CN104245891B - 利用集成气‑液分离的蒸汽裂化工艺和*** - Google Patents

利用集成气‑液分离的蒸汽裂化工艺和*** Download PDF

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Abstract

提供了一种与蒸汽热解裂化单元操作联合的集成气‑液分离装置。在某些方面，将进料加到蒸汽热解单元的对流部分的入口，其中将所述进料加热到可有效进行蒸汽裂化的条件。在气‑液分离器中分离对流部分流出物，且将分离器蒸气流出物加到蒸汽热解区的蒸汽裂化部分的入口。可以进一步处理液体流出物，在所述***内再循环，或其组合。在其它方面，在蒸汽热解单元的对流部分的上游，通过使用本文中所描述的装配有气‑液分离装置的闪蒸容器来分离进料。

Description

利用集成气-液分离的蒸汽裂化工艺和***
相关申请
本申请要求2012年3月20日提交的美国临时专利申请号61/613,332和2013年3月15日提交的美国临时专利申请号61/792,822的优先权权益，该两文献以引用的方式并入本文中。
发明背景
发明领域
本发明涉及一种经过改良的蒸汽裂化工艺和***。
相关技术说明
蒸汽裂化工艺典型地包括两个主要部分，即对流部分和热解部分。蒸汽热解裂化区的对流部分是用来在进入蒸汽热解裂化单元之前将进料加热到所需的反应温度，常常称为交叉温度，其中发生热解裂化反应。蒸汽热解裂化反应典型地将可能包括较宽范围的烃组分的相对重质烃原料转化成较轻且更合乎需要的烃，包括但不限于乙烯、丙烯、丁二烯、混合丁烯和热解汽油。
蒸汽热解是一种有用的工艺，其利用勒夏忒列(Le Chatelier)原理来创造更有利的反应环境。蒸汽裂化工艺内发生的反应在平衡的产物侧具有更多的分子。当所述反应在低压下进行时，这些反应继续进行以得到更合乎需要的产物侧，如勒夏忒列原理所述。所述反应正常在大气压下发生；且在低于大气压的条件下进行反应可能非常不经济。其它常规工艺利用催化剂代替蒸汽来降低活化能，且因此产生更多所需产物。然而，在加入了低分子量稀释剂的蒸汽热解工艺中，利用蒸汽。向裂化反应中加入低分子量蒸汽能降低反应***的分压，且创造更有利的反应条件，并且因此形成增加的所需产物。
因此，本发明的一个目标在于提供改良的蒸汽裂化工艺和***。
发明概述
本文中的***和工艺提供了一种与蒸汽热解裂化单元操作联合的集成气-液分离装置。在某些方面，将进料加到蒸汽热解单元的对流部分的入口，其中将所述进料加热到可有效进行蒸汽裂化的条件。在气-液分离器中分离对流部分流出物，且将分离器蒸气流出物加到蒸汽热解区的蒸汽裂化部分的入口。可以进一步处理液体流出物，在所述***内再循环，或其组合。在其它方面，在蒸汽热解单元的对流部分的上游，通过使用本文中所描述的装配有气-液分离装置的闪蒸容器来分离进料。
以下详细论述本发明工艺的其它方面、实施方案和优点。此外，应理解，前述信息和以下详细描述都仅仅是各种方面和实施方案的说明性实例，并且打算为理解所要求的特征和实施方案的特性和特征提供综述或框架。附图是说明性的，并且是为了加深对本发明工艺的各种方面和实施方案的理解而提供。\
附图简述
将在下文且参考附图更详细地描述本发明，其中：
图1是在对流部分与热解部分之间具有集成气-液分离区的蒸汽裂化工艺的一个实施方案的工艺流程图；和
图2是在对流部分的上游且在蒸汽裂化工艺之前具有集成气-液分离区的蒸汽裂化工艺的一个实施方案；和
图3是在蒸汽裂化工艺的对流部分的上游具有集成气液分离区且在所述蒸汽裂化工艺内进行集成气-液分离的蒸汽裂化工艺的一个实施方案；
图4A-4C是本文中所描述的蒸汽裂化单元操作和工艺的某些实施方案中所使用的气-液分离装置的透视图、顶视图和侧视图的示意性说明；和
