用于闪蒸处理热解残留液的装置及操作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于闪蒸处理热解残留液以分离可蒸发馏分和液体馏分的装置，所述装置没有因为处理的流体粘度的巨大变化而导致的结垢或堵塞设备的危险。
【背景技术】
[0002]处理包含焦油和软焦油沥青的炭质热解残留液以便将可蒸发馏分(油品)与大气压下在超过350-400°C温度保持液态的重馏分(硬沥青或改性沥青)分离。
[0003]炭质热解残留液，具体地是煤焦油和煤焦油沥青，生物质焦油和生物质焦油沥青，以及分别从煤、生物质、馏分油或残渣油的处理之后烃的汽化或裂化得到的焦油和焦油沥青。
[0004]沥青是由多分子构成的复杂混合物，所述分子包括一般在大气压下在360°C以上温度沸腾的多环芳香烃化合物、灰、焦炭颗粒、石墨前体等等。所有这些元素总体上被称为树脂。沥青含有各种树脂(以分子量增加的顺序排序分别为，γ、β和α树脂)，这些树脂在所述沥青的各种用途中发挥特定的作用。由于沥青的复杂性，因此不能对沥青进行分析。另一方面，沥青可以通过一些全局测量方法来表征描述其化学基质的平均性能。最常见的测量为甲苯不溶物、喹啉不溶物和软化点。焦油和焦油沥青根据其是否为煤的热解残留物，石油馏分或生物质的热解残留物而可具有不同性质。比如，生物质热解焦油比其他沥青具有更多的可以赋予其一定低温反应性能的杂“氧”原子，从而促进其聚合为低温热固型树脂；煤焦油沥青比石油沥青具有更高的碳/氢比，从而拥有更多芳烃和多环芳烃的性质。例如，这意味着煤焦油沥青相比于石油沥青有更高的低温(比如350-380°C )焦化的倾向。
[0005]用户将根据预期的应用(粘合剂、焦化单元的原料、碳纤维前体等等)寻求对沥青特性，尤其是软化点的调整。后者是测量沥青从碳玻璃态转变为可流动液态胶体的温度。沥青的软化点性质可调节，特别是通过在炭质热解残留物处理过程中通过在一定的温度下和/或压力条件下或多或少地从保持液态的馏分(沥青)中分离可蒸发馏分(油品)。尽管有多种气体/液体分离体系(比如在USl, 661，685、US2003/005823、US5, 622，545、W02006/042906和US8，070, 938中所描述的那些)，焦油和焦油沥青的处理使其本身只适于使用蒸馏和闪蒸技术。通过闪蒸处理沥青以分离重质油和煤焦油沥青的技术在文献中已有记载[S.Takeshita, CEER Chem.Econ.Eng.rev.9 (1977) n0.2/325-30]。闪蒸技术在于使任选过热和加压的液体经过突然减压，即液体中的过饱和物质的快速蒸发，使其发生部分相变。其他技术，比如通过施加离心/向心力的分离(US5，622，545、W02006/042906)只适合处理可溶气体过饱和的液体，这并不适于处于平衡状态的热解残留物。事实上，在施加离心/向心力之前，使残留物过热等同于应用闪蒸处理，但其在水力环境下无法弥补由被处理的产品导致的与结垢相关的特定局限。
[0006]闪蒸是在相对标准的设备中进行的，所述设备包括一个称为闪蒸罐的垂直罐，计算其横截面和高度以便改变流体在闪蒸前的入口速度以及优化液气分离，即保持液态的物质和转变为气相的物质的分离。视具体情况而定，垂直罐的上部可以装配有用于收集气流中夹带的液滴的除雾器。众所周知闪蒸系统设计是一种对本领域技术人员已知的规则的应用，其可以如在USl, 661，685、US2003/0005823和US2013/0102826A1中所述的，以多种方式进行组合。本技术领域的现有技术已经包含设计闪蒸设备的这些常用规则:尤其是R.K.Sinnott[Chemical Engineering Design, in ‘‘Coulson and Richardson’ s ChemicalEngineering series第4版]描述了设计闪蒸设备的通用标准。通用标准只取决于分离的液相和气相的相对密度、分离的气体的流速和设定值的经验参数。然而，所描述的方法依赖于其实用性必须经过验证的假设，例如，尤其是关于沉淀/聚结速度。如果这种假设未被验证，设计原理将会被质疑。这是闪蒸处理热解残留液的情况。
