用于在给料的处理中进行分离的方法、系统、及设备的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于在给料的处理中进行分离的方法、系统、及设备。根据一种实施方式，该设备包括：管状容器，其具有方形管入口和蒸汽出口，其中，蒸汽出口设置于管状容器的顶部处，并且其中，方形管入口与管状容器的内径相切；桶，其设置在管状容器的下方；以及双隔离刀阀，其设置在管状容器与桶之间，其中，气体-固体流通过方形管入口进入管状容器，并且其中，通过利用离心力而将气体与固体分离开，并且其中，气体离开蒸汽出口且固体被收集在桶中。
【专利说明】用于在给料的处理中进行分离的方法、系统、及设备
[0001]本申请要求于2010年12月30日提交的名称为“用于在重质烃给料的热处理中使用的惯性分离器(INERTIAL SEPARATOR FOR USE IN THERMAL PROCESSING OF HEAVYHYDROCARBON FEEDSTOCKS)”的申请序列号为61/428，316的美国临时申请的权益和优先权，出于所有的目的，该美国临时申请的全部内容以参引的方式合并到本文中。
【技术领域】
[0002]本发明主要涉及用于对粘性油给料进行快速热处理的装置。更具体地，本发明涉及一种用于在给料的处理中进行分离的方法、系统、和设备。
【背景技术】
[0003]重油资源和浙青资源正在补充常规轻质和中间原油产量的下降，并且来自这些资源的产量正在稳步地增大。除非添加稀释剂以将原油的粘度和比重降低到管道规格，否则管道就不能对这些原油进行处理。或者，通过初步浓缩来获得所需要的特性。然而，稀释后的原油或浓缩后的合成原油明显不同于常规原油。因此，浙青混合物或合成原油并不易于在常规流化床催化裂化精炼厂中进行处理。因此，在任一情况中，必须在构造成处理稀释过的给料或浓缩后的给料的精炼厂中进行其它的处理。
[0004]许多重质烃类给料的特征还在于包括大量的BS&W (底部沉积物和水)。这种给料由于其腐蚀性及砂子和水的存在，因此不适于通过管道进行运输或精炼。通常，特征为具有小于0.5wt.% (重量百分比)的BS&W的给料可通过管道进行输送，并且包括较大量的BS&W的那些给料需要进行一定程度的处理或处置以在输送之前降低BS&W含量。这种处理可包括:储存，以使水和颗粒下沉；和热处理，以除去水和其它组分。然而，这些操作增加了操作成本。因此，在所属领域内，需要一种在对给料进行输送或进一步处理之前，对具有相当大的BS&W含量的给料进行升级的有效方法。
[0005]可利用如下一系列工艺方法对重油和浙青进行升级，这一系列工艺方法包括:热(例如美国专利第4，490，234号；美国专利第4，294，686号；美国专利第4，161，442号)、氢化裂化(美国专利第4，252，634号)、减粘裂化(美国专利第4，427，539号；美国专利第4，569，753号；美国专利第5，413，702号)、或催化裂化(美国专利第5，723，040号；美国专利第5，662，868号；美国专利第5，296，131号；美国专利第4，985，136号；美国专利第4，772，378号；美国专利第4，668，378号，美国专利第4，578，183号)。这些工艺方法中的诸如减粘裂化或催化裂化之类的若干工艺在上行流反应器或下行流反应器内利用惰性或催化颗粒接触物料。催化接触物料在极大程度上是沸石基的(例如参见美国专利第5，723，040号；美国专利第5，662，868号；美国专利第5，296，131号；美国专利第4，985，136号；美国专利第4，772，378号；美国专利第4，668，378号，美国专利第4，578，183号；美国专利第4，435，272号；美国专利第4，263，128号)，而减粘裂化通常利用惰性接触物料(例如美国专利第4，427，539号；美国专利第4，569，753号)、含碳固体(例如美国专利第5，413，702号)、或惰性高岭土固体(例如美国专利第4，569，753号)。