图5A-5C是本文中所描述的蒸汽裂化单元操作和工艺的某些实施方案中所使用的闪蒸容器中的气-液分离装置的截面视图、放大截面视图和顶部截面视图的示意性说明。
发明详述
图1中示出了具有集成气-液分离的蒸汽裂化工艺的一个实施方案的工艺流程图。所述集成***总体上包括对流部分和蒸汽热解部分，其中气-液分离区处于对流部分与热解部分之间。
蒸汽热解区10总体上包括可基于本领域中已知的蒸汽热解单元操作(例如在蒸汽存在下将热裂化进料加到对流部分)进行操作的对流部分6和热解部分8。另外，如图1中所示，气-液分离部分7包括在部分6与8之间。来自于对流部分6的经过加热的蒸汽裂化进料所通过的气-液分离部分7可以是基于蒸气和液体的物理或机械性质的分离装置。
在某些实施方案中，气-液分离装置示范为且参考图4A-4C和5A-5C。美国专利公开号2011/0247500中也描述了气-液分离装置的类似配置，该文献以全文引用的方式并入本文中。在这些装置中，蒸气和液体流过气旋几何结构，据此，所述装置以等温方式且以非常短的停留时间(在某些实施方案中小于10秒)并且以相对较低的压降(在某些实施方案中小于0.5巴)操作。总体来说，蒸气以循环模式旋转以产生力，其中捕获较重的液滴和液体并且引导到液体出口，而将蒸气送出以便在蒸汽热解部分9中进行进一步处理。
如图1中所示，蒸汽热解区10在可使进料1有效裂化成所需产物的参数下操作。在某些实施方案中，使用以下条件进行蒸汽裂化：对流部分和在热解部分中的温度在400℃到900℃范围内；对流部分中的蒸汽对烃比率在0.3∶1到2∶1范围内；以及在对流部分和热解部分中的停留时间在0.05秒到2秒范围内。
在相对于图2所示的另一个实施方案中，气-液分离器9包括在蒸汽热解区10的上游，进料1是通过所述蒸汽热解区加入。图2中所示的气-液分离器9可以是包括基于对蒸气和液体进行物理或机械分离的分离装置的闪蒸分离装置，所述分离装置可见于图4A-4C中；或包括这些装置类型(例如，图5A-5C中所示，其中闪蒸容器的入口包括基于对蒸气和液体进行物理或机械分离的装置)中的至少一种的组合。这个分离部分9的气相流出物，即物流1a，是加到蒸汽热解区10的进料，其中在对流部分6中，将所分离的流出物加热到可有效进行蒸汽裂化的温度。将经过加热的流出物加到蒸汽热解部分8的入口，其中可以加入有效量的蒸汽以裂化所述进料且产生混合产物流。改变蒸发温度和流体速度来调节近似温度截止点，例如在某些实施方案中，在约350℃到约600℃范围内，以便与残余物掺合物和/或处理操作相容。
在图3中所示的另一个实施方案中，其中气-液分离器9包括在蒸汽热解区10的上游，进料1通过所述蒸汽热解区加入且被分馏。将分离部分9的气相流出物，即物流1a，馈送到蒸汽热解区10。在对流部分6中，将所分离的流出物加热到可有效进行蒸汽裂化的温度。将经过加热的流出物加到气-液分离装置7的入口以便进一步分离。将气-液分离装置7的气相流出物送到蒸汽热解部分8的入口，其中加入有效量的蒸汽以使所述进料裂化且产生混合产物流。
在图1-3的实施方案中，淬火区11典型地集成在蒸汽热解裂化区10的下游，且包括与蒸汽热解裂化区10的出口流体连通以便接收混合产物流4的入口。在淬火区11中对混合产物进行快速淬火以终止热解反应且排出经过淬火的流出物5。
在某些实施方案中，气-液分离部分7包括一个或多个气液分离装置80，如图4A-4C中所示。气液分离装置80具有操作经济性且无需维护，因为它不需要能量或化学产品供应。总体来说，装置80包括三个端口，包括用于接收气-液混合物的进入口82、分别用于排出和收集所分离的蒸气和液体的蒸气排出口84和液体排出口86。装置80基于包括以下各项的现象组合进行操作：利用球形流体预旋转部分将来料混合物的线性速度转化成旋转速度，用于预分离蒸气与液体的受控离心作用和用于促进蒸气与液体分离的气旋作用。为了实现这些作用，装置80包括预旋转部分88、受控气旋垂直部分90和液体收集器/沉降部分92。