[0007]事实上，在闪蒸处理期间，将待处理的产品分离为具有不同的性质和状态的两种流体:一方面是油气，另一方面是重质残留液。当闪蒸热解残留物时，每次回收的流体所具有的性质相对于来源于其中的原混合液的性质完全改变，尤其是对于液体馏分。因此，液体(硬沥青或改性沥青)具有较高的平均分子量以及不同的流变性质。一般来说，重质残留物具有较高的粘度和较高的软化点。在闪蒸处理过程中，挥发性馏分的突然蒸发也会产生雾气和/或导致液滴夹带。这些液滴由重质液体构成并经过了与所述液体相同类型的液体性质的改变。然而，这些影响的程度与在闪蒸过程中所形成的液滴的大小成反比。因此，液滴越细和越小则其粘度和软化点越高。
[0008]因此带来的结果是夹带的液滴的凝聚行为是异质的，并且凝聚并不遵照设计闪蒸设备的规则的通用标准，比如Sinnott或US2003/0005823来表现。事实上，夹带的液滴倾向于显现类似于粘性、非常高结垢性的胶状物的特性而不是凝聚。因此，夹带的液滴粘附在壁上和遇到的具有几何形状的结构元件上使得其附近的循环速度变慢或几乎为零。在这些情况下，比如在US2003/0005823中遇到的，且由于其高粘度，液滴停止流动并在设备中结垢，从而导致持久的堵塞，其最后使设备完全堵塞。特别地，这是比如在US1，661，685中显示的一系列同心圆罐形式的除雾器型系统，即便除雾器包括加热装置也不适合用于处理热解残留物的原因之一。后者是旨在用于加热和流化附着于除雾器的重残留物膜的加热装置，其不能有效地消除软化点较高的物质，如液滴形式存在的那些物质。事实上，它们的粘度很高，以致再加热需要使用使得重质热解残留物变得容易发生焦化反应的温度，从而导致固体焦炭残留物的形成。至于焦油和煤焦油沥青，公认的是从约390-405?起焦炭的形成变得明显。由于这些反应性质促进了焦炭在非常低的温度下形成，因此不能使用如US8，070, 938所描述的用于通过非热解途径蒸发衍生自焦油砂或提取自煤的重油中的大部分可蒸发馏分的处理装置:所述装置所要求的温度条件和所使用的方法是其中所述待处理的油为顺着壁的长度向下流淌的膜形式，而过热蒸汽流逆流循环地高速喷射到所述壁上，使得如果用热解残留物，如焦油沥青或煤焦油沥青代替重油则将必然发生焦化和设备的非常快速结垢以及导致过程停止。
[0009]去掉除雾器或增加闪蒸系统的高度以促进夹带的液滴的回收不足以抵消流变学特性的变化和随后产生的结垢的显著影响。根据本领域技术人员可得到的标准，标准闪蒸装置的改造不可能弥补存在于滴雾中的闪蒸的沥青的流变行为的后果。事实上，一方面，最细的液滴仍然被上升蒸汽流夹带并进一步将堵塞现象带入处于下游的管道和设备。并且，另一方面，下落的液滴增加闪蒸装置的底部收集的液体的异质性，从而进一步促使管道和泵的过早机械磨损。
[0010]然而，热解残留物的结垢性质，不仅仅是通过液滴的行为表现。由于他们是高度异质性的，这就意味着固体、灰分和重质产物是其组成的一部分，与闪蒸过程无关，热解残留物本身在本质上是结垢性的。如果热解残留物没有经过足够强烈的混合，则沉降入储存装置并形成趋于聚集在低速死角区的粘稠的重质相，往往在低速死角区积累。如果是由于偶然或设计具有循环速度接近零的区域，则在使用这样的流体的所有设备和管道系统中也会存在这种现象。这些区域，也被称为死水区，其容易导致材料的聚集，导致或多或少加快堵塞。其结果是，如在[US2003/0005823]中所描述的一般设计为处理清洁馏分的用于闪蒸气/液分离的装置不能对热解残留物有效和可持续的处理。
[0011]因此，闪蒸热解残留液，特别是沥青，需要使用特别设计的处理设备以为防止装置结垢和回收的产品质量降低。
【发明内容】
[0012]本发明