ES2203430T3 - Procedimientos de separacion de gases/solidos. - Google Patents
Procedimientos de separacion de gases/solidos.Info
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Abstract
Aparato para la separación de partículas sólidas a partir de una suspensión de partículas sólidas y vapor, caracterizado porque el aparato comprende: (i) un recipiente del ciclón primario vertical que tiene un alojamiento tubular que comprende una sección de pared tubular provista con una entrada dispuesta tangencialmente para recibir las partículas y el vapor, y tal sección de pared tubular se abre en su extremo inferior y se cierra en su extremo superior por medio de una tapa provista con un orificio, en donde el orificio se conecta en forma fluida a un conducto de salida del gas, conducto que tiene un orificio de entrada del gas ubicado al mismo nivel que el orificio de la tapa; (ii) uno o más medios de separación gas-sólidos secundarios que están conectados de forma fluida con el conducto de salida del gas del ciclón primario.
Description
Procedimientos de separación de
gases/sólidos.
La invención se refiere a un aparato de
separación mejorado, en donde las partículas pueden ser
eficientemente separadas a partir de una mezcla de
partículas-gas. La invención también se refiere al
uso de tal aparato en un proceso de desintegración catalítica
fluida.
El campo de la desintegración catalítica fluida
(FCC) ha experimentado mejoras significativas en el desarrollo a
causa fundamentalmente de los avances en la tecnología de los
catalizadores y en la distribución del producto obtenido a partir de
éstos. Con la llegada de los catalizadores de alta actividad y
particularmente los catalizadores de desintegración de zeolita
cristalina, se han encontrado nuevas áreas de tecnología operativa
que requieren aún más refinamientos en las técnicas del proceso para
aprovechar los catalizadores de alta actividad, selectividad y
sensibilidad operativa. De particular interés en este campo ha sido
el desarrollo de métodos y sistemas para la separación del producto
hidrocarburo a partir de las partículas del catalizador,
particularmente a partir de los catalizadores de desintegración de
zeolita cristalina de alta actividad, bajo condiciones de separación
más eficientes para reducir la sobre-desintegración
de los productos de conversión y para promover la recuperación de
los productos deseados de una operación de FCC. Las patentes
US-A-4588558,
US-A-5376339,
EP-A-309244,
US-A-5055177 y
US-A-4946656, describen todas ellas
desarrollos relacionados con la separación y recuperación rápida
de partículas del catalizador retenidas de los productos
hidrocarburos. La separación rápida se consigue al separar el
catalizador del efluente del reactor tipo tubo vertical en un
primer separador ciclónico, el ciclón principal, a partir del cual
el tubo de salida del gas está conectado de forma fluida con un
ciclón secundario. Este ciclón que se alinea en los reactores de
FCC también se denomina separación ciclónica acoplada en forma
compacta siempre que los ciclones primario y secundario estén
contenidos en un recipiente más grande. Este acoplamiento de los
ciclones primario y secundario minimiza el tiempo de residencia en
el que el producto hidrocarburo está en contacto con el catalizador
después de dejar el reactor tipo tubo vertical, lo que limita la
desintegración retardada indeseable.
Tanto en el reactor de FCC, como se discutió
anteriormente, como en el regenerador de FCC existen tales series de
ciclones primario y secundario. La patente
EP-A-309244 describe un ejemplo en
donde los separadores ciclónicos acoplados se usan tanto en el
reactor como en el recipiente regenerador. Típicamente más de una de
estas series de ciclones existen en paralelo. Ejemplos de otros
procesos en donde se usan las disposiciones de los ciclones primario
y secundario, son el proceso de deshidrogenación de lecho fluidizado
- éter butílico terciario metílico (MTBE) y en el proceso del
acrilonitrilo.
Existe un esfuerzo continuado para mejorar la
eficiencia en la separación de los aparatos de separación
ciclónica.
Un método conocido para mejorar la eficiencia de
la separación de un aparato ciclónico primario se consigue
disminuyendo el área transversal del orificio ya sea de la entrada
del gas o de la salida del gas y aumentando por lo tanto la
velocidad del gas local. Aunque la eficiencia en la separación del
ciclón primario muestra una mejora, la eficiencia total de los
separadores ciclónicos primario y secundario no se mejora
significativamente.
Uno de los objetos de la presente invención es
por lo tanto proporcionar un aparato, en donde las partículas
pueden ser eficientemente separadas de la mezcla gas - partículas,
con una eficiencia de separación total mejorada.
La invención también se refiere a un proceso
combinado de separación y extracción, en donde una mezcla del
catalizador de desintegración catalítica fluida se separa de un
catalizador que contiene un efluente del hidrocarburo gaseoso de
una zona del reactor de desintegración catalítica fluida (FCC) y en
donde cualquier hidrocarburo se extrae de las partículas del
catalizador separadas en una zona del lecho fluidizado a la que se
suministra un medio de extracción gaseoso.
Un proceso combinado FCC de separación/extracción
como éste se describe en la patente
W0-A-9742275. Esta publicación
describe la separación de las partículas del catalizador a partir
de una corriente gaseosa que sale del reactor tipo tubo vertical de
un proceso de desintegración catalítica fluida (FCC). La separación
se realiza al hacer uso de un aparato ciclónico primario ubicado en
un recipiente del reactor, en donde la corriente de gas - sólidos
del ciclón primario entra tangencialmente dentro de un alojamiento
del ciclón tubular vertical. Los sólidos se descargan hacia abajo a
una zona de extracción ubicada en el extremo inferior del
recipiente del reactor. Una corriente gaseosa parcialmente limpia y
parte del gas de extracción se descarga hacia arriba a través de un
conducto de salida de gas vertical, tal conducto de salida del gas
sobresale del alojamiento tubular ciclónico desde arriba. Los
sólidos que continúan presentes en el gas parcialmente limpio
obtenidos son subsecuentemente separados en un ciclón secundario.
