CN102188931A - 重质烃制粒系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种熔融重质烃制粒系统和方法。熔融重质烃可以从液滴形成器挤压出来，产生多个液滴，随后所述多个液滴在冷却介质中被冷却以产生沥青颗粒。通过将热量从液滴传递至冷却介质使得沥青颗粒被固化，从而提供固体沥青颗粒。然后，固体沥青颗粒可以从冷却介质中分离出来，而冷却介质可以循环利用。

Description

重质烃制粒系统和方法
技术领域
本文提供的实施例大体上涉及用于沥青冷却和固化的系统和方法。尤其是，本文提供的实施例涉及熔融烃的挤压和冷却。
背景技术
在萃取和精制工艺中会产生例如高分子量、粘性、非牛顿流体的重质烃。这种重质烃通常在运输之前需要稀释。通常，要添加一种或多种轻质烃(如柴油燃料)以降低重质烃的粘度，改进其泵送能力，使其便于运输。可替代地，采用一种或多种溶剂脱沥青工艺(如渣油超临界萃取(“ROSE”)处理工艺)可以对重质烃进行脱沥青。在典型的溶剂脱沥青工艺中，重质烃被引入溶剂萃取工艺，在此，高粘度沥青和树脂(“沥青质烃(asphaltenic hydrocarbon)”)被分离和去除，得到低粘度脱沥青油。在其他重质烃精制工艺中可以产生类似的沥青质烃。然而，使用两种不同工艺(即溶剂萃取和/或精制)产生的沥青质烃具有相似的特性。两者都富含高分子量烃，在环境温度下都是固态或半固态，两者都需要高温来保持泵送能力；两者都需要稀释以提供一种或多种替代产物。
在没有本地升级设备或其能力受限时，沥青质烃必须通过卡车、轨道或管道运输到一个或多个较远的升级设备。沥青质烃通常要保持高温，以允许液体或半固体的沥青质烃可以泵送地装载到卡车、轨道和/或管道上或者从卡车、轨道和/或管道上卸载。在整个运输过程中保持沥青质烃高温的需求增加了操作成本，使工艺更复杂，而且温度降低沥青质烃会存在固化的风险。固化的沥青质烃往往会堵塞管道，这就要求对管道和运送工具(如卡车和轨道货车)进行大量维修和/或清理。
作为流体或半固体运输的替代，沥青质烃可以在运输之前被冷却成大块并固化。然而，大块固化材料的大块固化、装载、运输、卸载成本、人力、维修是密集型的。为了最小化特殊装置和/或处理要求，沥青质烃可以在运输之前被有选择地固化成较小的微粒或颗粒。
已经开发了各种的重质烃制粒方法。例如，熔融重质烃可以从喷嘴泵送出，在落入烃分配器下面流动的冷却介质浴时形成一系列的液滴。可替代地，一个或多个湿润的造粒机可以通过穿过旋转头“喷射”熔融沥青质烃，形成多个烃的液滴，来提供相对均匀的重质烃固体。单个烃液滴在飞行过程中被空气冷却，从而在它们相互碰撞并沿着湿润的造粒机的壁向下流入在下面的冷却流体浴中时固化形成烃颗粒。
冷却浴或湿润的造粒机的有效性是有限的。然而，根据烃颗粒的不同比重，其范围可从小于水(即比重小于1.0或API密度大于10°)到大于水(即比重大于1.0或API密度小于10°)。漂浮和沉入冷却流体冷却通道内的烃颗粒的形成使得分离和去除颗粒很困难，因为漂浮的颗粒容易聚集形成大块，这使得其不容易从冷却流体冷却通道中去除，尤其是当冷却通道位于封闭的容器内时。
因此，仍然需要改进的重质烃制粒系统和方法。
附图说明
通过参考实施例使得能够更详细理解本发明所提到的特征，获得本发明更具体描述，其中一些实施例是通过附图说明的。然而，应注意到，附图只是对本发明典型的实施例进行说明，因此不应认为是对其范围的限制，因为本发明可能允许等效实施例存在。
图1示出了根据本发明的一个或多个实施例的示意性重质烃制粒系统的侧视图；
图2示出了图1所示的重质烃制粒示意性系统的正视图；
图3示出了根据本发明另一实施例的示意性重质烃制粒系统；
图4示出了根据本发明另一实施例的示意性重质烃制粒系统。
具体实施方式
