Устройство отделения тонкодисперсного твердого вещества, распределенного во взвешенном состоянии в вязкой жидкости

Устройство отделения тонкодисперсного твердого вещества, распределенного во взвешенном состоянии в вязкой жидкости

Реферат

Предлагаемое изобретение относится к области устройств, позволяющих осуществлять отделение при помощи силы тяжести мелких твердых частиц, содержащихся в более или менее вязкой жидкости. Такие устройства известны обычно под названием декантаторов или отстойников. Они позволяют рекуперировать в головной части такого устройства жидкость, по существу очищенную от частиц, и собирать на ее дне жидкость, насыщенную упомянутыми частицами. Далее речь будет идти о чистой жидкости для обозначения жидкости, извлеченной из головной части устройства, и о густой жидкости для обозначения жидкости, насыщенной твердыми частицами и извлеченной из дна этого устройства.

Такие декантаторы встречаются главным образом в индустрии обработки отходов производства и в области очистки в процессе обработки воды, насыщенной минеральным маслом.

Говоря более конкретно, устройство в соответствии с предлагаемым изобретением специально адаптировано для декантации твердых частиц, имеющих размеры в диапазоне от 10 микрон до 100 микрон (1 микрон = 1 мкм = 10^-6 метра) и удельную массу (для частиц) в диапазоне от 500 кг/м³ до 2500 кг/м³.

Эти частицы могут представлять собой мелкие частицы катализатора, такие, например, как частицы, используемые в реакторе синтеза Фишера-Тропша (Fischer Tropsch), действующем в жидкой фазе с катализатором, находящимся во взвешенном состоянии (называемом, по английской терминологии, "slurry reactor" или просто "slurry"). В этом случае частицы катализатора имеют диаметр, заключенный в диапазоне от 20 микрон до 80 микрон, удельную массу в диапазоне от 1000 кг/м³ до 2500 кг/м³, и жидкая среда, в которой эти частицы рассеяны, имеет вязкость, заключенную в диапазоне от 0,2 мПа·с до 2 мПа·с и предпочтительным образом заключенную в диапазоне от 0,5 мПа·с до 1 мПа·с, и удельная масса этой жидкости имеет величину в диапазоне от 500 кг/м³ до 1000 кг/м³.

Далее в качестве единицы измерения вязкости используется мПа·с, или 10^-3 Па·с, которая равна 1 сП.

Далее будет сохранен англоязычный термин "slurry" для обозначения суспензии мелких частиц, рассеянных в жидкой среде, причем сквозь саму эту жидкую среду проходят пузырьки газа.

Определение размерных параметров декантаторов основывается главным образом на понятии скорости седиментации, определяемой как скорость опускания частиц в рассматриваемой жидкости только под действием силы тяжести. Поскольку эта скорость оказывается тем меньшей, чем меньшие размеры и чем меньшую удельную массу имеют упомянутые частицы, декантаторы обычно имеют достаточно большую высоту для того, чтобы обеспечить для этих мелких частиц возможность мигрировать в направлении нижней части этого устройства, где они обычно рекуперируются. Эти декантаторы также имеют достаточно большой диаметр для того, чтобы обеспечить относительно небольшую линейную скорость течения между входом и выходом этого устройства таким образом, чтобы в возможно меньшей степени возмущать движение опускания частиц в рассматриваемой жидкой среде.

В дальнейшем будет исследован существующий уровень техники в области осуществления способа Fischer Tropsch, поскольку этот способ представляет собой случай, в котором наиболее часто используется устройство подобного типа.

Способ Фишера-Тропша (Fischer Tropsch) представляет собой способ синтеза молекул углеводородов, простирающихся примерно от С1 до С80, на основе реакционного газа, называемого газом синтеза и образованного в основном водородом (Н₂) и окисью углерода (СО), а также двуокисью углерода (СО₂).

Одно из применений этого способа состоит в использовании мелких частиц катализатора на основе железа или кобальта с использованием или без использования носителя для этого катализатора и во введении этих частиц катализатора в контакт с реакционной средой, образованной смесью газа с жидкостью, в установке, иногда называемой пузырьковой колонной.

