CN103429311A - 用于在给料的处理中进行分离的方法、系统、及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于在给料的处理中进行分离的方法、系统、及设备。根据一种实施方式，该设备包括：管状容器，其具有方形管入口和蒸汽出口，其中，蒸汽出口设置于管状容器的顶部处，并且其中，方形管入口与管状容器的内径相切；桶，其设置在管状容器的下方；以及双隔离刀阀，其设置在管状容器与桶之间，其中，气体-固体流通过方形管入口进入管状容器，并且其中，通过利用离心力而将气体与固体分离开，并且其中，气体离开蒸汽出口且固体被收集在桶中。

Description

用于在给料的处理中进行分离的方法、系统、及设备
本申请要求于2010年12月30日提交的名称为“用于在重质烃给料的热处理中使用的惯性分离器（INERTIAL SEPARATOR FOR USE INTHERMAL PROCESSING OF HEAVY HYDROCARBONFEEDSTOCKS）”的申请序列号为61/428,316的美国临时申请的权益和优先权，出于所有的目的，该美国临时申请的全部内容以参引的方式合并到本文中。
技术领域
本发明主要涉及用于对粘性油给料进行快速热处理的装置。更具体地，本发明涉及一种用于在给料的处理中进行分离的方法、系统、和设备。
背景技术
重油资源和沥青资源正在补充常规轻质和中间原油产量的下降，并且来自这些资源的产量正在稳步地增大。除非添加稀释剂以将原油的粘度和比重降低到管道规格，否则管道就不能对这些原油进行处理。或者，通过初步浓缩来获得所需要的特性。然而，稀释后的原油或浓缩后的合成原油明显不同于常规原油。因此，沥青混合物或合成原油并不易于在常规流化床催化裂化精炼厂中进行处理。因此，在任一情况中，必须在构造成处理稀释过的给料或浓缩后的给料的精炼厂中进行其它的处理。
许多重质烃类给料的特征还在于包括大量的BS&W（底部沉积物和水）。这种给料由于其腐蚀性及砂子和水的存在，因此不适于通过管道进行运输或精炼。通常，特征为具有小于0.5wt.%（重量百分比）的BS&W的给料可通过管道进行输送，并且包括较大量的BS&W的那些给料需要进行一定程度的处理或处置以在输送之前降低BS&W含量。这种处理可包括：储存，以使水和颗粒下沉；和热处理，以除去水和其它组分。然而，这些操作增加了操作成本。因此，在所属领域内，需要一种在对给料进行输送或进一步处理之前，对具有相当大的BS&W含量的给料进行升级的有效方法。
可利用如下一系列工艺方法对重油和沥青进行升级，这一系列工艺方法包括：热（例如美国专利第4,490,234号；美国专利第4,294,686号；美国专利第4,161,442号）、氢化裂化（美国专利第4,252,634号）、减粘裂化（美国专利第4,427,539号；美国专利第4,569,753号；美国专利第5,413,702号）、或催化裂化（美国专利第5,723,040号；美国专利第5,662,868号；美国专利第5,296,131号；美国专利第4,985,136号；美国专利第4,772,378号；美国专利第4,668,378号，美国专利第4,578,183号）。这些工艺方法中的诸如减粘裂化或催化裂化之类的若干工艺在上行流反应器或下行流反应器内利用惰性或催化颗粒接触物料。催化接触物料在极大程度上是沸石基的（例如参见美国专利第5,723,040号；美国专利第5,662,868号；美国专利第5,296,131号；美国专利第4,985,136号；美国专利第4,772,378号；美国专利第4,668,378号，美国专利第4,578,183号；美国专利第4,435,272号；美国专利第4,263,128号），而减粘裂化通常利用惰性接触物料（例如美国专利第4,427,539号；美国专利第4,569,753号）、含碳固体（例如美国专利第5,413,702号）、或惰性高岭土固体（例如美国专利第4,569,753号）。
