CN104053750A

CN104053750A - 对烃类进行溶剂脱沥青的改进方法

Info

Publication number: CN104053750A
Application number: CN201280051797.7A
Authority: CN
Inventors: 汤姆·科斯卡登; 格雷格·迪杜奇; 达米安·霍金; 达留斯·雷梅萨特; 吉姆·卡恩斯
Original assignee: Meg Energy Co
Current assignee: Meg Energy Co; Meg Energy Corp
Priority date: 2011-10-19
Filing date: 2012-08-03
Publication date: 2014-09-17
Also published as: CA2785289C; US20160040079A1; EP2768927A4; BR112014009332A2; MX2014004573A; CA2785289A1; AU2012325639A1; HK1202303A1; RU2014119680A; EP2768927A1; JP2014532110A; US20130098735A1; WO2013056361A1; SG11201401623SA; KR20140092829A

Abstract

提供了对现有溶剂脱沥青(SDA)工艺进行提高改进以降低处理烃流的资金和运营成本，通过对现有SDA方案进行修改以包括适当设置的带混合功能的沉淀器(MEP)，从而降低沥青质分离步骤中溶剂的使用要求并且增加SDA工艺的整体可靠性，尤其适于加拿大沥青（Canadian Bitumen）。当与温和型热裂化器集成时，改进后的SDA配置无需额外的稀释剂进一步提高了管道适应型原油产率，并用于现有设备的，例如残余物裂解器和焦炼装置的，故障排除。

Description

对烃类进行溶剂脱沥青的改进方法

本申请要求于2011年10月19日提交的美国临时专利申请号61/548,915的优先权。

技术领域

本发明涉及通过新型的后生产（post-production）工艺改善脱沥青来改善生产的沥青，尤其是（但不限于）加拿大沥青。

背景技术

现有技术中的SDA方案：

溶剂脱沥青("SDA")为炼油设备中采用的用以从前序操作中得到的渣油中提取有价值组分的工艺。所提取的组分可以在炼油设备中进行进一步加工，在炼油设备中，它们被裂化并转化成有价值的更轻质馏分，如汽油和柴油。可以在溶剂脱沥青过程中使用的合适渣油原料包括，例如，常压塔底部、真空塔底部、原油、拔顶原油（topped crude oils）、煤馏油提取物、页岩油和从油砂中回收的油。

溶剂脱沥青工艺为已知的且其中许多在公开的现有技术中有描述，例如在Smith的美国专利号2,850,431、Van Pool的美国专利号3,318,804、King等人的美国专利号3,516,928、Somekh等人的美国专利号3,714,033、Kosseim等人的美国专利号3,714,034、Yan的美国专利号3,968,023、Beavon的美国专利号4,017,383、Bushnell等人的美国专利号4,125,458和Vidueira等人的美国专利4,260,476中有描述，所有这些专利均受益于可以减少溶剂与油的比例和/或改善所需烃类产品的回收这样的进一步节省能源和增强性能的特征。

现有技术中对产生沥青质富集流的SDA进行处理:

在美国专利号4,421,639中，SDA工艺使用了第2个沥青提取机来浓缩沥青质材料（并回收更多的脱沥青油）。添加有溶剂的浓缩沥青流穿过加热器，将浓缩沥青流的温度在18psia下升至425°F，然后被送入闪蒸罐（flashdrum）和汽提塔，以将溶剂（在此情况下为丙烷）从该浓缩沥青流中分离。液体形式的沥青产品泵入贮存器。这种设置只有当沥青富集流在这些条件下为液体时才有效。如果在沥青质富集流中存在任何可察觉的固体沥青质，例如沥青中，则存在堵塞问题，因此所述工艺具有高的溶剂要求。

在美国专利号3,847,751中，将从SDA单元生产的浓缩沥青质与溶剂混合并以液体溶液形式传送到喷雾干燥器中。该干燥器中的喷嘴设计和压降决定了所形成的液滴的尺寸。轻质烃类（溶剂）液滴越小，其越快完全闪蒸为蒸汽。重质烃类（沥青质）颗粒越小，通过辐射和传导以冷却重质液滴所进行的热传递的可用的每单位体积/质量的表面积就越大。干燥器中的目的是产生干的、非粘性固体沥青质颗粒。向喷雾干燥器底部添加冷气体，以通过额外的对流和传导热传递加强冷却以及通过减慢液滴下降率（通过向上的冷却气流）来增加液滴的停留时间，以便减小容器（该容器往往是非常大的）的尺寸。如果，在过程操作温度下，萃取器中已经沉降出的沥青质颗粒在溶剂中为固体形式，则这种设置不可行。固体颗粒会堵塞喷雾干燥器的喷嘴，限制了该方案在固体沥青质富集流中的可靠性并由此限制了其可行性。

在美国专利号4,278,529中，公开了通过减压将溶剂从沥青材料中分离出而不携带沥青材料的遗留物的方法。含有沥青材料和溶剂的类似流体相中的原料通过穿过减压阀经受减压过程，然后被引入汽提塔中。所述减压过程蒸发掉部分溶剂，并且还分散了溶剂中的细沥青粒子喷雾。剩余沥青质仍然是湿粘性的，并且没有剩下足够的溶剂将重质沥青相（具有许多固体）保持为流体。

美国专利号4,572,781公开了一种将具有高软化点（温度）的实质上干燥的沥青质从重质烃类材料中进行分离的SDA工艺，该工艺使用离心滗析器用以将液相从固体沥青质的高浓缩浆料中进行分离。这种工艺被设计为用于处理具有固体颗粒的沥青质富集流，但却是一种高度昂贵的工艺，因为固体的分离是通过固/液分离并且需要额外的溶剂以使材料流至滗析器来完成的。该固体材料一旦分离仍然相对较湿，并且需要进一步的干燥步骤来将溶剂回收为蒸气。然后需要将回收的溶剂蒸汽冷凝以再利用，这是另一个增加复杂性的高能量步骤。

