BR112017015741B1 - Distribuidor de gás para coluna de troca de calor e/ou transferência de massa - Google Patents
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Abstract
A presente invenção se refere a um dispositivo que condiciona o gás de alimentação superaquecido com velocidade de entrada alta, que inclui alguns componentes com alto ponto de ebulição, por exemplo, asfaltenos e aromáticos polinucleares que tendem a formar coque mediante a condensação e a exposição à temperatura de gás de alimentação superaquecido. Também são incluídos em gás de alimentação superaquecido sólidos finos de catalisador, de um único ou de múltiplos bocais de alimentação para um regime de fluxo quiescente para distribuição uniforme dos gases, para um dispositivo de contato no interior da coluna Fracionadora Principal (MF).
Description
[001] A presente invenção se refere em geral a um distribuidor de gás de projeto “F-Flute” que fornece fluxo de gás uniforme em uma coluna de troca de calor e/ou transferência de massa, e especificamente a um distribuidor de gás que fornece fluxo de gás uniforme para as bandejas ou embalagem de uma coluna Fracionadora Principal (MF) em uma instalação de unidade de craqueamento catalítico de fluido (FCCU).
[002] O fornecimento de distribuição de vapor uniforme em torres de fracionamento de alta capacidade é um dos aspectos mais desafiador do projeto de uma coluna de alto desempenho. Os dispositivos convencionais na indústria tentaram distribuir uniformemente o gás de alimentação de entrada para a seção diretamente acima do bocal de alimentação em colunas MF. Por exemplo, o Bico de Vapor e o Schoepentoeter, são dispositivos de entrada particulares do tipo bico e palheta de entrada de vapor, respectivamente, que introduzem misturas de gás/líquido em um vaso ou coluna. Entretanto, esses dispositivos provaram ser problemáticos devido ao fato de que, conforme o gás de alimentação resfria dentro de ambas os dispositivos, os componentes mais pesados, por exemplo, asfaltenos, começam a condensar e se depositar ou colar nas superfícies frias do aparelho. Com o contato contínuo e adicional do gás de alimentação quente, há remoção do material mais leve do depósito, bem como remoção de átomos de hidrogênio dos asfaltenos polimerizados fazendo com que os mesmos se transformem em coque. Com o tempo, o depósito de coque cresce para um tamanho significativo e ocasiona interferência no fluxo de gás e, como um resultado, os dispositivos precisam ser retirados das colunas MF.
[003] Os dispositivos típicos da técnica anterior que tentaram abordar o problema de assegurar boa mistura e distribuição uniforme são revelados a seguir: a Patente n° US 8.286.952 de Lee et al. revela um distribuidor de vapor para coluna de contato gás-líquido; a Patente n° US 8.025.718 de Kooijman et al. revela um Dispositivo de Entrada de Fluido; a Patente n° US 7.744.067 de Kurukchi et al. revela um distribuidor de vapor trifásico; a Patente n° US 7.459.001 de Christiansen et al. revela um difusor de palheta; a Patente n° US 7.281.702 de Jacobs et al. revela métodos e um aparelho para misturar e distribuir fluidos; a Patente n° US 7.104.529 de Laird et al. descreve um aparelho distribuidor de vapor, cujo bico de vapor inclui uma série de palhetas cujos tamanhos aumentam com a distância do bocal de entrada do distribuidor de vapor; a Patente n° US 6.997.445 revela um método e um dispositivo para introduzir uma mistura de líquido-vapor em uma coluna de fracionamento cilíndrica de alimentação radial; a Patente n° US 6.948.705 de Lee et al. descreve um aparelho de contato gás-líquido no qual um fluxo de gás, por exemplo, vapor, é alimentado em uma coluna através de um bico de vapor anelar; a Patente n° US 6.889.961 de Laird et al. descreveu um distribuidor de vapor modificado com defletores na seção de transição intermediária inferior para reduzir o turbilhão da alimentação e, por meio disso, aprimorar a distribuição; a Patente n° US 6.889.962 de Laird et al. revelou um bico de vapor de entrada anelar que circula a alimentação de entrada com a finalidade de liberar quaisquer gotículas líquidas enquanto fornece distribuição mais uniforme do fluxo de entrada através da coluna; a Patente n° US 6.309.553 de Lanting et al. revela um separador de fase que tem múltiplas unidades de separação, aparelho de reator de fluxo ascendente e métodos para separação de fases; a Patente n° US 6.341.765 de Moser revela um método para a alimentação de um fluido em um aparelho; a Patente n° US 5.632.933 de Yeoman et al. descreve um dispositivo de fluxo de gás bidirecional anelar que tem uma pluralidade de saídas em uma parede interna do alojamento e uma série de palhetas de direcionamento de fluxo para distribuição de um fluxo de vapor de entrada através da amplitude de uma coluna; a Patente n° US 5.605.654 de Hsieh et al. revela um distribuidor de vapor que tem um alojamento anelar com uma série de portas para alimentar o fluxo de vapor de uma maneira distribuída; a Patente n° US 5.558.818 de Gohara et al. revela um lavador de gás de coqueria molhado que tem uma entrada de gás de coqueria uniformemente distribuído; a Patente n° US 5.632.933 de Yeoman revela um método e um aparelho para distribuição de vapor em colunas de transferência de massa e troca de calor; a Patente n° US 5.106.544 de Lee et al. descreve uma combinação de um bico de entrada que tem um alojamento anelar de 360 graus com palhetas de fluxo direcionais; a Patente n° US 4.435.196 de Pielkenrood revela um separador de múltiplas fases para tratar misturas de componentes gasosos, líquidos e/ou sólidos imiscíveis, que compreende um tanque à prova de pressão e impermeável a gás; a Patente n° US 3.651.619 de Miura revela um aparelho para a purificação de gás; e a Patente n° US 3.348.364 de Henby revela um lavador de gás com um separador de líquido.
[004] Alguns outros dispositivos da técnica anterior que tentaram abordar os problemas mencionados acima incluem os seguintes: o Pedido Publicado US 2005/0146062 de Laird et al. revela um método e um aparelho para facilitar a distribuição de vapor uniforme em colunas de transferência de massa e troca de calor; o Pedido Publicado US 2005/0029686 de Laird et al. revela um dispositivo de alimentação de fluxo de fluido para uma coluna de transferência de massa; e o Pedido Publicado US 2003/0188851 de Laird et al. revela um método e um aparelho para distribuição uniforme em colunas de transferência de massa e troca de calor.
[005] As referências da técnica anterior adicionais a esse respeito incluem: McPherson, L.J.: “Causes of FCC Reactor Coke Deposits Identified”; O&GJ, 10 de setembro de 1984, página 1 39; NPRA Question and Answer Session, 1986, (Transcripts) Heavy Oil Processing, Questão 12, página 45; Lieberman, N.P.: “Shot Coke: its origins and prevention”: O&GJ, 8 de julho de 1985, página 45; Christopher Dean et.al. “FCC Reactor Vapor Line Coking,” Petroleum Technology Quarterly Autumn 2003; Christopher Dean et.al. “Process Equipment Specification and Selection”, Petroleum Technology Quarterly Autumn 2004; Hanson D.W. et.al. “De- Entrainment and Washing of Flash-Zone Vapor in Heavy Oil Fractionators,” HCP, 1999 de julho 55-60; Scott W. Golden et.al. “Correcting Design Errors can Prevent Coking in Main Fractionators,” Oil & Gas J. Nov. 21, de 1994, 72-82; Dana G. Laird. “Benefit of Revamping a Main Fractionator,” Petroleum Technology Quarterly; Winter 2005. David Hunt et.al.; “Minimizing FCC Slurry Exchanger Fouling”, Petroleum Technology Quarterly Winter 2008; Mark Pilling et.al.; “Entrainment Issues in vacuum Column Flash Zones”, Petroleum Technology Quarterly; Winter 2010.
[006] É importante observar que, na maioria dos dispositivos que utilizam um bico de vapor, o fluxo de entrada é unidirecional com um efeito de ciclone na alimentação de vapor. Nesses tipos de dispositivos, os defletores ou palhetas são usados para redirecionar ou interromper o fluxo circular do fluxo de entrada.
[007] Como tal, um distribuidor de gás dispositivo que pudesse resfriar o gás de alimentação em alta velocidade superaquecido para a coluna MF e distribuísse o mesmo uniformemente para o fundo da seção preenchida com pasta aquosa sem incrustação e deposição de coque no interior do dispositivo distribuidor de alimentação representaria um avanço no estado da técnica e resolveria uma necessidade recorrente na técnica.
[008] A presente invenção é direcionada a um distribuidor de gás para uma coluna de troca de calor e/ou transferência de massa. O distribuidor de gás está localizado no interior da coluna e compreende pelo menos um bocal de entrada de gás de alimentação que se estende através de uma parede de carcaça da coluna para direcionar um gás de alimentação para uma parede defletora cilíndrica interior substancialmente vertical que compreende pelo menos uma abertura para uma área aberta interior anelar no interior do distribuidor de gás. O distribuidor de gás contém adicionalmente uma seção de fundo que estende a parede defletora cilíndrica interior e se conforma ao contorno da parede de carcaça. A seção de fundo compreende uma abertura para um reservatório de coluna no interior da coluna, e há um teto geralmente horizontal acima do bocal de entrada de gás de alimentação entre a parede defletora cilíndrica interior e a carcaça de coluna que define um canal de fluxo de gás geralmente circunferencial formado entre a parede de carcaça e a parede defletora cilíndrica interior, em que o dito teto compreende pelo menos uma abertura.
