在热裂化应用中将雾流转换为环形流的制作方法

专利名称：在热裂化应用中将雾流转换为环形流的制作方法
背景技术：
发明领域本发明涉及在蒸汽裂化应用中将雾流转换为环形流以提高闪蒸槽的非挥发性烃的移除效率。
背景和相关技术的描述利用蒸汽裂化将各种烃原料裂化为烯烃已经有很长时间了。常规的蒸汽裂化采用具有两个主要区域的炉子对流部分和辐射部分。烃原料通常以液体形式(除非以蒸气形式进入的轻原料)进入炉子的对流部分，在此，烃原料通常通过与来自辐射部分的热烟道气间接接触和通过与蒸汽直接接触而被加热和汽化。然后，汽化的原料进入辐射部分，在此发生裂化。所得的烯烃离开热解炉以备进一步的下游处理如骤冷。
常规的蒸汽裂化系统对于裂化高质量的原料如瓦斯油和石脑油是有效的。然而，蒸汽裂化经济性有时希望裂化廉价的重质原料，如作为非限制性实例的原油和常压残油。原油和常压残油含有沸点高于1100°F(590℃)的高分子量的非挥发性组分。这些原料的非挥发性重尾馏分在常规热解炉的对流部分作为焦炭沉积下来。在较轻组分完全汽化的点下游的对流部分中，仅能够容许非常低水平的非挥发物。另外，有些石脑油在运输过程中被原油污染。常规热解炉不具有加工残油、原油或许多残油或原油污染的瓦斯油或石脑油的灵活性，上述的这些油中含有大量的非挥发性重烃。
为了解决这种焦化问题，美国专利3,617,493(该文件通过引用结合在本文中)公开了使用用于原油原料的外部汽化槽，并公开了利用第一闪蒸以蒸气形式除去石脑油，利用第二闪蒸除去沸点为450至1100°F(230至600℃)的蒸气。所述蒸气在热解炉中裂化为烯烃，并且从两个闪蒸槽中分离的液体被除去，用蒸汽汽提，和用作燃料。
美国专利3,718,709(该文件通过引用结合在本文中)公开了最小化焦炭沉积的方法。它公开了在热解炉内部或外部预热重原料，以用过热蒸汽汽化约50％的重原料并除去残余液体。将汽化的烃进行裂化。
美国专利5，190,634(该文件通过引用结合在本文中)公开了通过在对流部分在少量的、临界量的氢气存在下预热原料，来抑制炉中焦炭形成的方法。对流部分中氢气的存在抑制了烃的聚合反应，由此抑制了焦炭形成。
美国专利5,580,443(该文件通过引用结合在本文中)公开了一种方法，其中原料首先被预热，并然后被从在热解炉的对流部分的预热器中抽出。然后该预热的原料与预定量蒸汽(稀释蒸汽)混合，并然后被引入气液分离器，以从分离器中分离和以液体形式除去所需比例的非挥发物。从气液分离器分离的蒸气返回到热解炉进行过热和裂化。
本发明人认识到，在使用闪蒸以将非挥发性重烃与可以在热解炉中裂化的较轻的挥发性烃分离时，重要的是最大化非挥发性烃的移除效率。否则，成焦炭的、非挥发性重烃可能被夹带在蒸气相中，并被从塔顶带到炉子中，产生结焦问题。
业已发现，在蒸汽裂化热解炉的对流部分，在管道中要求一个最小的气体流量，以实现良好的热交换并使膜温足够低以降低结焦。通常，已发现约100ft/sec(30m/sec)的最小气流速度是有利的。
当利用闪蒸槽从液相非挥发性重烃中以汽相形式分离较轻的挥发性烃时，进入闪蒸槽的闪蒸物流通常包括具有以小液滴形式夹带的液体(非挥发性烃组分)的汽相。因此，闪蒸物流是两相流。在维持对流部分内的管道中要求的边界层膜温度所需要的流速下，这种两相流呈“雾流”方式。在这种雾流方式中，包含非挥发性重烃的小液滴夹带在汽相中，所述汽相是挥发性烃和任选地是蒸汽。该两相雾流在闪蒸槽中存在操作问题，因为在这样的高的气流速度下，包含非挥发性烃的小液滴不能聚结，并因此不能以液相形式从闪蒸槽中有效地除去。业已发现，在100英尺/秒(30m/s)的气流速度下，闪蒸槽仅能够以约73％的低效率除去非挥发性重烃。