将流化床催化裂化（FCC）或其它单元用于直接处理沥青给料在现有技术中是已知的。然而，存在于原油给料内的许多化合物通过沉积在接触物料自身上而干扰了这些工艺过程。这些给料杂质包括诸如钒和镍之类的金属、诸如（康氏（Conradson））残碳之类的焦碳前身物、及沥青质。除非通过在再生器中的燃烧来去除，否则这些物料的沉积物会导致中毒并且导致需要提早更换接触物料。对于FCC过程所采用的接触物料而言这是尤其正确的，因为该过程的有效裂化及适当的温度控制需要包括少许干扰该催化过程的可燃沉积物料或金属的接触物料或不包括该可燃沉积物料或金属的接触物料。
为了减少催化裂化单元内的催化物料的杂质，已经提出了通过以下工艺方法对给料进行预处理：减粘裂化（美国专利第5,413,702号；美国专利第4,569,753号；美国专利第4,427,539号）、热（美国专利第4,252,634号；美国专利第4,161,442号）或其它工艺方法，这些工艺方法通常利用类FCC的反应器在低于使给料裂化所需的温度的温度下进行（例如美国专利第4,980,045号；美国专利第4,818,373号和美国专利第4,263,128号）。这些系统与FCC单元串联操作并且起到用于FCC的预处理器的作用。这些预处理工艺方法设计成用于从给料中移除杂质物料，并且在减轻任何裂化的情况下操作。这些工艺方法确保给料的任何浓缩和受控裂化在最适宜条件下在FCC反应器内发生。
沥青给料包括诸如砂子和其它颗粒之类的固体。对沥青给料进行的直接处理必须通过含氢气体与烃类原料流在升高的温度和压力下的接触来执行。由此，这种处理的主要成本基本上在于该处理装置的获得和维护。主要成本的示例为：能够进行这种服务的容器和相关联的锅炉、热交换器、分布器板组件、泵、管道和阀、在这种服务中受到污染的催化剂的更换成本、以及组装该装置的成本。诸如含有污染化合物的提炼过的原油之类的相对低成本的给料的商业化加氢处理需要每天约几千桶直至十万桶的流量，其中，氢气的平行流高达每桶液体进料10,000标准立方英尺。当在升高的压力和温度下执行所期望的反应时，由于需要容纳和经受由在沥青给料内的氢化合物、硫化合物和固体造成的腐蚀和金属脆化，因此能够抑制这种反应过程的容器因此是成本密集型的。用于在这种压力和温度下处理含氢的流体流的泵、管道和阀同样是昂贵的，这是因为在这种压力下密封必须在数月的延长服务期内保持是氢不能渗透的。在重油和沥青中的细的和超细的粘土、砂子和颗粒也会降低超时密封的有效性。它也是成本密集型的，以确保所有装置均被正确地组装、制造和/或维护。
即使是在升级过程期间采取了所有的预防措施并且对装备进行组装、制造和维护以确保最为纯净的最终产物，所属领域技术人员理解到，最终产物通常包括形成沥青或石油给料的细的和超细的粘土、砂子和颗粒是不可避免的。
发明内容
本发明公开了一种用于在给料的处理中进行分离的方法、系统、及设备。根据一种实施方式，所述设备包括：管状容器，该管状容器具有方形管入口和蒸汽出口，其中，蒸汽出口设置于管状容器的顶部处，并且其中，方形管入口与管状容器的内径相切；桶，该桶设置在管状容器的下方；以及双隔离刀阀，该双隔离刀阀设置在管状容器与桶之间，其中，气体-固体流通过方形管入口进入管状容器，并且其中，通过利用离心力将气体和固体分离开，并且其中气体离开该蒸汽出口且固体被收集在桶中。
应当注意的是，附图无需按比例绘制，并且在全部附图中，出于说明的目的，具有相似结构或功能的部件通常由相同的附图标记来表示。还应当注意的是，附图仅意在有助于对文中所述的多种实施方式进行描述。附图无需描述文中所公开的教示的每个方面并且并不限制权利要求的范围。
附图说明
被包括作为本说明书的一部分的附图示出了当前优选实施方式，并且与上面给出的一般性描述及下面给出的对于优选实施方式的详细描述一起用于说明和教示本发明的原理。
图1示出了现有技术的反应器设计。
图2示出了现有技术的反应器设计。
图3示出了根据一种实施方式的用于与本系统一起使用的示例性反应器设计。
图4示出了根据一种实施方式的用于与本反应器系统一起使用的示例性副分离器区段。
图5示出了根据一种实施方式的用于与本系统一起使用的示例性副分离器的设计详图。
图6示出了根据一种实施方式的本副分离器与淬火容器的固体重量收集趋势的比较。
图7示出了根据一种实施方式的砂夹带量的示例性趋势。
图8示出了烃类蒸发检测的示例性结果。
图9示出了多种合成原油产物的示例性的颗粒计数分布。
图10示出了根据一种实施方式的由本副分离器捕获的颗粒的扫描电子显微镜（SEM）图像（100×放大倍率）。