Частицы, имеющие диаметр в диапазоне от 10 микрон до 100 микрон и чаще всего в диапазоне от 20 микрон до 80 микрон, находятся в рассеянном состоянии в недрах жидкой фазы, сквозь которую проходят пузырьки газа, причем сформированную таким образом среду обычно называют "slurry".

Способ Fischer Tropsch, осуществляемый в среде типа "slurry", обычно содержит первое устройство, обеспечивающее возможность отделения преобладающей части газов от жидкости, в которой находятся частицы катализатора. Освобожденный таким образом газ формируется легкими углеводородами от С1 до С5, водяным паром, образовавшимся в процессе реакции, а также более или менее значительной фракцией не вступившего в реакцию газа синтеза.

Второе средство отделения, располагающее по потоку позади упомянутого первого средства, позволяет отделить частицы катализатора от жидкой фазы, причем эта жидкая фаза направляется в располагающуюся позади по потоку зону обработки для производства в конечном счете горючего, в основном бензина, авиационного топлива и газойля.

Фаза, содержащая преобладающую часть твердых частиц (и называемая концентрированной жидкостью), обычно возвращается в технологический цикл и направляется в реактор синтеза.

Обычно среда "slurry" при использовании способа Fischer Tropsch может быть насыщена частицами катализатора вплоть до концентрации, имеющей величину в диапазоне от 10% до 60% по весу, и предпочтительно в диапазоне от 20% до 45% по весу.

Устройства, предназначенные для отделения твердых частиц, позволяют возвращать в технологический цикл реактора суспензию, в которой концентрация твердых частиц повышена примерно на 10% по относительной величине по сравнению с концентрацией в подлежащей обработке суспензии.

Множество устройств, используемых в существующем уровне техники, располагаются внутри того же реактора синтеза типа Fischer Tropsch.

Среди документов, описывающих устройства, располагающиеся за пределами упомянутого реактора синтеза, могут быть упомянуты:

- Патент US 5770629, в котором описывается внешняя зона фильтрации, но который не основывается на принципе декантации. При этом устройство в соответствии с предлагаемым изобретением не обладает никакими элементами фильтрации.

- Патент WO 98/27181, в котором описывается декантатор, снабженный внутренней системой трубопроводов, позволяющей определить кольцевую зону рециркуляции, используемую для рекуперации чистой жидкости. При этом устройство в соответствии с предлагаемым изобретением не обладает никакой зоной рециркуляции.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ПРИВЕДЕННЫХ В ПРИЛОЖЕНИИ ФИГУР

Фиг.1 представляет собой схематический вид устройства в соответствии с предлагаемым изобретением, в котором собраны воедино основные характеристики этого изобретения.

При этом, если рассматривать этот схематический вид в направлении снизу вверх, можно видеть, что первый объем (SL) соответствует суспензии, насыщенной твердыми частицами. Второй объем (L) соответствует суспензии, содержащей жидкость и твердое вещество, но менее насыщенную твердыми частицами, и третий объем (G), располагающийся над вторым объемом (L), соответствует в основном зоне, содержащей газ.

Предлагаемое изобретение относится к устройству, позволяющему обеспечить отделение мелких твердых частиц, обычно имеющих диаметр, заключенный в диапазоне от 10 микрон до 100 микрон, рассеянных в форме суспензии в некоторой жидкости, причем упомянутое устройство содержит верхнюю часть, имеющую цилиндрическую форму, обладающую соотношением Н/D, заключенным в диапазоне от 2 до 6, и нижнюю коническую часть, обладающую тем же максимальным диаметром, что и упомянутая цилиндрическая часть, причем угол конусности этой конической части имеет величину в диапазоне от 40° до 60°, и упомянутое устройство дополнительно имеет в своем составе:

- выполненный в форме колена патрубок (Та) подачи суспензии, причем горизонтальный участок этого коленчатого патрубка имеет диаметр (d1) и входит внутрь верхней части устройства, а вертикальный участок этого коленчатого патрубка имеет диаметр (d2) и открывается по существу на уровне плоскости, отделяющей верхнюю часть упомянутого устройства от его нижней части, и соотношение диаметров d2/d1 имеет величину в диапазоне от 2 до 4, а вертикальный участок этого патрубка (Та) подачи суспензии имеет длину (hb), по меньшей мере в три раза превышающую диаметр (d2) выходного конца упомянутого вертикального участка;

- верхний патрубок (Ts) извлечения чистой жидкости, располагающийся на вершине верхней цилиндрической части;

- нижний патрубок (Ti) извлечения твердых частиц, располагающийся снизу в нижней конической части.