下面将提供详细描述。每一条所附权利要求都限定了单独的发明，为避免侵权，其被认为是包括权利要求中明确的各个元件或限定的等同物。根据上下文，下面引用“发明”之处可在某些情况下仅涉及到某些特定的实施例。在其它情况下，也可认为对“发明”的引用涉及到一个或多个权利要求的(并不必要是全部)的主题。每一项发明都将在下面更加详细描述，包括特定的实施例、样式和实例，但本发明不限于这些实施例、样式和实例，包括这些实施例、样式和实例是为了在当本专利信息与公知信息和技术结合时，本领域普通技术人员能够制造和使用本发明。
提供了一种重质烃(如沥青)的制粒系统和方法。在至少一个实施例中，热沥青通过液滴形成器被挤压出，然后沉积到下面的传送带上以形成液滴。随后，液滴可以在冷却介质中被冷却以将该液滴固化成沥青颗粒。在一个或多个实施例中，沥青颗粒可以从冷却介质中被分离出来，回收成冷却的固体微粒以便于运输或使用。
本文使用的术语“沥青质”、“多个沥青质”、“沥青”和“沥青质烃”可以互换使用，都是指含有一种或多种重质烃的烃混合物，该重质烃在轻质烷溶剂(如戊烷、庚烷)中不能溶解，但能够在如甲苯之类的芳烃化合物溶解。重质烃可以含一种或多种平均数在约50到约80个碳、氮、硫和氧原子的芳烃和/或环烷化合物。
本文使用的术语“固体沥青微粒”、“固体沥青质微粒”、“固体微粒”可以是下面的任意一种：固体沥青微粒、半固体沥青微粒，以及具有围绕熔融沥青质“核”的固体沥青质“皮”的沥青复合微粒。
图1示出了根据本发明的至少一个实施例的沥青质制粒系统100的端示图。系统100可以包括具有定子104和外旋转滚筒106的液滴形成器102。定子104可以嵌套在外旋转滚筒106内，而外旋转滚筒106可以构造成相对于定子104同心旋转。定子104可以包括轴向设置的进料通道108，其构造成从容器或供应管(未示出)接收低粘度可流动块。在至少一个实施例中，可流动块可以包括在环境温度下是固体的热重质烃。例如，重质烃可以包括沥青质，但还可以包括在接近环境温度或室温时是固体的任何热液体，如各种精制工艺产生的渣滓。在实施例中，可流动快可以在一定压力下从定子104的一端泵送进入进料通道108，最终被挤压出以制粒，如下所述。
被引入进料通道108的重质烃、或沥青质的温度可以在约210℃至约430℃范围内，或在约210℃至约370℃范围内，或在约210℃至约315℃范围内。熔融沥青质的压力可以根据上流处理要求变化很大。在至少一个实施例中，压力可以大约是大气压力，范围可以在约101kPa至约2160kPa之间，约300kPa至约1820kPa之间，或约500kPa至约1475kPa之间。
在至少一个实施例中，定子104还可以包括至少一个加热器模块110(示出了两个加热器110)，其构造成熔融沥青质在定子104中时保持其处于高温。在操作中，加热器模块110可以具有连续地途经其的热介质，从而用作热交换器。加热器模块110还可以包括加热盘管或类似地构造成保持熔融沥青的高温的类似的加热装置。
孔112，或是一系列的孔可以与进料通道108连通接合并延伸至管道114。管道114构造成将熔融沥青质进料至喷嘴116，喷嘴116安装在定子104上。喷嘴116可以包括向下开口的通道118，向下开口的通道118构造成与围绕外旋转滚筒106外围限定的多个穿孔120循环地相符。如图2更适当地示出的，围绕外旋转滚筒106外围有限定若干行的若干穿孔102。
仍然参照图1，熔融沥青质可以在压力下泵送到液滴形成器102的进料通道108。然后熔融沥青质可流动穿过定子104到达喷嘴116，在喷嘴116处，熔融沥青质被引导至向下开口的通道118。定子104中设置的隔板和内喷嘴(未示出)系统可以给通道118整个宽度施加均匀压力，从而，当外旋转滚筒按箭头A的方向旋转时，提供穿过外旋转滚筒106内限定的每行穿孔120的均匀流。当外旋转滚筒106围绕定子104同心转动时，熔融沥青质液滴122可以从液滴形成器102中挤压出，且在下面各种传送表面上沉淀。