El extremo abierto inferior del alojamiento del ciclón primario
tubular sobresale hacia abajo dentro de una zona de lecho
fluidizado presente en la parte inferior del recipiente del reactor
mencionado al principio. El gas de extracción se suministra a la
zona del lecho fluidizado principal. Debido a que el alojamiento
tubular del separador ciclónico primario es más pequeño que el
recipiente del reactor sólo una parte del gas de extracción entrará
en el alojamiento del ciclón primario tubular desde abajo.
La patente
US-A-4692311 describe un proceso
combinado de extracción y separación para el catalizador FCC en
donde todo el gas de extracción se descarga a través de la salida
del gas del separador ciclónico primario. Esto se lleva a cabo
usando un ciclón que tiene un alojamiento tubular y una zona única
de extracción ubicada en la porción inferior de dicho alojamiento
tubular. De esta manera todo el gas de extracción tendrá que salir
del ciclón primario a través de su salida del gas. Aunque este
proceso puede parecer prometedor en cuanto a la simplicidad del
diseño, no se han realizado ejemplos prácticos a gran escala hasta
ahora. Esto es debido a que la eficiencia en la separación es pobre
cuando un gran flujo de gas de extracción tiene que pasar a través
del alojamiento tubular del ciclón. Un aparato similar al que se
describe en la patente US-A-4692311
se describe en la patente
US-A-5112576.
Los separadores ciclónicos que tienen un
alojamiento tubular vertical y un conducto de salida del gas con un
orificio de entrada de gas ubicado aproximadamente al nivel de una
cubierta del ciclón elevada se describe en Chemie Ingenieur Technik
(70) 6 1 98, páginas 705-708.
Un siguiente objeto de la invención es el de
proporcionar un proceso mejorado para la separación y la extracción
combinadas de una mezcla de un catalizador de desintegración
catalítica fluida, en donde la eficiencia de separación del
catalizador es más alta.
Estos objetos y otros objetos, que son aparentes
cuando se lee la descripción, se llevan acabo con los siguientes
aparatos.
Aparato para la separación de partículas sólidas
a partir de una suspensión de partículas sólidas y vapor, en donde
el aparato comprende:
(i) un recipiente del ciclón primario vertical
que tiene un alojamiento tubular que comprende una sección de pared
tubular provista de una entrada dispuesta tangencialmente para
recibir las partículas y el vapor, y tal sección de pared tubular
está abierta en su extremo inferior y cerrada en su extremo
superior por medio de una tapa provista con un orificio, en donde el
orificio se conecta de forma fluida a un conducto de salida del
gas, conducto que tiene un orificio de entrada del gas ubicado al
mismo nivel que el orificio en la tapa;
(ii) uno o más medios secundarios de separación
de gases - sólidos los cuales están conectados de forma fluida con
el conducto de salida del gas del ciclón primario.
Los solicitantes han encontrado que los medios
combinados de separación ciclónicos primarios y secundarios de los
aparatos de la invención alcanzan una eficiencia mucho mayor en la
separación que la establecida por los dispositivos de separación de
la técnica que comprenden separadores ciclónicos primario y
secundario. Con los separadores ciclónicos convencionales aquí se
pretende que tengan un diseño en donde el conducto de salida del gas
sobresalga significativamente del alojamiento del ciclón desde
arriba. Haciendo que sobresalga significativamente del alojamiento
del ciclón desde arriba se pretende especialmente de que la
proyección equivalga entre 0,4 y 1,2 veces la altura del orificio
de entrada de alimentación dispuesto tangencialmente. Un ciclón
convencional típico se ejemplifica en la Figura
17-36 del manual del Perry's Chemical Engineer
Handbook, McGraw Hill, 7ª edición, 1997.
La invención también se refiere a un proceso de
desintegración catalítica fluidizada haciendo uso de dichos
aparatos. Además en una aplicación de FCC específica en donde la
extracción y la separación primaria se combinan en un recipiente
tubular se puede conseguir una combinación de separación y
extracción muy eficiente. Tal aparato requiere menos medios
adicionales para descargar el gas de extracción y/o se puede usar
con una carga de extracción más elevada mientras que la eficiencia
de la separación se mantiene dentro del rango deseado. Esto no era
posible con los aparatos de la técnica anterior descritos más
arriba.
Con respecto a la eficiencia descrita de los
separadores ciclónicos descritos en el artículo citado
anteriormente en el Chemie Ingenieur Technik es sorprendente que la
combinación de un medio de separación ciclónica primario y un medio
de separación ciclónica secundario de los aparatos reivindicados
muestren una eficiencia de separación tan alta cuando una suspensión
con un contenido relativamente elevado de sólidos alimenta al
ciclón primario. Esto es especialmente sorprendente en vista del
hecho de que no siempre es obvio qué medidas influirán
positivamente en la eficiencia en la separación total de una
alineación de la separación ciclónica acoplada. Por ejemplo, al
mejorar la eficiencia de la separación del ciclón primario por
medio de una medida técnica conocida, aumentando las velocidades de
entrada y salida del gas en el separador ciclónico primario, la
eficiencia global de separación del ciclón primario y secundario no
mejora. Los solicitantes han encontrado ahora que esta eficiencia
global se puede mejorar significativamente cuando se usa el aparato
de acuerdo con la invención.En un ejemplo, el contenido de la
partícula se redujo diez veces en la corriente del gas que salía del
medio de separación secundario.
La invención se describirá más detalladamente a
continuación, incluyendo algunas realizaciones preferidas.
La invención se refiere en particular a
cualquiera de las dos realizaciones descritas a continuación.
La primera realización preferida es un aparato
para la separación de partículas sólidas de una suspensión de
partículas sólidas y gas, en donde el aparato comprende:
(i) un recipiente ciclónico primario vertical que
tiene un alojamiento tubular, que comprende una sección de pared
tubular provista de una entrada dispuesta tangencialmente para
recibir la suspensión, un tubo de inmersión en el extremo inferior
de la sección de la pared tubular, conectado de forma fluida a la
sección de la pared tubular por medio de una sección de pared
frustocónica, y una tapa que cierra el extremo superior de la
sección de la pared tubular, en donde la tapa está provista de un
orificio circular axial que sirve como un orificio de entrada de
gas de un conducto de salida de gas;
(ii) uno o más separadores ciclónicos secundarios
de gases - sólidos que están conectados de forma fluida con el
conducto de salida del gas del ciclón primario.