[009] Adicionalmente, a presente invenção é direcionada a um método para distribuir gás de alimentação em uma coluna de troca de calor e/ou transferência de massa. O método compreende as etapas de: entregar um gás de alimentação superaquecido através de um bocal de entrada de gás de alimentação que se estende através de uma parede de carcaça da coluna em um canal de fluxo de gás geralmente circunferencial formado entre a parede de carcaça, uma parede defletora cilíndrica interior que tem uma seção de fundo e pelo menos uma abertura para uma área aberta interior anelar no interior da coluna, e um teto acima do bocal de entrada entre a parede de carcaça e a parede defletora cilíndrica interior, em que o dito tem uma pluralidade de aberturas; resfriar o gás de alimentação superaquecido pelo contato do gás com um fluxo contracorrente de líquido conforme o líquido atravessa a pluralidade de aberturas no teto e entra no canal de fluxo de gás circunferencial; molhar a parede defletora cilíndrica interior e um lado interior da parede de carcaça que forma o canal de fluxo de gás circunferencial com o fluxo contracorrente de líquido após o líquido ter atravessado a pluralidade de aberturas de teto; e ventilar o gás de alimentação superaquecido para uma área acima do teto e da área interior anelar no interior da coluna através da pelo menos uma abertura da parede defletora cilíndrica interior e da pluralidade de aberturas no teto para fornecer uma distribuição substancialmente uniforme do gás de alimentação superaquecido no interior da coluna.
[010] O distribuidor de gás reivindicado é de um projeto simples e pode ser facilmente instalado em uma coluna para fornecer distribuição uniforme horizontal e vertical de gás que entra na coluna. O distribuidor de gás do tipo F-Flute presentemente reivindicado fornece vantajosamente: resfriamento do gás de alimentação multifásico de reator superaquecido dentro do distribuidor de gás do tipo F-Flute pelo contato muito próximo com o líquido de pasta aquosa precipitante do teto do distribuidor de gás do tipo F-Flute; a redução imediata da temperatura de gás de alimentação para reduzir a possibilidade de alta temperatura de camada da carcaça fracionadora principal acima de sua temperatura de projeto; o distribuidor de gás do tipo F-Flute reduz a distância requerida entre o bocal de alimentação e a seção preenchida com pasta aquosa em cerca de 2,5 metros ou mais e um comprimento de torre T-T geral mais curto; o uso do distribuidor de gás do tipo F-Flute em remodelações é uma alternativa econômica para aumentar o tamanho tanto do bocal de alimentação quanto da linha de transferência de gás forrada refratária; Os componentes internos do distribuidor de gás do tipo F-Flute completamente molhados impedem pontos quentes secos que ocasionam a deposição e o crescimento de coque; a eliminação de má distribuição de gás para a seção preenchida com pasta aquosa, ajuda a distribuir o líquido pela embalagem mais uniformemente e resulta em transferência de calor mais eficaz na seção de pasta aquosa, que resulta em comprimento de seção preenchida com pasta aquosa requerido mais curto; e a distribuição de gás uniforme na seção preenchida com pasta aquosa reduz o aprisionamento de líquido de pasta aquosa para a seção de lavagem de óleo, e pode eliminar a necessidade pela seção de lavagem de óleo conjuntamente.
[011] O arquivo de pedido de patente contém pelo menos um desenho colorido. As cópias desta patente ou da publicação de pedido de patente com desenhos coloridos serão fornecidas pelo Escritório mediante solicitação e pagamento da taxa necessária.
[012] A Figura 1A é uma vista em seção transversal de uma modalidade do distribuidor de gás reivindicado que tem um projeto de F-Flute revelado em geral no interior de uma coluna para troca de calor e/ou transferência de massa.
[013] A Figura 1B é uma vista em 3D isométrica do distribuidor de gás do tipo F-Flute e exibe uma modalidade da invenção com seções de teto de placa plana perfurada e placa plana perfurada com seções de teto com chaminés e coberturas altas, bem como os segmentos de parede defletora cilíndrica interior, janelas de ventilação e a seção de fundo que estende a parede defletora cilíndrica interior.
[014] A Figura 1C é uma vista em 3D da placa plana perfurada com seção de teto com chaminés e coberturas altas de uma modalidade do distribuidor de gás do tipo F-Flute reivindicado.
[015] A Figura 2A é uma vista em 3D da seção de teto de haste-placa de uma modalidade do distribuidor de gás do tipo F-Flute reivindicado.
[016] A Figura 2B é uma vista em 3D isométrica do distribuidor de gás do tipo F-Flute e exibe uma modalidade da invenção com seções de teto de haste-placa, bem como os segmentos de parede defletora cilíndrica interior, janelas de ventilação e a seção de fundo que estende a parede defletora cilíndrica interior.
[017] A Figura 3A é uma vista em 3D da seção de teto de placa plana perfurada de uma modalidade do distribuidor de gás do tipo F-Flute reivindicado.
[018] A Figura 3B é uma vista em 3D isométrica do distribuidor de gás do tipo F-Flute e exibe uma modalidade da invenção com seções de teto de placa plana perfurada, bem como os segmentos de parede defletora cilíndrica interior, janelas de ventilação e a seção de fundo que estende a parede defletora cilíndrica interior.
[019] A Figura 4A é uma vista em 3D da seção de teto de placa corrugada perfurada de uma modalidade do distribuidor de gás do tipo F-Flute reivindicado.
[020] A Figura 4B é uma vista em 3D isométrica do distribuidor de gás do tipo F-Flute e exibe uma modalidade da invenção com seções de teto de placa corrugada perfurada, bem como os segmentos de parede defletora cilíndrica interior, janelas de ventilação e a seção de fundo que estende a parede defletora cilíndrica interior.
[021] A Figura 5 é uma representação gráfica da temperatura de gás de alimentação superaquecido e líquido de pasta aquosa (°C) e a taxa de fluxo de gás de alimentação superaquecido e líquido em kg/h na entrada da embalagem, distribuidor de gás saída (isto é, saída de sulco), e entrada de distribuidor de gás (isto é, entrada de sulco).
[022] A Figura 6 é uma representação gráfica da razão de custo para remodelação de três torres fracionadoras principais de tamanho diferente, isto é, um sistema 37KBPD, um sistema 90KBPD e um sistema 125KBPD com dutos duplos, com o distribuidor de gás do tipo F-Flute presentemente reivindicado.
[023] A Figura 7 ilustra uma simulação de dinâmica de fluido computacional colorida de contornos de magnitude de velocidade de distribuição de gás na seção transversal de uma coluna fracionadora principal abaixo da entrada da embalagem sem uma modalidade do distribuidor de gás do tipo F-Flute reivindicado.
[024] A Figura 8 ilustra uma simulação de dinâmica de fluido computacional colorida de contornos de magnitude de velocidade de distribuição de gás na seção transversal de uma coluna fracionadora principal abaixo da entrada da embalagem com uma modalidade do distribuidor de gás do tipo F-Flute reivindicado.
[025] A Figura 9 ilustra uma simulação de dinâmica de fluido computacional colorida de contornos de magnitude de velocidade vertical de distribuição de gás na seção transversal de um fracionador principal abaixo da entrada da embalagem sem uma modalidade do distribuidor de gás do tipo F-Flute reivindicado.
[026] A Figura 10 ilustra uma simulação de dinâmica de fluido computacional colorida de contornos de magnitude de velocidade vertical de distribuição de gás na seção transversal de um fracionador principal abaixo da entrada da embalagem com uma modalidade do distribuidor de gás do tipo F-Flute reivindicado.
[027] A Figura 11 ilustra uma simulação de dinâmica de fluido computacional colorida de contornos de magnitude de velocidade de distribuição de gás com uma modalidade do distribuidor de gás do tipo F-Flute reivindicado no nível de bocal de entrada de gás de alimentação.
[028] A Figura 12 é uma vista em seção transversal do distribuidor de gás reivindicado que tem um projeto F-Flute com dimensões exemplificadoras em milímetros e marcação que indica posições de nível de líquido alto-alto (HHLL), de nível de líquido alto (HLL) e de nível de líquido baixo (LLL).
[029] A presente invenção reivindicada é direcionada a um distribuidor de gás para uso em uma coluna de troca de calor e/ou transferência de massa que distribui uniformemente gás a partir de um fluxo de gás de alimentação sobre o interior da coluna. Em particular, a presente invenção se refere a um distribuidor de gás que condiciona um fluxo de gás de alimentação superaquecido com alta velocidade de entrada, de modo que o gás do fluxo de gás de alimentação seja uniformemente distribuído no interior da periferia interna da coluna.