在至少一个实施例中，适合的传送表面可以包括直接放置在液滴形成器102下面的传送带124。液滴形成器102可以构造成在传送带124的整个工作宽度上沉积液滴122(也如图2所示)。通过每一端的一对辊子126使得传送带124按B方向旋转。在至少一个实施例中，传送带124可以用任何金属/或金属合金制造，包括但不限于：钢、铝、不锈钢、黄铜、青铜，或抵抗冷却介质和烃的潜在腐蚀效应的任何其他金属和/或金属合金。尽管没有必要，但至少在一个实施例中，外旋转滚筒106的圆周速度可以与下面传送带124的速度同步，从而确保从带124一边到另一边，液滴122以一致的尺寸滴下。
如图所示，传送带124相对于水平面可以稍稍下倾。在另一实施例中，为了适应其他应用，传送带124可以与地面平行。当传送带124沿着方向B旋转时，液滴122可以最终从传送带124上掉落，并落入含有冷却介质132的冷却通道130中。在传送带124上行进和从其上掉落时，液滴122可以开始外部冷却，形成外部“皮”。当与冷却介质132接触时，液滴122将被快速冷却，并固化成沥青颗粒134，沥青颗粒134可以被分离和收集，如下所述。
在实施例中，冷却介质132可以包括水、盐水、一种或多种C5到C9的烷烃，或其混合物。根据系统的热需求不同，冷却介质132的温度范围可以在约0℃至约100℃之间，或在约0℃至约75℃之间，或在约0℃至约50℃之间。
图2是图1示出的示意性重质烃制粒系统的正视图。如示出的，冷却通道130可以相对于水平面以下倾方式设置，从而允许冷却介质132连续地在方向C上在冷却通道130中“向下”流。这样，冷却介质132的流态可以是层流的、过渡的或湍流的，即具有任意雷诺数。在一个或多个实施例中，流动穿过冷却通道130的冷却介质132可以是层流流态，雷诺数小于2000。在一个或多个实施例中，冷却介质132可以是湍流流态，雷诺数大于4000。在一个或多个实施例中，穿过冷却通道130的冷却介质132的速度范围可以在约0.1m/sec至约10m/sec之间，或在约0.2m/sec至约7m/sec之间，或在约0.3m/sec至约5m/sec之间。
在实施例中，在冷却通道130中流动的冷却介质132的深度范围可以在约1/4英寸至约2英寸之间，或在约1/4英寸至约1英寸之间，或在约1/4英寸至约1/2英寸之间。在其它实施例中，冷却介质132的深度包括至少足以淹没液滴122的深度。如能够理解的，其它实施例可以包括调节冷却通道130的下倾角度，以增加或减少冷却介质132在冷却通道130中的流动时间。在至少一个实施例中，冷却通道130可以基本水平设置，或甚至处于上倾(incline)，仅仅依靠冷却介质132的入口压力使沥青颗粒134在方向C上推动/流动。
在操作中，液滴形成器102从多个穿孔120中挤压出熔融沥青质以形成液滴122，液滴122落入位于下面的连续移动的传送带124上，如上所述。然后液滴122从传送带124上掉落到冷却通道130内的冷却介质132中，液滴122在此处被冷却成固体沥青颗粒134。因为冷却介质132沿着方向C流动，得到的流可以具有促使或使冷却的沥青颗粒134也在方向C朝分离器202流动的效果。
尽管本文未示出，本发明仍构想包括将熔融沥青质挤压成液滴122，液滴122落入冷却通道130中，该冷却通道130具有完全淹没在冷却介质132内的连续旋转的传送器(未示出)。淹没的传送器可以任意允许冷却的沥青颗粒134在方向C朝相邻的分离器202运输的角度设置。
