本发明涉及用于分离多相烃流的组分的装置和方法。
背景技术：
1、烃裂化过程通常涉及将长链烃分解成短链烃，通常在中等温度或高温下进行，例如在400至600℃之间(热裂化)和/或在催化剂存在下(催化裂化)。裂化过程的一个特别有趣的应用是塑料材料的解聚，用于塑料废品的回收。
2、裂化过程通常会产生需要至少部分分离的复杂的烃混合物。从裂化反应器获得的此类混合物通常是多相系统，包含蒸气、液体并且有时还包含固体组分。例如，气相可包含期望的裂化烃，液相可包含尚未充分裂化的烃，并且固相可包含焦炭颗粒。此外，可能存在杂质，特别是在塑料废品回收的情况下。除焦炭颗粒外，固体杂质还可以包括例如铝粉、填料或灰。蒸气杂质可以例如包含塑料材料中常用的某些有机磷组分。
3、wo 2020/168062 a1公开了一种用于从蒸气裂化炉流出物中去除焦炭和焦油的方法，其中将骤冷的炉流出物引入到离心分离器中，其中蒸气产物和包含至少一部分焦炭和/或焦油的离心分离器底部沉积物被分离。
4、us2,776,931公开了一种用于使来自焦化操作的热流出蒸气骤冷和分离的方法和装置，其中使热流出蒸气骤冷，从而液化某些高沸点污染物，然后在旋风分离区中使液体和固体与剩余的骤冷蒸气分离。
5、us2,927,890公开了一种涉及使来自石油渣油进料的热转化的气态产物分离和骤冷的方法，其中骤冷的流被送入旋风分离区以将未冷凝的蒸气与夹带的固体和液体流分离，并且其中随后液体流与固体分离。
技术实现思路
1、本发明的一个目的是至少减轻现有技术的一个或多个缺陷。具体地，本发明的一个目的是提供允许在单件设备中至少部分分离多相烃流的蒸气、液体和固体组分的装置和方法。此外，本发明的另一目的是提供允许更有效地从多相烃流、特别是从塑料材料的解聚获得的多相烃流中去除杂质的装置和方法。
2、为此目的，本发明提供了一种用于分离多相烃流的组分的装置，该装置包括：
3、-外容器，该外容器具有包括顶部出口的顶端、包括底部出口的底端、以及设置在顶端和底端之间并具有与顶部出口和底部出口流体连通的外容器内部容积的外容器主体，纵向轴线在所述顶端和所述底端之间延伸；
4、其中，所述外容器主体包括：
5、-第一区段，该第一区段包括切向入口，该切向入口布置成将所述多相烃流切向地引入到所述外容器内部容积中以产生涡流，以及
6、-第二区段，该第二区段布置为比所述第一区段更靠近所述底端，其中所述外容器内部容积在第二区段中具有比在第一区段中更小的横截面周长；
7、-内容器，该内容器设置在所述外容器主体内，该内容器包括：
8、-内容器主体，该内容器主体具有内容器内部容积，以及
9、-内底部入口，该内底部入口朝向所述外容器的所述底端定向并与所述内容器内部容积和所述外容器内部容积流体连通；以及
10、-横穿导管，该横穿导管与所述内容器内部容积流体连通并横穿所述外容器主体。
11、另一方面，本发明提供了一种在根据本发明的装置中分离多相烃流的组分的方法，该方法包括以下步骤：
12、-经由切向入口将多相烃流引入外容器内部容积中以产生涡流，由此将蒸气产物与烃流分离并传送至所述顶部出口；
13、-从所述顶部出口回收所述蒸气产物；
14、-将烃流从所述第一区段传送至所述第二区段，从而增加涡流的切向速度，其中所述烃流被分离成富含固体的产物流和固体减少的产物流，其中所述富含固体的产物流被传送至所述底部出口；
15、-从所述底部出口回收所述富含固体的产物流；
16、-将所述固体减少的产物流经由所述内容器底部入口传送至所述内容器内部容积；以及
17、-经由所述横穿导管从所述内容器内部容积回收所述固体减少的产物流。