[0006]将流化床催化裂化(FCC)或其它单元用于直接处理浙青给料在现有技术中是已知的。然而，存在于原油给料内的许多化合物通过沉积在接触物料自身上而干扰了这些工艺过程。这些给料杂质包括诸如f凡和镍之类的金属、诸如(康氏(Conradson))残碳之类的焦碳前身物、及浙青质。除非通过在再生器中的燃烧来去除，否则这些物料的沉积物会导致中毒并且导致需要提早更换接触物料。对于FCC过程所采用的接触物料而言这是尤其正确的，因为该过程的有效裂化及适当的温度控制需要包括少许干扰该催化过程的可燃沉积物料或金属的接触物料或不包括该可燃沉积物料或金属的接触物料。
[0007]为了减少催化裂化单元内的催化物料的杂质，已经提出了通过以下工艺方法对给料进行预处理:减粘裂化(美国专利第5，413，702号；美国专利第4，569，753号；美国专利第4，427，539号)、热(美国专利第4，252，634号；美国专利第4，161，442号)或其它工艺方法，这些工艺方法通常利用类FCC的反应器在低于使给料裂化所需的温度的温度下进行(例如美国专利第4，980，045号；美国专利第4，818，373号和美国专利第4，263，128号)。这些系统与FCC单元串联操作并且起到用于FCC的预处理器的作用。这些预处理工艺方法设计成用于从给料中移除杂质物料，并且在减轻任何裂化的情况下操作。这些工艺方法确保给料的任何浓缩和受控裂化在最适宜条件下在FCC反应器内发生。
[0008]浙青给料包括诸如砂子和其它颗粒之类的固体。对浙青给料进行的直接处理必须通过含氢气体与烃类原料流在升高的温度和压力下的接触来执行。由此，这种处理的主要成本基本上在于该处理装置的获得和维护。主要成本的示例为:能够进行这种服务的容器和相关联的锅炉、热交换器、分布器板组件、泵、管道和阀、在这种服务中受到污染的催化剂的更换成本、以及组装该装置的成本。诸如含有污染化合物的提炼过的原油之类的相对低成本的给料的商业化加氢处理需要每天约几千桶直至十万桶的流量，其中，氢气的平行流高达每桶液体进料10，000标准立方英尺。当在升高的压力和温度下执行所期望的反应时，由于需要容纳和经受由在浙青给料内的氢化合物、硫化合物和固体造成的腐蚀和金属脆化，因此能够抑制这种反应过程的容器因此是成本密集型的。用于在这种压力和温度下处理含氢的流体流的泵、管道和阀同样是昂贵的，这是因为在这种压力下密封必须在数月的延长服务期内保持是氢不能渗透的。在重油和浙青中的细的和超细的粘土、砂子和颗粒也会降低超时密封的有效性。它也是成本密集型的，以确保所有装置均被正确地组装、制造和/或维护。
[0009]即使是在升级过程期间采取了所有的预防措施并且对装备进行组装、制造和维护以确保最为纯净的最终产物，所属领域技术人员理解到，最终产物通常包括形成浙青或石油给料的细的和超细的粘土、砂子和颗粒是不可避免的。
【发明内容】
[0010]本发明公开了一种用于在给料的处理中进行分离的方法、系统、及设备。根据一种实施方式，所述设备包括:管状容器，该管状容器具有方形管入口和蒸汽出口，其中，蒸汽出口设置于管状容器的顶部处，并且其中，方形管入口与管状容器的内径相切；桶，该桶设置在管状容器的下方；以及双隔离刀阀，该双隔离刀阀设置在管状容器与桶之间，其中，气体-固体流通过方形管入口进入管状容器，并且其中，通过利用离心力将气体和固体分离开，并且其中气体离开该蒸汽出口且固体被收集在桶中。[0011]应当注意的是，附图无需按比例绘制，并且在全部附图中，出于说明的目的，具有相似结构或功能的部件通常由相同的附图标记来表示。还应当注意的是，附图仅意在有助于对文中所述的多种实施方式进行描述。附图无需描述文中所公开的教示的每个方面并且并不限制权利要求的范围。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]被包括作为本说明书的一部分的附图示出了当前优选实施方式，并且与上面给出的一般性描述及下面给出的对于优选实施方式的详细描述一起用于说明和教不本发明的原理。