本发明提供了在闪蒸槽中从挥发性烃蒸气中有效除去非挥发性烃液体的方法。本发明提供了一种方法，该方法将“雾流”方式(regime)转换为“环形流”方式，并因此明显提高了闪蒸槽中非挥发性和挥发性烃的分离。
发明简述本发明提供了处理重烃原料的方法，该方法包括在蒸汽裂化炉的对流部分预热任选地包含蒸汽的重烃原料，以汽化部分原料并形成在任选地含有蒸汽的挥发性烃蒸气中包含液滴的雾流，所述液滴包含非挥发性烃，所述雾流在离开对流部分时具有第一流速和第一流向；处理所述雾流以聚结液滴，该处理包括首先降低流速，随后改变流向；在闪蒸槽中从蒸气中分离至少一部分液滴，以形成汽相和液相；和将汽相进料到热裂化炉中。
在本发明的一个实施方案中，所述汽相被进料到蒸汽裂化炉的较低的对流部分和辐射部分。
在一个实施方案中，所述雾流的处理包括降低雾流的流速。雾流流速可以降低至少40％。雾流速度可以降低至低于60英尺/秒(18m/s)。
根据另一个实施方案，降低雾流流速，然后使雾流经历至少一个离心力，这样液滴聚结。该雾流的流向可以至少改变一次。
在本发明的又一个实施方案中，雾流液滴在低于25个管径，优选低于8个内管径，和最优选低于4个内管径的距离内聚结。
根据另一个实施方案，雾流流过包括至少一个弯管的流路。该流路可以还包括至少一个扩管。优选地，所述流路包括多个弯管。弯管可以是至少45°、90°、180°或它们的组合。
在又一个实施方案中，所述雾流被转换成环形流动的物流。闪蒸效率能够增加至至少85％，优选至少95％，更优选至少99％，最优选至少99.8％。所述雾流可以在少于50个管径、优选少于25个管径、更优选少于8个管径、并且最优选少于4个管径的距离内转换成环形流动的物流。
还根据本发明，一种处理烃原料的方法包括在热裂化炉的对流部分预热任选地包括蒸汽的烃原料，以汽化一部分原料并形成在任选地含有蒸汽的烃蒸气中包含液滴的雾流，所述液滴包含烃，所述雾流在离开对流部分时具有第一流速和第一流向；处理所述雾流以聚结液滴；在闪蒸槽中从蒸气中分离至少一部分液滴，以形成汽相和液相；和将汽相进料到蒸汽裂化炉中，其中闪蒸包括将含有聚结的液滴的雾流引入闪蒸槽，从至少一个上部的闪蒸槽出口除去汽相并从至少一个下部的闪蒸槽出口除去液相。
本发明还公开了另一个实施方案，其中雾流通过至少一个切向的闪蒸槽入口切向地引入闪蒸槽中。
附图的简要说明

图1图示了蒸汽裂化方法的示意流程图。
图2图示了扩管的设计。
图3图示了根据本发明的闪蒸槽的设计。
发明详述除非另外指出，所有的百分数、份数、比例等都是以重量为基础。
除非另外指出，提到化合物或组分时包括化合物或组分本身，以及与其它化合物或组分的组合，如化合物的混合物。
此外，当数量、浓度或其它值或参数以一系列的上限优选值和下限优选值给出时，这应当理解为具体公开了上限优选值和下限优选值的任意一对形成的所有范围，不管所述范围是否被单独公开。
在本文中使用时流动方式是流体流的视觉上的或者定性的性能。没有设定的速度并且没有设定的液滴大小。雾流是指两相流，其中小液滴分散在通过管道流动的汽相中。在透明管道中，雾流看起来象快速移动的小雨滴。
环形流是指两相流，其中液体以物流的形式在管道的内表面上流动，而蒸气在管道的中心流动。环形流的蒸气流速为约20英尺/秒(6m/s)。在透明的管道中，可以看到一层快速移动的液体。在蒸气流的中心几乎看不到液滴。在管道的出口，液体通常滴出并且仅仅看到少量的雾。从雾流到环形流的变化通常包括过渡阶段，此时雾流和环形流共存。