如图4B中所示，预旋转部分88包括介于横截面(S1)与横截面(S2)之间的受控预旋转元件和通到受控气旋垂直部分90且位于横截面(S2)与横截面(S3)之间的连接元件。来自于具有直径(D1)的入口82的气液混合物在横截面(S1)上沿切线方向进入所述设备。根据以下等式，来料流的进入截面(S1)的面积是入口82的面积的至少10％：
预旋转元件88限定曲线流动路径，并且其特征在于从入口横截面S1向出口横截面S2，横截面恒定、减小或增加。在某些实施方案中，受控预旋转元件的出口横截面(S2)与入口横截面(S1)之间的比率在0.7≤S2/S1≤1.4之间。
混合物的旋转速度取决于预旋转元件88的中心线的曲率半径(R1)，其中所述中心线定义为接合预旋转元件88的连续横截面表面的所有中心点的曲线。在某些实施方案中，曲率半径(R1)在2≤R1/D1≤6范围内，其中张角在150°≤αR1≤250°范围内。
入口截面S1处的横截面形状虽然被描述为总体上呈正方形，但它可以是矩形、圆角矩形、圆形、椭圆形或其它直线、曲线或上述形状的组合。在某些实施方案中，沿流体通过的预旋转元件38的曲线路径的横截面的形状逐渐变化，例如从大体上正方形变成矩形。元件88的横截面的逐渐变成矩形有利地使开口面积最大化，因而允许气体在早期与液体混合物分离且实现均匀速度分布并且使流体流中的剪切应力最小化。
来自于受控预旋转元件88的截面(S2)的流体流经由连接元件通过截面(S3)到达受控气旋垂直部分90。连接元件包括开放区域，所述开放区域对气旋垂直部分90的入口开放并且与其连接或成一体。流体流以高旋转速度进入所述受控气旋垂直部分90，以产生气旋效应。连接元件出口截面(S3)与入口截面(S2)之间的比率在某些实施方案中处于2≤S3/S1≤5范围内。
处于高旋转速度下的混合物进入气旋垂直部分90。动能降低，且蒸气在气旋作用下与液体分离。在气旋垂直部分90的上部90a和下部90b中形成气旋。在上部90a中，混合物的特征在于高蒸气浓度，而在下部90b中，混合物的特征在于高液体浓度。
在某些实施方案中，气旋垂直部分90的内径D2在2≤D2/D1≤5范围内，且可以沿其高度方向恒定不变，上部90a的长度(LU)在1.2≤LU/D2≤3范围内，且下部90b的长度(LL)在2≤LL/D2≤5范围内。
气旋垂直部分90在蒸气出口84附近的端部连接到部分开放的释放上升管并且连接到蒸汽热解单元的热解部分。部分开放的释放上升管的直径(DV)在某些实施方案中处于0.05≤DV/D2≤0.4范围内。
因此，在某些实施方案中，且取决于来料混合物的性质，其中较大体积分数的蒸气通过具有直径DV的部分开放的释放管从出口84排出装置80。具有低蒸气浓度或不存在蒸气浓度的液相通过气旋垂直部分90的具有横截面积S4的底部部分排出，且收集在液体收集器和沉降管92中。
气旋垂直部分90与液体收集器和沉降管92之间的连接区域的角度在某些实施方案中是90o。在某些实施方案中，液体收集器和沉降管92的内径在2≤D3/D1≤4范围内，且在整个管长度上是恒定的，并且液体收集器和沉降管92的长度(LH)在1.2≤LH/D3≤5范围内。通过具有直径(DL)且位于沉降管底部或邻近沉降管底部的管子86从所述设备中去除具有低蒸气体积分数的液体，所述直径在某些实施方案中处于0.05≤DL/D3≤0.4范围内。在某些实施方案中，设置在操作和结构方面类似于装置80而不具有液体收集器和沉降管送回部分的气-液分离装置。举例来说，气-液分离装置180用作闪蒸容器179的入口部分，如图5A-5C中所示。在这些实施方案中，容器179的底部充当来自于装置180的回收液体部分的收集和沉降区。