分离器202可以包括任意适用于输送至少一部分固体沥青颗粒134或从冷却介质132中分离至少一部分固体沥青颗粒134的系统、装置，或系统和/或装置的组合。分离器202可以包括连续在方向D上旋转的上倾的传送带204。然而，传送带204可以构造成允许冷却介质132从中流动穿过，而不允许沥青颗粒134经过。例如，传送带204可以包括筛，其具有大到足够允许冷却介质132流入通过，但又小到足防止住沥青颗粒134经过的穿孔。因此，冷却介质132可以穿过传送带204流出冷却通道130，流进储存器206，而沥青颗粒134可以通过分离器202从冷却通道130在方向E上分离出来。在一个或多个实施例中，可以在分离器202上运输固体沥青颗粒134以便通过机械传送(如铲、斗式提升机，或辅助传送器等)将固体沥青颗粒134收集和去除，。
构想到的分离器202的许多变更和实施例都没有偏离本发明的精神。例如，分离器202不必相对于水平面以上倾方式设置，但可以水平设置，或甚至以下倾方式设置。此外，分离器202可以包括移动或振动筛(未示出)，其构造成从冷却介质132中筛出和分离沥青颗粒134。在至少一个实施例中，移动或振动筛可以相对于水平面设置成下倾，以允许分离出的沥青颗粒134连续远离冷却通道130移动。在一个或多个实施例中，分离器202可以包括，但不限于，一个或多个串联和/或并联的滤网、篮式过滤器、脱水传送器、嵌入式腔式压滤机、振动筛、摆动筛，或其任意组合。
固体沥青颗粒134的冷却速率可以通过调节冷却介质132的温度来控制。在一个或多个实施例中，固体沥青颗粒134的冷却速率可以是约1℃/sec至约100℃/sec，或约1℃/sec至约75℃/sec，或约1℃/sec至约50℃/sec。在一个或多个实施例中，与冷却介质132接触的固体沥青颗粒134的停留时间为约2秒至约180秒，或约3秒至约120秒，或约4秒至约60秒，或约5秒至约30秒。
仍参照图2，冷却介质132可以通过管路210循环以便随后再次引入冷却通道130。然而，储存器206中至少一部分冷却介质132可以被去除并处理后通过管路208排放，和/或处置。为了补偿经通过管路208损失的冷却介质132，另外“补充”的冷却介质可以通过管路214引入管路210。在一个或多个实施例中，引入储存器206中的至少25％wt，50％wt，75％wt，85％wt，90％wt，95％wt，或99％wt的冷却介质132可以通过管路210再循环。
此外，尽管未在图2中示出，但至少一部分通过管路210再循环的冷却介质132可以经过一个或多个处理和/或提纯系统，如精密分离单元，以去除一种或更多种杂质，杂质包括但不限于累积的固体、烃、金属、溶解盐、及其混合物、其衍生物或其任意组合。
在一个或多个实施例中，通过管路210再循环的至少一部分冷却介质132的温度可以通过使用一个或多个传热单元212进行调节。示例性传热单元212可以包括任意适于调节管路210内冷却介质132的温度以提供以预定温度范围循环的冷却介质132的系统、装置，或系统和/或装置的组合。该一个或多个传热单元212可以包括一个或多个U型管交换器、壳管式交换器、板框式交换器、螺旋缠绕式交换器、翅扇式交换器、蒸发冷却器，或其任何组合。该一个或多个传热单元212的操作温度可以为约0℃至约90℃，或约20℃至约75℃，或约30℃至约60℃。该一个或多个传热单元212的操作压力可以是约101kPa至约2160kPa，或约300kPa至约1820kPa，或约500kPa至约1475kPa。
循环冷却介质132可以引入到设置在冷却通道130中的至少一个流体分配器216内。每个流体分配器216可以是能够向冷却通道130递送所需流量的冷却介质132的堰、喷嘴，或其它装置。在实施例中，冷却介质132的流速可以通过调节流体分配器来调整，从而为与冷却介质132接触的固体沥青颗粒134提供所需的停留时间。此外，每个流体分配器216还可以作为喷嘴，该喷嘴构造成朝着分离器202推动冷却的沥青颗粒134。