原料包括至少两种组分挥发性烃和非挥发性烃。根据本发明，雾流包含夹带在挥发性烃蒸气中的非挥发性烃的小液滴。
非挥发物移除效率计算如下非挥发物移除效率＝[1-离开闪蒸槽的汽相中的非挥发物(质量/时间)/进入闪蒸槽的烃中的非挥发物(质量/时间)]×100％烃是蒸气(一般是挥发性的)和液体(一般是非挥发性的)烃的总和。非挥发物按照下述方法测试烃原料的沸点分布根据ASTMD-6352-98用气相色谱蒸馏(GCD)测试。非挥发物是根据ASTMD-6352-98测试的标准沸点(nominal boiling point)高于1100°F(590℃)的烃级分。本发明对于标准沸点高于1400°F(760℃)的非挥发物效果非常好。
在加入炉子的全部烃和除去水后的闪蒸槽塔顶馏出物样品中的非挥发物1100至1400°F(590-760℃)的级分根据ASTM D-6352-98分析。
图1所示的本发明的裂化烃原料10的方法包括，在存在或不存在水11和蒸汽12的情况下，在蒸汽裂化炉3的上部对流部分1，通过交换管2的管排预热烃原料，以汽化部分原料和形成在挥发性烃/蒸汽中包含液滴的雾流13，所述液滴包含非挥发性烃。原料/水/蒸汽混合物的进一步预热可以通过热交换管6的管排进行。离开对流部分的雾流14具有第一流速和第一流向。该方法还包括处理雾流以聚结液滴，在闪蒸槽5中从烃蒸气中分离至少一部分液滴，以形成汽相15和液相16，和将汽相8进料到热裂化炉的较低对流部分和辐射部分。
如上所述，原料是烃。任何具有重的非挥发性重尾馏分的烃原料都可以有利地用于本发明方法。作为非限制性的实例，这样的原料可以包括下列中的一种或多种蒸汽裂化瓦斯油和残余物、瓦斯油、燃料油、喷气燃料、柴油、煤油、汽油、焦化石脑油、蒸汽裂化石脑油、催化裂化石脑油、加氢裂化产物、重整油、残油重整油、费托液体、费托气、天然汽油、蒸馏物、直馏石脑油、原油、常压管式蒸馏釜残油、包括残油的减压管式蒸馏釜物流、宽沸程的石脑油至瓦斯油浓缩物、来自精炼厂的重非直馏烃流、真空瓦斯油、重瓦斯油、原油污染的石脑油、常压残油、重残油、C4’s/残渣混合物和石脑油残渣混合物。
重烃原料具有至少600°F(310℃)的标准终沸点。优选的原料是低硫含蜡残油、常压残油和原油污染的石脑油。最优选的是包含60-80％沸点低于1100°F(590℃)的组分的残油，例如低硫含蜡残油。
如上所述，重烃原料在炉子1的上部对流部分被预热。所述原料可以任选地在预热前或预热后(例如在预热器2中预热后)，在喷雾器4中与蒸汽混合。重烃的预热可以采用本领域普通技术人员所知道的任何形式。优选加热包括使原料在炉子的对流部分与来自炉子辐射部分的热烟道气间接接触。作为非限制性的实例，这可以通过将原料通过位于热解炉3的上部对流部分1内的热交换管2的管排来实现。在控制系统6前，预热的原料14的温度为600至950°F(310至510℃)。加热的原料的温度优选约700至920°F(370至490℃)，更优选750至900°F(400至480℃)，最优选810至890°F(430至475℃)。
预热的结果是，部分原料被汽化，并形成在含或不含蒸汽的挥发性烃蒸气中包含液滴的雾流，所述液滴包含非挥发性烃。在大于100英尺/秒的流速下，液体以夹带在汽相中的包含非挥发性烃的小液滴形式存在。该两相雾流非常难以分离成液体和蒸气。在进入闪蒸槽之前，需要将小雾滴聚结成大液滴。然而，为了实际上进行与热烟道气的热交换并降低对流部分的结焦，100ft/sec或更大的流速通常是必要的。