Предлагаемое изобретение также относится к способу отделения твердых частиц, имеющих диаметр в диапазоне от 10 микрон до 100 микрон и рассеянных в жидкости, вязкость которой превышает 0,2 мПа·с, с использованием описанного в предшествующем изложении устройства.

Предлагаемое изобретение предпочтительным образом применяется к способу синтеза типа Fischer Tropsch, в котором используется реактор синтеза Fischer Tropsch, работающий в режиме "slurry" с катализатором, образованным мелкими частицами, имеющими диаметр в диапазоне от 10 микрон до 100 микрон и находящимися во взвешенном состоянии в жидкости, имеющей вязкость, превышающую 0,2 мПа·с, и в котором упомянутый способ использует устройство в соответствии с предлагаемым изобретением, располагающееся снаружи от реактора синтеза, причем частицы, извлеченные из упомянутого устройства через нижний патрубок (Ti), возвращаются в технологический цикл и направляются в реактор посредством насоса.

Устройство в соответствии с предлагаемым изобретением позволяет обеспечить отделение твердых частиц, имеющих диаметр в диапазоне от 10 микрон до 100 микрон, рассеянных в форме суспензии в жидкости, имеющей вязкость, превышающую 0,2 мПа·с.

Упомянутое устройство состоит из верхней части, имеющей цилиндрическую форму, характеризуемую соотношением Н/D, имеющим величину, заключенную в диапазоне от 2 до 6 и предпочтительно заключенную в диапазоне от 2,5 до 5, и нижней части конической формы с тем же максимальным диаметром, что и диаметр упомянутой цилиндрической части, причем угол (α) конуса имеет величину, заключенную в диапазоне от 40° до 60° и предпочтительно заключенную в диапазоне от 45° до 55°.

Обычно диаметр декантатора в соответствии с предлагаемым изобретением имеет величину, заключенную в диапазоне от 1 метра до 10 метров, предпочтительным образом заключенную в диапазоне от 2 метров до 8 метров и еще более предпочтительным образом заключенную в диапазоне от 3 метров до 7 метров.

Далее речь будет идти независимо от верхней или цилиндрической части и нижней или конической части.

Упомянутое устройство дополнительно имеет в своем составе:

- выполненный в форме колена патрубок (Та) подачи суспензии, причем горизонтальный участок упомянутого коленчатого патрубка имеет диаметр (d1) и входит внутрь верхней части устройства, а вертикальный участок этого коленчатого патрубка имеет диаметр (d2) и открывается по существу на уровне плоскости, отделяющей верхнюю часть устройства от его нижней части, и соотношение диаметров d2/d1 имеет величину в диапазоне от 2 до 4,

- верхний патрубок (Ts) извлечения чистой жидкости, располагающийся на вершине верхней цилиндрической части;

- нижний патрубок (Ti) извлечения твердых частиц, располагающийся снизу в нижней части устройства.

Здесь выражение ″по существу″ следует понимать в том смысле, что открытие вертикального участка патрубка (Та) подачи суспензии осуществляется на уровне, располагающемся на высоте, составляющей плюс-минус 0,5 м от плоскости, разделяющей верхнюю часть и нижнюю часть данного устройства.

Патрубок (Та) подачи суспензии имеет свой вертикальный участок (hb), протяженность которого по меньшей мере в 3 раза превышает диаметр (d2) выходного конца упомянутого вертикального участка.

В соответствии с предпочтительной характеристикой устройства в соответствии с предлагаемым изобретением патрубок (Ts) извлечения чистой жидкости содержит вертикальный участок, по существу центрированный на оси симметрии декантатора и погруженный на глубину, имеющую величину в диапазоне от 0,2 метра до 1 метра, под уровень упомянутой чистой жидкости (H_L), и предпочтительным образом погруженный на глубину, имеющую величину в диапазоне от 0,3 метра до 0,7 метра под упомянутый уровень (H_L), для величин Н, предпочтительным образом заключенных в диапазоне от 4 метров до 40 метров и еще более предпочтительным образом заключенных в диапазоне от 6 метров до 30 метров.

