СИСТЕМА ЦИКЛОННОГО СЕПАРАТОРА Российский патент 2005 года по МПК B04C5/14 B04C5/26 

Настоящее изобретение имеет отношение к созданию системы уплотнения для ветви циклона, используемого для выделения твердых частиц из суспензии газа с твердыми частицами. Более конкретно, настоящее изобретение имеет отношение к созданию системы уплотнения для ветвей (колен, плечей) двухступенчатых включенных последовательно циклонов, которые используют в процессах флюидизированного каталитического крекинга (FCC).

Задачей процесса флюидизированного каталитического крекинга (FCC) является преобразование углеводородов с высокой температурой кипения во фракции легких углеводородов, такие как бензин и сжиженный нефтяной газ (LPG). Катализатор, который используют в блоках флюидизированного каталитического крекинга, состоит из порошка с контролируемым размером частиц, который хорошо перемешан с загрузочным материалом FCC блока и затем с продуктами крекинга, которые также являются газообразными, и образует суспензию газа с твердыми частицами, которая должна быть эффективно разделена для того, чтобы свести к минимуму потери катализатора в блоке FCC, что обеспечивает очевидные преимущества для рафинера и окружающей среды.

В области разделения твердых частиц от газообразной суспензии обычно используют циклоны в качестве устройств для отделения твердых частиц из газообразной суспензии. Циклоны такого типа обычно имеют устройства уплотнения на их концах разгрузки материала твердых частиц или, что встречается более часто, на концах ветвей циклонов. Такие устройства работают в качестве элемента уплотнения, предотвращая обратное течение внутрь циклона газообразного потока, который мог бы существенно снизить его эффективность разделения.

Типично в специфическом случае процессов флюидизированного каталитического крекинга (FCC) прибегают к использованию пары включенных последовательно циклонных сепараторов, чтобы в максимальной степени произвести разделение твердых частиц (катализатора процесса) от суспензии газа с твердыми частицами. Достаточно часто используют также более одного комплекта циклонных сепараторов в зависимости от размера и модели резервуара сепаратора FCC блока. Разделение большей части частиц имеет место в первой ступени разделения (в первичном циклоне), после которого остается намного меньшая концентрация частиц катализатора для второй ступени разделения (вторичного циклона), имеющих меньший средний размер. В известных системах эксплуатации внутреннее давление в циклонах выбирают всегда ниже давления в резервуаре сепаратора, поэтому существует необходимость уплотнения нижнего конца ветвей циклонов при помощи устройств уплотнения.

Имеющийся в циклонах катализатор, который течет при свободном падении к ветвям циклона, образует плотный столб твердых частиц, который после достижения специфического уровня создает равновесное давление между основанием ветви циклона и внутренним пространством резервуара сепаратора. После достижения равновесного давления начинают процесс выгрузки циклона при открывании устройств уплотнения. Именно в ходе этого процесса выгрузки твердых частиц, накопленных в ветвях циклона, происходит существенная потеря твердых частиц в системе. Первоначально нисходящий поток твердых частиц поддерживает уплотнение в системе за счет существования столба твердых частиц. Когда выгрузка почти завершена, столб твердых частиц становится существенно меньшим и разность давлений нарушает уплотнение плотной фазы, при этом образуется восходящий газовый поток от основания ветви, возвращающий назад часть уже накопленного материала частиц, что оказывает вредное влияние на работу циклона. После прекращения воздействия перемещения выгрузки катализатора на устройство уплотнения оно возвращается в свое нормальное состояние равновесия и начинается новый цикл сбора и накопления твердых частиц. На практике обнаружили, что возврат порошкового материала является более интенсивным во второй ступени разделения за счет большей разности давлений, приложенной к этому оборудованию, и меньшего среднего размера частиц, из которого состоит порошковый материал в этой второй ступени разделения.

В свете изложенного пришли к заключению о том, что критической точкой процесса разделения с использованием циклонных сепараторов, которая непосредственно влияет на эффективность FCC процесса, является степень уплотнения в устройствах уплотнения ветвей циклонов. Отметим, что устройства уплотнения могут иметь различный вид, в том числе это могут быть клапаны с противовесом (откидной клапан), клапаны с дренажом (капельный клапан), а также устройства с плоскими или коническими пластинами (с разбрызгивающими пластинами) или комбинация указанных устройств.

Указанные устройства, которые работают в тяжелых условиях эксплуатации, например, при температурах свыше 500°С и при сильном воздействии твердых частиц, обычно не обеспечивают эффективное уплотнение и поэтому допускают прохождение восходящего газового потока от резервуара сепаратора во внутреннее пространство ветви циклона. Отметим, например, что поток свыше 0,10% от полного объема, поступающий во впускное отверстие циклона, приводит к возврату мелких твердых частиц, которые препятствуют нормальной работе циклона и снижают эффективность разделения циклона.