总体来说，通过闪蒸容器179的顶部194排出气相，并且从闪蒸容器179的底部196回收液相。气-液分离装置180具有操作经济性且无需维护，因为它不需要能量或化学产品供应。装置180包括三个端口，包括用于接收气-液混合物的进入口182、用于排出所分离的蒸气的蒸气排出口184和用于排出所分离的液体的液体排出口186。装置180基于包括以下各项的现象组合进行操作：利用球形流体预旋转部分将来料混合物的线性速度转化成旋转速度，用于预分离蒸气与液体的受控离心作用和用于促进蒸气与液体分离的气旋作用。为了实现这些作用，装置180包括预旋转部分188和具有上部190a和下部190b的受控气旋垂直部分190。具有低液体体积分数的蒸气部分通过具有直径(DV)的蒸汽排出口184排出。上部190a是部分或完全开放的，且具有在某些实施方案中处于0.5<DV/DII<1.3范围内的内径(DII)。具有低蒸气体积分数的液体部分由具有在某些实施方案中处于0.1<DL/DII<1.1范围内的内径(DL)的液体端口186排出。收集液体部分并且从闪蒸容器179的底部排出。
为了加强和控制相分离，在气-液分离装置80或180中可以使用加热蒸汽，特别是当作为独立设备使用或集成在闪蒸容器的入口内时。
尽管已经独立地且以独立的部分描述了气-液分离装置的不同部件，但本领域技术人员应理解，设备80或设备180可以形成为单片式结构，例如，它可以浇铸或模制，或者它可以由独立的零件组装，例如，通过将独立的组件焊接或以其它方式连接在一起，所述组件可能或可能不精确对应于本文中所描述的部件或部分。
本文中所描述的气-液分离装置可能设计用于容纳一定的流速和组成以实现所需的分离，例如，在540℃下。在一个实施例中，对于540℃和2.6巴下的总流速2002m3/天和入口处具有密度分别为729.5kg/m3、7.62kg/m3和0.6941kg/m3的7％液体、38％蒸气和55％蒸汽的流体组成来说，装置80(不存在闪蒸容器)的合适的尺寸包括D1＝5.25cm；S1＝37.2cm2；S1＝S2＝37.2cm2；S3＝100cm2；αR1＝213°；R1＝14.5cm；D2＝20.3cm；LU＝27cm；LL＝38cm；LH＝34cm；DL＝5.25cm；DV＝1.6cm；和D3＝20.3cm。对于相同的流速和特征来说，闪蒸容器中所使用的装置180包括D1＝5.25cm；DV＝20.3cm；DL＝6cm；和DII＝20.3cm。
应了解，虽然陈述了不同的尺寸作为直径，但在组件零件不是圆柱形的实施方案中，这些值也可以是当量有效直径。
所述原来可以是蒸汽裂化单元的原料中惯常使用的任何进料。在本文中的某些其它实施方案中，一定范围的其它进料可以加到蒸汽裂化单元，这是由于本文中所描述的气-液分离装置的有利作用。
来自于本文中所描述的蒸汽裂化工艺的上游和/或中间分离器的残余物可以在二级操作中进行进一步处理，例如常规单元操作，包括但不限于溶剂脱沥青、浆液加氢处理、流体催化裂化(FCC)、、焦化处理，或包括前述操作中的一者或多者的组合。来自于这些二级操作的一种或多种产物流或残余物流可以再循环作为本文中所描述的蒸汽裂化单元的补充蒸汽裂化进料和/或更上游。
在对流部分与热解部分之间或对流部分的上游使用气-液分离器提供了一种经济而有效的分离中间产物或进料以加强某些蒸汽裂化操作的手段。所述气-液分离装置无需维护，因为它不具有移动的零件，或需要能量或化学产品供应。