在美国专利号7,597,794中，将分散溶剂在通过溶剂萃取法分离后引入沥青流中，所得到的沥青溶液在气-固分离器中经历快速变化并被分散成固体颗粒和溶剂蒸气，导致沥青与溶剂的低温分离，其中，所述沥青颗粒具有可调整的尺寸。此处公开的使用液体溶剂作为传输介质的闪蒸/喷雾干燥器的难题在于在该集成工艺（integrated process）中产生的沥青质在闪蒸干燥阶段之前、期间和之后具有保持湿润的倾向。另外，伴随这种集成工艺，沥青质在升高温度下继续液化。湿的沥青质附着表面，污染并堵塞加工设备。这种方法固有的降低的可靠性使得这些操作对于具有高沥青质含量的重质原油而言是昂贵的。

在美国专利号7,964,090中，公开了一种使用SDA和气化作用改质（upgrading）重质沥青质原油的方法。通过将包含一种或多种沥青质和一种或多种非沥青质的烃类与溶剂进行混合生成进入气化器的流，其中，溶剂与烃的比例为约2:1至约10:1。所得沥青质富集流作为液体从SDA转移到气化器。传输中使用的大量溶剂在气化器中被消耗，并且价值上降级成燃气等效物。由于沥青质倾向于是液体，使用上述量的溶剂传送该材料是可行的。对于固体沥青质而言，这种方法将需要多10-20倍的溶剂进行传送，并且该方法中将消耗大批量的昂贵溶剂且其价值被降低。

在美国专利号4,572,781中，公开了一种使用溶剂将实质上干燥的沥青质从重质烃类材料中进行分离的方法。液萃取（滗析器）以产生DAO产品及随后螺旋传送沥青质浆料这两个阶段和在喷雾干燥器和分离器中进行固-气分离以产生干沥青质的这两个阶段，构成了该专利的范围。在DAO生产过程中生成干沥青质副产物的这种理念是可行的，该专利在这方面具有指导意义和教育意义。然而，该方法背负的问题在于，得到DAO产物和干沥青质产物这两种产物需要许多方法步骤。此外，在滗析步骤中生成固体沥青质所需的操作条件对于加拿大沥青而言不起作用。在该专利中设置的条件下，(<150℃)，在上游分馏塔中，无论对加拿大沥青进行热转化还是分离，其均不会流动并且会堵塞***。在替代实施例中，美国专利'781用蒸发器替代喷雾干燥器，并向该过程中添加水/表面活性剂以辅助分离溶剂。对处理步骤没有进行简化，并且添加了其他材料，增加了操作的复杂性。

现有技术中炼油和改质方面的SDA方案：

在美国专利7,749,378中，将ROSE（渣油超临界萃取）SDA工艺应用于炼油设备或改质设备内的常压渣油或真空塔底渣流。从ROSE SDA单元中分离的沥青质富集流是一种很粘且需要苛刻操作条件（高温）和添加溶剂以便原料流经处理设备的液体溶液，所述处理设备是充分加强的和昂贵的。该工艺没有使固体沥青质经历温和的热裂化过程，因此不会使沥青质从粘性转变为易脆质地，并且该工艺主要依靠过多的溶剂来传输稀释形式的沥青质流。

公开的所述ROSE SDA工艺所针对的实施例需要至少4:1的溶剂与油（渣油）的比例（质量比）并且萃取器的操作温度在300-400°F范围内。在实践中，所述操作温度必须甚至更高或者必须加强溶剂流以防止沥青质富集流堵塞该工艺。在此设置中，大部分原始原料是从原油中降级的并被送入低转化设备（即焦化器，气化装置）或低价值操作单元（沥青厂），降低了原油的整体经济产率（除了相对较高工艺操作强度）。

集成烃类裂化和SDA方案的需求性:

已公开了将重质烃流（例如，油砂沥青）转化和/或调节成可管道传输的且炼油设备可接受的原油的方法。值得注意的是，已经提出了热裂化、催化裂化、溶剂脱沥青及所有这三者的组合（例如，减粘裂化和溶剂脱沥青），用以转换沥青，从而改善其传输特性和用作炼油设备原料的特性。

以下公开的本发明的益处可以在下述背景下进行理解：美国专利号7,976,695中所述的热裂化单元的操作以及通过将该专利(‘695)的热裂化器的操作与美国专利申请号13/037,185中的SDA进行结合而产生的实例。

图A示出了两种类型的沥青质分子的排列。这些分子很复杂，具有长侧链，所述长侧链表明高分子量的沥青烃分子和极大的焦炭化倾向，如由高的MCR（微残炭（micro-carbon residue））值所示。

此外，这些长侧链容易与其他类似分子缠结，构成难以处理的大的粘性团块。向这些粘性团块添加直接的、强烈的、瞬时热量，产生大量的焦炭和轻质气体。快速冷却产生缩合反应，生成具有长侧链的不同构型的复杂沥青质，它们在进一步的下游加工中同样难以处理。

图A–表示来自不同来源的沥青质分子的平均分子结构:A,来自传统重质原油的沥青质;B,来自加拿大沥青的沥青质(Sheremata等人,2004)。

受控的温和型热裂化器以一种方式产生沥青分子长侧链裂解的受热影响的沥青质，使得保留了这些分子的核心结构，该沥青质类似于惰性焦炭颗粒。通常溶解沥青质的树脂也受到热影响，导致沥青质的溶解性减小，使得发生沉淀。一旦沉淀，这些改性的沥青质颗粒在升高温度下保持固体。裂解的侧链在分离后变成主要为轻质的烃类液体分子，当这些液体分子被收集后可以提高管道适应型原油的整体经济产率。