В соответствии с предпочтительной характеристикой предлагаемого устройства это устройство снабжено нижним отражающим экраном (В), закрепленным на внутренней стенке цилиндрической части этого устройства, и образует некоторый угол (β) по отношению к вертикали, являющийся по существу идентичным половине угла конусности (α) нижней части устройства. Здесь выражение ″по существу″ следует понимать в том смысле, что расхождение между величиной угла (β) и величиной угла (α) составляет менее 10°.

В соответствии с другой предпочтительной характеристикой этот отражающий экран (В) закреплен на уровне, по существу идентичном тому уровню, где начинается (в направлении сверху вниз) вертикальный участок патрубка (Та) подачи суспензии.

Здесь под выражением ″по существу″ следует понимать тот уровень, который соответствует уровню начала вертикального участка патрубка (Та) подачи суспензии, причем этот уровень может быть заключен в интервале от +0,3 м до -0,3 м по отношению к упомянутому уровню (hb) расположения вертикального участка.

Высота h1 этого отражающего экрана (В) имеет величину в диапазоне, составляющем от 0,4 до 0,6 от высоты вертикального участка патрубка (Та) подачи суспензии. При этом упомянутый вертикальный участок обозначен позицией (hb) на фиг.1.

Патрубок (Та) подачи суспензии входит во внутреннюю полость цилиндрической части устройства по существу перпендикулярным образом по отношению к упомянутой цилиндрической стенке. Уровень расположения горизонтального участка патрубка (Та) подачи суспензии определенно обозначен как уровень расположения горизонтальной оси упомянутого патрубка, обозначенный позицией (h) на фиг.1.

Уровень (H_L) расположения свободной поверхности жидкости в данном устройстве может быть отрегулирован при помощи любого способа, известного специалисту в данной области техники, такого, например, как измерение, определенным образом воздействующее на расход выходящей (А) чистой жидкости, или на расход выходящих твердых частиц (S), или даже на расход подлежащей обработке суспензии (Е).

Предпочтительным образом этот уровень расположения свободной поверхности жидкости выбирается таким образом, чтобы патрубок (Ts) извлечения чистой жидкости оказался погруженным на глубину в диапазоне от 0,3 м до 0,7 м ниже этого уровня (H_L) расположения свободной поверхности жидкости.

Устройство в соответствии с предлагаемым изобретением может быть использовано в способе, в соответствии с которым скорость течения жидкости в патрубке (Ts) извлечения чистой жидкости обычно имеет величину в диапазоне от 0,1 м/с до 0,3 м/с.

Устройство в соответствии с предлагаемым изобретением также может быть использовано в способе, в соответствии с которым скорость течения суспензии в нижнем патрубке (Ti) извлечения твердых частиц имеет величину в диапазоне от 0,8 м/с до 3 м/с.

Устройство в соответствии с предлагаемым изобретением может быть использовано в способе отделения мелких частиц, имеющих диаметр, заключенный в диапазоне от 10 микрон до 100 микрон, находящихся во взвешенном состоянии в жидкости, имеющей вязкость, превышающую 0,2 мПа·с, причем упомянутый способ позволяет добиться того, чтобы по меньшей мере 99% по весу входящих твердых частиц, имеющих диаметр, превышающий 20 микрон, находились в нижней части упомянутого устройства.

Устройство в соответствии с предлагаемым изобретением может быть использовано в способе отделения мелких частиц, имеющих диаметр, заключенный в диапазоне от 10 микрон до 100 микрон, находящихся во взвешенном состоянии в жидкости, имеющей вязкость, превышающую 0,2 мПа·с, причем в соответствии с упомянутым способом температура упомянутой суспензии имеет величину в диапазоне от 180°С до 250°С.

Предлагаемое изобретение относится также к способу отделения твердых частиц, в котором используется устройство в соответствии с приведенным здесь описанием.