[030] O distribuidor de gás reivindicado é particularmente eficiente na evitação de formação de coque quando os componentes de ponto de ebulição de produtos de reator de FCCU são resfriados muito próximo de seu ponto de condensação. Esses produtos podem condensar onde existem pontos frios, ou alguns componentes de produto de reação podem se polimerizar para formar grandes moléculas que se tornam não voláteis em temperaturas de entrada de gás de alimentação. Os pontos frios podem ser atribuídos a isolamento inadequado ou perda de calor alta próximo aos acessórios como flanges, que facilitam a condensação. Se esses líquidos depositados tiverem tempo de permanência suficiente nas superfícies sólidas do vaso, o coque começa a se acumular no interior da linha de transferência e nas paredes do vaso. Uma vez que o coque é formado, o coque adicional tem uma superfície onde cresce mais facilmente.
[031] Os naftenos na matéria-prima para o reator de FCC não são eficientemente craqueados pelo catalisador de FCC, de modo que são transportados com o gás efluente de reator quente para a coluna MF. As formulações de catalisador de FCC nos últimos anos resultaram em maior uso de catalisadores de reação e transferência de hidrogênio alta e operam em temperatura de reator mais alta que favorece a produção de mais olefinas e, em conjunto com alimentações aromáticas mais pesadas, tendem a produzir aromáticos polinucleares com ponto de ebulição mais alto (PNAs), que são mais propensos a condensar no ponto de entrada para a coluna MF. Uma vez que esses PNAs condensam em superfícies sólidas dentro da coluna, os mesmos formam facilmente coque. O catalisador de FCC com alto teor de zeólito terra-rara tende a formar aromáticos a partir de naftenos como um resultado de reações de transferência de hidrogênio secundárias. Esses aromáticos podem ser submetidos a reações térmicas adicionais para formar coque.
[032] A formação de coque foi descrita pelos seguintes dois mecanismos independentes: (i) “Coque asfáltico” é formado conforme os óleos de solubilização são termicamente craqueados e as moléculas de asfalteno e resina grandes remanescentes se precipitam para formar uma estrutura sólida (coque) sem muita alteração em forma; e (ii) “Coque térmico” é produzido pela reticulação de anéis aromáticos.
[033] As primeiras gotículas condensadas do fluxo de gás de alimentação de reator superaquecido para o distribuidor de gás são provavelmente óleo pesado rico em asfaltenos e resinas. Se esse material alcançar uma superfície metálica áspera em uma área de baixa velocidade da coluna MF, o longo tempo de permanência pode permitir que os óleos solventes evaporem lentamente e formem coque por precipitação. Uma vez que o coque se deposita, o mesmo se torna um local ideal para mais gotículas condensadas se depositarem em sua superfície áspera e para provocar o crescimento de um local de coque.
[034] Existem dois princípios básicos para minimizar formação de coque que são utilizados na presente invenção, o primeiro consiste em evitar pontos mortos pela prevenção de perdas de calor de superfície metálica exposta, e o segundo consiste em manter superfícies sólidas molhadas. Na presente invenção, o efluente de reator (isto é, gás de alimentação superaquecido para o distribuidor de gás) entra na coluna principal e é resfriado através do contato direto com pasta aquosa fria bombeada ao redor. A coluna MF usa embalagem, depósito (defletor), ou disco e bandejas em forma de rosca para entrar em contato com os dois fluxos, isto é, gás do fluxo de gás de alimentação e líquido de pasta aquosa. A embalagem/bandejas funcionam pela criação de uma lâmina de líquido que o gás quente precisa atravessar. Idealmente, o gás e o líquido são uniformemente distribuídos. Entretanto, na prática, essa distribuição uniforme de gás e líquido não ocorre. A distribuição de líquido e gás é em geral deficiente, por conseguinte, a embalagem, o depósito ou as bandejas em forma de rosca e disco inundam bem abaixo de suas capacidades declaradas.
[035] Devido à má distribuição do líquido e do gás dos dispositivos da técnica anterior, em alguns casos, mais que 50 % do bocal de entrada de coluna MF é bloqueado com coque elevando a velocidade de gás para bem acima de 70 m/s, que é o dobro da velocidade de projeto. Portanto, mais gás flui até a coluna em 180 graus em relação ao bocal de entrada, isto é, áreas na coluna diretamente opostas ao bocal de alimentação, o que pode ocasionar inundação localizada das bandejas de embalagem ou depósito (defletor) na região de velocidade de gás de alta velocidade. Considerando que a distribuição de líquido inicial para a embalagem/bandeja superior é uniforme, as temperaturas de gás que deixa a embalagem/bandejas são maiores em 180 graus a partir do bocal de entrada devido à má distribuição de gás. As colunas equipadas com termopares localizados no espaço de gás acima da embalagem/bandejas, que são orientadas diretamente acima de e em 180 graus a partir do bocal de entrada, têm diferenças de temperatura de até 50 °C. Uma vez que a bandejas de embalagem inundam, a pasta aquosa fria é aprisionada nas bandejas de óleo de lavagem localizadas diretamente acima da embalagem de seção de pasta aquosa. Como um resultado, a queda de pressão através das bandejas de óleo de lavagem aumenta, impactando adicionalmente o equilíbrio de pressão de unidade.
[036] A má distribuição de gás e líquido mencionada acima na seção de pasta aquosa acima da entrada de gás de alimentação é resolvida com o distribuidor de gás do tipo F- Flute presentemente reivindicado. O presente distribuidor de gás fornece fluxo mais uniforme que entra no leito de bombeamento de pasta aquosa, suporta o ambiente erosivo de alta temperatura e resiste ao dano e à formação de coque.
[037] Foi comprovado que tanto os distribuidores tangenciais convencionais (por exemplo, Bicos de vapor, Dispositivos de Entrada de Palheta e Defletores em V) quanto os distribuidores de múltiplas palhetas de fluxo radial (por exemplo, Schoepentoeter) não funcionam em fracionadores principais de FCCU devido à formação de coque, erosão ou ambas. Os distribuidores de projeto deficiente formaram coque no ponto em que o fluxo de gás foi obstruído, resultando em falhas prematuras.
[038] Os inventores observaram que o distribuidor de placa de tubo escalonado é um distribuidor de gás pode distribuir grosseiramente o gás enquanto permanece livre de coque por toda a operação. O distribuidor de placa de tubo escalonado compreende tubo escalonado colocado em um anel em formato oval colocado na coluna em um ângulo em relação à direção de fluxo ascendente de gás acima do bocal de alimentação onde o gás de alimentação e o líquido de pasta aquosa da seção de pasta aquosa preenchida fluem através do distribuidor contracorrente. O sucesso do distribuidor no combate à formação de coque se deve à ação de lavagem contínua e imediata das gotículas de asfalteno que condensam nos tubos de distribuidor pelo líquido de pasta aquosa em fluxo. Entretanto, esse distribuidor fornece aprimoramento limitado de distribuição de gás para a seção preenchida acima.
[039] Se a seção de bombeamento de pasta aquosa for projetada apropriadamente, haverá pouco aprisionamento e nenhuma necessidade de ter uma seção de lavagem. Entretanto, quando há alto aprisionamento, a solução correta é fixar a seção de bombeamento de pasta aquosa para reduzir o aprisionamento. Dessa forma, a seção de óleo de lavagem não tem propósito e pode ser eliminada.
[040] Existem dois mecanismos principais que contribuem para a formação de coque de seção de óleo de lavagem. O primeiro consiste no aprisionamento de líquido de bombeamento de pasta aquosa na seção de óleo de lavagem e o segundo consiste em áreas quentes locais na bandeja de óleo de lavagem. Em alguns casos, ambos ocorrem ao mesmo tempo, ocasionando rápida formação de coque e, por fim, uma falha não programada.
[041] Quando o líquido de bombeamento de pasta aquosa se torna aprisionado com o gás da seção de bombeamento e não pode ser drenado devido ao fato de que as bandejas de óleo de lavagem são pesadamente carregadas, ou a sopragem (isto é, taxa de gás alta e taxa de líquido baixa) está ocorrendo, o coque é formado. O aprisionamento sozinho não é o problema, posto que o líquido aprisionado precisa ser submetido a tempo de permanência prolongado e temperaturas localizadas relativamente altas. Além disso, as temperaturas locais podem ser muito altas ao mesmo tempo em que as taxas de líquido são extremamente baixas, criando assim condições ideais para a formação de coque.
[042] Os dispositivos da técnica anterior, como o Bico de Vapor e o Schoepentoeter, não foram bem sucedidos na distribuição uniforme do fluxo de gás de alimentação para a seção diretamente acima do bocal de entrada de gás de alimentação na coluna MF. Isso se deve ao, conforme o fluxo de gás de alimentação resfria no interior desses dispositivos e componentes mais pesados, que incluem asfaltenos, início da condensação e do depósito/adesão nas superfícies frias dos dispositivos. Através do contato contínuo com o gás de alimentação quente, há remoção do material mais leve do depósito. Adicionalmente, a remoção de átomos de hidrogênio dos asfaltenos polimerizados faz com que os mesmos se transformem em coque. Com o tempo, os depósitos de coque crescem para um tamanho significativo e ocasionam interferência no fluxo de gás. Como um resultado, os dispositivos precisam ser removidos das colunas MF.
[043] A fim de aumentar a eficiência da troca de calor e da transferência de massa que ocorrem entra o gás do fluxo de gás de alimentação e o líquido de pasta aquosa, é importante que o gás seja uniformemente distribuído através da seção transversal horizontal da coluna, particularmente, na interface gás-líquido inferior onde o gás entra na embalagem. Quando o fluxo de gás de alimentação é introduzido a partir de um bocal de entrada de gás de alimentação na coluna abaixo da embalagem sem um distribuidor de gás, o impulso do gás pode impedir a distribuição horizontal desejada do gás antes de sua entrada na embalagem.