在美国专利号4,454,023中，公开了一种粘性重质烃油的处理方法，该方法包括以下步骤：对该烃油进行减粘裂化；分馏所减粘裂化的烃油；在两阶段的脱沥青方法中对所述减粘裂化的烃油的非馏出部分进行溶剂脱沥青，生成分离的沥青质、树脂和脱沥青的油馏分；将所述脱沥青的油馏分（“DAO”）与减粘裂化的馏出物进行混合；以及将来自脱沥青步骤的树脂与最初传送到减粘裂化器的原料进行回收和结合。美国专利4,454,023提供了一种用于改质比加拿大沥青更轻质的烃类（API比重>15）的装置，但是，当该装置与加拿大沥青一起使用时，如果不当热裂化会产生使烃流过度裂化和焦炭化的问题，以及用以将树脂馏分从DAO分离的添加溶剂萃取阶段会产生复杂性及成本问题。需要回收部分树脂流以生产满足管道传输规格的产品并且所述回收增加了操作成本以及操作的复杂性和工艺强度。

典型的热裂化器，如减粘裂化器，不会明显改善复杂加拿大沥青的沥青质分子的特性。在升高温度下，这些沥青质分子将变成液体并具有很高的粘性。

当这些典型的减粘裂化器与SDA工艺集成时，来自SDA工艺的液相溶剂通常用于将这些分离的沥青质作为浆料传送给副产物处理操作单元（气化装置、喷雾干燥器或沥青厂）。

在美国专利申请2007/0125686中，公开了一种方法，其中，首先，重质烃流通过蒸馏分离成各种馏分，其中重质组分被送至温和的热裂化器（减粘裂化器）中。来自该温和型热裂化器的其余重质液体在一个现有的SDA单元中进行溶剂脱沥青化。从SDA分离出的沥青质被用作气化器的进料。将所得到的脱沥青油与冷凝的温和型热裂化器蒸汽混合，形成混合产物。标准的减粘裂化面临的挑战是，早期生成焦炭而不影响沥青质的特性。将沥青质与SDA溶剂混合并作为液体浆料送至气化器。高成本的溶剂在气化器中被消耗，增加了整个操作的资金和运营成本，而且也增加了该方法的碳足迹（carbon footprint）和工艺强度。

现有技术中的静态混合器和原始沥青（Primary Bitumen）加工：

炼油行业惯例使用静态混合器来混合两种流，通常为轻质烃流和重质烃流。当这两种流具有类似的粘度并且流动状态在湍流区域中时，静态混合器是有用的。当这两种流的粘度相差大于1000倍时，静态混合器无法良好的将它们混合。此外，对于处理具有高污染性倾向的一种或多种流，诸如改性沥青质流，静态混合器会产生流动限制点、加大暴露于所述流的表面积和不规则壁特征，并且增加了结垢的可能性。

静态混合器已被用来尝试混合溶剂和原油以加强在沥青萃取器中的脱沥青过程。然而，由于重质原油和溶剂之间很大的粘度差异（差异超过1000倍），该申请中的静态混合器并没有提供任何显著的益处。

现有技术中在原油冶炼/油砂改质过程中的旋转剪切混合装置：

高剪切混合器被认为在原油冶炼应用中能够改善该原油的流动性能。在美国专利申请2011/0028573中，剪切混合器用于通过将原油引入高剪切混合装置内的轻质气体来试图增加该原油的API比重。高剪切力基本上将气体“夹带”到原油中。在标称沉降时间之后，所述气体将从原油中释放出，尤其是在温热的温度下，由此影响原油上的RVP（雷德蒸汽压（Reid vapour pressure）），从而限制该申请的剪切混合在原油冶炼中的益处，并且导致不适于管道传输和泵送的双相流体的增加。尽管该申请证实了能够充分混合具有不同相对密度（和粘度）的两个不同相的材料。

在加拿大油砂中，已将具有旋转盘的容器用于研究，用以确定沥青在有机溶剂中的溶解速率。R.Ulrich等人（《将旋转盘法应用于沥青溶解到有机溶剂的研究》，加拿大化工（Application of the Rotating Disk Method to the Studyof Bitumen Dissolution into Organic Solvents,Canadian Journal of ChemicalEngineering）,第69卷,1991年8月）发现，随着旋转盘中剪变度的增加，沥青溶解性对溶剂类型越不敏感度。Foster Wheeler(美国专利号4088540)已在他们的工业沥青萃取器中将这项发现应用于现有的工业SDA单元，但是，该活动机械装置存在可靠性问题，尤其在处理来自加拿大沥青的沉淀的固体沥青质时。他们的目标是通过混合来产生轻质液体和重质液体烃类产物流。在Foster Wheeler方法中，沉淀的沥青质容易污染萃取器容器内的旋转盘。

发明内容

应当理解，对于本领域技术人员而言，本发明的其他方面将从下面的详细描述中变得显而易见，其中，通过举例说明的方式对本发明的各种实施例进行示出和描述。正如将要认识到的，本发明能够用于其他不同实施例中，且其若干细节能够在多个其他方面进行修改，所有这些均不偏离本发明的精神和范围。相应地，附图和详细描述应被视为说明性的而不是限制性的。

在一实施例中，带混合功能的沉淀器（Mixing Enabled Precipitator，MEP）支持连续方法将两种不同粘度的流体进行完全和迅速混合，其中，粘度差的大小至少为100,000。一实施例的MEP通过改变下游分离的来自重质烃流的沥青质颗粒在混合流中的的溶解特性，来提供增强传质以加速固体沥青质的沉淀。

在一实施例中，MEP提供几乎与混合即时的沉淀，并且通过解开烃链增强传质。该装置可以通过裂化加拿大沥青分子的侧链并产生另外的有用烃类产物来改变沥青质分子的特性。在一实施例中，MEP中沉淀的并且被传送出该装置的固体可以在10μm到900μm的范围内。在一优选实施例中，该MEP可以最佳在3-40的剪切数范围内运行。

在另一实施例中，可以将现有技术中的SDA方案修改为：包括适当放置的带混合功能的沉淀器（MEP）以减少沥青质分离步骤中需要使用的溶剂量，并提高SDA工艺的整体可靠性，特别适用于加拿大沥青。当与温和型热裂化器集成时，本实施例改进后的SDA配置可以进一步提高原油产率，尤其是对于希望不使用额外的稀释剂生产管道适应型原油（pipeline-ready crude）的石油生产者、以及对于希望排除现有设备的瓶颈环节的炼油厂/改质厂而言，例如残余加氢裂化器和焦化单元。