Устройство в соответствии с предлагаемым изобретением может быть использовано в способе отделения мелких частиц, имеющих диаметр, заключенный в диапазоне от 10 микрон до 100 микрон, находящихся во взвешенном состоянии в жидкости, имеющей вязкость, превышающую 0,2 мПа·с, причем в соответствии с упомянутым способом может быть обеспечено получение жидкости, насыщенной твердыми частицами (располагающейся главным образом в конической части этого устройства), с концентрацией, по меньшей мере на 10% более высокой в относительных величинах по сравнению с концентрацией суспензии, введенной в это устройство.

В случае применения устройства в соответствии с предлагаемым изобретением к способу синтеза Fischer Tropsch концентрированная жидкость, извлекаемая через патрубок (Ti), в случае необходимости может быть возвращена в технологический цикл и направлена в реактор синтеза, предпочтительным образом посредством насоса.

Таким образом, предлагаемое изобретение относится также предпочтительным образом к способу синтеза Fischer Tropsch, в котором используется реактор синтеза Fischer Tropsch, работающий в режиме "slurry", с катализатором, образованным мелкими частицами, имеющими диаметр в диапазоне от 10 микрон до 100 микрон и находящимися во взвешенном состоянии в жидкости, имеющей вязкость, превышающую 0,2 мПа·с, и в котором упомянутый способ использует устройство (декантатор) в соответствии с предлагаемым изобретением, располагающееся снаружи от реактора синтеза, причем частицы, извлеченные из упомянутого устройства через нижний патрубок (Ti), возвращаются в технологический цикл и направляются в реактор посредством насоса.

ПРИМЕР (в соответствии с предлагаемым изобретением)

Обрабатывают суспензию, поступающую из реактора синтеза Fischer Tropsch и образованную мелкими частицами катализатора, причем эти частицы находятся во взвешенном состоянии в жидкости, имеющей удельную массу 720 кг/м³ и вязкость 0,7 мПа·с, в эксплуатационных условиях, которые соответствуют температуре 200°С и давлению 25 бар (1 бар = 10⁵ Па).

Удельная масса суспензии (жидкость + твердые частицы) на входе в устройство составляет 1100 кг/м³.

Расход обрабатываемой суспензии составляет 115 тонн в час.

Частицы имеют диаметр, заключенный в диапазоне от 25 микрон до 80 микрон при том, что их средний диаметр составляет 55 микрон. Устройство в соответствии с предлагаемым изобретением имеет следующие размерные характеристики:

Диаметр (D) составляет 5,5 м.

Высота цилиндрической части составляет 13,8 м.

Высота конической части составляет 2,8 м.

Угол (α) конусности составляет 45°.

Высота (h) уровня введения патрубка подачи составляет 1,8 м.

Диаметр (d1) патрубка подачи в его горизонтальной части составляет 0,15 м.

Диаметр (d2) упомянутого патрубка подачи в его вертикальной части составляет 0,38 м.

Диаметр (d3) патрубка, предназначенного для отведения чистой жидкости, составляет 0,20 м.

Диаметр (d4) патрубка извлечения концентрированной суспензии составляет 0,15 м.

Угол (β) наклона внутреннего экрана составляет 50°.

Высота (h1) внутреннего экрана составляет 0,75 м.

Высота (hb) вертикального участка патрубка подачи имеет величину 1,5 м.

Положение экрана: на уровне (hb) начала вертикального участка патрубка (Та) подачи.

Патрубок отведения чистой жидкости погружен на глубину, составляющую 0,5 м ниже уровня поверхности раздела между газом и жидкостью.

Концентрация находящихся во взвешенном состоянии твердых частиц на входе в данное устройство имеет величину в диапазоне от 20% до 30% по весу, и при помощи метода цифрового моделирования, точно воспроизводящего геометрические характеристики декантатора, которые были определены в предшествующем изложении (и, в частности, геометрические характеристики патрубка (Та) подачи, выполненного в форме колена), было показано, что концентрация твердых частиц в жидкости, извлекаемой при помощи патрубка (Ti), повышается на 7%, в относительных величинах, по отношению к концентрации подаваемой в данное устройство суспензии.

Кроме того, гранулометрические характеристики суспензии, отобранной на уровне выходного патрубка (Ti), показывают, что пропорция содержания частиц, имеющих диаметр, превышающий 20 микрон, составляет 99,8% по весу (против 98% в подаваемой суспензии).