图11示出了根据一种实施方式的由本副分离器捕获的颗粒的扫描电子显微镜（SEM）图像（500×放大倍率）。
图12示出了根据一种实施方式的由本副分离器捕获的颗粒的扫描电子显微镜（SEM）图像（1000×放大倍率）。
图13和图14示出了根据一种实施方式的由旋风分离器和本副分离器捕获的固体的颗粒尺寸分布的柱状图。
图15示出了根据一种实施方式的由旋风分离器和本副分离器捕获的固体的颗粒尺寸趋势。
图16示出了现有技术的热污垢检测单元的图表。
图17示出了在没有本副分离器的情况下的实施方案的示例性的污垢检测结果。
图18示出了根据一种实施方式的在具有本副分离器的情况下的实施方案的示例性的污垢检测结果。
图19示出了根据一种实施方式的在具有本副分离器的情况下的实施方案的另一示例性的污垢检测结果。
图20示出了在阿萨巴斯卡（Athabasca）沥青给料中循环的固体的显微图像。
图21示出了在Athabasca沥青给料中的颗粒尺寸的FBRM（聚焦光束反射测量）曲线图。
图22示出了3种Athabasca沥青装运物的FBRM比较。
应当注意的是，附图无需按比例绘制，并且在全部附图中，出于说明的目的，具有相似结构或功能的部件通常由相同的附图标记来表示。还应当注意的是，附图仅意在有助于对文中所述的多种实施方式进行描述。附图无需描述文中所公开的教示的每个方面并且并不限制权利要求的范围。
具体实施方式
本发明公开了一种用于在给料的处理中进行分离的方法、系统及设备。根据一种实施方式，该设备包括：管状容器，该管状容器具有方形管入口和蒸汽出口，其中，蒸汽出口设置于管状容器的顶部处，并且其中，方形管入口与管状容器的内径相切；桶，该桶设置在管状容器的下方；以及双隔离刀阀，该双隔离刀阀设置在管状容器与桶之间，其中，气体-固体流通过方形管入口进入该管状容器，并且其中，通过利用离心力将气体和固体分离开，并且其中，气体离开该蒸汽出口且固体被收集在桶中。
本发明公开内容提供了一种设备或者一种快速热处理组件的附加部分，其能够产生进入反应器的，卓越的、稳定的且平滑的气体（例如含氢气体）和液体（例如液态烃）的混合物流，而没有与现有技术的方法和设备相关联的缺陷。
本系统通过如下方式来克服现有技术的缺点：即，提供位于反应器的下游的副分离器，以实现将给料和反应产物固体从反应产物蒸汽中移除并提高反应器产物的质量。该反应器的目的在于通过循环床、固体热载体运输反应器系统内的热解反应（热裂化）将重油给料转变成较轻的最终产物。
本公开提供了一种副分离器（本文中也可交替地称之为惯性分离器和副分离系统），用于进行升级粘性重质烃给料所用的快速热处理。副分离器包括圆筒形构件；于上端处限定开口并于下端处限定开口的结构；以及至少一个开口，该至少一个开口具有垂直于该圆筒形构件行进的轴线，产物气体和颗粒的混合物穿过该圆筒形构件进入该副分离器。至少一个第二圆筒形构件处于第一圆筒形构件的内部，该第二圆筒形构件处于具有垂直于该圆筒形构件行进的轴线的最上部开口处。附接至该圆筒形构件的是于该圆筒形构件的下端的开口处的穹顶形结构。该穹顶形结构进一步减小了于该第一圆筒形构件的下端处的开口的尺寸。颗粒通过位于该副分离器的下端处的开口离开该副分离器。本发明通过接收来自反应器的产物气体而进一步实现了其所期望的目的。产物气体包含有来自给料、反应产物、或由反应器容器承载的循环的固体热载体的颗粒，这些颗粒必须与反应产物蒸汽分离开。产物气体穿过副分离器，从而减少颗粒的量并提高反应产物蒸汽的质量。
在用于对涉及给料的部分化学升级或轻度裂化的重油或沥青给料进行浓缩的工艺方法中利用本副分离器。这些工艺方法还降低了给料内的杂质的水平，从而利用存在于重油或沥青给料中的成分减轻了诸如在裂化或加氢裂化中所使用的催化接触物料之类的催化接触物料的杂质。这种工艺过程和/或方法及相关的设备和产物在被全部以参引的方式合并到本文中的美国专利第7,572,365号；美国专利第7,572,362号；美国专利第7,270,743号；美国专利第5,792,340号；美国专利第5,961,786号；美国专利第7,905,990号；及审理中的申请序列号为13/340,487、13/340,569、12/046,363和09/958,261的美国专利申请中有所描述。