附图说明

图1描绘了根据所描述的一个或多个实施例的示意性SDA工艺，包括用以改善溶剂脱沥青的带混合功能的沉淀器（MEP），用惯性分离器来增强固体沥青质分离。

图2描绘了根据所述一个或多个实施例基于图1的进一步增强的SDA，示出了用以改善溶剂脱沥青的次级MEP和沥青萃取器配置。

图3描绘了根据所述一个或多个实施例的集成温和型热裂化的示例性应用及与图2类似的改善的溶剂脱沥青工艺。

图4描绘了根据所述一个或多个实施例的集成温和型热裂化的示例性应用及改善的溶剂脱沥青工艺，具有在现有改质设备或炼油设备内适当设置的带真空和/或焦化单元的剪切混合装置。

图5描绘了根据所述一个或多个实施例的图4中的集成温和型热裂化的具体示例性应用及改善的溶剂脱沥青工艺，具有适当设置的剪切混合装置，该装置将送入加氢裂化、渣油加氢裂化和气化单元的集成裂化器/改进SDA中的各种产物进料给现有改质设备或炼油设备中的真空塔底流。

图6描绘了具有接收容器（沥青质分离器）的MEP的具体示例性配置的强化过程，该MEP用以分离沉淀的固体沥青质和DAO/溶剂混合物。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的各种实施方案进行详细描述，其并不是旨在表示基于发明人所构思的全部实施例。出于全面理解本发明的的目的，所述详细描述包括具体细节。然而，对本领域技术人员显而易见的是，本发明可以在没有这些具体细节的情况下实施。

图1为工艺流程示意图，描述了使用现有SDA工艺并添加了带混合功能的沉淀器（MEP）30的改善后SDA工艺，其应用于重质烃（例如，加拿大沥青）流5用以实现与溶剂的混合以便产生适合作为炼油设备和管道进料的产物流82、100和102的多种组合的混合烃类。

将新鲜补充溶剂组分（make-up）添加到流中1，并通过其他流101和122从该过程中回收溶剂。将混合流14加热到适当的温度（275-400°F范围），并通过MEP30传送。由于沥青质富集流和溶剂（轻质烃类，如丁烷到庚烷）之间的这种大的粘度差异，在不存在MEP或主动混合设备（active mixingdevice）的情况下，已证明静态混合器不能提供充分的混合，因而需要额外的溶剂来强制混合。然而，在添加更多溶剂到某个程度之后，这两种液体（溶剂和沥青质富集流）将在输送管道中表现出分层，由此限制了所述液体在沥青萃取器/分离器之前的管道中进行任何预混合。理论上，可以减小静态混合器的开口面积，以改善混合，但实际上，当处理沥青质富集流时，开口面积减小的混合器会发生堵塞。

快速/完全（如，高剪切）混合和原始沥青的加工：

原始重质原油加工的现有技术均不涉及在溶剂脱沥青单元的上游直接使用快速/完全（如，高剪切）混合。另外，通过预先设计避免了将沥青质直接沉淀成固体形式，这是所不希望的结果。将快速/完全混合应用于石油工业迄今均着眼于从砂中进行沥青的最初萃取以及加工油砂残渣（以下专利中所述的回收工艺流（reclamation process stream）：美国专利#7,758,746,美国专利#7,867,385,美国专利#7,585,407等）。

申请人将MEP30应用于脱沥青业务的试验工厂，来提高对所涉及的两种粘度差异极大的液体（沥青质富集流和轻质烃类溶剂）的混合，以促进固体的沉淀。

快速/完全混合的这项新的应用可以提供以下益处，其被认为是通过下述任一者或者两者而产生：

1.使溶剂与油产生密切接触，得到了：

a.降低的S/O比例，以使产品满足相同的产率/品质，降低运营成本。

b.通过减少停留时间来减小设备尺寸，以在恒定的S/O比例下使产品满足相同产率/质量。

c.去除任何传质的需要和/或在沥青萃取器内混合内部构件的需要，从而经济地提高整个过程的可靠性——建立简单的澄清器或沥青质分离器。

d.减少溶剂损失。

e.促进沥青质固体的快速沉淀。

2.增加作用于长链的、缠结的沥青质分子上的力（如，剪切力），首先，解开并且分离这些分子，其次，在理论上打破任何原本可以将树脂/沥青质保持在一起的弱键/吸引力（极性）以形成“较大的”沥青质结构。这可以：

a.通过从DAO/树脂更好地分离出沥青质来增加液体DAO/树脂产率，从而使DAO和沥青质之间的溶解性发生变化。

b.增加除去可以保持在这些具有极小/没有吸引力的更大分子中的金属的可能性。

c.增强沥青质固体的快速沉淀。

MEP成功地解决了密切混合（intimately mixing）溶剂的高粘度流（即，沥青）和低粘度流（即，低分子量的烃类，如丁烷、戊烷、己烷或庚烷或其混合物）的难题。所述快速/完完混合产生标准的和相对均质的具有多种成分的混合物，这些成分原本不会自然地如此密切或充分混合。据认为，高剪切（湍动）用于为传质保持高的溶解驱动力：随着湍动的加剧，改善传质，并实现完全混合。当实现即时混合时，得到所需的沥青质从沥青和轻质溶剂中快速沉淀出。

作为实现所需混合的一个例子，可以应用MEP来产生快速/完全混合，以促进必要的湍动。有多种方法来产生剪切力。出于处理高剪切混合装置中的固体沉淀的考虑，下面是该装置的一个优选实施例。该装置可利用通常在相当高的旋转速度下运行的转子和固定的定子，来生产高的转子叶尖速率（rotor tip speed）。可以应用具有不同程度剪切力产生的多个转子和定子。转子和定子之间的差速在所述转子和所述定子之间的间隙中赋予极高的剪切力和湍动能量。因此，当预测输入到所述两种流的混合中的剪切量时，转子叶尖速率是一个重要因素。转子叶尖速率，即转子直径和旋转速度的函数，可通过方程式（1）表示