La segunda realización preferida es un aparato
para la separación y extracción combinada de una suspensión de
partículas del catalizador y vapor en un proceso de desintegración
catalítica fluidizada, en donde el aparato incluye:
(i) un recipiente ciclónico primario vertical,
ciclón primario que está provisto de una entrada dispuesta
tangencialmente para recibir la suspensión de las partículas del
catalizador y vapor, ciclón primario que tiene una pared lateral
tubular y que está abierta en su extremo inferior y cerrada en su
extremo superior por medio de una tapa provista de un orificio, en
donde el orificio de salida está conectado de forma fluida a un
conducto de salida de gas, conducto que tiene un orificio de
entrada de gas situado aproximadamente al mismo nivel que el
orificio en la tapa;
(ii) una zona de extracción provista de medios
para suministrar un gas de extracción, dispuesto de tal forma que al
usarlo hay presente un lecho fluidizado, situado de forma que la
totalidad o parte del gas de extracción que sale de la zona de
extracción en dirección ascendente penetra en el extremo inferior
del ciclón primario; y
(iii) uno o más separadores de gases - sólidos
secundarios, preferiblemente los separadores ciclónicos secundarios,
que están conectados de forma fluida con el conducto de salida del
gas del ciclón primario.
El aparato de acuerdo con la invención y en
particular la primera realización preferida descrita anteriormente
pueden usarse en cualquier proceso en el que las partículas sólidas
tengan que ser separadas de una suspensión de dichas partículas
sólidas y un gas. Los ejemplos de tales procesos son el proceso de
deshidrogenación en lecho fluidizado - MTBE, el proceso del
acrilonitrilo y el proceso (FCC) de desintegración catalítica fluida
anteriormente mencionados. Ejemplos de un proceso de desintegración
catalítica fluida se describen en Catalitic Cracking of Heavy
Petroleum Fractions, Daniel DeCroocq, Institut Français du Pétrole,
1984 (ISBN
2-7108-455-7),
páginas 100-114.
En un proceso de desintegración catalítica, una
alimentación de hidrocarburo se pone en contacto con un catalizador
a elevadas temperaturas durante un periodo corto. Normalmente, el
catalizador y la alimentación del hidrocarburo fluyen paralelamente
a través de un reactor tipo tubo. A estos reactores tipo tubería
también se los denomina reactores tipo tubo vertical porque en
muchos casos los reactivos fluyen en un movimiento ascendente.
Aunque el término tubo vertical se usa en esta descripción no
significa que la invención se limite a realizaciones que comprenden
tubos verticales a través de los cuales los reactivos fluyen en una
dirección ascendente. Los tiempos de contacto en el reactor tipo
tubo vertical están generalmente en el rango de entre 0,5 y 5
segundos. En el tubo vertical del reactor los hidrocarburos que
tienen generalmente un punto de ebullición normal por encima de
350ºC se convierten en productos más ligeros, por ejemplo la
gasolina, que es uno de los productos principales de un proceso
FCC. Los hidrocarburos y el coque se depositarán en las partículas
del catalizador. Al extraer los catalizadores separados con un
medio de extracción adecuado, la mayor parte de los hidrocarburos
depositados se separará del catalizador. La mezcla gaseosa de los
hidrocarburos y el medio de extracción obtenidos en tal zona de
extracción se descarga adecuadamente desde el reactor de FCC junto
con el producto FCC. Posteriormente, el coque se separa del
catalizador extraído por medio de una combustión, parcial
opcionalmente, en un recipiente regenerador. El catalizador
regenerado, que tiene una temperatura elevada, vuelve al fondo del
reactor tipo tubo vertical.
En un proceso FCC, las partículas sólidas del
catalizador pueden ser separadas de los gases tanto en el reactor
como en el regenerador, haciendo uso del aparato de acuerdo con la
invención. En el catalizador lateral del reactor deben separarse de
los gases del producto del hidrocarburo. Es importante que dicha
separación pueda realizarse de una manera eficiente haciendo uso de
los ciclones primario y secundario acoplados del aparato de acuerdo
con la invención y en particular de acuerdo con las dos
realizaciones preferidas descritas anteriormente. Cualquiera de los
sólidos del catalizador que no se hayan separado tendrán que
separarse más adelante corriente abajo, por ejemplo utilizando
filtros o en un separador denominado de tercera etapa. Para mejorar
la separación se pueden utilizar filtros más pequeños y/o menos
finos del catalizador terminarán en las corrientes de producto
FCC. En el catalizador lateral del regenerador, las partículas
tendrán que ser separadas del gas de combustión que sale del
regenerador. La cantidad de partículas en el gas de combustión
debería ser reducida por razones ambientales y para proteger al
equipo corriente abajo, como por ejemplo las turbinas de expansión.
Preferiblemente la primera realización preferida descrita
anteriormente se usa en el lado del regenerador.
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La Figura 1 ilustra una presentación parcialmente
transversal de un aparato ciclónico acoplado de forma compacta en
una configuración del reactor FCC de acuerdo con la primera
realización preferida de la invención.
La Figura 2 ilustra un recipiente del reactor FCC
que comprende el aparato de acuerdo con la primera realización
preferida de la presente invención.
Las Figuras 3-5 ilustran un
aparato de acuerdo con la segunda realización preferida de la
invención, en el que la separación y extracción se combinan en un
reactor FCC.
La Figura 3 ilustra un aparato de acuerdo con la
invención que tiene un reactor tipo tubo vertical de desintegración
catalítica fluida externo y un ciclón secundario externo.