上文和附图中已经描述了本发明的方法和***；然而，修改对于本领域技术人员来说应是显而易见的，且本发明的保护范围将由以下权利要求书来限定。

Claims (5)

1.气-液分离器在蒸汽热解工艺中的用途，所述蒸汽热解工艺包括：
将进料加到蒸汽热解单元的对流部分，以提供经过加热的进料；
在气-液分离器中将所述经过加热的进料分离成轻质相和重质相，所述气-液分离器包括与所述气-液分离器的具有直径D1的入口流通的导管，所述气-液分离器包括
预旋转元件，其用于将进入的经过加热的进料的线性速度转换成旋转速度，所述预旋转元件具有
进入部分，所述进入部分具有用于接收所述经过加热的进料的入口和从入口跨至出口的曲线型导管，所述入口具有用于接收所述经过加热的进料的横截面积S1，所述出口具有横截面积S2，其中S2与S1之间的比率为0.7≤S2/S1≤1.4，所述曲线型导管具有曲率半径R1和S1与S2之间的张角αR1，R1在2≤R1/D1≤6范围内，αR1在150°≤αR1≤250°的范围内，和
所述曲线型导管的出口处的过渡部分，
受控气旋部分，其具有
入口，其通过会聚所述曲线型导管和所述气旋部分而连接到所述预旋转元件的过渡部分，和
轻质相通过的上升管部分，其处于所述气旋部分的上端；
和
液体收集器/沉降部分，重质相通过其排出；
和
在热解部分中对所述轻质相进行热裂化，以产生混合产物流。
2.气-液分离器在蒸汽热解单元操作中的用途，所述蒸汽热解单元操作包括：
对流部分，其经过构建和配置以接收原料和排出经过加热的原料；
气-液分离器，其经过构建和配置以接收所述经过加热的原料且变成轻质馏分和重质馏分排出，所述气-液分离器包括与所述气-液分离器的具有直径D1的入口流通的导管，所述气-液分离器包括
预旋转元件，其用于将进入的经过加热的原料的线性速度转换成旋转速度，所述预旋转元件具有
进入部分，所述进入部分具有用于接收所述经过加热的原料的入口和从入口跨至出口的曲线型导管，所述入口具有用于接收所述经过加热的原料的横截面积S1，所述出口具有横截面积S2，其中S2与S1之间的比率为0.7≤S2/S1≤1.4，所述曲线型导管具有曲率半径R1和S1与S2之间的张角αR1，R1在2≤R1/D1≤6范围内，αR1在150°≤αR1≤250°的范围内，和
所述曲线型导管的出口处的过渡部分，
受控气旋部分，其具有
入口，其通过会聚所述曲线型导管和所述气旋部分而连接到所述预旋转元件的过渡部分，和
轻质馏分通过的上升管部分，其处于所述气旋部分的上端；
和
液体收集器/沉降部分，重质馏分通过其排出；
和
热解部分，其经过构建和配置以接收来自于所述气-液分离器的轻质馏分。
3.气-液分离装置在蒸汽热解工艺中的用途，所述蒸汽热解工艺包括：
将原料加入到闪蒸容器以便分离成呈蒸汽热解进料形式的轻质馏分和重质馏分，所述闪蒸容器具有处于其入口处的气-液分离装置，所述气-液分离装置包括与所述气-液分离装置的具有直径D1的入口流通的导管，所述气-液分离装置包括：
预旋转元件，其用于将进入的原料的线性速度转换成旋转速度，所述预旋转元件具有
进入部分，所述进入部分具有用于接收所述原料的入口和从入口跨至出口的曲线型导管，所述入口具有用于接收所述原料的横截面积S1，所述出口具有横截面积S2，其中S2与S1之间的比率为0.7≤S2/S1≤1.4，所述曲线型导管具有曲率半径R1和S1与S2之间的张角αR1，R1在2≤R1/D1≤6范围内，αR1在150°≤αR1≤250°的范围内，和
所述曲线型导管的出口处的过渡部分
受控气旋部分，其具有
入口，其通过会聚所述曲线型导管和所述气旋部分而连接到所述预旋转元件的过渡部分，和
轻质馏分通过的上升管部分，其处于所述气旋部分的上端，