(1)

V = πDn (in \frac{m}{s})

其中，D为以米计的转子的直径，n是以rpm计的转子的旋转速度。方程式（1）表示转子尺寸和其旋转速率的关系。转子叶尖速率以[单元]计。当配置了多个转子叶片时，这种测量是所有叶片的叶尖速率的总和。

此外，转子和定子之间的间隙距离将有助于剪切量。用于计算转子和定子之间间隙中的剪切的方程式如（2）中所示：

(2)

S_{r} = \frac{V}{g} (s^{- 1})

其中S_r为剪切速率，g是以米计的转子和定子之间的间隙。剪切速率通常用来描述高剪切混合器的性能。涉及多个转子尖端（叶片）时，这一因素已在方程式1中计算V（叶尖速率）时考虑到了。

另一个重要因素是剪切频率，f_s，或转子和定子开口啮合的发生数目。

剪切频率考虑了剪切混合器的几何形状，由方程式(3)给出：

(3)

f_{s} = N_{r} N_{s} \frac{n}{60} (s^{- 1})

其中，N_r表示转子叶片的数目，N_s表示定子开口的数目。

经验上有用的剪切计算提供了剪切次数（S），剪切次数是剪切频率和剪切速率的关系（叶尖速率的直接函数）。方程式（4）示出了设计无量纲剪切数的方法，该无量纲剪切数提供用于比较两个（或更多）混合装置的剪切效应的方法。

(4)

S = \frac{S_{r}}{f_{s}}

在上述基础上，已确定出，在3-40范围内的剪切数可以最适合于本申请来成功完成将沥青质富集材料和溶剂进行所需的即时密切混合，使得固体沥青质快速沉淀。在一优选实施例中，最佳剪切数在8-14范围内。大于50的剪切数可能使产生的剪切和获得的益处的回报率减小（即,向流体提供力的成本）。上述增强的剪切速率与适当增加的解开缠结的作用或混合作用并不相称。

当考虑转子-定子设计时，可以存在多个定子和转子，并且剪切数必须适用于每行中的每个转子。

所述MEP需要产生高剪切力，以促进两种烃流的即时和快速混合（传质，其加速沥青质的沉淀），以生成沉淀的固体沥青质，而且允许所得到的固/液混合物在该装置内连续传输。

所述MEP的混合部分（通常为一组或多组转子和定子）必须适应该装置内大量沥青质固体的沉淀/生成和存在。所述MEP的设计必须平衡对高剪切力的要求，以促进沥青质沉淀，并且使该装置内具有足够的开口（opening）以允许固体通过和排出该装置。所述MEP的出口必须具有腔室用以接收并容纳在该装置内生成的/沉淀的固体，或提供将所述MEP中的材料推出到输送管或沉降容器（沥青质分离器）的压力差。所述腔室可以开放或配备有蜗轮（volute）和/或叶轮，以促进固/液混合物从所述MEP输送出。

在一优选实施例中，MEP能够传递尺寸范围为10μm直至900μm的固体颗粒并使其悬浮在液体混合物中。

将MEP设置在具有加工内部构件的标准沥青萃取器上游的一个主要益处在于，所述MEP中的密切混合能省去沥青萃取器内静态或移动混合内部构件的必要性。所沉淀的固体沥青质具有高污垢性，因此消除***中的任何限制是有利的并可降低工艺强度。可以使用简单的沥青质分离器来代替萃取器。

本申请中的快速/完全MEP装置的另一个主要益处在于，相对于静态混合器，其S/O比例降低了至少30％。这导致以更小的分离器设备和更少的运行成本（即，循环溶剂液体和回收/补充设备（make-up facility））来通过静态混合生产相同产率/质量的产品。由快速/完全MEP装置向沥青质的任何剩余的共混合（co-mingled）的长链和中等链的部分上施加的增加的力还可以有助于使溶剂与沥青质更密切地混合，以促使沥青质快速有效地从溶液中沉淀出。即使将快速/完全MEP混合所增加的（相对低的）功率要求包括进去之后，通过更低的溶剂与油的比例实现显著的节约并且降低了工艺强度。

在这些低的溶剂与油的比例下，在萃取器40中处理之后，沥青质被认为基本上是无油的，并且可以从萃取器/分离器中除去并作为流42通过流化气体传输（类似于其它工业设备中的焦炭和煤的常规输送）到惯性分离器60，用于将固体从任何夹带的液体和传送气体中分离，以便产生用于进一步处理的易于储存和运输的干燥固体。

在传输温度范围内，将输送线，即流42，加热到尽可能多地蒸发出溶剂而且仍保持沥青质处于固体状态，所述传输温度通过在操作中调节而容易地建立，但在150-300℃范围内。这可以取决于所用的输入原料和溶剂。

额外的溶剂，如现有技术中所使用的，不必作为该过程中的传输介质被添加/消耗。在常规***中，需要约4-10倍的SDA所需的溶剂来传输固体沥青质而不会产生堵塞。

另外，提供了具有大的开口面积且几何形状有助于将固体从气体和连续固体流中分离的惯性分离器60，代替如喷雾干燥器等需要限制（喷嘴）来促进固体/气体分离的设备——其很容易堵塞。

将气体流4在塔4的底部出口注入，以促进固体的流动。将流3中的溶剂加入到萃取器以提高DAO萃取。流42中的气体连同任何夹带的溶剂结束在惯性分离器60中。将来自该惯性分离器的蒸气在交换器110中冷却，并在闪蒸罐120中进行分离。将回收的液体溶剂流122与流1混合，以在该过程中重复使用。流121，即流化的气体，被分离出并重复使用。

如在其它SDA工艺中，对从单元40萃取的DAO进行进一步处理以从DAO中分离出溶剂。如有必要，流41具有从流2添加的溶剂并被加热，以减少溶剂中DAO的溶解性以便开始相分离。使用加热器90，或如果需要树脂产物的话，使用加热器70，来加热流41。