18、本发明的装置和方法允许在单件设备中至少部分地分离多相烃流的蒸气、液体和固体组分。在本发明的上下文中，术语“多相”是指存在多于一相的物质。优选地，多相烃流包含至少三相，特别是其包含蒸气、液体和固体组分。本发明装置的第一区段有利地允许将蒸气与液体和固体分离；第二区段有利地允许将液体/固体混合物进一步分离成富含固体的产物流和固体减少的产物流。在单件设备中执行这两个分离过程可以降低成本和复杂性，同时提高效率。此外，可以避免连接单独的分离装置时可能需要的管道和控制阀，从而提高稳健性并降低故障率，例如，由于堵塞导致的。
19、在本发明的装置中，外容器内部容积在外容器主体的第二区段中具有比在第一区段中更小的横截面周长。除非另有说明，本文使用的术语“横截面”指的是与基本上垂直于纵向轴线的平面的相交。因此，外容器内部容积的横截面周长是指外容器内部容积在基本上垂直于外容器的纵向轴线的横截面平面中的区域的周长。外容器主体的第一区段允许按照旋风分离原理将蒸气与液体和固体分离。固体和液体组分通过离心力被径向向外推向外容器主体的内表面，并继续沿轴向方向朝第二区段移动，而蒸气组分被径向向内推并轴向向上朝顶部出口移动。在第一区段中提供较大的横截面周长降低了蒸气产物移向顶部出口的轴向速度，这有利地减少了液滴与蒸气的拖曳，并因此导致分离效率的提高。同时，在第二区段中提供较小的横截面周长允许第二区段中涡流的较高切向速度，这有利地减少停留时间并由此减少结焦倾向。同时，第二区段较高的切向速度导致较高的离心力，从而也提高了该区段的分离效率。
20、优选地，外容器内部容积在第二区段中的横截面周长与外容器内部容积在第一区段中的横截面周长的比率小于0.95，优选地小于0.9，更优选地小于0.8，甚至更优选小于0.7，最优选小于0.6。特别优选的是，所述比率介于0.05至0.95之间，优选地介于0.1至0.9之间，更优选地介于0.25至0.8之间，甚至更优选地介于0.4至0.7之间，最优选地介于0.5至0.6之间。
21、优选地，第一区段中的外容器内部容积的沿着纵向轴线的延伸与其横截面区域的直径的比率在0.2至5之间，优选地在0.33至3之间，更优选地在0.5至2之间，甚至更大优选地在0.75至1.8之间，最优选地在1至1.4之间。在本文中，特别优选的是，第一区段中的外容器内部容积基本上是圆柱形的。
22、优选地，第二区段中的外容器内部容积的沿着纵向轴线的延伸与其横截面区域的直径的比率在0.4至10之间，优选地在0.66至6之间，更优选地在1至4之间，甚至更大优选地在1.33至3之间，最优选地在1.6至2.5之间。在本文中，特别优选的是，第二区段中的外容器内部容积基本上是圆柱形的。
23、在优选实施例中，该装置还包括连接第一区段和第二区段的第三区段。优选地，所述第三区段中的外容器内部容积基本上是截头圆锥形的。
24、在本发明方法的一个优选实施例中，第一区段中涡流的切向速度为0.01至20m/s之间，优选地在0.05至10m/s之间，更优选地在0.1至5m/s之间，最优选地在0.2至2.5m/s之间。
25、进一步优选的是，第二区段中的涡流的切向速度在0.05至10m/s之间，优选地在0.1至5m/s之间，更优选地在0.25至2.5m/s之间，最优选在0.5至2m/s之间。
26、在优选实施例中，第一区段中的涡流的切向速度与第二区段中的涡流的切向速度的比率在0.05至0.99之间，优选地在0.1至0.95之间，更优选地在0.2至0.9之间，甚至更优选地在0.3至0.8之间，最优选地在0.4至0.7之间。