La Figura 4 es una variación del aparato de la
Figura 3.
La Figura 5 representa un aparato en el cual la
parte corriente abajo del reactor tipo tubo vertical, los ciclones
de separación primario y secundario y la zona de extracción están
contenidos dentro de un recipiente.
La Figura 1 representa una realización preferida
del aparato de acuerdo a la invención. En la Figura se muestra un
reactor tipo tubo vertical (1) de un proceso de desintegración
catalítica fluidizada que está conectado de forma fluida a través de
un conducto (2) a un ciclón primario (3). En la Figura sólo se
muestra un separador ciclónico primario por razones de claridad.
Típicamente más de uno, adecuadamente dos o tres, separadores
ciclónicos primarios (3) estarán en comunicación fluida con el
extremo corriente abajo de un reactor tipo tubo vertical (1). El
ciclón primario (3) tiene un alojamiento tubular (4) que consiste en
una sección de pared tubular (5) provista de una entrada dispuesta
tangencialmente (6) para recibir la suspensión de las partículas del
catalizador y el vapor de hidrocarburo que salen del reactor tipo
tubo vertical (1). La entrada puede tener, por ejemplo, forma
circular o rectangular. El extremo inferior de la sección de pared
tubular (5) se conecta de forma fluida por medio de una sección de
pared frustocónica (7) a un tubo de inmersión (8). A través del
tubo de inmersión (8) la mayoría de las partículas del catalizador
se descargarán hacia abajo. El extremo superior de la sección de la
pared tubular (5) está provisto de una tapa (9), adecuadamente
plana. La tapa (9) está provista de un orificio (10) circular axial
que sirve de orificio de entrada de gas de un conducto (11) de
salida de gas. El principio del conducto de salida de gas (11) está
dispuesto adecuadamente en perpendicular en relación con la tapa
(9) y tiene el mismo eje que el eje del alojamiento tubular (4). El
diámetro del orificio de entrada de gas del conducto de salida de
gas (11) es preferiblemente entre 0,3 y 0,6 veces el diámetro de la
sección de la pared tubular (5) del alojamiento del ciclón (4).
Esencial para la presente invención es que el conducto de salida
del gas (11) no sobresalga, o no lo haga de forma significativa,
del alojamiento del ciclón desde arriba.
En una realización posible de la presente
invención se permite una pequeña proyección. Preferiblemente tal
proyección es menor de 0,5 veces el diámetro del orificio de entrada
de gas o del orificio circular axial (10) en la tapa (9) del
ciclón. El conducto de salida de gas (11) está comunicado de forma
fluida con un separador de gases - sólidos secundario (12). En la
Figura sólo se muestra un separador secundario por razones de
claridad. En una disposición típica más de uno, adecuadamente dos,
separadores secundarios (12) están en comunicación fluida con el
conducto de salida de gas (11) de un ciclón primario (3). El
separador secundario (12) mostrado en la Figura es un separador
ciclónico convencional típico como se ha descrito anteriormente en
el texto que tiene una entrada de gas dispuesta tangencialmente y un
conducto de salida de gas (13) que sobresale de la cubierta (14) del
alojamiento del ciclón tubular (15). A través de este conducto de
salida de gas los vapores del hidrocarburo pobres en partículas del
catalizador se descargan del aparato de acuerdo con la invención.
Los vapores se procesan posteriormente en un equipo de separación
del producto corriente abajo (no mostrado). El ciclón secundario
(12) además está provisto de un tubo de inmersión (16) conectado de
forma fluida con un alojamiento tubular (15) para descargar las
partículas del catalizador separadas corriente abajo.
Preferiblemente el orificio de entrada de gas del
conducto de salida de gas (11) del ciclón primario (3) está situado
a una distancia (d1) por encima del centro del orificio de entrada
dispuesto tangencialmente (6), superior a cualquiera de los valores
típicos del estado de la técnica de los ciclones que tienen un
conducto de salida de gas que sobresale. Más preferiblemente la
proporción de esta distancia (d1) y el diámetro (d2) del alojamiento
tubular (4) está entre 0,2 y 3 y más preferiblemente entre 0,5 y
1,5. En la realización ilustrada el orificio de entrada de gas del
conducto de salida de gas (11) está al mismo nivel que la tapa del
ciclón (9).
La Figura 1 sin un tubo vertical (1) ilustra un
aparato de acuerdo con la invención que puede utilizarse en otras
aplicaciones de separación, por ejemplo en un regenerador FCC.
Preferiblemente un regenerador FCC estará
provisto de una pluralidad de ciclones primarios y secundarios como
el que se ilustra en la parte superior del recipiente regenerador.
Un conducto conectará de forma fluida el interior del recipiente
regenerador y la entrada dispuesta tangencialmente (6).
\newpage
La Figura 2 representa una realización preferida
del aparato de acuerdo con la invención. La Figura 2 ilustra un
recipiente del reactor (FCC) de desintegración catalítica
fluidizada (26) que comprende la parte superior de un reactor tipo
tubo vertical (27), un ciclón primario (30) y un ciclón secundario
(36). El extremo corriente abajo del reactor de tubo vertical (27)
está en comunicación fluida con la entrada dispuesta
tangencialmente (29) del ciclón primario (30). Se puede conectar
más de un ciclón primario (30) a una salida del tubo vertical y se
puede conectar más de un ciclón secundario (36) a un ciclón
primario (30).
Por razones de claridad sólo se muestra un ciclón
primario (30) conectado a un ciclón secundario (36).
El recipiente del reactor (26) además comprende
en su extremo inferior una zona de extracción provista de medios
(31) para proporcionar un medio de extracción para un lecho
fluidizado denso (32) de partículas del catalizador separadas. El
medio de extracción puede ser cualquier gas inerte, vapor o gases
que contienen vapores se utilizan adecuadamente como un medio de
extracción.