可使用超临界条件来将单元100中的溶剂从DAO分离出，所述单元100通常包括溶剂萃取塔和低压汽提塔。

流102是高度浓缩的DAO流，而流101是在该过程中回收的溶剂。如果需要树脂产品，则可以使用配有萃取塔和低压汽提塔的树脂萃取单元190。将流41加热并进入单元80中，在溶剂萃取单元100中生成待处理的树脂富集流82和DAO/溶剂富集流81。

在另一个方面中，图2示出了该MEP的另一种设置，用以改善DAO萃取，此时第二沥青质萃取器/沉降器，即单元50，用于SDA工艺中。这一第二种MEP产生如将MEP放置在主要萃取器前面一样的相同类型的益处。本质上，MEP可以有利地与任何萃取塔偶联，所述萃取塔被设计用以从DAO分离出沥青质，且在本发明中MEP可以被分类为沥青质分离器或沉降器/分离器。

所述第二沥青质萃取器50用于增加来自该工艺的产物烃的总回收率，并确保所有的油在送到惯性分离器60之前从流42中去除。此外，单元50降低了溶剂的整体循环速率。

在这种情况下，替代将流42直接送至所述第二沥青质萃取器，将流42送到MEP230，以提供对沥青质进行加强混合，从而使得溶剂与该沥青质密切并快速混合。

传统意义上，并且在通常的当前实践中，以树脂萃取器80的形式对初始脱沥青的油实施额外的溶剂萃取，用以提供分离的脱沥青的重质油流82。这一特征也包括在本发明的方法中。作为一种改进，由萃取器50在沥青质富集流上进行的额外溶剂萃取步骤使用标准的液-液萃取并且具有本设计中所包括的MEP230，其中，所用溶剂与在初始萃取器40中所用的相同。该MEP230的设置和沥青质-富集流上标准液-液塔的设置是新的并且是有益的，因为该塔内溶剂与油的比例可进一步减小至5:1（通常10到20:1）以增加脱沥青油的回收并减小溶剂的总用量。

将流3中的溶剂加入到沥青质富集流41至非常高的溶剂与油的比例，并进一步冷却以增强沥青质沉淀并由此将油回收到塔50内。

将脱沥青的油流51送至树脂萃取器80，以进行进一步炼制用于产物混合。

来自所述第二沥青质萃取塔50的塔底流，如塔40的塔底流，为浓缩的沥青质并变为流52，并且通过流4中的气体送到惯性分离器60用于固体分离、干燥和储存。

应注意的是，本发明可以在一个或两个位置处包含一个或两个MEP混合装置。

在该工艺中，使用快速/完全混合装置230和第二沥青质塔50的组合来实现高的烃回收率的总体溶剂用量比使用静态混合器时约少15-30％。结果是，与现有技术的3-阶段萃取工艺的状态相比，显著减少了能量消耗。这种可以将这种包括MEP230和塔50的高效能溶剂萃取方案应用于现有公开技术中操作的溶剂萃取方案，以通过降低溶剂的总体循环来进一步提高原油产率和/或降低运营成本。在另一个方面中，可以使用该新的方案作为在重油回收方面对设计进行的改进，所述重油回收通常使用现有技术中的溶剂脱沥青技术。

如图1所示，将流41中的脱沥青油与类似的溶剂进行混合，如有必要，通过热交换器70将温度升高，以沉淀出任何树脂并将夹带的沥青质保留在单元80中，即树脂萃取器中。在该树脂萃取器底部与最终产物混合，而将流81在交换器90中进一步加热，并送至溶剂回收单元120。溶剂回收单元120通常作为超临界萃取器运行，以降低运行成本，其中，在脱沥青油上设置汽提塔来将溶剂损耗减少到低于1％。将回收的溶剂流101回收到该工艺的前面部分用于再利用，而将流102与流12和82混合用作产物。

图1和图2中所示的增强的SDA方案的有利应用在于该SDA配置与图3所示的现有技术中的常规温和型热裂化器进行集成。一优选实施例是将美国专利#7,976,695中的热裂化器与本发明中的MEP/分离器配置进行集成。

通过对该构思的试验性测试证实了，将受热影响的沥青质重组在一起，产生了更高分子量的沥青质。所述沥青质分子尺寸范围为5um到500um，具有热稳定性，在升高的温度下保持固态，可与惰性焦炭颗粒进行物理比较，并且在适量溶剂存在下易从油中分离出。MEP30和/或230的应用可以用于解开任何物理结合的沥青质颗粒，以便更容易地进行溶剂分离。

单元10和30对流13的影响在于需要在沥青萃取器（现在的沥青质分离器）40中进行非常简单的分离。流1中所需要的用以与流13进行混合的溶剂量远小于工业应用中沥青所需的溶剂量（以质量计为8-9:1），约在2-4:1的溶剂与油的比例范围内。该溶剂可以是C4-C9，或适当的混合物。所述萃取器产生脱沥青油流41和逐渐浓缩的固态、稳定且非粘性的沥青质富集流42。

如表1所示，这种集成工艺提供了比其它传统设置的改质方法更高的产率。伴随这种产物优势的还有，由于使用惯性分离器60投资成本降低，以及由反应器10、MEP30和/或230以及第二沥青质萃取塔50生成的受热影响的沥青质的运营成本节省，使得所述集成工艺成为增加炼油设备和改质设备的长期利润和可持续性的有价值工具。

表1–产物产率的比较

除了将本发明应用于全新首建厂房（new greenfield plant）设计环境中之外，图4示出了集成控制的热裂化器和具有MEP的改进后SDA的示例性应用。所提出的集成工艺，即，反应器10，和具有适当放置的MEP（30和/或230，如有需要）的改进的SDA，以及沥青质回收，即，20-120项，可以放置在炼油设备/改质设备的焦化单元的上游。对于炼油设备/改质设备的益处在于能够排除现有真空及焦化设备的故障以及接受更重质原油到该单元。在现有设备上加工的桶数越多，相对于相似的资金成本而言具有更大的利润和经济回报。此外，随着更高质量的材料被送至焦化单元300，可以减少操作的苛刻性，通过增加焦化器的循环周期时间（从12至24小时）从而增加了该焦化器的寿命，并且产生更少的气体和焦炭和更多的高价值产物。可推迟用以更换设备的资金成本，且可以实现产率的增加（约2-3％）。在所述SDA中捕获的固体沥青质具有容易获得的配置，流302，现有的焦炭收集和传输***，使得所提出的集成工艺的添加更具成本效益和高额利润。工艺强度可被降低。