[044] Adicionalmente, para operação ideal da seção de pasta aquosa preenchida em colunas fracionadoras principais, uma distribuição uniforme de filmes líquidos e fluxo de gás através da embalagem é requerida. Embora o papel de distribuição de líquido apropriada nunca tenha sido buscado, os dispositivos da técnica anterior negligenciaram a distribuição inicial de gás no interior da coluna. A importância da distribuição de gás inicial no interior da coluna tem se tornado mais evidente quando se considera diâmetros de coluna grandes com seções de fundo curtas e embalagem com menor queda de pressão. Dessa forma, o presente sistema de distribuição de gás do tipo F-Flute introduz, por exemplo, o gás superaquecido de reator de FCC (isto é, um fluxo de gás de alimentação superaquecido) na coluna e o distribui uniformemente por toda a seção transversal da coluna.
[045] Para alcançar isso, a velocidade do fluxo de gás de alimentação precisa ser reduzida por uma curta distância entre o bocal de entrada de gás de alimentação e a seção de embalagem e/ou bandeja acima. Ao mesmo tempo, o bocal de entrada de gás de alimentação não deve bloquear indevidamente a seção transversal de coluna ou levar a quedas de pressão excessivas. Por razões econômicas, uma distância mínima entre o bocal e a embalagem/bandejas é desejada, dessa forma, um dispositivo distribuidor de gás eficiente é altamente desejável.
[046] O distribuidor de gás presentemente reivindicado fornece uma solução para os problemas dos dispositivos da técnica anterior. O distribuidor de gás serve para uma coluna de troca de calor e/ou transferência de massa. O projeto F-Flute fornece distribuição uniforme de um fluxo de gás de alimentação superaquecido que utiliza uma coluna de carcaça interna aberta que tem um eixo geométrico em geral vertical. Pelo menos um bocal de entrada de gás de alimentação se estende através da parede de carcaça de coluna e direciona o fluxo de gás de alimentação superaquecido para uma parede de deflexão cilíndrica interior vertical em geral anelar que é espaçada radialmente para dentro a partir do bocal de entrada de gás de alimentação, de modo que o gás de alimentação percorre em uma direção circunferencial. O distribuidor de gás compreende adicionalmente um teto e um fundo que se estende entre a parede de deflexão interna e a carcaça de coluna para fechar substancialmente o topo e estender o fundo do distribuidor em uma seção de fundo em formato cilíndrico ou cônico para o reservatório de coluna. Dessa forma, o distribuidor de gás do tipo F-Flute impede o desvio direto de gás de alimentação para a seção preenchida acima.
[047] O distribuidor de gás reivindicado tem um projeto “F-Flute” que resfria o fluxo de gás de alimentação pelo contato do mesmo com um fluxo contracorrente de líquido de pasta aquosa a partir da seção de pasta aquosa de coluna acima do distribuidor de gás. Como tal, o líquido de pasta aquosa é parcialmente vaporizado mediante o contato com o fluxo de gás de alimentação fazendo com que o fluxo de gás de alimentação se resfrie. O líquido de pasta aquosa de fluxo descendente “lava” e desengata as partículas finas de catalisador sólido se presentes no fluxo de gás de alimentação.
[048] O gás resfriado do fluxo de gás de alimentação deixa o distribuidor de gás do tipo F-Flute através de ambas as janelas de ventilação na parede defletora cilíndrica interior circunferencial e aberturas de gás no teto do distribuidor de gás do tipo F-Flute. O teto (isto é, telhado) do distribuidor de gás do tipo F-Flute ocupa o espaço entre o topo da parede defletora cilíndrica interior circunferencial substancialmente vertical e a parede interior da carcaça de coluna. Como tal, o teto define o topo de um canal de fluxo de gás de alimentação e separa o canal de fluxo de gás de alimentação da área aberta da seção transversal completa interior acima do distribuidor de gás do tipo F-Flute no interior da coluna. O líquido de pasta aquosa da seção preenchida acima da área aberta de seção transversal completa interior é coletado parcialmente no topo do teto a um nível de cerca de 25 mm a cerca de 50 mm dependendo do tipo do teto. Por vários meios, como mais completamente descrito no presente documento abaixo, o líquido de pasta aquosa forma um efeito cascata sobre ou “precipita” para baixo através do fluxo de gás de alimentação no canal de fluxo de gás de alimentação.
[049] De acordo com uma modalidade da invenção, o teto do distribuidor de gás do tipo F-Flute compreende seções de placa plana perfurada ou segmentos feitos de lâmina metálica plana que contêm uma pluralidade de perfurações com cerca de 2,5 centímetros (1 polegada) a cerca de 3,7 centímetros (1,5 polegadas), isto é, orifícios, distribuídos uniformemente sobre a seção de placa plana. As seções ou segmentos são projetados para serem encaixados ou conectados para formar um teto entre a parede defletora cilíndrica interior circunferencial em geral anelar e o lado interior da parede de carcaça de coluna. As seções que formam o teto, por exemplo, podem ser soldadas em um aro circunferencial. As seções ou segmentos de placa plana perfurada permitem que tanto o gás resfriado do fluxo de gás de alimentação quanto o líquido de pasta aquosa fluam através de perfurações (orifícios), com uma redução na quantidade de líquido de pasta aquosa que é coletado no topo do teto. Especificamente, os orifícios no teto permitem que o gás e o líquido de pasta aquosa passem alternativamente através da mesma perfuração e fornecem um efeito de lavagem rápida. Quaisquer partículas de coque formadas que, de outro modo, seriam carregadas com o gás são coletadas pelo líquido de contato e lavadas descendentemente com o líquido de pasta aquosa em fluxo. A esse respeito, a pluralidade de orifícios no teto distribui o líquido de pasta aquosa em fluxo descendente de uma maneira precipitante e cria uma grande área de contato da superfície de líquido para melhorar a interação de transferência de calor/massa com o gás em fluxo ascendente do fluxo de gás de alimentação. O uso das seções de placa plana perfurada reduz ou minimiza o líquido contido no telhado.
[050] Em uma outra modalidade da invenção, o teto do distribuidor de gás do tipo F-Flute além de uma pluralidade de orifícios pode compreender chaminés de gás que permitem que o gás resfriado do gás de alimentação dentro do canal de fluxo de gás de alimentação entre na área aberta de seção transversal completa interior da coluna acima do distribuidor de gás e abaixo da seção de pasta aquosa de bandeja de embalagem. As chaminés no teto são circundadas pela pluralidade de orifícios de teto e o líquido de pasta aquosa da seção preenchida com pasta aquosa é coletado no topo do teto, conforme o líquido de pasta aquosa atravessa a pluralidade de orifícios para precipitar o gás de alimentação.
[051] De acordo com uma outra modalidade da invenção, o teto do distribuidor de gás do tipo F-Flute pode ser dotado de seções ou segmentos de haste-placa que compreendem hastes escalonadas separadas por pelo menos cerca de 2,5 centímetros (uma polegada) e soldadas em um aro circunferencial. As seções de haste-placa permitem tanto que o gás quanto líquido de pasta aquosa fluam através do espaçamento entre as hastes escalonadas. Esse projeto força o gás em fluxo ascendente para o contato muito próximo do líquido de pasta aquosa em fluxo descendente, dando origem assim à formação de espuma no topo das seções de haste- placa, mas com uma quantidade mínima de líquido de pasta aquosa sendo coletada ou contida no topo das hastes.
[052] Ainda, de acordo com uma outra modalidade da invenção, o teto do distribuidor de gás do tipo F-Flute compreende seções ou segmentos de placa corrugada perfurada feitas de uma lâmina metálica corrugada perfurada soldada em um aro circunferencial. As perfurações (isto é, orifícios) na placa corrugada permite que tanto o gás quanto o líquido de pasta aquosa atravessem alternativamente. Adicionalmente, a lâmina corrugada fornece superfície e área aberta aumentadas (isto é, mais orifícios) tanto para o gás quanto para líquido atravessarem o teto. Adicionalmente, a lâmina corrugada minimiza a coleta ou a contenção de líquido no telhado.
[053] A invenção contempla adicionalmente combinações dos projetos de teto supracitados, por exemplo, seções de placa corrugada perfurada com seções de placa plana perfurada e seções de haste-placa, além das chaminés. Adicionalmente, a presente invenção difere dos dispositivos de distribuição de gás da técnica anterior no fato de que o distribuidor de gás do tipo F-Flute presentemente reivindicado é construído com superfícies metálicas que são extremamente lisas e/ou polidas, bem como no fornecimento de superfícies que são completamente molhadas com o líquido de pasta aquosa para impedir a deposição de coque.
[054] O distribuidor de gás do tipo F-Flute produz uma distribuição uniforme e regular nunca vista antes do gás para a seção preenchida com pasta aquosa acima do distribuidor. As vantagens do distribuidor de gás do tipo F- Flute presentemente reivindicado podem ser mais completamente apreciadas pela descrição a seguir das Figuras apresentadas no presente documento.