1. Устройство для отделения твердых частиц, имеющих диаметр, заключенный в диапазоне от 10 мкм до 100 мкм, рассеянных в форме суспензии в жидкости, причем упомянутое устройство содержит верхнюю часть, имеющую цилиндрическую форму, обладающую соотношением H/D, заключенным в диапазоне от 2 до 6, и нижнюю коническую часть, обладающую тем же максимальным диаметром, что и упомянутая цилиндрическая часть, причем угол конусности имеет величину в диапазоне от 40° до 60°, причем упомянутое устройство дополнительно имеет в своем составе:выполненный в форме колена патрубок (Та) подачи суспензии, причем горизонтальный участок упомянутого коленчатого патрубка имеет диаметр (d1) и входит внутрь верхней части упомянутого устройства, а вертикальный участок этого коленчатого патрубка имеет диаметр (d2) и открывается, по существу, на уровне плоскости, отделяющей верхнюю часть данного устройства от его нижней части, причем соотношение диаметров d2/d1 имеет величину в диапазоне от 2 до 4, а вертикальный участок этого патрубка (Та) подачи суспензии имеет длину (hb), по меньшей мере в три раза превышающую диаметр (d2) выходного конца упомянутого вертикального участка;верхний патрубок (Ts) извлечения чистой жидкости, расположенный на вершине верхней цилиндрической части;нижний патрубок (Ti) извлечения твердых частиц, расположенный снизу в нижней конической части.

2. Устройство по п.1, в котором диаметр D имеет величину, заключенную в диапазоне от 1 м до 10 м, и предпочтительным образом заключенную в диапазоне от 2 м до 8 м.

3. Устройство по п.1, в котором патрубок (Ts) извлечения чистой жидкости содержит, по существу, центрированный вертикальный участок, погруженный на глубину в диапазоне от 0,2 м до 1 м ниже уровня (Н_L) упомянутой чистой жидкости и предпочтительно на глубину в диапазоне между 0,3 и 0,7 м ниже уровня (Н_L).

4. Устройство по п.1, в котором внутренний экран (В), образующий угол (β) по отношению к вертикали, по существу, равный половине угла (α) конусности нижней части устройства, закреплен на внутренней стенке цилиндрической части данного устройства на уровне, по существу, идентичном уровню начала вертикального участка патрубка (Та) подачи суспензии, причем высота экрана (В) имеет величину, заключенную в диапазоне, составляющем от 0,4 до 0,6 от высоты (hb) вертикального участка патрубка подачи суспензии.

5. Способ отделения твердых частиц, имеющих диаметр в диапазоне от 10 мкм до 100 мкм и рассеянных в жидкости, имеющей вязкость, превышающую 0,2 мПа·с, характеризующийся тем, что отделение твердых частиц от жидкости осуществляют в устройстве по любому из пп.1-4.

6. Способ по п.5, в котором уровень жидкости (H_L) регулируется автоматическим образом посредством устройства контроля уровня, воздействующего на расход извлечения чистой жидкости.

7. Способ по п.5, в котором температура суспензии, вводимой в устройство, имеет величину в диапазоне от 180°С до 250°С.

8. Способ по п.5, в котором жидкость, насыщенная твердыми частицами и расположенная в нижней конической части, имеет концентрацию, по меньшеймере на 10% превышающую концентрацию суспензии, вводимой в данное устройство.

9. Способ по п.5, в котором скорость течения жидкости в патрубке (Ts) извлечения чистой жидкости имеет величину в диапазоне от 0,1 м/с до 0,3 м/с.

10. Способ по п.5, в котором скорость течения суспензии в нижнем патрубке (Тi) извлечения твердых частиц имеет величину в диапазоне от 0,8 м/с до 3 м/с.

11. Применение устройства по п.1 для отделения твердых частиц катализатора диаметром от 10 до 100 мкм, рассеянных в форме суспензии в жидкости вязкостью, превышающей 0,2 мПа·с, при осуществлении синтеза Фишера-Тропша с использованием реактора с катализатором, образованным рассеянными в жидкости твердыми частицами, и последующего возврата частиц катализатора, извлеченных из нижнего патрубка, размещенного снаружи реактора упомянутого устройства, в реактор посредством насоса.