图3示出了根据本发明另一实施例的重质烃制粒系统的示意图。液滴形成器102，传送带124和冷却通道130可以与上述描述基本类似的方式工作，因此下面将不再详细描述。至少一种变型可以包括传送带124的角度设置。如所示，传送带124可以是倾斜的或者设置成使得一端302至少部分浸入到冷却介质132的流中。淹没部分传送带124可以允许在带124表面与冷却介质132之间进行部分传热，从而将传送带124保持较低温度。
在操作中，熔融沥青可以从液滴形成器102挤压到传送带124上，如上所述。然而，挤压出的液滴122可以直接传送到冷却介质132内。通过与冷却介质132接触，液滴122可以快速地冷却成沥青颗粒134，并被扫入冷却介质132的流中。参照图2，如上所述，沥青颗粒134从冷却介质132的分离以及冷却介质132的循环也可以完成。
图4示出了根据本公开另一实施例的重质烃制粒系统的示意图。液滴形成器102和冷却通道130可以与上述描述基本类似的方式工作，因此在此不再详述。至少一种变型可以包括取消液滴形成器102下方的传送带124。可以理解，传送带124的取消可以节省机械成本，降低整个系统100的工作费用。
在操作中，液滴122可以从液滴形成器102中挤压出，然后直接投入下面设置的冷却通道130中。与上述公开的实施例类似，液滴122可以被位于冷却通道130内的冷却介质132冷却并固化成沥青颗粒134。在至少一个实施例中，沥青颗粒134可以被流动的冷却介质132引起的流扫入冷却通道130中。沥青颗粒134从冷却介质132中的分离，以及冷却介质132的循环也可以如上所述的完成。
虽然没有特别说明，但本发明还构想了使用相同的传送带124或冷却通道130来进行产生沥青颗粒134的串联设置或以其他方式彼此相邻设置的若干等同制粒系统100。在至少一个实施例中，一个系统100可以直接面对另一系统100并构造成和另一传送系统(未示出)一起连续将各自的传送带124上设置的液滴122供给至共同的冷却通道130。由于与其他液滴形成应用相比，系统100，尤其是传送带124的总长度的尺寸较小，所以可以大量节省初期的资本投资和操作费用。此外，系统100的小尺寸会节约工业设备的占地的宝贵面积，节省的面积可供他用。
已使用一组数字上限和一种数字下限来对某些实施例和特征进行了描述。应该理解，从任一下限到任意上限的范围都是可构想的，除非另有说明。某些下限、上限和范围在一个或多个下述权利要求中出现。考虑到本领域普通技术人员可预期的试验误差和差异，所有数值都是“大约”或“近似”于所列值。
上面已经对各术语都进行了定义。在一定程度上，权利要求中使用的术语没有在上述内容中定义时，其应该具有相关领域技术人员从至少一个印刷出版物或已公开专利中所反映的术语而得出的最广义定义。此外，本申请中引用的所有专利，试验过程，和其他文献的全部内容通过引用的方式被结合，其程度为公开内容与本申请不一致而这种结合所在的所有司法权也是允许的。
尽管上文涉及本发明的实施例，本发明其它和更进一步的实施例可以在不偏离其基本范围内进行设计，且其范围是由随后的权利要求确定的。

Claims (20)

1.一种热沥青质制粒的方法，包括：
从液滴形成器中挤压沥青质烃以形成液滴；
将沥青质烃液滴沉积到与所述液滴形成器相邻的传送器上；
在冷却通道内设置的冷却介质中冷却来自传送器的所述沥青质烃液滴，从而通过将沥青质烃液滴的热量传送至冷却介质使所述沥青质烃液滴至少被部分固化，从而产生沥青颗粒；和