[055] A Figura 1A revela uma modalidade da presente invenção. Na Figura 1A, o distribuidor de gás do tipo F- Flute 10 é revelado em geral no interior de uma coluna 1 para troca de calor e/ou transferência de massa. A coluna 1 pode ser qualquer tipo de coluna para troca de calor e/ou transferência de massa, incluindo, mas não se limitando a, fracionadores principais, destilação, absorção, remoção, óleo de arrefecimento e/ou torres de água de arrefecimento, torres de remoção de coque e superfracionadores. A coluna 1 pode ser de qualquer formato desejado, incluindo, mas não se limitando a circular, oval, quadrado, retangular ou outra seção transversal poligonal. A coluna 1 da Figura 1A é uma carcaça interna aberta e que tem um eixo geométrico central em geral vertical e formato em geral anelar. O distribuidor do tipo F-Flute 10 pode ser projetado para acomodar qualquer formato de qualquer coluna de transferência de calor e/ou transferência de massa.
[056] Na Figura 1A, um canal de fluxo de gás de alimentação 14 é formado entre o interior da parede de carcaça 15 da coluna 1, a parede defletora cilíndrica interior 12 e o teto 11. O distribuidor de gás do tipo F- Flute 10 compreende adicionalmente uma seção de fundo 13 que pode ser em formato de cone para acomodar o contorno da parede de carcaça de coluna 15. Um gás de alimentação superaquecido de alta velocidade 30 é introduzido no canal de fluxo de gás de alimentação 14 através de pelo menos um bocal de entrada de gás 20 em uma direção em geral perpendicular à altura da coluna 1. O fluxo de gás de alimentação superaquecido 30 percorre através do canal de fluxo de gás de alimentação 14 circunferencialmente ao longo da parede de carcaça de coluna exterior em geral cilíndrica 15 da coluna 1 devido às forças centrífugas e à alta taxa na qual o gás de alimentação superaquecido 30 é introduzido no distribuidor de gás do tipo F-Flute 10.
[057] A parede defletora cilíndrica interior 12 e o teto 11 do distribuidor de gás do tipo F-Flute 10 podem ser construídos a partir de qualquer material de aço de alta temperatura adequado para os processos de transferência de massa e/ou calor que não serão suscetíveis à degradação proveniente de fluxo de gás superaquecido de alta velocidade 30 de produtos químicos voláteis, líquidos e particulados sólidos, como é bem conhecido pelos versados na técnica.
[058] Como mostrado na Figura 1A, o gás de alimentação superaquecido 30 flui circunferencialmente em torno do canal de fluxo de gás 14 no interior do distribuidor de gás do tipo F-Flute 10. O gás de alimentação superaquecido 30 do bocal de entrada de gás 20 flui através do canal de fluxo de gás 14 no qual os sólidos e os líquidos são separados conforme o gás superaquecido é resfriado. O gás do gás de alimentação superaquecido 30 é removido do canal de fluxo de gás de alimentação 14 por múltiplos meios. O primeiro meio compreende janelas de ventilação 21 fornecidas na parede defletora cilíndrica interior 12. As janelas de ventilação 21 permitem que o gás resfriado saia do canal de fluxo de gás de alimentação 14. Em uma modalidade da invenção, o número de janelas de ventilação 21 se situa na faixa de cerca de 10 a cerca de 30. As janelas de ventilação 21 podem ser de qualquer tamanho até cerca de 1 metro x 0,6 metro. O gás que sai do canal de fluxo de gás de alimentação 14 através da janela de ventilação 21 flui para o interior de uma área aberta interior 23 formada pelo formato cilíndrico da parede defletora cilíndrica interior 12 e da construção anelar do distribuidor de gás do tipo F-Flute 10. O gás prossegue, então, para cima para a área aberta de seção transversal completa interior 25 da coluna 1 bem como entra em contato com a embalagem e/ou bandejas 40 da coluna 1 localizada acima do distribuidor de gás do tipo F-Flute 10.
[059] O meio adicional mostrado na Figura 1A, pelo qual o gás do gás de alimentação superaquecido 30 é separado e direcionado para a área aberta de seção transversal completa interior 25 da coluna 1 acima do distribuidor de gás do tipo F-Flute 10, está localizado no teto 11 do distribuidor de gás do tipo F-Flute 10. De acordo com uma modalidade da invenção, o teto 11 compreende chaminés 24 que permitem que o gás resfriado do gás de alimentação superaquecido 30 prossiga para cima para a área aberta de seção transversal completa interior 25 da coluna 1 e entre em contato com a embalagem e/ou bandejas 40 da coluna 1 localizada acima do distribuidor de gás do tipo F-Flute 10.
[060] As chaminés 24 podem ser equipadas com coberturas altas 41 (consulte a Figura 1C) para regular a taxa na qual permite-se que o gás de gás de alimentação superaquecido multifásico 30 deixe o canal de fluxo de gás 14 através das chaminés 24. De acordo com uma modalidade da invenção, o número de chaminés 24 se situa na faixa de cerca de 1 a cerca de 3 por metro de comprimento do canal de fluxo de gás de alimentação 14. As chaminés 24 têm uma área em seção transversal na faixa de cerca de 0,1 a cerca de 0,4 m e as coberturas altas 41 são construídas a partir de cerca de 100 mm a cerca de 300 mm acima das chaminés 24 e têm uma área em seção transversal na faixa de cerca de 0,1 a cerca de 0,4 m ou mais.
[061] A Figura 1A exibe a seção de fundo em formato de cone 13 do distribuidor de gás do tipo F-Flute 10 que compreende uma abertura de seção de fundo 16 e pelo menos uma abertura de transbordamento 27 que alimenta o reservatório de coluna 28 da coluna 1 localizada diretamente abaixo do distribuidor de gás do tipo F-Flute 10. As aberturas de transbordamento 27 fornecem drenagem de líquido que foi separado do gás na e acima da área aberta interior 23 no reservatório de coluna 28. De acordo com uma modalidade da invenção, o número de aberturas de transbordamento 27 se situa na faixa de cerca de 4 a cerca de 6. As aberturas de transbordamento 27 são dimensionadas para acomodar todo o líquido que se precipita ou pinga na área aberta interior 23 do distribuidor de gás do tipo F- Flute 10 e que atua como um vertedouro de transbordamento no caso em que o tubo de dreno 18 em comunicação fluida com a abertura de seção de fundo 16 se torna entupido. A Figura 1A exibe adicionalmente uma marcação que indica posições de nível de líquido alto-alto (HHLL), nível de líquido normal (HLL) e de nível de líquido baixo (LLL).
[062] A Figura 1B é uma vista em 3D isométrica do distribuidor de gás do tipo F-Flute 10 fora da coluna 1, incluindo o teto 11, que compreende seções de teto 29A e 29C (29B, 29D não mostrado na Figura 1B), em que a parede defletora cilíndrica interior 12 é compreendida de segmentos de parede 12A conectados por técnicas convencionais conhecidas pelos elementos de conhecimento comum na técnica de uma maneira anelar para fornecer parede defletora cilíndrica interior 12. A Figura 1B exibe adicionalmente a seção de fundo em formato de cone 13 do distribuidor de gás do tipo F-Flute 10. Em uma modalidade da presente invenção, a parede defletora cilíndrica interior 12 compreende segmentos de parede 12A que são dimensionados para fornecer larguras que podem atravessar um determinado duto de passagem. As janelas de ventilação 21 estão localizadas em vários segmentos de parede 12A em torno da parede defletora cilíndrica interior 12. As janelas de ventilação 21 podem ser cortadas em segmentos de parede 12A ou em parede defletora cilíndrica interior 12. Quando os segmentos 12A são usados para fornecer a parede defletora cilíndrica interior 12, os mesmos continuam de uma maneira anelar incluindo as janelas de ventilação 21 até que formem a área aberta interior 23 do distribuidor de gás do tipo F-Flute 10. Os segmentos 12A que constituem o canal de fluxo de gás de alimentação 14 são em geral uniformes em tamanho, isto é, altura e largura.
[063] A Figura 1B mostra o teto 11 que compreende seções de teto 29A, 29C que podem compreender um ou mais dentre lâmina metálica sólida (não mostrado), uma seção de placa plana perfurada de metal 29C, e seção de placa plana perfurada com chaminés e coberturas altas 29A (consulte também a Figura 1C) que permitem que o gás flua para fora do distribuidor de gás do tipo F-Flute 10 e para a área aberta de seção transversal completa interior 25 da coluna 1.
[064] Cada seção de placa plana perfurada com chaminés e coberturas altas 29A, como apresentado na Figura 1C é equipada com pelo menos duas chaminés 24 e uma pluralidade de perfurações, isto é, orifícios 42. Os orifícios 42 são perfurados entre as chaminés e dimensionados para conter apenas líquido suficiente para criar uma vedação de gás.