27、在另一优选实施例中，涡流在第二区段中的平均停留时间在0.1至30分钟之间，优选地在0.2至10分钟之间，更优选地在0.5至8分钟之间，最优选地在0.8至6分钟之间。优选地，平均停留时间通过cfd模拟确定。
28、包括在外容器主体的第一区段中的切向入口布置成当经由所述切向入口引入多相烃流时能够在外容器内部容积内产生涡流。本领域技术人员熟悉这种布置，因为它们通常用于旋风分离器中。优选地，切向入口布置成与外容器内部容积的位于基本上垂直于纵向轴线的平面中的横截面区域相切。
29、在优选实施例中，本发明的装置还包括与切向入口流体连通的切向导管，优选地其中切向导管包括闪蒸阀。优选地，所述切向导管流体连接至烃裂化反应器。提供闪蒸阀允许烃流的闪蒸，其中烃流经历压力降低并且烃流的至少一些组分从液相变为气相。
30、在本发明的装置的上下文中，优选的是，在第二区段中内容器内部容积的横截面周长与外容器内部容积的横截面周长的比率为至少0.1，优选地至少0.25，更优选地至少0.4，甚至更优选地至少0.5，还甚至更优选地至少0.6。特别优选的是，所述比率在0.1至0.99之间，优选地在0.25至0.95之间，更优选地在0.4至0.9之间，甚至更优选地在0.5至0.85之间，还甚至更优选地在0.6至0.8之间。高比率的优点在于，较大比例的外容器内部容积被内容器主体占据，这导致涡流的较高切向速度。这有利地减少停留时间并因此减少结焦倾向，同时可导致更高的离心力并因此增强分离。
31、优选地，富含固体的产物流具有比固体减少的产物流更高的固体含量，优选地高至少5％，更优选地高至少10％，甚至更优选地高至少20％，还甚至更优选地高至少50％。优选地，本文所用的固体含量对应于灰分含量。灰分含量优选根据iso 6245:2001测定。
32、在一个优选实施例中，本发明的装置还包括与所述顶部出口流体连接的冷却系统，其中所述冷却系统适于冷凝经由顶部出口离开所述外容器内部容积的蒸气产物的一部分，并且将蒸气产物的冷凝部分传送回到所述外容器内部容积中。优选地，所述冷却系统包括至少一个喷嘴。类似地，在本发明方法的一个优选实施例中，所述方法还包括以下步骤：冷凝经由顶部出口离开外容器内部容积的蒸气产物的一部分，并将蒸气产物的冷凝部分传送回外容器内部容积。优选地，所述冷凝通过将流体喷射到蒸气产物上来实现，其中所述流体的温度低于蒸气产物的温度。优选地，所述流体的温度在120℃至350℃之间，优选地在150℃至300℃之间，特别是在180℃至250℃之间。进一步优选的是，所述流体是通过冷凝和再循环所回收的蒸气产物的一部分而获得的。
33、如上所述冷凝蒸气产物的一部分允许特别有效地从蒸气产物中去除杂质。特别是高沸点组分，例如沸点>410℃的高沸点组分，可以通过这种方式有效去除。这在由塑料材料、特别是塑料废品的解聚获得的烃混合物的情况下是特别有利的，因为这样的材料通常包含不期望的有机磷化合物，例如化合物亚磷酸三(2，4-二叔丁基苯基)酯。通过冷凝经由顶部出口离开外容器内部容积的蒸气产物的一部分并将蒸气产物的冷凝部分传送回到外容器内部容积中，可以从蒸气产物中至少部分地去除此类化合物。
34、从本发明方法回收的蒸气产物可以提供至进一步下游的分离和/或洗涤步骤。优选地，可以提供下游分离塔，用于通过蒸馏将蒸气产物分离成不同的产物流。