另外，例如，流5可以是来自常压塔、真空塔或催化裂化单元的塔底流，一般如图4所示称为单元200。集成裂化器和SDA工艺产生了DAO流102，该流可在加氢裂化和加氢处理复合单元400中进一步加工成运输燃料流401。集成的裂化器和具有MEP的SDA工艺也可产生树脂质量流82，该树脂质量流可以被送到一个焦化厂、FCC（流化催化裂化）厂和/或沥青厂用于进一步处理成成品。产生为流61的固体沥青质既可以与单元300中生成的焦炭混合也可以送出装置外（sent off-site）作进一步处理（能源生产和/或封存）。

作为又一个例子，图5示出了炼油设备和/或改质设备的新设计或改进机会（revamp opportunity）的具体实施例。单元200是真空单元，塔底流5被送到集成裂化器/SDA处理单元20-120，所述处理单元具有适当放置的MEP30和/或230。将DAO流102与来自真空单元的流205一起送至加氢裂化和加氢处理单元400。树脂流82从单元20-120中产生并被送至残余物加氢裂化单元500。随着沥青质的变少——所述沥青质在反应时高度放热——被送到单元500，残留物加氢裂化器可以以更高的转化率运行，将更多的材料生产作为最终运输燃料产物。来自单元20-120的固体沥青质流61可以被送至气化单元中用于生成氢。

如图4所示，图5中增加所述集成单元的益处可以包括：

1.使进入设备的原油产率最大

2.如果存在的话，消除瓶颈，或减小焦化单元的尺寸

3.如果存在的话，消除瓶颈，或减小残余物加氢裂化器的尺寸

4.如果存在的话，消除瓶颈，或减小气化单元的尺寸

5.工艺设备的整体碳足迹减少

6.工艺强度降低（整体的效率和经济性增加）

图3中的集成工艺也可以有助于脱硫的（sweet）、低复杂性（水力撇取（hydro-skimming））的炼油设备接受更容易获得的更重质、更廉价的原油，并由此通过接收更宽范围的原料来重新配置炼油资产（refining assets）以获得更大价值。本发明的集成工艺可以放置在炼油设备的前面部分，以提供对更重质原油的初始调节。

图6示出了MEP（40a）和沥青分离器（40b）的优选布置。这两个单元在虚线内被认为是一个操作，其中，40a和40b通常由相对短的输送管隔开。在MEP中的完全的且密切的混合提供了所需的固体沥青质颗粒的沉淀，得到为固/液两相混合物的流41。利用斯托克斯定律（Stokes’Law），从MEP向下的排出物进入澄清容器40b，以使向下流动的沥青质沉降。MEP（40a）和分离器（40b）可以基于加工要求和配置图（plot plan）要求，紧密耦合或通过合适的距离分开。在一个优选实施例中，将40a和40b分类为一个单元，其中，MEP直接排入沉降容器中，所述沉降容器可称为澄清器或沥青质分离器。

在分离器（40b）内，通过将溶剂注入如流3所示容器底部可以产生沥青质洗涤区。溶剂/DAO混合物通过流43离开，而固体沥青质通过流42离开。这两个单元的合并可通过减少可能污染或堵塞传输管道的量来极大地增加整个工艺的可靠性。此外，这种简化的设置降低了整体设备的尺寸（降低了资金成本），并降低了整体的溶剂使用量（降低了运行成本），提供了降低的工艺复杂性。

作为工艺强化的又一个机会，MEP可以是高剪切混合泵，在进行快速/完全混合时，该混合泵包括产生压力。如果高剪切混合泵MEP位于该工艺中的适当位置，则可以去掉对单独泵装置的需要，从而潜在地降低了资金成本并进一步简化了该工艺。

带混合功能的沉淀作用可以用在其它工业中，从对流的实验室分析到涉及沥青质加工（即沥青厂操作）的任何工艺。

带混合功能的沉淀从流实验室分析以任何涉及沥青质处理（即沥青厂操作）的过程。

定义：

本文中使用的以下术语具有如下含义。本节旨在帮助澄清申请人所欲指明的含义。

浆料，一般指液体中的固体浓稠悬浮液。

在化学中，悬浮液是指含有足够大的用于沉降的固体颗粒的非均匀流体。悬浮液基于分散相和分散介质进行分类，其中，分散相实质上是固体，而分散介质可以是固体、液体或气体。

在化学中，溶液是仅由一个相组成的均匀混合物。在这种混合物中，溶质被溶解在被称为溶剂的另一物质中。

乳状液是指一种液体的小球进入不与该液体相溶的另一种液体的混合物。

沉淀是指从溶液中分离出固体物质的过程。

气体力学是指技术的一个分支，它涉及使用加压流体来实现机械运动的研究和应用。

工艺强化是指单独的各操作单元替换或组合成为一个单元，从而改善该工艺的整体性能。类似地，工艺强度表述的是一个相对概念，用于为各操作或设备比较复杂性、资本密集度和运营成本因素的组合。

加拿大沥青是一种石油形式，其以半固体或固体相存在于天然沉积物中。沥青是浓、粘性的原油形式，在储层条件下具有大于10,000厘泊的粘度、小于10°API的API比重，并且通常含有超过15wt％的沥青质。

Claims

1.一种带混合功能的沉淀器(MEP)，其支持连续方法将重质烃流与轻质烃流完全并快速混合用于增强传质，通过改变下游分离的来自所述重质烃流的沥青质颗粒在所得混合流中的溶解特性来加速固体沥青质的沉淀。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述沉淀几乎与所述混合即时。