根据本发明，雾流被处理以聚结液滴。在本发明的一个实施方案中，处理包括降低雾流的流速。业已发现，在闪蒸槽5前(图1中位置9)，降低离开对流部分的雾流14的速度有助于聚结雾流。优选降低雾流速度至少40％，优选至少70％，更优选至少80％，最优选85％。还优选将离开对流部分的雾流物流速度从至少100英尺/秒(30m/s)降低至低于60英尺/秒(18m/s)，更优选低于30英尺/秒(27至9m/s)，最优选低于15英尺/秒(27至5m/s)。
环形流可以通过在大直径管道中由于摩擦降低流速来实现。为了实现所要求的降低以将雾流转换为环形流，需要相当长的管道。所需的管道长度是由内管径的数量定义的。工程实践要求，在降低雾流速度至60英尺/秒(18m/s)后，需要50至150个管径长度的直管(例如24英寸×100＝200英尺或0.6米×100＝60米)产生的摩擦来建立环形流。
雾流物流速度的降低是通过在对流部分外的管道中包括一个或多个扩管实现的。在封闭系统中，据信至少需要一个扩管来达到优选的速度降低。作为非限制性的实例，扩管可以是图2所示的简单锥形101或歧管102。出口端的截面积大于所有入口的截面积的总和。在本发明的一个优选的实施方案中，雾流首先经过至少一个扩管，然后经过至少一个弯管，优选经过具有不同度数的多个弯管。当雾流物流通过一个或多个扩管流动时，速度将降低。扩管的数量可以根据所需的速度降低量改变。作为一般的实践规则，如果需要大的速度降低，可以使用更多的扩管。本发明中可以使用任何扩管如歧管。
尽管扩管单独就能够降低速度使得形成环形流，但是优选地，速度降低后至少使用一个弯管。弯管起到类似于离心机的作用。液滴流向弯管外壁，在此它们能够聚结。
本发明能够在明显更少的管道中将雾流转换为环形流。根据本发明，雾流液滴在少于25个，更优选少于8个，并且最优选少于4个内管径的管长内聚结。
根据本发明，对雾状物流的处理包括使雾状物流经历至少一个扩管和扩管下游的一个离心力以使液滴聚结。这可以通过使雾状物流的流向改变至少一次来实现。为了将雾流物流转换为环形流物流，将对流部分外的管道设计成包括至少一个弯管。弯管可以位于扩管下游的、控制系统17和闪蒸槽前之间的整个管道。
可以使用不同角度的弯管。例如，本发明中可以使用45°、90°、和/或180°弯管。在扩管之后，180°弯管提供了最大的蒸气中心速度降低。在本发明的一个实施方案中，所述方法包括至少一个至少45°的弯管。在另一个实施方案中，所述方法包括至少一个90°的弯管。在又一个实施方案中，所述方法包括至少一个180°的弯管。
已发现，利用本文所公开的发明，能够实现至少85％的闪蒸槽移除效率。利用本发明，还能够实现至少95％的优选的闪蒸效率，至少99％的更优选的闪蒸效率，和至少99.8％的最优选的闪蒸效率。
在例如在组合扩管中的所需要的速度降低后，雾流物流中的小液滴将在一个或多个弯管中聚结，并因此在闪蒸槽5中易于与汽相物流分离。闪蒸通常在至少一个闪蒸槽中进行。在闪蒸槽5中，从至少一个上部的闪蒸槽出口除去汽相物流，并从至少一个下部的闪蒸槽出口除去液相。优选地，闪蒸槽中存在两个或更多个用于除去液相的下部闪蒸槽出口。
同样根据本发明，一种用于处理烃原料的方法包括在热裂化炉的对流部分加热液态烃原料，以汽化部分原料并形成在含或不含蒸汽的烃蒸气中包含液滴的雾流，所述液滴包含烃，雾流在离开对流部分时具有第一流速和第一流向；处理雾流以聚结液滴；在闪蒸槽中从烃蒸气中分离至少一部分液滴，以形成汽相和液相；和将汽相进料到蒸汽裂化炉的辐射部分，其中闪蒸包括将含有聚结的液滴的物流引入闪蒸槽，从至少一个上部的闪蒸槽出口除去汽相，并从至少一个下部的闪蒸槽出口除去液相。