如在美国专利第5,792,340号（以参引的方式被全部合并到本文中）中所述，对于当前类型的热解反应器系统而言，需要将一种进料分散系统用于液体给料。输送气体（提升用气体）通过位于气体分布板下方的增压室而被引入至反应器。进料分散系统的目的在于通过减小液态进料的液滴尺寸以增大表面积与体积的比率来获得液态给料的更高效的热传递条件。提升用气体分布板（分布器板）的目的在于提供促进了进料与固体热载体的混合的气体的最佳流态。
当提到“给料”或“重质烃给料”时，它通常意指通常被称之为（但不限于）重质原油、重油、（油砂）沥青或精炼厂渣油（油或沥青）的具有高密度和高粘度的石油衍生物。然而，术语“给料”还可包括石油原油的底部馏分，例如常压塔底部或真空塔底部的馏分。此外，给料可包括大量的BS&W（底部沉积物和水），例如但不限于重量百分比（wt%）大于0.5%的BS&W含量。重油和沥青为优选的给料。本发明的实施方式还可应用于其它给料的转化，这些其它给料包括但不限于塑料、聚合物、烃类、石油、煤、页岩、精炼厂给料、沥青、轻质油、沥青胶块、煤粉、来自任何有机物料的生物质、生物质悬浮液、生物质液体、及混合物。优选地，生物质给料是可呈锯末形式的干木材给料，但液相和汽相（气相）的生物质物料可在利用替代性的液相或汽相进料系统的快速热转化系统中被有效地进行处理。可使用的生物质给料物料包括但不限于硬木、软木、树皮、农业残渣和造林残渣、及其它生物质含碳给料。
如在美国专利第5,792,340号中所述，对于当前类型的热解反应器系统，需要进料分散系统用于液体给料。输送气体（提升用气体）通过位于气体分布板下方的充气室而引入至该反应器。进料分散系统的目的是通过减小液体进料的液滴尺寸来增加表面积与体积比率而实现用于液体给料的更为有效的热传递状况。提升用气体分布板（分布器板）的目的是提供有助于进料和固体热载体的混合的气体的最佳流态。
图1示出了现有技术反应器设计。该反应器设计100包括管状反应器101，再循环或提升用气体102于最低位置102a处进入该管状反应器101。再生的固体热载体103在略高的位置103a处进入，并且在最高位置104a处引入反应器进料液体104。从反应器的顶部散发出的焦结的/用过的固体热载体、产物、及其它气体和颗粒105进入旋风分离器106，在该旋风分离器106处，气体（产物蒸汽和其它气体）与固体（固体热载体和颗粒）分离开。产物蒸汽和其它气体在该过程的下游上继续进行产物107的进一步分离。固体流108进入再热器系统109（未在附图中描绘出但包括在系统中的再热器系统109将被所属领域技术人员所理解）。固体热载体得到再生，并随后穿过横向区段以将再生的固体热载体103输送回该反应器101。
图2示出了现有技术的反应器设计。类似于图1中所描绘的现有技术的热区段100，反应器设计200包括管状反应器201，再循环气体或提升用气体202于最低位置202a处进入该管状反应器201。再生的固体热载体203在稍高的位置203a处进入该反应器201。反应器进料液体204在相对于提升用气体（202a）和固体热载体（203a）的进入位置的最高位置204a处被引入。从反应器的顶部散发出的焦结的/用过的固体热载体、产物、及其它气体和颗粒205进入旋风分离器206，在该旋风分离器206中，气体（产物蒸汽和其它气体）与固体（固体热载体和颗粒）分离开。产物蒸汽和其它气体在该过程的下游上继续行进，以进一步分离产物207。固体再次进入反应器系统208（在该处，固体热载体得到再生），并且随后横向区段将再生的固体热载体203输送回至反应器。将会被所属领域技术人员所理解的是，用于固体热载体再生及运回至反应器的具体方法可在不背离本公开的范围的情况下的实施方式之间具有多种变型。
固体流208离开旋风器206的底部，并且穿过倾斜区段（浸入管）209且进入再生器区段（砂再热器）210。在该再热器210中，固体与高温空气混合，并且固体热载体通过燃尽积炭而再生。固体热载体也通过燃烧而被加热至高温。热的再生的固体热载体离开211该再热器的底部，并且经由螺旋钻212输送回至反应器201。
气体流离开旋风器206的顶部并向下游行进207以经受进一步的处理。该气体流主要包括烃类蒸汽和气体以及来自热分解反应、净化、燃烧、和大气（检测出N2、O2、CO2、CO、NOx、H2、H2S、及SO2）的其它气体。还存在可变量的夹带固体，其数量取决于旋风分离器206的分离效率。