35、在本发明的装置的上下文中，优选的是，第一区段中的外容器内部容积具有基本上椭圆形的横截面，优选基本上圆形的横截面。特别优选的是，第一区段中的外容器内部容积基本上为圆柱形或基本上为截头圆锥形，优选为基本上为圆柱形。以相同的方式，优选的是，第二区段中的外容器内部容积具有基本上椭圆形的横截面，优选基本上圆形的横截面。特别优选的是，第二区段中的外容器内部容积基本上是圆柱形或基本上是截头圆锥形，优选基本上是圆柱形。就本发明的所有实施例而言，优选的是，第一区段中的外容器内部容积和第二区段中的外容器内部容积均基本上为圆柱形或基本上为截头圆锥形，尤其是基本上为圆柱形。
36、在本发明装置的优选实施例中，第一区段包括第二切向入口，该第二切向入口布置成将多相烃流切向地引入到外容器内部容积中以产生涡流。提供第二切向入口允许将烃流的引入分布在两个单独的入口上。这允许增加进入外容器内部容积的材料的总量，同时保持切向入口处的流速足够低以减少由多相烃流中包含的固体引起的侵蚀。另外，第二切向入口可以在第一切向入口被堵塞的情况下用作备用。
37、在本发明装置的另一个优选实施例中，第二区段包括布置成将流切向地引入到外容器内部容积中的下部切向入口。下部切向入口可用于进一步增加第二区段中的涡流的切向速度。这可以减少停留时间，从而减少结焦倾向，同时可以产生更高的离心力，从而改善该区段中的分离。在本发明方法的一个优选实施例中，至少一部分回收的富含固体的产物流被再循环并经由下部切向入口引入到外容器内部容积的第二区段中，优选地进一步增加涡流的切向速度。
38、在优选实施例中，内容器主体基本上是圆柱形或基本上是截头圆锥形，优选地基本上是圆柱形。优选地，内容器主体的纵向轴线布置成与外容器主体的纵向轴线基本同轴。优选地，内容器主体的至少一部分设置在外容器主体的第二区段内。
39、优选地，内容器内部容积的沿纵向轴线的延伸与其横截面区域的直径的比率在0.5至10之间，更优选地在1至6之间，还甚至更优选地在1.6至4之间，最优选地在2.2至3.0之间。在本文中，特别优选的是内容器内部容积基本上是圆柱形的。
40、在优选实施例中，内容器包括内顶部出口，该内顶部出口朝向外容器的顶端定向并且与外容器内部容积和内容器内部容积流体连通。这种顶部出口允许蒸气从内容器内部容积排出并被传送至顶部出口。优选地，横穿导管在沿着纵向轴线比内容器的内顶部出口更向下的位置处横穿外容器主体，使得液体流在内容器溢出之前通过横穿导管离开内容器。
41、在本上下文中，优选的是，内容器包括布置在所述内顶部出口与所述外容器的顶端之间的屏障，其中所述屏障布置成至少部分地阻止固体经由所述内顶部出口进入所述内容器内部容积，但允许流体(例如，蒸气)经由所述内顶部出口离开所述内容器内部容积。优选地，所述屏障是圆锥形的并且具有朝向外容器的顶端定向的顶点。
42、在本发明方法的一个优选实施例中，装置在320℃至450℃之间、优选360℃至400℃之间的温度下操作。优选地，多相烃流在切向入口处的温度为300℃至480℃之间，优选地为330℃至450℃之间，更优选地为350℃至420℃之间，最优选地为360℃至400℃之间。
43、优选地，多相烃流从烃裂化反应器获得，该烃裂化反应器优选经由切向导管流体连接至切向入口。在一个优选的实施例中，将经由横穿导管回收的固体减少的产物流再循环至所述烃裂化反应器。
44、在本发明的上下文中，优选的是，多相烃流由塑料材料、优选塑料废品、尤其是消费前、消费后和/或工业化后的塑料的解聚获得。优选地，塑料材料包括聚烯烃，优选选自聚乙烯和聚丙烯、和/或聚苯乙烯。塑料解聚可以优选通过热解，特别是通过非催化热裂化或通过催化裂化。
45、在优选的实施例中，多相烃流包含选自铝粉和/或有机磷化合物、尤其是亚磷酸三(2，4-二叔丁基苯基)酯的杂质。这些杂质通常存在于塑料材料中，尤其是塑料废品中。如本文所述，本发明的装置特别适合于有效去除这样的杂质中的至少部分。