц.

2. Частицы Geldart типа В: большая часть частиц размером 40-500 мкм и плотностью 1400-4000 кг/м³. Песок является примером данного типа частиц.

Указанные два типа частиц характеризуют типичные частицы, используемые в промышленных псевдоожиженных слоях. Будучи псевдоожиженными они обеспечивают положительные характеристики, которые наиболее часто связаны с реакторами с псевдоожиженным слоем: однородную температуру, высокие скорости тепло- и массопереноса и высокую удельную площадь поверхности. Кроме того, Geldart частицы типа А и В являются обычно достаточно текучими, чтобы обеспечить плавный горизонтальный поток.

Все остальные частицы подпадают под тип С (когезионные порошки) или тип D (крупные грубые частицы) по классификации Geldart и обычно являются не подходящими для использования в способе настоящего изобретения, если они не составляют относительно небольшую фракцию твердых частиц (28) с большей частью твердых частиц (28), являющейся Geldart типа А или Geldart типа В.

Другими факторами, учитываемыми при выборе твердых частиц (28), являются характеристики теплоемкости и теплопереноса, скорости истирания и стоимость.

3. Характеристики псевдоожиженного слоя

Псевдоожиженный слой (30), предпочтительно, работает в режиме барботажного слоя или в случае частиц Geldart типа А может работать в режиме плавного псевдоожижения ниже скорости псевдоожижения барботированием, но выше минимальной скорости псевдоожижения.

В режиме барботажного слоя псевдоожиженный слой (30) напоминает кипящую жидкость с пузырьками, образующимися в газораспределителе (76), быстро поднимающимися через псевдоожиженный слой (30), затем разрушающимися на поверхности псевдоожиженного слоя (30). Для наглядности можно предположить, что псевдоожиженный слой (30) имеет две фазы:

1) эмульсионную фазу, содержащую как твердые частицы, так и газ; и

2) пузырьковую фазу, содержащую, главным образом, только газ.

Газ выходит из псевдоожиженного слоя (30) почти исключительно в виде пузырьков. Газ в эмульсионной фазе должен поэтому сначала войти в пузырьки для того, чтобы выйти из псевдоожиженного слоя (30). Перенос газа между пузырьками и эмульсией может иметь место при диффузии в псевдоожиженный слой (30) или при смешении в зоне турбулентности вблизи газораспределителя (76).

4. Зона над псевдоожиженным слоем

Зона над псевдоожиженным слоем (70) является областью, обедненной твердыми частицами, реактора (2), выше поверхности псевдоожиженного слоя (30). Твердые частицы выталкиваются из псевдоожиженного слоя (30) под действием пузырьков, разрушающихся на его поверхности. Зона над псевдоожиженным слоем (70) требуется для твердых частиц (28), чтобы отделить их от газа так, ч