Для разрешения проблемы устройства уплотнения в патенте GB-A-2,212,248 предложен способ конструирования откидного клапана, который обеспечивает практически полное уплотнение за счет применения конической секции, установленной между основанием клапана и опорной поверхностью ветви циклона. Однако следует иметь в виду, что наличие небольшого канала для поступления газа в отверстие циклона является полезным, так как этот газ флюидизирует твердые частицы, накопленные в ветви циклона и облегчает их выгрузку. Поэтому попытка сведения к минимуму размера канала для протекания газа через клапан, как это предлагается в патенте GB-A-2,212,248, может приводить к потере флюидизации твердых частиц, которые накоплены в ветви циклона, особенно во второй ступени разделения, в которой загрузка твердых частиц довольно разбавлена и может составлять ориентировочно от 0,2 до 1,5 г порошка на кубический метр газа. При таких рабочих условиях период накопления твердых частиц до достижения равновесного давления и, следовательно, частота (период) выгрузки твердых частиц из погружной ветви могут превышать 8 часов, причем, если нет минимального потока газа через клапан, то может образоваться плотный слой уплотненных частиц с возможным риском полного перекрытия ветви циклона и потери его эффективности.

В патенте ЕР-А-0383523 раскрыто использование откидной пластины (створки) капельного клапана, установленного у основания погружной ветви первичного циклона, причем точки погружной ветви обычно являются нисходящими у ее нижнего конца.

В патенте США US-A-2,634,191 раскрыты первичный и вторичный циклоны с откидным клапаном 19, который закрывает нижний конец погружной ветви вторичного циклонного сепаратора, причем нижний конец погружной ветви имеет изгиб для отклонения пути перемещения частиц в погружной ветви от вертикали, главным образом, в горизонтальном направлении. Откидные пластины имеют специальное термостатическое ограждение.

В качестве альтернативы модификациям устройств уплотнения в заявке на патент Бразилии PI 9603898 указано, что возможно предотвратить возврат порошкового материала во внутреннее пространство циклонов для разделения суспензий газа с твердыми частицами в блоках флюидизированного каталитического крекинга за счет образования комплекса ветвей, состоящего из сочленения ветви первичного циклона и ветви вторичного циклона, и устранения одного из двух устройств уплотнения, которые являются основным источником проблем утечки систем циклонного разделения. Однако это устройство, которое обеспечивает весьма удовлетворительные результаты в различных условиях эксплуатации, не позволяет получать желательные выгоды в некоторых блоках флюидизированного каталитического крекинга, а главным образом в таких, в которых физическое построение первичного и вторичного циклонов не позволяет производить сочленение ветвей циклонов в соответствии с заявкой на патент Бразилии PI 9603898.

Несмотря на все описанные попытки разрешить проблемы потери эффективности циклонов, связанные с возвратом порошкового материала в ходе цикла открывания устройства уплотнения ветвей циклонов, которые используют в качестве сепараторов суспензии газа с твердыми частицами в процессах флюидизированного каталитического крекинга (FCC), решение, позволяющее поддерживать высокую эффективность эксплуатации циклона простым, экономичным и надежным способом, не было достигнуто. Именно такое решение получено в описанной здесь ниже системе в соответствии с настоящим изобретением.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается система циклонного сепаратора для отделения твердых частиц от порошковой суспензии, которая включает в себя первичный циклон и вторичный циклон, каждый из которых имеет соответствующую ветвь, причем нижний конец ветви вторичного циклона имеет завершение с изгибом большого радиуса, при этом завершение с изгибом большого радиуса погружено в слой флюидизированного (псевдоожиженного) катализатора, характеризуемая тем, что нижний конец ветви вторичного циклона соединен с ветвью первичного циклона и образует единый комплекс первичной и вторичной ветвей циклона, причем твердые частицы, накопленные в обоих циклонах, объединены таким образом, что указанные объединенные твердые частицы выгружаются одновременно при помощи единственного завершения ветви, при этом единственное завершение ветви не имеет подвижных деталей уплотнения.

Такая система может быть использована в качестве системы завершения для двух последовательных ступеней циклонов, применяемых в процессах флюидизированного каталитического крекинга (FCC) для отделения твердых частиц из суспензии газа с твердыми частицами. Конфигурация завершения позволяет обеспечивать такое улучшенное эффективное уплотнение, которое предотвращает повторное увлечение порошкового материала и снижает или устраняет риск "слеживания" плотного слоя частиц, накопленных в циклонах. Предложенная система позволяет также избежать механических повреждений, которые могут возникать в подвижных устройствах уплотнения, так как в ней отсутствуют откидные или капельные клапаны. Результатом использования такой системы является существенное повышение эффективности и соответствующее снижение потери порошкового материала.