其中所述闪蒸容器的底部部分在所述重质馏分全部或部分通过之前充当所述重质馏分的收集和沉降区；
和
对所述轻质馏分进行热裂化，以产生混合产物流。
4.气-液分离装置在蒸汽热解单元操作中的用途，所述蒸汽热解单元操作包括：
对流部分，其处于热解部分上游；和
闪蒸容器，其处于所述对流部分的上游且在其入口处包括气-液分离装置，所述气-液分离装置包括与所述气-液分离装置的具有直径D1的入口流通的导管，所述气-液分离装置包括：
预旋转元件，其用于将进入的原料的线性速度转换成旋转速度，所述预旋转元件具有
进入部分，所述进入部分具有用于接收所述原料的入口和从入口跨至出口的曲线型导管，所述入口具有用于接收所述原料的横截面积S1，所述出口具有横截面积S2，其中S2与S1之间的比率为0.7≤S2/S1≤1.4，所述曲线型导管具有曲率半径R1和S1与S2之间的张角αR1，R1在2≤R1/D1≤6范围内，αR1在150°≤αR1≤250°的范围内，和
所述曲线型导管的出口处的过渡部分，
受控气旋部分，其具有
入口，其通过会聚所述曲线型导管和所述气旋部分而连接到所述预旋转元件的过渡部分，和
轻质相通过的上升管部分，其处于所述气旋部分的上端，
其中所述闪蒸容器的底部部分在重质相全部或部分通过之前充当所述重质相的收集和沉降区。
5.气-液分离装置和气-液分离器在蒸汽热解工艺中的用途，所述蒸汽热解工艺包括：
a.将原料加入到闪蒸容器以便分离成呈蒸汽热解进料形式的轻质馏分和重质馏分，所述闪蒸容器具有处于其入口处的气-液分离装置，所述气-液分离装置包括与所述气-液分离装置的具有直径D1的入口流通的导管，所述气-液分离装置包括
预旋转元件，其用于将进入的原料的线性速度转换成旋转速度，所述预旋转元件具有
进入部分，所述进入部分具有用于接收所述原料的入口和从入口跨至出口的曲线型导管，所述入口具有用于接收所述原料的横截面积S1，所述出口具有横截面积S2，其中S2与S1之间的比率为0.7≤S2/S1≤1.4，所述曲线型导管具有曲率半径R1和S1与S2之间的张角αR1，R1在2≤R1/D1≤6范围内，αR1在150°≤αR1≤250°的范围内，和
所述曲线型导管的出口处的过渡部分，
受控气旋部分，其具有
入口，其通过会聚所述曲线型导管和所述气旋部分而连接到所述预旋转元件的过渡部分，和
轻质馏分通过的上升管部分，其处于所述气旋部分的上端，
其中所述闪蒸容器的底部部分在所述重质馏分全部或部分通过之前充当所述重质馏分的收集和沉降区；
b.将所述轻质馏分加到蒸汽热解单元的对流部分，以产生经过加热的轻质馏分；
c.在气-液分离器中将所述经过加热的轻质馏分分离成气相和液相，所述气-液分离器包括与所述气-液分离器的具有直径D1的入口流通的导管，所述气-液分离器包括：
预旋转元件，其用于将进入的经过加热的轻质馏分的线性速度转换成旋转速度，所述预旋转元件具有
进入部分，所述进入部分具有用于接收所述经过加热的轻质馏分的入口和从入口跨至出口的曲线型导管，所述入口具有用于接收所述经过加热的轻质馏分的横截面积S1，所述出口具有横截面积S2，其中S2与S1之间的比率为0.7≤S2/S1≤1.4，所述曲线型导管具有曲率半径R1和S1与S2之间的张角αR1，R1在2≤R1/D1≤6范围内，αR1在150°≤αR1≤250°的范围内，和
所述曲线型导管的出口处的过渡部分，
受控气旋部分，其具有
入口，其通过会聚所述曲线型导管和所述气旋部分而连接到所述预旋转元件的过渡部分；和
气相通过的上升管部分，其处于所述气旋部分的上端；
和
液相所通过的液体收集器/沉降部分，
和
d.在蒸汽热解区中对所述气相进行热裂化，以产生混合产物流。
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