[0013]图1示出了现有技术的反应器设计。
[0014]图2示出了现有技术的反应器设计。
[0015]图3示出了根据一种实施方式的用于与本系统一起使用的示例性反应器设计。
[0016]图4示出了根据一种实施方式的用于与本反应器系统一起使用的示例性副分离器区段。
[0017]图5示出了根据一种实施方式的用于与本系统一起使用的示例性副分离器的设计详图。
[0018]图6示出了根据一种实施方式的本副分离器与淬火容器的固体重量收集趋势的比较。
[0019]图7示出了根据一种实施方式的砂夹带量的示例性趋势。
[0020]图8示出了烃类蒸发检测的示例性结果。
[0021]图9示出了多种合成原油产物的示例性的颗粒计数分布。
[0022]图10示出了根据一种实施方式的由本副分离器捕获的颗粒的扫描电子显微镜(SEM)图像(100 X放大倍率)。
[0023]图11示出了根据一种实施方式的由本副分离器捕获的颗粒的扫描电子显微镜(SEM)图像(500 X放大倍率)。
[0024]图12示出了根据一种实施方式的由本副分离器捕获的颗粒的扫描电子显微镜(SEM)图像(1000 X放大倍率)。
[0025]图13和图14示出了根据一种实施方式的由旋风分离器和本副分离器捕获的固体的颗粒尺寸分布的柱状图。
[0026]图15示出了根据一种实施方式的由旋风分离器和本副分离器捕获的固体的颗粒尺寸趋势。
[0027]图16示出了现有技术的热污垢检测单元的图表。
[0028]图17示出了在没有本副分离器的情况下的实施方案的示例性的污垢检测结果。
[0029]图18示出了根据一种实施方式的在具有本副分离器的情况下的实施方案的示例性的污垢检测结果。
[0030]图19示出了根据一种实施方式的在具有本副分离器的情况下的实施方案的另一示例性的污垢检测结果。
[0031]图20示出了在阿萨巴斯卡(Athabasca)浙青给料中循环的固体的显微图像。
[0032]图21示出了在Athabasca浙青给料中的颗粒尺寸的FBRM (聚焦光束反射测量)曲线图。
[0033]图22示出了 3种Athabasca浙青装运物的FBRM比较。
[0034]应当注意的是，附图无需按比例绘制，并且在全部附图中，出于说明的目的，具有相似结构或功能的部件通常由相同的附图标记来表示。还应当注意的是，附图仅意在有助于对文中所述的多种实施方式进行描述。附图无需描述文中所公开的教示的每个方面并且并不限制权利要求的范围。
【具体实施方式】
[0035]本发明公开了一种用于在给料的处理中进行分离的方法、系统及设备。根据一种实施方式，该设备包括:管状容器，该管状容器具有方形管入口和蒸汽出口，其中，蒸汽出口设置于管状容器的顶部处，并且其中，方形管入口与管状容器的内径相切；桶，该桶设置在管状容器的下方；以及双隔离刀阀，该双隔离刀阀设置在管状容器与桶之间，其中，气体-固体流通过方形管入口进入该管状容器，并且其中，通过利用离心力将气体和固体分离开，并且其中，气体离开该蒸汽出口且固体被收集在桶中。
[0036]本发明公开内容提供了一种设备或者一种快速热处理组件的附加部分，其能够产生进入反应器的，卓越的、稳定的且平滑的气体(例如含氢气体)和液体(例如液态烃)的混合物流，而没有与现有技术的方法和设备相关联的缺陷。
[0037]本系统通过如下方式来克服现有技术的缺点:即，提供位于反应器的下游的副分离器，以实现将给料和反应产物固体从反应产物蒸汽中移除并提高反应器产物的质量。该反应器的目的在于通过循环床、固体热载体运输反应器系统内的热解反应(热裂化)将重油给料转变成较轻的最终产物。