El recipiente del reactor (26) además comprende
medios para descargar partículas del catalizador de extracción desde
el recipiente a través de un conducto (33). A través del conducto
(33) el catalizador extraído, o también denominado catalizador
agotado, se transporta a una zona de regeneración (no mostrada). En
dicha zona de regeneración, el coque se elimina del catalizador por
medio de combustión (parcial). El catalizador regenerado se
transporta a la parte corriente arriba del reactor de tubo vertical
donde está en contacto con una alimentación de hidrocarburo para
producir la suspensión de las partículas del catalizador antes
mencionada y los vapores del producto del hidrocarburo en la parte
corriente abajo del reactor de tubo vertical.
El recipiente del reactor (26) además comprende
medios para descargar el hidrocarburo y los vapores del medio de
extracción del recipiente a través del conducto (34). Típicamente el
conducto o conductos de salida de gas (35) del ciclón o ciclones
secundarios (36) están en conexión fluida con un cámara de
sobrepresión (37) desde la que los vapores del producto de
hidrocarburo se descargan a través del conducto (34). En una
realización preferida un orificio (38) está presente en el conducto
de salida de gas que conecta el ciclón primario con un ciclón
secundario (36). A través de este orificio, el medio de extracción
y los hidrocarburos, que se extraen del catalizador, pueden ser
descargados desde el recipiente (26).
En la Figura 3 se muestra un recipiente tubular
dispuesto verticalmente (101) que consiste en el ciclón primario
(102) como la parte superior y la zona de extracción (103) como la
parte inferior. El ciclón primario (102) tiene una entrada
dispuesta tangencialmente (104) para recibir la suspensión de los
catalizadores y el vapor. Esta entrada está comunicada de forma
fluida con una parte corriente debajo de un reactor tipo tubo
vertical FCC colocado externamente (105), que permite que el
catalizador y el vapor que salen del reactor tipo tubo vertical
(105) entren en el ciclón primario (102). El alojamiento tubular
del ciclón primario (102) tiene un orificio (106) en su extremo
inferior y una tapa (107) en su extremo superior. La tapa (107) está
provista de un orificio (108). Este orificio (108) está conectado de
forma fluida con un conducto (109) a través del cual los vapores
limpios pueden ser descargados desde el alojamiento del ciclón. El
orificio de entrada de gas (110) del conducto (109) está situado
aproximadamente al mismo nivel que el orificio (108) en la tapa
(107). Se ha encontrado que es ventajoso que el orificio de entrada
del conducto (109) esté situado a cierta distancia (d1) por encima
del centro del orificio de entrada dispuesto tangencialmente (104).
La proporción entre esta distancia (d1) y el diámetro del
alojamiento tubular (d2) es como se describió anteriormente. Es aún
más preferido que la entrada de gas (110) del conducto (9) esté
formado por el orificio (108) en la tapa (107) como se muestra en
la Figura 3. Esto es ventajoso porque el alojamiento del ciclón
tubular incluirá menos superficie en donde el carbón depositado
pueda acumularse. En el ciclón primario (102) la separación se
produce entre la parte principal de los catalizadores y los
hidrocarburos gaseosos. El catalizador cae a través del extremo
inferior abierto (106) del ciclón primario dentro de una zona de
extracción (103).
El conducto que conecta con la entrada dispuesta
tangencialmente (104) y el tubo vertical (105) se hace
preferiblemente en un ángulo de 90º respecto al tubo vertical
(105). Sin embargo, para eliminar la acumulación de catalizador en
este conducto de conexión horizontal es ventajoso dirigir este
conducto hacia debajo de forma que las mezclas de gases -
partículas entren en el ciclón primario en una dirección
descendente. Preferiblemente el ángulo entre el eje de este
conducto y el eje del alojamiento tubular (101) está entre 89 y 75º.
Se ha encontrado también que es ventajoso tener un área transversal
más pequeña en la entrada (104) en relación con el área transversal
del conducto de conexión en un punto más próximo al tubo vertical
(105).
Preferiblemente se proporciona un estabilizador
de vórtice (111) en la interfaz entre el ciclón primario (102) y la
zona de extracción (103). El estabilizador de vórtice (111) es
adecuadamente una placa plana circular o un disco en forma de cono.
Adecuadamente, el diámetro del estabilizador de vórtice es mayor
que el diámetro (d3) del orificio de la entrada de gas (110) del
conducto de salida del gas (109). El diámetro del estabilizador de
vórtice (111) debería ser lo suficientemente pequeño para
proporcionar un anillo entre el perímetro del estabilizador de
vórtice y la pared del alojamiento tubular, permitiendo el anillo
que los catalizadores fluyan hacia abajo mientras simultáneamente
pasa el gas de extracción en una dirección ascendente.
Preferiblemente el diámetro del estabilizador de vórtice (111)
representa entre el 40 y el 85% del diámetro (d2) del recipiente
tubular (101). El estabilizador de vórtice (111) está
preferiblemente colocado a una distancia (d4) por debajo del
orifico de entrada del gas (110) del conducto de salida del gas
(109), en el que (d4) es entre 2 y 5 veces el diámetro (d2) del
recipiente tubular (101).
\newpage
El estabilizador de vórtice (111) preferiblemente
está provisto además de un indicador del vórtice (112). Un
indicador del vórtice (112) es una varilla colocada verticalmente
que tiene una longitud de aproximadamente entre 0,25 y 1 veces el
diámetro (d3) del orificio de entrada de gas del conducto de salida
de gas (109). Un estabilizador de vórtice adecuado (111) y una
varilla estabilizadora de vórtice (112) se describen por ejemplo en
la patente US-A-4455220 antes
mencionada. La varilla indicadora del vórtice (112) puede
adecuadamente ser un tubo hueco que resulta en una conexión fluida
del espacio por encima del indicador de vórtice (111) y el espacio
por debajo del indicador de vórtice (111). La varilla hueca
indicadora de vórtice permitirá que el gas que se mueve hacia
arriba pase, con lo cual aumenta el efecto estabilizador en el
vórtice presente en el ciclón primario (102).