将所述沥青颗粒从所述冷却介质分离。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述沥青质烃包含一种或多种烃混合物，此混合物具有一种或多种芳烃化合物，一种或多种环烷烃化合物，或其混合物。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述沥青质烃包含一种或多种不能溶解于轻质烷烃溶剂，而可溶解于芳烃化合物的化合物。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述冷却介质在所述冷却通道中连续流动，从而使所述沥青颗粒朝着传送系统流动，所述传送系统构造成将所述沥青颗粒从所述冷却介质中分离。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述冷却介质的温度为约0℃至约95℃。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述冷却通道中的所述冷却介质的深度为约0.25英寸至约2英寸。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括循环至少一部分所述冷却介质回到所述冷却通道中。
8.一种热沥青制粒的方法，包括：
从液滴形成器挤压出沥青质烃以形成液滴；
将所述液滴沉积进冷却通道中，所述冷却通道具有流入其中的冷却介质，其中所述冷却通道相对于水平面以下倾方式设置；
通过将热量从所述液滴传送至所述冷却介质来冷却所述冷却介质中的所述液滴，从而形成固体沥青颗粒；和
从所述冷却介质中去除固体沥青颗粒。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述沥青质烃包含烃混合物，该烃混合物具有一种或多种芳烃化合物，一种或多种环烷化合物，或其混合物。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述冷却介质流入所述冷却通道，从而使所述沥青颗粒朝着传送系统流动，所述传送系统构造成从所述冷却介质中分离出所述沥青颗粒。
11.根据权利要求8所述的方法，其中所述冷却介质的温度为约0℃至约95℃。
12.根据权利要求8所述的方法，还包括循环至少一部分所述冷却介质回到所述冷却通道中。
13.根据权利要求8所述的方法，其中所述冷却介质包括水、盐水、C5至C9的烷烃，或其混合物。
14.一种重质烃制粒的系统，包括：
液滴形成器，所述液滴形成器具有设置在外旋转滚筒内的定子，其中所述外旋转滚筒围绕所述定子同心旋转，且限定多个构造成与所述定子上安装的通道循环地相符的穿孔；所述定子构造成接收熔融重质烃并将其挤压出通道并通过外滚筒而形成液滴；
设置成与所述液滴形成器相邻并在所述液滴形成器下面的传送器，所述传送器构造成接收来自所述液滴形成器的液滴；
冷却通道，其具有流入其中的冷却介质并构造成接收来自所述传送器的液滴，其中所述冷却介质将所述液滴冷却成固化颗粒，并使颗粒流动通过所述冷却通道；和
构造成接收颗粒并将颗粒与冷却介质分离的传送系统。
15.根据权利要求14所述的系统，其中所述重质烃是沥青质。
16.根据权利要求14所述的系统，其中所述传送器以下倾方式设置。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述传送器的第一端与所述液滴形成器相邻以接收所述液滴；所述传送器的第二端至少部分地浸入所述冷却通道中的所述冷却介质中。
18.根据权利要求14所述的系统，其中所述传送系统包含筛，所述筛构造成将至少部分冷却介质与颗粒分离，从而允许所述冷却介质在储存器中累积。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述储存器中的所述至少部分冷却介质被循环回冷却通道。
20.根据权利要求19所述的系统，其中循环回所述冷却通道的所述冷却介质还经过至少一个传热单元以降低所述冷却介质的温度。
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