[0038]本公开提供了 一种副分离器(本文中也可交替地称之为惯性分离器和副分离系统)，用于进行升级粘性重质烃给料所用的快速热处理。副分离器包括圆筒形构件；于上端处限定开口并于下端处限定开口的结构；以及至少一个开口，该至少一个开口具有垂直于该圆筒形构件行进的轴线，产物气体和颗粒的混合物穿过该圆筒形构件进入该副分离器。至少一个第二圆筒形构件处于第一圆筒形构件的内部，该第二圆筒形构件处于具有垂直于该圆筒形构件行进的轴线的最上部开口处。附接至该圆筒形构件的是于该圆筒形构件的下端的开口处的穹顶形结构。该穹顶形结构进一步减小了于该第一圆筒形构件的下端处的开口的尺寸。颗粒通过位于该副分离器的下端处的开口离开该副分离器。本发明通过接收来自反应器的产物气体而进一步实现了其所期望的目的。产物气体包含有来自给料、反应产物、或由反应器容器承载的循环的固体热载体的颗粒，这些颗粒必须与反应产物蒸汽分离开。产物气体穿过副分离器，从而减少颗粒的量并提高反应产物蒸汽的质量。
[0039]在用于对涉及给料的部分化学升级或轻度裂化的重油或浙青给料进行浓缩的工艺方法中利用本副分离器。这些工艺方法还降低了给料内的杂质的水平，从而利用存在于重油或浙青给料中的成分减轻了诸如在裂化或加氢裂化中所使用的催化接触物料之类的催化接触物料的杂质。这种工艺过程和/或方法及相关的设备和产物在被全部以参引的方式合并到本文中的美国专利第7，572，365号；美国专利第7，572，362号；美国专利第7，270，743号；美国专利第5，792，340号；美国专利第5，961，786号；美国专利第7，905，990号；及审理中的申请序列号为13/340，487、13/340，569、12/046，363和09/958，261的美国专利申请中有所描述。
[0040]如在美国专利第5，792，340号(以参引的方式被全部合并到本文中)中所述，对于当前类型的热解反应器系统而言，需要将一种进料分散系统用于液体给料。输送气体(提升用气体)通过位于气体分布板下方的增压室而被引入至反应器。进料分散系统的目的在于通过减小液态进料的液滴尺寸以增大表面积与体积的比率来获得液态给料的更高效的热传递条件。提升用气体分布板(分布器板)的目的在于提供促进了进料与固体热载体的混合的气体的最佳流态。
[0041]当提到“给料”或“重质烃给料”时，它通常意指通常被称之为(但不限于)重质原油、重油、(油砂)浙青或精炼厂渣油(油或浙青)的具有高密度和高粘度的石油衍生物。然而，术语“给料”还可包括石油原油的底部馏分，例如常压塔底部或真空塔底部的馏分。此夕卜，给料可包括大量的BS&W (底部沉积物和水)，例如但不限于重量百分比(wt%)大于0.5%的BS&W含量。重油和浙青为优选的给料。本发明的实施方式还可应用于其它给料的转化，这些其它给料包括但不限于塑料、聚合物、烃类、石油、煤、页岩、精炼厂给料、浙青、轻质油、浙青胶块、煤粉、来自任何有机物料的生物质、生物质悬浮液、生物质液体、及混合物。优选地，生物质给料是可呈锯末形式的干木材给料，但液相和汽相(气相)的生物质物料可在利用替代性的液相或汽相进料系统的快速热转化系统中被有效地进行处理。可使用的生物质给料物料包括但不限于硬木、软木、树皮、农业残渣和造林残渣、及其它生物质含碳给料。
[0042]如在美国专利第5，792，340号中所述，对于当前类型的热解反应器系统，需要进料分散系统用于液体给料。输送气体(提升用气体)通过位于气体分布板下方的充气室而引入至该反应器。进料分散系统的目的是通过减小液体进料的液滴尺寸来增加表面积与体积比率而实现用于液体给料的更为有效的热传递状况。提升用气体分布板(分布器板)的目的是提供有助于进料和固体热载体的混合的气体的最佳流态。
[0043]图1示出了现有技术反应器设计。该反应器设计100包括管状反应器101，再循环或提升用气体102于最低位置102a处进入该管状反应器101。再生的固体热载体103在略高的位置103a处进入，并且在最高位置104a处引入反应器进料液体104。从反应器的顶部散发出的焦结的/用过的固体热载体、产物、及其它气体和颗粒105进入旋风分离器106，在该旋风分离器106处，气体(产物蒸汽和其它气体)与固体(固体热载体和颗粒)分离开。产物蒸汽和其它气体在该过程的下游上继续进行产物107的进一步分离。固体流108进入再热器系统109 (未在附图中描绘出但包括在系统中的再热器系统109将被所属领域技术人员所理解)。固体热载体得到再生，并随后穿过横向区段以将再生的固体热载体103输送回该反应器101。