En la zona de extracción (103) un lecho
fluidizado (113) está presente en el que el catalizador se extrae
de los depósitos de hidrocarburo al suministrar el gas de
extracción a través de los medios de suministro del gas de
extracción (114). El gas de extracción es adecuadamente vapor. La
zona de extracción puede tener adecuadamente más de un medio de
suministro de gas de extracción situado a cierta distancia por
encima del otro. La zona de extracción incluye una fase densa, en
la que el catalizador se mantiene en un modo de lecho fluidizado
denso por medio del gas de extracción y una fase diluida situada
por encima de la fase densa. El límite entre las dos fases se forma
por el nivel del lecho fluidizado (115). A través del conducto
(116) el catalizador de extracción se transporta a un regenerador
del catalizador (no mostrado). La zona de extracción (103) puede
adecuadamente contener interiores para aumentar la eficiencia de
extracción. Preferiblemente la altura del lecho de extracción,
siendo la distancia entre los medios de suministro de gases de
extracción colocados más abajo y el nivel del lecho fluidizado
(115), es al menos 3 veces el diámetro medio de la zona de
extracción (103). La velocidad del vapor superficial en el lecho
fluidizado es preferiblemente entre 0,05 y 1 m/s, y más
preferiblemente entre 0,1 y 0,7 m/s. Preferiblemente se suministran
entre 3 y 9 Kg de vapor por tonelada de catalizador circulante en
la zona de extracción (103).
El conducto de salida de gas (109) está en
conexión fluida con uno o más, preferiblemente de
2-4 ciclones de gases - sólidos secundarios (sólo un
ciclón secundario se muestra en la figura 3 como (117)) a través de
un conducto (118) y opcionalmente uno o más conductos adicionales
(118'). El catalizador que se elimina de los vapores en el ciclón
secundario será transportado a la zona de extracción (103) a través
de un tubo de inmersión (119). Los vapores de hidrocarburo limpios
se descargan a través de un conducto (120) para un proceso
adicional.
En el aparato mostrado en la Figura 3 todo el gas
de extracción se descarga de la zona de extracción (103) a través
del ciclón primario (102) al conducto de salida del gas (109) del
ciclón primario (102) debido a que el ciclón primario (102) y la
zona de extracción (103) juntos forman un recipiente tubular (101).
Aunque ésta es una realización preferida de la invención, también
se pueden contemplar otras realizaciones, en las que sólo parte del
gas de extracción se descarga a través de este orificio (106) y en
las que también se obtienen ventajas, por ejemplo, una separación
mejorada de sólidos y gases. Ejemplos de dichas realizaciones de la
invención se ilustran en las Figuras 4 y 5.
En la Figura 4, se muestra una realización en la
que la parte inferior de la zona de extracción tubular (103)
sobresale de un recipiente tubular largo (127) desde arriba. El
extremo inferior de la zona de extracción tubular (103) está
comunicado de forma fluida con el interior del recipiente (127). En
el recipiente (127) están presentes medios adicionales (124) para
suministrar el vapor de extracción. En la parte superior del
recipiente (127) está presente un conducto (126) a través del cual
puede descargarse una parte del vapor de extracción. Este conducto
(126) está comunicado adecuadamente de forma fluida con la parte
corriente abajo del reactor de tipo tubo vertical (105) o con el
conducto de salida de gas (109) o (118). El recipiente tubular más
grande proporciona, en uso, una zona de extracción secundaria
(125') junto a la zona de extracción primaria (125). El tubo de
inmersión del ciclón secundario está preferiblemente comunicado de
forma fluida con la zona de extracción secundaria.
La Figura 5 ilustra un aparato para la separación
de partículas del catalizador de una corriente gaseosa en el que
uno o más ciclones primarios, ciclón o ciclones secundarios y la
zona de extracción están situados en un recipiente del reactor que
tiene un diámetro más grande que el del ciclón primario. El
recipiente del reactor además está provisto de los medios de
entrada y salida para suministrar la suspensión de partículas
catalíticas y vapor y medios para descargar el catalizador de
extracción y los vapores esencialmente libres de las partículas del
catalizador. El medio de entrada para suministrar la suspensión de
las partículas del catalizador al ciclón primario está conectado de
forma fluida con el extremo corriente abajo del reactor tipo tubo
vertical (128) de un proceso (FCC) de desintegración catalítica
fluida. Tal extremo corriente abajo de un reactor de tipo tubo
vertical (128) puede estar colocado dentro (como se muestra) o fuera
del recipiente del reactor (130). El ciclón primario (129) está
situado en un recipiente del reactor (130), en el que la corriente
de gases - sólidos del ciclón (129) entra tangencialmente dentro
de un alojamiento del ciclón tubular vertical. Los sólidos se
descargan a una zona de extracción primaria (131) situada en el
extremo inferior del recipiente del reactor (130). Una corriente de
gas parcialmente limpia y parte del gas de extracción se descargan
hacia arriba a través de un conducto de salida de gas vertical
(132), en el que el conducto de salida de gas que no sobresale de
la cubierta del ciclón primario (133) desde arriba. Los sólidos aún
presentes en el gas parcialmente limpio obtenido se separan
posteriormente en un segundo aparato del ciclón (134). Como se ha
descrito anteriormente, más de un ciclón primario y más de un ciclón
secundario pueden conectarse de forma fluida al reactor tipo tubo
vertical. Por razones de claridad, estos ciclones no se muestran. La
zona de extracción primaria (131) está formada por el extremo
inferior abierto del alojamiento tubular del ciclón primario (129)
que sobresale hacia abajo a un punto por debajo del nivel del lecho
fluidizado (141) de una zona (135) de lecho fluidizado principal
presente en la parte inferior del recipiente del reactor (130). El
gas de extracción se suministra a la zona del lecho fluidizado
principal y primaria por medios (137) y opcionalmente por medios
(136). Debido a que el alojamiento tubular del ciclón primario (129)
es más pequeño que el recipiente del reactor (130) sólo una parte
del gas de extracción saldrá del recipiente del reactor (130) a
través de un conducto (132). La parte restante del gas de
extracción saldrá del recipiente (130) a través de una hendidura
(138) presente en el conducto de salida del gas (132), el ciclón
secundario (134) y la salida de gas del ciclón secundario (139). El
catalizador separado en el ciclón secundario (134) se regresa a la
zona de extracción principal (135) a través de un tubo de inmersión
(140). El ciclón primario (129) puede estar equipado adicionalmente
con un estabilizador de vórtice (111) y un tubo (121) como se
muestra en la Figura 3. La proporción preferida de d1 y d2 son las
descritas anteriormente.