[065] Na Figura 1A e na Figura 1B, a seção de fundo em formato de cone 13 do distribuidor de gás do tipo F-Flute 10 é conicamente conformada para acomodar a porção inferior da coluna 1 e as alimentações no reservatório de coluna 28. Adicionalmente, a seção de fundo em formato de cone 13 pode compreender segmentos de seção de fundo 13A que são conectados e estendem a parede defletora cilíndrica interior 12 de maneira a formar um formato cônico para a porção inferior do canal de fluxo de gás de alimentação 14 enquanto acomoda adicionalmente o formato da coluna 1. Embora a seção de fundo 13 do distribuidor de gás do tipo F-Flute 10 seja em formato de cone, como apresentado nas Figuras 1A e 1B, contempla-se que qualquer formato requerido para acomodar a porção inferior da coluna de troca de calor e/ou transferência de massa e estender a parede defletora cilíndrica interior 12 para alimentar partículas sólidas e líquidas no reservatório de coluna pode ser usado. Os segmentos da seção de fundo em formato de cone 13 são dimensionados para fornecer larguras que podem atravessar um duto de passagem.
[066] A seção de fundo em formato de cone 13 serve para dois propósitos: impedir que o gás do bocal de entrada de gás de alimentação 20 desvie das aberturas do distribuidor de gás do tipo F-Flute 10, isto é, das janelas de ventilação 21 e chaminés 24; e facilitar a drenagem das gotas para a área aberta interior 23 do distribuidor de gás do tipo F- Flute 10 para o reservatório de coluna 28 sem possibilidade de aprisionamento de líquido. Em outras palavras, o gás é separado das gotas que caiem no exterior do distribuidor de gás do tipo F-Flute. O formato de cone segue o contorno da seção de expansão de torre, permitindo a rápida drenagem de líquido e ajudando a impedir o reaprisionamento de líquido no fluxo de vapor.
[067] De acordo com uma modalidade da invenção, o gás de alimentação superaquecido 30 é resfriado conforme circula no interior do canal de fluxo de gás de alimentação 14 do distribuidor de gás do tipo F-Flute 10 pelo fluxo contracorrente de “gotas” do líquido de pasta aquosa do líquido de seção de pasta aquosa que cai de orifícios 42 nas seções de teto. Esse efeito fornece maior transferência de calor dentro do distribuidor de gás do tipo F-Flute 10 em comparação com uma coluna que não contém um distribuidor de gás, devido ao fato de que: (i) a velocidade do gás de alimentação superaquecido 30 dentro do distribuidor de gás do tipo F-Flute 10 é maior que a velocidade do gás na coluna (esse efeito de velocidade aumentada do gás de alimentação superaquecido 30 além das gotas de líquido de pasta aquosa aprimora as taxas de transferência de calor); (ii) essa velocidade superior e a turbulência do gás de alimentação superaquecido 30 tendem a romper aerodinamicamente as gotas de líquido de pasta aquosa dentro do distribuidor de gás do tipo F-Flute 10, aumentando sua área de superfície interfacial para transferência de massa e calor; (iii) o distribuidor de gás do tipo F-Flute 10 fornece maior área da superfície molhada para maior transferência de calor convectivo; e (iv) o distribuidor de gás do tipo F-Flute 10 cria uma distribuição uniforme de gás para a embalagem e impede a segregação de gotas líquidas e gás ocasionada pelo jato do bocal em uma torre vazia. O resultado benéfico de todas essas vantagens é que o distribuidor de gás do tipo F- Flute aumenta a taxa de transferência de calor de gás para as gotas líquidas de pasta aquosa e isso permite um comprimento menor de torre/coluna para uma determinada quantidade de transferência de massa e calor.
[068] Alternativamente, o teto 11 do distribuidor de gás do tipo F-Flute 10 da presente invenção pode ser constituído de seções de haste-placa 29B como apresentado na Figura 2A. A seção de haste-placa 29B, como apresentado na Figura 2A, compreende hastes escalonadas 43 que são separadas em um mínimo de cerca de 2,54 a cerca de 3,7 centímetros (de cerca de 1 a cerca de 1-1/2) polegadas e podem ser soldadas em um aro circunferencial. As hastes escalonadas 43 podem ser posicionadas em uma ou várias combinações de padrões, por exemplo, padrão de espinha, diagonal, etc., como apresentado na Figura 2B. As seções de haste-placa 29B permitem que tanto o gás quanto o líquido de pasta aquosa fluam através do espaçamento entre as hastes. Isso força o gás em fluxo ascendente a partir do canal de fluxo de gás de alimentação 14 para o contato muito próximo com o líquido de pasta aquosa em fluxo descendente, dando origem assim à formação de espuma no topo das seções de haste-placa 29B. Há uma pequena quantidade de líquido de pasta aquosa contido nas hastes escalonadas 43. Entretanto, o projeto de teto da Figura 2B reduz a contenção de líquido de pasta aquosa na seção de teto em comparação com a seção de placa plana perfurada com chaminés e coberturas altas apresentadas na Figura 1B.
[069] A Figura 3A apresenta uma outra alternativa para o distribuidor de gás do tipo F-Flute 10, em que a seção de teto compreende seções de placa plana perfurada 29C. As seções de placa plana perfurada 29C são perfuradas com orifícios 42. As seções de placa plana perfurada 29C podem ser feitas de lâmina metálica e soldadas em um aro circunferencial. Os orifícios 42 na seção de placa plana perfurada 29C permitem que tanto o gás quanto o líquido de pasta aquosa atravessem alternativamente. O fluxo em contracorrente de gás e líquido alternativamente através das mesmas perfurações fornece efeito de lavagem rápida de quaisquer partículas de coque formadas e carregadas com o gás. As partículas sólidas são coletadas pelo líquido em contato e lavadas descendentemente com o líquido de pasta aquosa em fluxo. As seções de lâmina plana perfurada 29C, como apresentado na Figura 3B, são as mais simples de se construir e fornecem contenção de líquido minimizada no topo do teto 11.
[070] A Figura 3B é uma vista em 3D isométrica do distribuidor de gás do tipo F-Flute 10 fora da coluna 1, incluindo o teto 11, que compreende a seção de teto 29C (29 A, 29B, 29D não mostrado na Figura 3B), em que a parede defletora cilíndrica interior 12 é compreendida de segmentos de parede 12A conectados por técnicas convencionais conhecidas pelos elementos de conhecimento comum na técnica de uma maneira anelar para fornecer parede defletora cilíndrica interior 12. A Figura 3B exibe adicionalmente a seção de fundo em formato de cone 13 do distribuidor de gás do tipo F-Flute 10. A parede defletora cilíndrica interior 12 compreende segmentos de parede 12A, As janelas de ventilação 21 estão localizadas em diversos segmentos de parede 12A em torno da parede defletora cilíndrica interior 12. Os segmentos 12A que constituem o canal de fluxo de gás de alimentação 14 são em geral uniformes em tamanho, isto é, altura e largura e permitem que o gás entre na área aberta interna 23.
[071] A Figura 4A ainda apresenta um outro tipo alternativo de teto 11 de distribuidor de gás do tipo F- Flute 10 que contém seções de placa corrugada perfurada 29D. Na Figura 4A, as seções de placa corrugada perfurada 29D são produzidas a partir de lâmina de metal e podem ser soldadas em um aro circunferencial. As perfurações (isto é, orifícios 42) na placa corrugada permitem que tanto o gás quanto o líquido de pasta aquosa atravessem alternativamente as mesmas. A lâmina corrugada de seções de placa corrugada perfurada 29D fornece área eficaz aumentada para tanto para o gás quanto o líquido atravessarem o telhado. O fluxo em contracorrente de gás e líquido alternativamente através dos mesmos orifícios de corrugação fornece efeito de lavagem rápida de quaisquer partículas de coque formadas e conduzidas com o gás. Tais partículas são coletadas pelo líquido em contato e lavadas descendentemente com o líquido de pasta aquosa em fluxo para o reservatório de coluna 28. Também, as seções de placa corrugada perfurada 29D minimizam a contenção de líquido no telhado. Esse tipo de distribuidor de gás do tipo F-Flute 10, como apresentado na Figura 4B, com seções de placa corrugada perfurada 29D representa uma opção preferencial para uso em uma coluna fracionadora principal, visto que oferece uma maior resistência à incrustação com coque.
[072] A invenção do distribuidor de gás do tipo F-Flute presentemente reivindicado 10 pode usar qualquer combinação das seções de teto anteriormente descritas.
[073] A Figura 5 é uma representação gráfica do gás de alimentação superaquecido e temperatura de líquido de pasta aquosa (°C) e tráfego (isto é, taxa de fluxo de líquido e gás em kg/h). As taxas de fluxo e temperaturas são medidas a partir da área de entrada do distribuidor de gás do tipo F- Flute, isto é, o gás de alimentação superaquecido no bocal de entrada de gás da Figura 1A para a entrada de embalagem. A temperatura e o tráfego simulados tanto do líquido de pasta aquosa (que entra na coluna 1 através do distribuidor de líquido de pasta aquosa 44 da Figura 1A) quanto do fluxo de gás superaquecido dentro e fora do distribuidor de gás do tipo F-Flute. A representação gráfica indica que o gás de alimentação superaquecido entra no distribuidor de gás do tipo F-Flute reivindicado em uma temperatura de aproximadamente 560 °C e é imediatamente arrefecido para aproximadamente 420 °C dentro do canal de fluxo de gás de alimentação do distribuidor de gás do tipo F-Flute pela evaporação do líquido de pasta aquosa. Dessa forma, O fluxo de massa de gás aumente de aproximadamente cerca de 500.000 kg/h para um máximo de aproximadamente 1.600.000 kg/h, e, de modo similar, a taxa de líquido aumenta e cai para aproximadamente 1.100.000 kg/h de 1.550.000 kg/h a 450.000 kg/h. O gás da alimentação de gás superaquecido deixa o distribuidor de gás do tipo F-Flute (saída de sulco) a uma taxa de aproximadamente 1.200.000 kg/h e uma temperatura de aproximadamente 410 °C.