图3图示说明了根据本发明的一个闪蒸槽。闪蒸槽的移除效率随着进入闪蒸槽的液滴尺寸的降低而降低。液滴尺寸随气流速度的增加而降低。为了增加分离效率，需要足够的管道长度、扩管和弯管，以在较低的速度下形成稳定的更大的液滴。
为了进一步增加非挥发性烃在闪蒸槽中的移除效率，优选图1的闪蒸物流9通过至少一个图3的切向的闪蒸槽入口201切向进入闪蒸槽。优选地，切向入口是水平流或轻微向下流。非挥发性烃液相将沿着闪蒸槽内壁形成外部环形流，而挥发性汽相开始将形成内部中心流，然后在闪蒸槽内向上流动。在一个优选的实施方案中，切向入口与科里奥利(Coriolis)作用同向。
液相从闪蒸槽底部出口除去。任选地，可以增加闪蒸槽侧边出口(203)或涡流破坏器，防止在出口形成涡流。汽相的向上的内部中心流绕着闪蒸槽内部的环形挡板202转向，并从至少一个上部的闪蒸槽出口204除去。挡板安装在闪蒸槽内部，以进一步避免和降低任何部分的分离的液相(在闪蒸槽中向下流动)被夹带在在闪蒸槽中向上流动的汽相中。优选地，汽相流至图1的下部的对流部分7，并横向通过管道8到达热解炉的辐射部分。
通过下面的实施例举例说明本发明，提供所述实施例是用作代表的目的，并且不能解释为对发明范围的限制。除非另外说明，所有的百分数、份数等是基于重量的。
实施例1闪蒸槽分离的蒸气/液体分离效率高度依赖于液滴大小。Stoke定律教导，液滴或颗粒的末端速度与直径的平方成正比。因此，如果非常小的雾滴进入闪蒸槽，那么向上的气体速度将大于液滴的末端速度，引起夹带。液滴广泛聚结成环形流将形成非常大的液滴，这种大液滴在闪蒸槽中容易分离。
环形流可以通过降低总体流动速度并给予聚结液滴所需要的充足时间和摩擦来实现。在总体速度(bulk velocity)降低后，需要约100管流直径来聚结液滴。进行空气/水流动试验，以确定如何在低于100个管径内得到环形流。用两个6HP送风机在2″ID管内产生高速气体。从两个送风机中出来的空气在Y型接头中合并，并流入2″ID透明管中。在透明管前一点是一个T型接头，在此加入水以产生雾流。用风速计在管系统的末端测量流体速度。
测试了各种管弯头，例如45°弯头、肘管和回管，和扩管，来观察雾流中的小液滴是否聚结。它们归纳在下表1中。
表1液滴聚结的观察结果
总结观察结果如下试验2表明，在高速下，弯管单独不能聚结液滴，并且甚至可能产生细雾。试验3和4表明，即使在更大直径管道的75个管径后，扩管单独不能充分地聚结液滴。试验5和6表明，接有带短直管的弯管的扩管能够聚结液滴。接有弯管的扩管越大，液滴聚结为环形流，甚至聚结为分层流越完全。
权利要求
1.一种处理重烃原料的方法，该方法包括在蒸汽裂化炉的对流部分预热任选地包含蒸汽的重烃原料，以汽化部分原料，并形成在任选地含有蒸汽的挥发性烃蒸气中包含液滴的雾流，所述液滴包含非挥发性烃，所述雾流在离开对流部分时具有一流速和一流向；处理所述雾流以聚结液滴，该处理包括首先降低流速，随后改变流向；在闪蒸槽中从蒸气中分离至少一部分液滴，以形成汽相和液相；和将汽相进料到蒸汽裂化炉中。
2.权利要求1的方法，还包括将汽相进料到蒸汽裂化炉的较低对流部分和辐射部分。
3.权利要求1或2的方法，其中重烃原料包括下列中的一种或多种蒸汽裂化瓦斯油和残余物、瓦斯油、燃料油、喷气燃料、柴油、煤油、汽油、焦化石脑油、蒸汽裂化石脑油、催化裂化石脑油、加氢裂化产物、重整油、残油重整油、费托液体、费托气、天然汽油、蒸馏物、直馏石脑油、原油、常压管式蒸馏釜残油、包括残油的减压管式蒸馏釜物流、宽沸程的石脑油至瓦斯油浓缩物、来自精炼厂的重非直馏烃流、真空瓦斯油、重瓦斯油、原油污染的石脑油、常压残油、重残油、C4/残渣混合物和石脑油/残渣混合物。