La realización de la Figura 5 se puede obtener
ventajosamente por medio de una simple modificación del ciclón
primario de un recipiente del reactor FCC existente. Un ejemplo de
tal recipiente del reactor FCC conocido se describe en la patente
WO-A-9742275.
Ejemplos de los procesos FCC en los que el
aparato de acuerdo con la invención puede utilizarse adecuadamente
se describen en las publicaciones de las patentes mencionadas
anteriormente y aquellos descritos en el Catalytic Cracking of Heavy
Petroleum Fractions, Daniel DeCroocq, Institut Francais du Petrole,
1984 (ISBN
2-7108-455-7),
páginas 100-114. Preferiblemente el aparato se usa
en un proceso FCC en el que la suspensión de gases - sólidos se
alimenta al ciclón primario que tiene un contenido en sólidos de
entre 0,5 y 15 y más preferiblemente entre 1 y 12 Kg/m^{3}.
La invención se ilustrará por medio de los
siguientes ejemplos no limitativos.
A un aparato de separación como el descrito en la
Figura 1, se alimentó una suspensión gas - sólidos con las
propiedades recogidas en la Tabla 1. Las dimensiones del ciclón
primario se eligieron de forma que d1 fuera 0,3m y d2 fuera 0,3
m.
| Tamaño medio de partícula (micra) | 76 |
| Densidad de la suspensión (Kg/m^{3}) | 5,8 |
| Velocidad de entrada al ciclón primario (m/s) | 10 |
| Separación en eficiencia del ciclón primario | 0,04 |
| Separación en eficiencia de los ciclones primario y secundario combinados | 0,4 ppm |
| Caída de presión (Pascal) | 2500 |
Experimento comparativo
A
El ejemplo 1 fue repetido excepto que el ciclón
primario fue uno de diseño del estado de la técnica que tiene un
conducto de salida de gas que sobresale hacia abajo a través de la
cubierta del alojamiento ciclónico. El fondo de la entrada
tangencial del gas y el orificio del conducto de salida del gas se
encontraban en el mismo plano horizontal.
La parte superior de la entrada dispuesta
tangencialmente y la cubierta del alojamiento ciclónico en el mismo
plano horizontal. La distancia entre el centro de la entrada
dispuesta tangencialmente y la sección de la pared frustocónica era
la misma que la del Ejemplo 1. Además la velocidad de entrada, la
composición de la suspensión y las dimensiones del ciclón secundario
eran las mismas. Los resultados se presentan en la Tabla 2.
| Tamaño medio de partícula (micra) | 76 |
| Densidad de la suspensión (Kg/m^{3}) | 5,8 |
| Velocidad de entrada al ciclón primario (m/s) | 10 |
| Separación en eficiencia del ciclón primario | 0,9. |
| Separación en eficiencia de los ciclones primario y secundario combinados | 3 ppm |
| Caída de presión (Pascal) | 2200 |
Experimento comparativo
B
El experimento A se repitió excepto que el ciclón
primario era el mismo que el diseño del estado de la técnica aunque
mejorado en la eficiencia al estrechar el conducto de entrada del
ciclón primario. Todas las demás dimensiones y los datos operativos
se mantuvieron igual. Los resultados se presentan en la Tabla 3 a
continuación.
| Tamaño medio de partícula (micra) | 76 |
| Densidad de la suspensión (Kg/m^{3}) | 5,8 |
| Velocidad de entrada al ciclón primario (m/s) | 20 |
| Separación en eficiencia del ciclón primario | 0,01% |
| Separación en eficiencia de los ciclones primario y secundario combinado | 1 ppm |
| Caída de presión (Pascal) | 3500 |
Al comparar los resultados del Ejemplo 1 con el
Experimento A y el Experimento B con A resulta aparente que en ambas
situaciones la eficiencia en la separación es aumentada en el ciclón
primario. Además la separación combinada en la eficiencia del ciclón
primario y del ciclón secundario del Experimento B se reduce por un
factor 3 si se compara con el Experimento A, con un inconveniente
considerable de incrementar la caída de presión. Con el aparato de
acuerdo con la invención, como se ilustra en el Ejemplo l, la
separación combinada en la eficiencia se reduce casi diez veces con
un incremento mucho menor en la caída de presión si se compara con
el experimento A.
El ejemplo 1 se repitió excepto que el ciclón
primario no tenía un tubo de inmersión en su extremo inferior. En
cambio el extremo inferior del alojamiento tubular consistía en un
lecho fluidizado como se ilustra en la Figura 3. El nivel del lecho
fluidizado se mantuvo por debajo del estabilizador del vórtice. Las
partículas del lecho fluidizado son las mismas que los sólidos
suministrados al ciclón primario. A esto se suministró aire del
lecho fluidizado como gas fluidizante. Todo el aire suministrado a
la zona del lecho fluidizado se descargó del ciclón primario a
través del orificio de salida del gas del ciclón primario. Las
distancias d1 y d2 fueron como las del ejemplo 1. Más condiciones y
resultados se presentan en la Tabla 4 a continuación.