[074] A Figura 6 é uma representação gráfica da razão de custo para remodelar três torres de fracionador principal de tamanho diferente com o distribuidor de gás do tipo F-Flute presentemente reivindicado da Figura 1A. A remodelação convencional de torres de fracionador principal existentes exige a substituição do bocal (bocais) de alimentação de torre e a expansão de uma porção do comprimento da linha de transferência de linha refratária que leva ao bocal de alimentação, de um comprimento equivalente a 5-7 vezes o diâmetro de bocal de alimentação, na área em seção transversal proporcional à razão entre a capacidade de projeto original/remodelação. Esse trabalho elaborado pode ser evitado através da instalação do distribuidor de gás do tipo F-Flute reivindicado, visto que fornece uma distribuição uniforme do gás de alimentação superaquecido arrefecido sob a embalagem acima do bocal de alimentação. A vantagem de custo como apresentado na Figura 6 é significativa com o uso do distribuidor de gás do tipo F- Flute reivindicado em comparação à substituição do bocal de alimentação e expansão da linha de transferência tubulação, isto é, em uma unidade de 37 mil barris por dia (“KBPD”) há aproximadamente 100 % de economia, em uma unidade de 90 KBPD há uma economia maior que 400 % e em uma unidade de 125 KBPD de duto duplo há uma economia aproximada de 400 %.
[075] Para mostrar a distribuição de gás aprimorada do distribuidor de gás do tipo F-Flute reivindicado da Figura 1A, as simulações de dinâmica de fluido computacional (CFD) foram preparadas, cujos resultados são apresentados nas Figuras 7-11. As simulações de dinâmica de fluido computacional das Figuras 7-11 ilustram contornos de magnitude de velocidade de distribuição de gás tridimensionais na seção transversal de uma coluna fracionadora principal. As simulações apresentadas nas Figuras 7-10 ilustram a distribuição de gás na seção transversal de uma coluna fracionadora principal 5 cm abaixo da entrada da embalagem com e sem um distribuidor de gás do tipo F-Flute, respectivamente. O bocal de entrada de gás de alimentação é posicionado no lado esquerdo de cada Figura, isto é, Figuras 7-11. As simulações de dinâmica de fluido computacional tiveram como base o distribuidor de gás do tipo F-Flute reivindicado que tem as dimensões em milímetros (mm), como apresentado na Figura 12. Entretanto, a distribuição de gás pode ser aprimorada para qualquer tamanho de vaso quando o distribuidor de gás de projeto do tipo F-Flute presentemente reivindicado for proporcional para acomodar o vaso.
[076] A Figura 7 e a Figura 8 apresentam modelos de simulação de CFD de contornos de magnitude de velocidade de distribuição de gás de distribuição de gás (isto é, padrões de distribuição de gás) na seção transversal de uma coluna fracionadora principal 5 cm abaixo da entrada da embalagem com e sem o distribuidor de gás do tipo F-Flute reivindicado, respectivamente. A comparação pode ser medida com o uso de níveis pico a médios de velocidade (PAV). Para as Figuras 7 e 8, os níveis de PAV variam em valor numérico de 0,00 a 8,38. A coluna vazia, isto é, a Figura 7 sem o distribuidor de gás do tipo F-Flute, tem uma magnitude de PAV de 8,38 vezes do nível de velocidade média. A Figura 7 exibe contornos de magnitude de velocidade proeminentes ilustrados pelos grandes contornos ovais com altos níveis de PAV que levam ao bocal de entrada de gás de alimentação e direcionados aos lados opostos da coluna fracionadora. Os grandes contornos ovais são separados por um contorno de magnitude de velocidade estreita que tem um nível de PAV baixo. O padrão dos contornos de magnitude de velocidade na Figura 7 indica uma distribuição de velocidade extremamente não uniforme de gás no interior da seção transversal da coluna. Entretanto, a simulação da coluna com o distribuidor de gás do tipo F-Flute reivindicado, isto é, a Figura 8, tem uma magnitude de PAV de 4,45 que é 47 % menor que a coluna vazia. Os contornos de magnitude de velocidade substancialmente uniformes no interior da seção transversal da coluna apresentada na Figura 8 são ilustrados pela uniformidade dos contornos exibidos e pela ausência de altos níveis de PAV.
[077] As Figuras 9 e 10 são modelos de simulação de CFD de contornos de magnitude de velocidade de distribuição de gás vertical (isto é, padrões de distribuição de gás) em 5 cm abaixo da embalagem da coluna. A Figura 9 indica os contornos de magnitude de velocidade de distribuição de gás vertical para a coluna vazia, isto é, sem o distribuidor de gás do tipo F-Flute reivindicado, e a Figura 10 apresenta os contornos de magnitude de velocidade de distribuição de gás vertical para a coluna com o distribuidor de gás do tipo F- Flute reivindicado instalado. Os níveis de PAV variam em valor numérico de -0,50 a 2,81. A simulação da coluna vazia na Figura 9 mede um componente vertical de PAV em 2,8 vezes o nível de velocidade média ilustrado por contornos ovais de magnitude de velocidade significativos que têm altos níveis de PAV que levam ao bocal de entrada de gás de alimentação e direcionados aos lados opostos da coluna fracionadora. Esses contornos de magnitude de velocidade vertical indicam uma distribuição de velocidade extremamente não uniforme de gás abaixo da embalagem da coluna. A coluna na Figura 10 com o distribuidor de gás do tipo F- Flute, entretanto, mede um componente vertical de PAV de 2,1 que é 25 % menor que a coluna vazia. Os modelos de simulação indicam claramente que o distribuidor de gás do tipo F-Flute reivindicado aprimora a uniformidade de velocidade, e, desse modo, aprimora a distribuição de gás para a área de embalagem quando instalado.
[078] A Figura 11 é um modelo de simulação de CFD que ilustra os contornos de magnitude de velocidade de gás de alimentação superaquecido (isto é, padrões de distribuição de gás) dentro de um distribuidor de gás do tipo F-Flute da presente invenção reivindicada no nível de bocal de entrada de gás de alimentação. Essa simulação indica claramente os contornos de magnitude de velocidade uniforme sobre a maioria dos canais de fluxo de gás de alimentação e área aberta interna do distribuidor de gás do tipo F-Flute reivindicado.
[079] Adicionalmente, o distribuidor de gás do tipo F- Flute reivindicado melhorará a transferência de massa e calor pela redução do diâmetro médio de Sauter (SMD) da distribuição de gotícula. As estimativas com base na ruptura aerodinâmica, indicam que o SMD de gotículas dentro do distribuidor de gás do tipo F-Flute será 33 % menor que em uma coluna sem o distribuidor de gás do tipo F-Flute. Isso aumenta a área de superfície interfacial entre o líquido e o gás para aumentar a transferência de massa e calor.
[080] A Tabela 1 a seguir apresenta a diferença estimada na transferência de calor e SMD com e sem o distribuidor de gás do tipo F-Flute da Figura 1A.
[081] A pluralidade de janelas de ventilação no distribuidor de gás do tipo F-Flute é posicionada por todo o defletor cilíndrico interior e a parede e chaminés posicionadas por todo o teto, permite que o gás de alimentação superaquecido separado resfriado saia do distribuidor para o interior da área aberta de seção transversal completa interior da coluna com velocidade consideravelmente diminuída e uniforme para a distribuição para embalagem ou bandejas localizadas no interior da coluna e acima do distribuidor de gás do tipo F-Flute.
[082] As paredes do distribuidor de gás do tipo F-Flute, isto é, a parede defletora cilíndrica interior, a seção de fundo em formato de cone que estende a parede defletora cilíndrica interior e o lado interior de parede de carcaça de coluna, que compreende a parede exterior do distribuidor de gás do tipo F-Flute, são completamente molhados com o líquido de pasta aquosa. A parede defletora cilíndrica interior, a seção de fundo e o lado interior de parede de carcaça de coluna são completamente molhados devido ao fato de que o teto é conectado à parede defletora cilíndrica interior e ao lado interior de parede de carcaça de coluna através de um dispositivo de conexão, como, uma cavilha, aro circular, haste ou suporte soldado, e similares, para incluir uma pluralidade de aberturas de modo que o líquido de pasta aquosa possa cair verticalmente pela parede defletora cilíndrica interior, a seção de fundo e pelo lado interior de parede de carcaça de coluna e possa manter os mesmos molhados.
[083] Qualquer condensação de componentes de alto ponto de ebulição dos componentes de gás de alimentação de superaquecedor dentro do distribuidor de gás do tipo F-Flute ocorrerá na fase de pasta aquosa líquida e imediatamente se misturará e lavará com o líquido de pasta aquosa em fluxo para o reservatório de coluna da coluna MF. Isso impedirá que as gotículas condensadas do gás de alimentação superaquecido que contém os asfaltenos colem às superfícies de parede sólida e sejam expostas por longos períodos de tempo ao gás de alimentação superaquecido quente que é a causa principal de formação de partículas de coque e seu crescimento que causou falhas dos dispositivos de distribuição de gás da técnica anterior.