[0044]图2示出了现有技术的反应器设计。类似于图1中所描绘的现有技术的热区段100，反应器设计200包括管状反应器201，再循环气体或提升用气体202于最低位置202a处进入该管状反应器201。再生的固体热载体203在稍高的位置203a处进入该反应器201。反应器进料液体204在相对于提升用气体(202a)和固体热载体(203a)的进入位置的最高位置204a处被引入。从反应器的顶部散发出的焦结的/用过的固体热载体、产物、及其它气体和颗粒205进入旋风分离器206，在该旋风分离器206中，气体(产物蒸汽和其它气体)与固体(固体热载体和颗粒)分离开。产物蒸汽和其它气体在该过程的下游上继续行进，以进一步分离产物207。固体再次进入反应器系统208 (在该处，固体热载体得到再生)，并且随后横向区段将再生的固体热载体203输送回至反应器。将会被所属领域技术人员所理解的是，用于固体热载体再生及运回至反应器的具体方法可在不背离本公开的范围的情况下的实施方式之间具有多种变型。
[0045]固体流208离开旋风器206的底部，并且穿过倾斜区段(浸入管)209且进入再生器区段(砂再热器)210。在该再热器210中，固体与高温空气混合，并且固体热载体通过燃尽积炭而再生。固体热载体也通过燃烧而被加热至高温。热的再生的固体热载体离开211该再热器的底部，并且经由螺旋钻212输送回至反应器201。
[0046]气体流离开旋风器206的顶部并向下游行进207以经受进一步的处理。该气体流主要包括烃类蒸汽和气体以及来自热分解反应、净化、燃烧、和大气(检测出N2、02、CO2, CO、N0x、H2、H2S、及SO2)的其它气体。还存在可变量的夹带固体，其数量取决于旋风分离器206的分离效率。
[0047]气体流向下游行进到淬火容器213中，在该淬火容器213中，处于较低温度250°C的烃类液体被再循环。淬火容器213提供两种效用。第一是冷却烃类蒸汽以使其恢复液相，准备用于进一步的下游处理。第二效用是从气体流中的烃类产物中移除固体(主要是砂子)。由于温度下降，固体颗粒的动能被降低至大多数固体颗粒下落至淬火容器的底部，而烃类液体离开淬火容器的顶部的情形。
[0048]尽管这种构型在保持来自淬火容器下游的液体产物的大部分固体杂质方面是有效的，但是保留在淬火容器213中的合理量的液体产物由于固体杂质的高浓度而在最终产物混合物中呈现为是无法使用的。这是因为在现有技术的热区段设计中，并未通过旋风分离器206与气体流分离开的任何固体最终被收集在淬火容器213中。从投入的角度来看，现有技术的热区段使砂子以约2000磅/小时(lb/hr)再循环，并且所使用的旋风分离器被评价成具有至少99%的分离效率。由此,高达1% (或201b/hr)的固体可进入该淬火容器，在任何时候均发生砂循环。考虑到在运转期间进入该反应器的重油给料的比率通常不超过601b/hr,因此这是相当大的数量。
[0049]图3示出了根据一种实施方式的用于与本系统一起使用的示例性反应器设计。反应器设计300包括管状反应器301，再循环气体或提升用气体302于最低位置302a处进入该管状反应器301。再生的固体热载体303在稍高的位置303a处进入该反应器301。反应器进料液体304在相对于提升用气体(302a)和固体热载体(303a)的进入位置的最高位置304a处被引入。从反应器的顶部散发出的焦结的/用过的固体热载体、产物、及其它气体和颗粒305进入旋风分离器306，在该旋风分离器306中，气体(产物蒸汽和其它气体)与固体(固体热载体和颗粒)分离开。产物蒸汽和其它气体在该过程的下游上继续行进，以进一步分离产物307。固体再次进入反应器系统308 (在该处，固体热载体得到再生)，并且随后横向区段将再生的固体热载体303输送回至反应器。将会被所属领域技术人员所理解的是，用于固体热载体再生及运回至反应器的具体方法可在不背离本公开的范围的情况下的实施方式之间具有多种变型。