Experimento comparativo
C
El Ejemplo 2 se repitió excepto que el conducto
de salida del gas sobresale hacia abajo a través de la cubierta del
alojamiento ciclónico de manera que el fondo de la entrada del gas
dispuesta tangencialmente y el orificio del conducto de salida del
gas estaban en el mismo plano horizontal y en el que la parte
superior de la entrada dispuesta tangencialmente y la cubierta del
alojamiento ciclónico en el mismo plano horizontal. La distancia
entre el estabilizador del vórtice y la entrada del gas eran como en
el Ejemplo 2. El nivel del lecho fluidizado se mantuvo por debajo
del estabilizador del vórtice como en el Ejemplo 2. Más condiciones
y resultados se presentan en la Tabla 4 siguiente.
| Ejemplo 2 | Experimento comparativo C | |
| Tamaño medio de partícula (micra) | 76 | 76 |
| Densidad de la suspensión (Kg/m^{3}) | 4 | 4 |
| Velocidad de entrada primario (m/s) al ciclón | 20 | 20 |
| Velocidad superficial del gas hacia arriba (m/s) | 0,3 | 0,3 |
| Separación en eficiencia del ciclón primario | 0,02% | 0,2% |
| Separación ciclones combinados eneficiencia | 0,5 ppm | 3 ppm |
| de los primario y secundario | ||
| Caída de presión | 3300 | 3500 |
Cuando se incrementa la velocidad del gas
superficial a valores por encima de 0,3 m/s como se ilustra en el
Ejemplo 2 y el Experimento Comparativo C se observa que cerca de 0,4
m/s el aparato del experimento C mostró una fuerte disminución
brusca en la eficiencia de separación. Esta fuerte disminución
brusca en la eficiencia en la separación sólo se observó a una
velocidad del gas superficial muy alta substancial con el aparato
del Ejemplo 2.
Claims (13)
1. Aparato para la separación de partículas
sólidas a partir de una suspensión de partículas sólidas y vapor,
caracterizado porque el aparato comprende:
(i) un recipiente del ciclón primario vertical
que tiene un alojamiento tubular que comprende una sección de pared
tubular provista con una entrada dispuesta tangencialmente para
recibir las partículas y el vapor, y tal sección de pared tubular
se abre en su extremo inferior y se cierra en su extremo superior
por medio de una tapa provista con un orificio, en donde el orificio
se conecta en forma fluida a un conducto de salida del gas,
conducto que tiene un orificio de entrada del gas ubicado al mismo
nivel que el orificio de la tapa;
(ii) uno o más medios de separación gas - sólidos
secundarios que están conectados de forma fluida con el conducto de
salida del gas del ciclón primario.
2. Aparato de conformidad con la reivindicación
1, caracterizado porque el orificio de entrada del gas del
conducto de salida del gas se ubica a una distancia (dl) por encima
del centro del orificio de entrada dispuesto tangencialmente y en
donde la proporción entre esta distancia y el diámetro del
alojamiento tubular (d2) está entre 0.2 y 3.
3. Aparato de conformidad con cualquiera de las
reivindicaciones 1-2, caracterizado porque el
medio del separador gas - sólido secundario es un separador
ciclónico.
4. Aparato de conformidad con cualquiera de las
reivindicaciones 1-3, caracterizado porque
una zona de extracción provista con medios para suministrar el gas
de extracción está presente, y está dispuesta de tal manera que en
uso un lecho fluidizado está presente, ubicada de tal manera que una
parte o todo el gas de extracción que sale de la zona de extracción
en una dirección hacia arriba entra en el extremo inferior del
ciclón primario.
5. Aparato de conformidad con la reivindicación
4, caracterizado porque se dispone un estabilizador del
vórtice en la interfase entre el ciclón primario y la zona de
extracción.
6. Aparato de conformidad con cualquiera de las
reivindicaciones 4-5, caracterizado porque
juntos el recipiente ciclónico primario y la zona de extracción
forman un recipiente tubular, en donde en uso, todo el gas de
extracción se descargará de la zona de extracción a través del
ciclón primario al conducto de salida del gas del ciclón
primario.
7. Aparato de conformidad con cualquiera de las
reivindicaciones 4-5, caracterizado porque el
ciclón primario, el (los) ciclón(es) secundario(s) y
la zona de extracción se ubican en un recipiente del reactor que
tiene un diámetro más grande que el ciclón primario, en donde el
recipiente del reactor también dispone de medios para proporcionar
la suspensión de las partículas del catalizador y vapor y los medios
para descargar el catalizador extraído y vapores esencialmente
libres de partículas del catalizador.
8. El aparato de conformidad con cualquiera de
las reivindicaciones 1-3, caracterizado
porque un tubo de inmersión está presente en el extremo inferior de
la sección de pared tubular del ciclón primario, tal tubo de
inmersión está conectado de forma fluida a la sección de pared
tubular por medio de una sección frustocónica.
9. El recipiente del reactor de desintegración
catalítica fluidizada que comprende un aparato de conformidad con la
reivindicación 8, caracterizado porque un extremo corriente
abajo del reactor está en una comunicación fluida con la entrada
dispuesta tangencialmente del ciclón primario, comprendiendo el
recipiente además en su extremo inferior una zona de extracción
provista con medios para suministrar un medio de extracción para un
lecho fluidizado denso de partículas del catalizador separadas,
medios para descargar las partículas del catalizador extraídas del
recipiente y medios para descargar el hidrocarburo y los vapores
del medio de extracción del recipiente.
10. Recipiente de conformidad con la
reivindicación 9, caracterizado porque el conducto de salida
del gas del ciclón primario está provisto con un orificio para
recibir un medio de extracción e hidrocarburos extraídos.
11. El uso de un aparato de conformidad con las
reivindicaciones 1-8 para separar partículas sólidas
a partir de una suspensión de partículas y de gas.
12. El uso de conformidad con la reivindicación
11, caracterizado porque la separación es parte de un
proceso de desintegración catalítica fluida.
\newpage
13. El uso de conformidad con la reivindicación
12, caracterizado porque se alimenta al ciclón primario una
suspensión gas - sólidos que tiene un contenido de sólidos de entre
0,5 y 15 Kg/m^{3}.
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