4.权利要求1、2或3的方法，其中重烃原料包括低硫含蜡残油。
5.根据任何前述权利要求的方法，其中60至80％的重烃原料在590℃(1100°F)以下沸腾。
6.根据任何前述权利要求的方法，其中雾流的流速降低至少40％。
7.根据任何前述权利要求的方法，其中雾流的流速降低至低于60英尺/秒(18m/s)。
8.根据任何前述权利要求的方法，其中处理包括首先降低雾流流速至低于60英尺/秒(18m/s)，然后使雾流经受至少一个离心力，以使液滴聚结。
9.根据任何前述权利要求的方法，其中雾流中的液滴基本上在小于25个内管径内聚结。
10.根据任何前述权利要求的方法，其中雾流中的液滴基本上在小于4个内管径内聚结。
11.根据任何前述权利要求的方法，其中雾流流过首先包括至少一个扩管和至少一个弯管的流路。
12.根据任何前述权利要求的方法，其中处理将雾流动物流转换为环形流动物流。
13.根据任何前述权利要求的方法，其中闪蒸槽实现至少85％的非挥发物分离效率。
14.根据任何前述权利要求的方法，其中闪蒸槽实现至少95％的非挥发物分离效率。
15.根据任何前述权利要求的方法，其中闪蒸槽实现至少99％的非挥发物分离效率。
16.根据任何前述权利要求的方法，其中闪蒸槽实现至少99.8％的非挥发物分离效率。
17.根据任何前述权利要求的方法，其中雾流呈雾流动方式，并在小于25个管径内转换为环形流动方式。
18.根据任何前述权利要求的方法，其中雾流呈雾流动方式，并在小于4个管径内转换为环形流动方式。
19.根据任何前述权利要求的方法，其中雾流流过包括多个弯管的流路。
20.权利要求19的方法，其中至少一个弯管是至少45°。
21.权利要求19或20的方法，其中至少一个弯管是至少90°。
22.权利要求19、20或21的方法，其中至少一个弯管是180°。
23.一种处理烃原料的方法，包括在热裂化炉的对流部分预热任选地包含蒸汽的烃原料，以汽化一部分原料，并形成在任选地含有蒸汽的烃蒸气中包含液滴的雾流，所述液滴包含烃，所述雾流离开对流部分；处理所述雾流以聚结液滴；在闪蒸槽中从蒸气中分离至少一部分液滴，以形成汽相和液相；和将汽相进料到热裂化炉中，其中闪蒸包括将含有聚结的液滴的雾流引入闪蒸槽，从至少一个上部的闪蒸槽出口除去汽相，并从至少一个下部的闪蒸槽出口除去液相。
24.权利要求23的方法，其中雾流通过至少一个切向的闪蒸槽入口切向地引入闪蒸槽。
25.权利要求23或24的方法，其中液相从至少一个较低的侧面闪蒸槽出口和一个闪蒸槽底部出口除去。
26.权利要求23、24或25的方法，其中闪蒸槽具有安装在闪蒸槽内的环形挡板，有效地减少在闪蒸槽内向下流动的液相被夹带在汽相中的部分。
全文摘要
在蒸汽裂化系统中，增加闪蒸槽中非挥发物移除效率的方法。将来自对流部分的气流在进入闪蒸槽前，从雾流转换为环形流，以增加移除效率。气流从雾流向环形流的转换是通过使气流首先经过至少一个扩管，然后经过不同角度的弯曲，并迫使气流至少改变一次方向来实现的。气流从雾流转换为环形流有助于聚结小液滴，并由此从汽相中除去。
文档编号C10G9/36GK1665910SQ03815806
公开日2005年9月7日 申请日期2003年6月27日 优先权日2002年7月3日
发明者R·C·斯特尔, A·R·蒂尼克兰特尼奥, J·L·班克罗伏特, G·斯蒂芬 申请人:埃克森美孚化学专利公司