[084] Adicionalmente, a expansão do gás de alimentação superaquecido do bocal de entrada de gás de alimentação juntamente com a precipitação do líquido de pasta aquosa das seções de teto dentro do distribuidor de gás do tipo F-Flute fornece um veículo para partículas finas de catalizador sólido para separar o gás de alimentação superaquecido e ser conduzido com o grande fluxo de líquido de pasta aquosa até o reservatório de coluna sem causar problemas de erosão nas partes internas e paredes de coluna. Se as partículas finas de catalisador sólido e partícula de coque não forem separadas de modo eficaz do gás de alimentação superaquecido no ponto de entrada para a coluna e passarem com o gás de alimentação superaquecido para a seção preenchida com pasta aquosa e se depositarem em sua embalagem, a eficácia da coluna para o resfriamento do gás de alimentação é reduzida. Além disso, a coluna exige uma limpeza mais frequente para a remoção das partículas finas de catalisador sólido e partícula de coque.
[085] Adicionalmente, o distribuidor de gás do tipo F- Flute presentemente reivindicado foi mostrado para diminuir significativamente a velocidade de gás local máxima abaixo da embalagem na porção da coluna situada acima do distribuidor de gás do tipo F-Flute, isto é, o gás de alimentação superaquecido resfriado na área aberta de seção transversal completa interior. Essa redução na velocidade de gás local resulta em uma pressão de distribuição de gás mais uniforme e ultimamente em uma transferência de calor mais eficaz na seção de pasta aquosa bem como melhor fracionamento nas seções de coluna superior. Uma distribuição uniforme do gás na embalagem e bandejas é crítica para transferência de massa e calor apropriada. A distribuição uniforme pode ser realizada em um maior grau de troca de calor e fracionamento através do uso do distribuidor de gás do tipo F-Flute da presente invenção, que permite que o perfil de capacidade convencionalmente projetado de uma determinada coluna MF/coluna de transferência de calor/massa seja excedido, além de suas limitações tradicionalmente aceitas. Isso resulta em uma maior capacidade no interior da mesma coluna em relação aos dispositivos similares que não empregam o dispositivo de distribuição de gás da presente invenção. O distribuidor de gás do tipo F-Flute da presente invenção diminuiria significativamente a velocidade local máxima abaixo de uma embalagem ou bandeja em uma coluna e, portanto, aprimoraria o perfil de velocidade abaixo da embalagem/bandeja.
[086] A invenção fornece adicionalmente temperatura inferior do fluxo de gás para a seção de pasta aquosa preenchida bem como distribuição mais uniforme, esses dois fatores resultam na redução do diâmetro de coluna exigido. A distribuição mais uniforme de gás de fundo para as seções de torre acima aprimora a eficiência da parte interna da coluna para a transferência de massa e calor e leva a uma redução na altura de coluna geral.
[087] Os novos recursos da presente invenção foram mostrados para produzir essa pressão de distribuição de gás uniforme em um nível acima de qualquer distribuidor de gás conhecido da técnica anterior. O distribuidor de gás do tipo F-Flute presentemente reivindicado fornece uma baixa temperatura de camada de coluna pelo resfriamento do gás de alimentação primeiro com o líquido de pasta aquosa precipitante na entrada da coluna dentro do distribuidor de gás do tipo F-Flute.
[088] O distribuidor de gás reivindicado reduz ou elimina o “jateamento” do gás de alimentação superaquecido, através disso, o gás de alimentação superaquecido alcança a parede de coluna que cria pontos secos e faz com que a parede de coluna alcance temperaturas acima da temperatura de projeto da carcaça de coluna. A esse respeito, o distribuidor de gás do tipo F-Flute reivindicado também evita a erosão de carcaça de coluna (isto é, parede) pela eliminação do efeito de jateamento do gás de alimentação superaquecido que contém as partículas finas de catalisador erosivo que, de modo contínuo e em altas velocidades, colidem com a parede de coluna e fazem com que erosão local e/ou adelgaçamento da carcaça de coluna na área diretamente oposta ao bocal de alimentação. O uso do distribuidor de gás do tipo F-Flute reivindicado removerá as partículas finas de catalisador pelo líquido de pasta aquosa precipitante dentro do distribuidor de gás do tipo F-Flute e não haverá contato direto do gás de alimentação superaquecido com a parede de carcaça de coluna.
[089] Embora a presente invenção tenha sido descrita em detalhes consideráveis em relação a certas versões da mesma, outras versões são possíveis, e as alterações, permutações e equivalentes da versão mostrada se tornarão aparentes àquele individuo versado na técnica mediante a leitura do relatório descritivo e o estudo dos desenhos. Também, os vários recursos das versões no presente documento podem ser combinados de várias maneiras para fornecer versões adicionais da presente invenção. Adicionalmente, certa terminologia foi usada com os propósitos de clareza descritiva e não com propósitos de limitar a presente invenção. Portanto, quaisquer reivindicações anexas não devem ser limitadas à descrição das versões preferenciais contidas no presente documento e devem incluir todas as tais alterações, permutações e equivalentes que estarão incluídos nos verdadeiros espírito e escopo da presente invenção.
Claims (18)
1. Distribuidor de gás para uma coluna de troca de calor e/ou transferência de massa (1), em que o dito distribuidor de gás (10) é caracterizado por estar localizado no interior da dita coluna (1) e compreender pelo menos um bocal de entrada de gás de alimentação (20) que se estende através de uma parede de carcaça (15) da coluna (1) substancialmente perpendicular para o eixo longitudinal da dita coluna (1) para direcionar um gás de alimentação (30) perpendicularmente para uma parede defletora cilíndrica interior substancialmente vertical (12) que compreende pelo menos uma abertura (21) para uma área aberta interior (23) no interior do distribuidor de gás (10), uma seção de fundo (13) que estende a parede defletora cilíndrica interior (12) e se conforma ao contorno da parede de carcaça (15), em que a dita seção de fundo (13) compreende uma abertura de seção de fundo (16) para um reservatório de coluna (28) no interior da coluna (1), e um teto geralmente horizontal (11) acima do bocal de entrada de gás de alimentação (20) entre a parede defletora cilíndrica interior (12) e a parede de carcaça (15) para definir um canal de fluxo de gás geralmente circunferencial (14) formado entre a parede de carcaça (15) e a parede defletora cilíndrica interior (12), em que o dito teto (11) compreende uma abertura (21).
2. Distribuidor de gás (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a coluna (1) é uma coluna fracionadora principal.
3. Distribuidor de gás (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a seção de fundo (13) tem formato de cone e se conforma ao contorno da parede de carcaça (15) da coluna (1).
4. Distribuidor de gás (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a coluna (1) compreende adicionalmente embalagem e/ou bandejas (40) acima do distribuidor de gás (10).
5. Distribuidor de gás (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o teto (11) compreende pelo menos uma seção de teto (29A, 29B, 29C, 29D).
6. Distribuidor de gás (10), de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma seção de teto (29A, 29B, 29C, 29D) é uma placa plana com pelo menos uma perfuração (42) e/ou chaminé (24).
7. Distribuidor de gás (10), de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma chaminé (24) tem uma cobertura alta.
8. Distribuidor de gás (10), de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a seção de teto (29A, 29B, 29C, 29D) compreende bastões (43) separados por pelo menos cerca de 2,5 centímetros (1 polegada).
9. Distribuidor de gás (10), de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a seção de teto (29A, 29B, 29C, 29D) é corrugada com pelo menos uma perfuração (42) e/ou chaminé (24).
10. Distribuidor de gás (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que há uma pluralidade de aberturas (24,42) entre o teto (11) e a parede defletora cilíndrica interior (12), e o teto (11) e a parede de carcaça (15).
11. Distribuidor de gás (10), de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a seção de teto (29A, 29B, 29C, 29D) é pelo menos uma selecionada do grupo que consiste em uma placa plana com pelo menos uma perfuração (42) e/ou chaminé (24), uma seção que compreende bastões (43) separados por pelo menos cerca de 2,5 centímetros (1 polegada) e uma seção de teto (29A, 29B, 29C, 29D) corrugada com pelo menos uma perfuração (42) e/ou chaminé (24).
12. Distribuidor de gás (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a abertura (21) é uma janela de ventilação.
13. Distribuidor de gás (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a seção de fundo (13) compreende adicionalmente pelo menos uma abertura de transbordamento (27).
14. Distribuidor de gás (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os segmentos de parede defletora cilíndrica interior (12) segmentada são dimensionados para encaixarem através de um duto de passagem.
15. Distribuidor de gás (10), de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que as seções de teto (11) são dimensionadas para encaixarem através de um duto de passagem.
16. Distribuidor de gás (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a seção de fundo (13) compreende segmentos de seção de fundo (13A).
17. Distribuidor de gás (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender adicionalmente um tubo de dreno (18) em conexão fluida com a abertura de seção de fundo (16).
18. Distribuidor de gás (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o gás de alimentação (30) superaquecido é distribuído para uma área acima do distribuidor de gás (10) de maneira substancialmente uniforme.
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