Указанные ранее и другие характеристики системы уплотнения ветви циклона в соответствии с настоящим изобретением будут более ясны из последующего детального описания, данного в качестве примера, не имеющего ограничительного характера и приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:

На фиг.1 показан узел реакции/разделения типичного известного ранее FCC блока.

На фиг.2 показан узел разделения FCC блока в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.3 показана конечная секция (завершение) ветви циклона в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.1 показан стандартный блок реакции/разделения для процесса флюидизированного каталитического крекинга. Этот процесс предусматривает ускорение реакций крекинга в загрузке углеводородов в газообразной фазе, находящихся в суспензии с частицами катализатора по всей длине трубчатого реактора с восходящим потоком, который далее именуется стояком (1). В результате реакций на поверхности катализатора образуется углеродистый осадок.

Быстрое разделение частиц имеющего углеродистые отложения катализатора от суспензии крекированных углеводородов ускоряется у верхнего конца стояка (1), при этом поток эффлюента реакции входит в первый циклонный сепаратор (3), в котором имеет место разделение большей части катализатора в суспензии. За счет действия силы тяжести катализатор течет при свободном падении к ветви (5) циклона (3) и удерживается при помощи клапана уплотнения (6), например, при помощи капельного клапана.

Отделенные в первом циклоне (3) крекированные углеводороды, которые все еще содержат захваченные частицы катализатора, входят во второй циклон (4), где они полностью разделяются, причем газообразная фаза движется к внешним системам (10) для фракционирования крекированных продуктов, а частицы катализатора опускаются аналогично тому, как это было раньше в циклоне (3), в ветвь (7) циклона (4), где они удерживаются при помощи клапана уплотнения (8), например, при помощи откидного клапана.

Благодаря столбу частиц катализатора, который накапливается на колпачках клапанов уплотнения (6, 8), в определенный момент времени в процессе достигается равновесное давление между внутренней нижней частью ветвей (5, 7) циклонов (3, 4) и внутренним пространством резервуара сепаратора (2), в котором давление обычно превышает давление внутри циклонов. Как только колпачок клапана открывается, то за счет выравнивания давлений столб твердых частиц, который был накоплен в ветвях циклонов, течет в псевдоожиженный слой (9), который накапливается в нижней части резервуара сепаратора (2). В этот момент условия, при которых прекращается выравнивание давлений, побуждают колпачок клапана вернуться в закрытое положение. Этот момент является наиболее критическим моментом стадии разделения, так как из-за необходимости промежутка времени, который требуется для полного закрытия клапана уплотнения, практически невозможно предотвратить некоторое повторное поступление частиц катализатора назад во внутрь циклона за счет силы почти неизбежного обратного течения газообразного потока через внутреннее пространство ветви циклона. В связи с указанным традиционные системы циклонного разделения почти всегда работают не в идеальных условиях эффективности и рентабельности.

Соединение ветвей первичного циклона и вторичного циклона таким образом, что материал твердых частиц накапливается в обоих циклонах и выгружается при помощи единственного клапана, установленного у конца комбинированной секции ветви циклонов, также является известной техникой, при использовании которой более эффективно снижаются потери катализатора.

На фиг.2 показан вариант настоящего изобретения, в котором система разделения циклонного типа содержит первичный циклон (21) и вторичный циклон (22). Ветви (23, 24) двух циклонов соединяются и образуют сочленение (25), где происходит комбинация накопленных твердых частиц. Единственная ветвь (26) погружена в псевдоожиженный слой (9) и заканчивается системой уплотнения указанной ветви (26). На фиг.3 показана более подробно предложенная система уплотнения, которая имеет у основания единственной ветви (26) завершение с большим радиусом кривизны (31), которое не имеет подвижных частей. Это изогнутое завершение (31) имеет отношение радиуса (R) к диаметру (⊘) единственной ветви (26), которое лежит в диапазоне от 1,0 до 3,0, и образовано из нескольких прямых отрезков трубы, установленных под определенными углами наклона (α, β), причем указанные отрезки трубы далее именуются секциями (32).