3.根据权利要求1所述的装置，其通过解开烃链来增强传质。

4.根据权利要求1所述的装置，其通过裂解所包含的加拿大沥青分子的侧链来改变沥青质分子的特性，产生另外的有用烃类产物。

5.根据权利要求1所述的装置，其通过将两种不同流体进行密切混合来增强传质，所述两种不同流体具有至少100,000:1的比较粘度差。

6.根据权利要求1所述的装置，其中，在所述MEP中沉淀并且被传送出该装置的固体在10μm至900μm范围内。

7.根据权利要求1所述的装置，其具有3-40范围内的剪切数。

8.一种设置在第二沥青质萃取器上游的带混合功能的沉淀器(MEP)，其支持连续方法将重质烃流与轻质烃流完全并快速混合用于增强传质，通过改变下游分离的来自所述重质烃流的沥青质颗粒在所得混合流中的溶解特性来加速固体沥青质的沉淀。

9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述沉淀几乎与所述混合即时。

10.根据权利要求8所述的装置，其通过解开烃链来增强传质。

11.根据权利要求8所述的装置，其通过裂解其所处理的加拿大沥青分子的侧链来改变沥青质分子的特性，产生另外的有用烃类产物。

12.根据权利要求8所述的装置，其通过将两种不同流体进行密切混合来增强传质，所述两种不同流体具有至少100,000:1的比较粘度差。

13.根据权利要求8所述的装置，其中，在所述MEP中沉淀并且被传送出该装置的固体在10μm至900μm范围内。

14.根据权利要求8所述的装置，其具有3-40范围内的剪切数。

15.一种设置在温和型热裂化器的上游以改善所述温和型热裂化器的性能并提高沥青加工的产率的带混合功能的沉淀器(MEP)，其支持连续方法将重质烃流与轻质烃流完全并快速混合用于增强传质，通过改变下游分离的来自所述重质烃流的沥青质颗粒在所述混合流中的溶解特性来加速固体沥青质的沉淀。

16.根据权利要求15所述的装置，其提供具有未解开的沥青质分子的均质流体原料，以改善所有分子的均匀热通量。

17.根据权利要求15所述的装置，其通过裂解加拿大沥青分子的侧链来改变沥青质分子的特性，产生另外的有用烃类产物。

18.根据权利要求15所述的装置，其中，剪切数在1-30范围内。

19.一种从重质、沥青质富集油或原油原料生产管道适应型或炼油设备适应型原料的方法，包括使用带混合功能的沉淀器(MEP)，其中，所述带混合功能的沉淀器支持连续方法将重质烃流与轻质烃流完全并快速混合用于增强传质，通过改变下游分离的来自所述重质烃流的沥青质颗粒在所得混合流中的溶解特性来加速固体沥青质的沉淀。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述MEP设置在第二沥青质萃取器的上游。

21.根据权利要求19所述的方法，其中，所述MEP设置在温和型热裂化器的上游以改善所述温和型热裂化器的性能并提高沥青加工的产率。

22.根据权利要求19所述的方法，其中，将所述MEP与温和型热裂化器进行集成，所述温和型热裂化器设置在SDA工艺的上游。

23.根据权利要求19所述的方法，其中，所生产的固体沥青质保持固态直到到达燃烧温度。

24.根据权利要求19所述的方法，其中，脱沥青油馏分（DAO）的产率为所述原料体积的至少88%。

25.根据权利要求22所述的方法，其中，所述SDA工艺使用溶剂并且具有：溶剂与油的质量平衡比例低于6:1；低于所述溶剂的临界温度的40-130℃的操作温度；以及低于所述溶剂的临界压力的40-240psig的操作压力。

26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述溶剂为C4-C9烃类或C4-C9烃类的混合物。

27.根据权利要求19所述的方法，其中，所述沉淀几乎与所述混合即时。

28.根据权利要求19所述的方法，其中，通过解开烃链来增强传质。

29.根据权利要求19所述的方法，其中,通过裂解正被加工的加拿大沥青分子的侧链，将所述沥青质分子的特性进行改变，产生另外的有用烃类产物。

30.根据权利要求19所述的方法，其中，通过将两种不同流体进行密切混合来增强传质，所述两种不同流体具有至少100,000:1的比较粘度差。

31.根据权利要求19所述的方法，其中，在所述MEP中沉淀并且被传送出所述MEP的固体在10μm至900μm范围内。

32.根据权利要求19所述的方法，其中，剪切数在3-40范围内。

33.根据权利要求22所述的方法，其中，将所述MEP添加到现有的基于焦化器的沥青改质设备或炼油设备中，以提高原油进料的整体产率并改善现有设备的寿命周期。

34.根据权利要求22所述的方法，其中，将所述MEP添加到现有的残余物加氢裂化以及基于焦化器的沥青改质设备或炼油设备中，以提高原油进料的整体产率并改善现有设备的寿命周期。

35.根据权利要求22所述的方法，其中，将所述MEP用在新的沥青改质设备或现有的“脱硫原油”炼油设备中代替焦化工艺，以提高原油进料的产率和质量。

36.根据权利要求1所述的装置，其中，所述带混合功能的沉淀器为混合器或泵/混合器组合，为两者产生用于所述方法的压力并将液体混合成均质流体。

37.根据权利要求36所述的装置，其容纳的流经它的固体在10μm-900μm范围内。

38.根据权利要求36所述的装置，其具有在3-40范围内的剪切数，为瞬时混合产生足够的湍动。

39.根据权利要求36所述的装置，其中，使用至少1个转子/定子的发生器。

40.根据权利要求1所述的装置，其中，将所述MEP和沥青分离器组合成一个操作单元（MEP加沥青分离器），用于沉淀并分离所沉淀的生成脱沥青的油/溶剂混合物的沥青质和干的固体沥青质产物。

41.根据权利要求40所述的装置，其中，所述MEP与所述沥青分离器紧密耦合。

42.根据权利要求40所述的装置，其中，所述MEP与所述沥青分离器由管道隔开，所述管道至少为一英寸的一部分到工业操作单元中适宜的长度。