[0050]固体流308离开旋风器306的底部，并且穿过倾斜区段(浸入管)309且进入再生器区段(砂再热器)310。在该再热器310中，固体与高温空气混合，并且固体热载体通过燃尽积炭而再生。固体热载体也通过燃烧而被加热至高温。热的再生的固体热载体离开311该再热器的底部，并且经由螺旋钻312输送回至反应器301。[0051]气体流离开旋风器306的顶部并向下游行进307以经受进一步的处理。该气体流主要包括烃类蒸汽和气体以及来自热分解反应、净化、燃烧、和大气(检测出n2、02、CO2, CO、N0x、H2、H2S、及SO2)的其它气体。还存在可变量的夹带固体，其数量取决于旋风分离器306的分离效率。
[0052]为了弥补现有技术中所指出的不足之处，在旋风分离器306的下游且在淬火容器313的上游安装有副分离器400。气体流向下游行进到淬火容器313中，在该淬火容器313中，处于较低温度250°C的烃类液体被再循环。淬火容器313冷却烃类蒸汽以使其恢复到液相，准备用于进一步的下游处理。淬火容器313也从气体流中的烃类产物中移除未被副分离器400移除的固体(主要是砂子)。
[0053]图4示出了根据一种实施方式的用于与本反应器系统一起使用的示例性副分离器区段。气体流离开旋风分离器306并进入副分离器400，在该副分离器400中，气体和固体发生进一步的分离。处理过的流随后前进至淬火容器313。
[0054]根据一种实施方式，本副分离器设计利用多个气体/固体分离原理的多个方面。控制参数在具有最大颗粒物质(PM)移除效率的同时降低了资本/维护成本。副分离器是自支承的，这意味着内部容积设计成保持200磅(Ib)的砂子，并且仍然在具有最小分离效率的损失的情况下起作用。此外，副分离器排列有大功率热缆线，这将充足的热量提供至容器壁，以补偿容器壁上的淬火(无用于隔热的耐火物质)。基于初步计算，本分离器的颗粒切点(d50)为15微米(在d50处效率为50%)。
「00551 式中
【权利要求】
1.一种设备，包括: 管状容器，所述管状容器具有方形管入口和蒸汽出口，其中，所述蒸汽出口设置于所述管状容器的顶部处，并且其中，所述方形管入口与所述管状容器的内径相切； 桶，所述桶设置在所述管状容器的下方；以及 双隔离刀阀，所述双隔离刀阀设置在所述管状容器与所述桶之间， 其中，气体-固体流通过所述方形管入口进入所述管状容器，并且其中，通过利用离心力而将所述气体与所述固体分离开，并且其中，所述气体离开所述蒸汽出口而所述固体被收集在所述桶中。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述桶是可拆卸的，以排空所收集到的固体。
3.如权利要求1所述的设备，其中，所述设备设置在旋风分离器的下游且在淬火容器的上游。
4.一种方法，包括: 提供一种副分离设备，所述副分离设备包括: 管状容器，所述管状容器具有方形管入口和蒸汽出口，其中，所述蒸汽出口设置于所述管状容器的顶部处，并且其中，所述方形管入口与所述管状容器的内径相切； 桶，所述桶设置在所述管状容器的下方；以及 双隔离刀阀，所述双隔离刀阀设置在所述管状容器与所述桶之间； 将所述副分离设备设置在旋风分离器的下游，其中，来自所述旋风分离器的气体-固体流通过所述方形管入口进入所述管状容器，并且其中，通过利用离心力而将气体与固体分离开，并且其中，将固体收集在所述桶中；以及 将所述副分离设备设置在淬火容器的上游，其中，所述气体离开所述蒸汽出口并且继续进行至所述淬火容器。
5.如权利要求4所述的方法，还包括拆卸所述桶并且排空所收集到的固体。
【文档编号】C10G11/18GK103429311SQ201180068825
【公开日】2013年12月4日 申请日期:2011年12月30日 优先权日:2010年12月30日
【发明者】斯蒂芬·K·帕维尔, 迈克尔·A·西尔弗曼, 史蒂文·A·考洛陶 申请人:艾芬豪能源有限公司