Как это показано на фиг.2, 3, впуск завершения с большим радиусом кривизны (31) является вертикальным и расположен у основания единственной ветви (26) после сочленения (25) между двумя ветвями циклонов (23) и (24). Направление выгрузки из завершения (31) преимущественно является горизонтальным, то есть ортогональным к направлению впуска, представленного осевой линией единственной ветви (26), так что угол β представляет собой угол, ограниченный первой и последующей (в данном случае второй) прямыми секциями (32) завершения с большим радиусом кривизны (31), причем угол α₁ представляет собой угол, заключенный между горизонтальной линией, проведенной через центр кривизны, и началом первой прямой секции (32), при этом угол α₂ представляет собой угол, заключенный между концом последней (в данном случае второй) прямой секции (32) и вертикальной линией, проведенной через центр кривизны. Преимущественно углы α₁ и α₂ равны друг другу. Желательно также, чтобы полное значение (α₁+α₂+n.β) лежало в диапазоне от 75 до 100°, а преимущественно составляло 90°; n в указанном выражении равно числу прямых секций (32).

Угловое смещение, которое существует между секциями (32), изменяет направление течения нисходящего потока катализатора в плотной фазе в плоскость, ортогональную восходящему газовому потоку, что препятствует входу газообразной фазы внутрь ветви (24), содействует эффективному уплотнению и одновременно предотвращает "слеживание" плотного слоя порошкового материала, который накоплен внутри указанной ветви (24).

Более высокая эффективность уплотнения данного варианта достигается в том случае, когда по отношению к осевой линии впуска завершения с большим радиусом кривизны (31) сочленение (25) между ветвью первичного циклона (21) и ветвью вторичного циклона (22) лежит на противоположной стороне напротив конца выгрузки изогнутого завершения (31) и выше на расстояние, превышающее в 3,5-5,5 раз диаметр ветви (23) первичного циклона (21).

Описанное выше решение применимо для любых внутренних циклонных систем блоков FCC, то есть к реактору и регенератору, так как оно не зависит от уровня флюидизации слоя катализатора; его применение возможно не только в случае стационарного кипящего слоя, когда работа протекает при низких поверхностных скоростях газового потока (типичных для слоя десорбера), но и для турбулентных псевдоожиженных слоев с высокой скоростью флюидизации, которые имеются в регенераторах FCC.

Приведенное выше описание системы уплотнения ветви циклона в соответствии с настоящим изобретением следует понимать только как одно из ряда возможных вариантов, причем любые приведенные конкретные характеристики должны рассматриваться как введенные только для лучшего понимания изобретения. В связи с этим их не следует понимать как ограничивающие объем патентных притязаний, который определяется только областью действия формулы изобретения.

Изобретение предназначено для отделения твердых частиц из суспензии газа с твердыми частицами. Изобретение направлено на создание системы уплотнения для ветвей двухступенчатых включенных последовательно циклонов, которые используют в процессах флюидизированного каталитического крекинга. Предложенная система уплотнения содержит завершение с большим радиусом кривизны, не имеющее подвижных частей, которое изменяет направление нисходящего потока катализатора в плотной фазе в плоскость, ортогональную восходящему газовому потоку, что предотвращает вход газовой фазы внутрь ветви, содействует эффективному уплотнению и одновременно предотвращает “слеживание” плотного слоя порошкового материала. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Система циклонного сепаратора для отделения твердых частиц от порошковой суспензии, включающая в себя первичный циклон (21) и вторичный циклон (22), каждый из которых имеет соответствующую ветвь (23, 24), причем нижний конец ветви (24) вторичного циклона имеет завершение (31) с изгибом большого радиуса, погруженное в слой псевдоожиженного катализатора (9), при этом нижний конец ветви (24) вторичного циклона соединен с ветвью (23) первичного циклона и образует единый комплекс первичной и вторичной ветвей циклона, причем твердые частицы, накопленные в обоих циклонах, объединены таким образом, что указанные объединенные твердые частицы выгружаются одновременно при помощи единственного завершения ветви, при этом единственное завершение ветви не имеет подвижных деталей уплотнения.2. Система по п.1, отличающаяся тем, что завершение с большим радиусом кривизны (31) единственной ветви имеет отношение радиуса (R) к диаметру (⊘) в диапазоне от 1,0 до 3,0.3. Система по п.1, отличающаяся тем, что завершение (31) образовано из ряда прямых трубных секций (32), заключенных в углах (β), идущих от центра кривизны.4. Система по п.3, отличающаяся тем, что полный угол, образованный последовательностью прямых трубных секций (32), изменяет направление нисходящего потока плотной фазы катализатора в плоскость, ортогональную восходящему газовому потоку.5. Система по одному из пп.1-4, отличающаяся тем, что, по отношению к осевой линии впуска изогнутого завершения (31) сочленение (25) ветви (23) первичного циклона (21) и ветви (24) вторичного циклона (22) лежит на стороне, противоположной концу выгрузки и выше конца выгрузки на расстояние, превышающее в 3,5-5,5 раз диаметр ветви (23) первичного циклона (21).