气体流向下游行进到淬火容器213中，在该淬火容器213中，处于较低温度250℃的烃类液体被再循环。淬火容器213提供两种效用。第一是冷却烃类蒸汽以使其恢复液相，准备用于进一步的下游处理。第二效用是从气体流中的烃类产物中移除固体（主要是砂子）。由于温度下降，固体颗粒的动能被降低至大多数固体颗粒下落至淬火容器的底部，而烃类液体离开淬火容器的顶部的情形。
尽管这种构型在保持来自淬火容器下游的液体产物的大部分固体杂质方面是有效的，但是保留在淬火容器213中的合理量的液体产物由于固体杂质的高浓度而在最终产物混合物中呈现为是无法使用的。这是因为在现有技术的热区段设计中，并未通过旋风分离器206与气体流分离开的任何固体最终被收集在淬火容器213中。从投入的角度来看，现有技术的热区段使砂子以约2000磅/小时（lb/hr）再循环，并且所使用的旋风分离器被评价成具有至少99%的分离效率。由此，高达1%（或20lb/hr）的固体可进入该淬火容器，在任何时候均发生砂循环。考虑到在运转期间进入该反应器的重油给料的比率通常不超过60lb/hr，因此这是相当大的数量。
图3示出了根据一种实施方式的用于与本系统一起使用的示例性反应器设计。反应器设计300包括管状反应器301，再循环气体或提升用气体302于最低位置302a处进入该管状反应器301。再生的固体热载体303在稍高的位置303a处进入该反应器301。反应器进料液体304在相对于提升用气体（302a）和固体热载体（303a）的进入位置的最高位置304a处被引入。从反应器的顶部散发出的焦结的/用过的固体热载体、产物、及其它气体和颗粒305进入旋风分离器306，在该旋风分离器306中，气体（产物蒸汽和其它气体）与固体（固体热载体和颗粒）分离开。产物蒸汽和其它气体在该过程的下游上继续行进，以进一步分离产物307。固体再次进入反应器系统308（在该处，固体热载体得到再生），并且随后横向区段将再生的固体热载体303输送回至反应器。将会被所属领域技术人员所理解的是，用于固体热载体再生及运回至反应器的具体方法可在不背离本公开的范围的情况下的实施方式之间具有多种变型。
固体流308离开旋风器306的底部，并且穿过倾斜区段（浸入管）309且进入再生器区段（砂再热器）310。在该再热器310中，固体与高温空气混合，并且固体热载体通过燃尽积炭而再生。固体热载体也通过燃烧而被加热至高温。热的再生的固体热载体离开311该再热器的底部，并且经由螺旋钻312输送回至反应器301。
气体流离开旋风器306的顶部并向下游行进307以经受进一步的处理。该气体流主要包括烃类蒸汽和气体以及来自热分解反应、净化、燃烧、和大气（检测出N2、O2、CO2、CO、NOx、H2、H2S、及SO2）的其它气体。还存在可变量的夹带固体，其数量取决于旋风分离器306的分离效率。
为了弥补现有技术中所指出的不足之处，在旋风分离器306的下游且在淬火容器313的上游安装有副分离器400。气体流向下游行进到淬火容器313中，在该淬火容器313中，处于较低温度250℃的烃类液体被再循环。淬火容器313冷却烃类蒸汽以使其恢复到液相，准备用于进一步的下游处理。淬火容器313也从气体流中的烃类产物中移除未被副分离器400移除的固体（主要是砂子）。
图4示出了根据一种实施方式的用于与本反应器系统一起使用的示例性副分离器区段。气体流离开旋风分离器306并进入副分离器400，在该副分离器400中，气体和固体发生进一步的分离。处理过的流随后前进至淬火容器313。
根据一种实施方式，本副分离器设计利用多个气体/固体分离原理的多个方面。控制参数在具有最大颗粒物质（PM）移除效率的同时降低了资本/维护成本。副分离器是自支承的，这意味着内部容积设计成保持200磅（lb）的砂子，并且仍然在具有最小分离效率的损失的情况下起作用。此外，副分离器排列有大功率热缆线，这将充足的热量提供至容器壁，以补偿容器壁上的淬火（无用于隔热的耐火物质）。基于初步计算，本分离器的颗粒切点（d50）为15微米（在d50处效率为50%）。
式中： d pc = 9 μW 2 π N e V i ( ρ p - ρ g )
μ=气体粘度（kg/m-s）
W=入口宽度（m）
Ne=旋风器中的圈数
Vi=进口速度（m/s）
ρp=颗粒密度（kg/m3）
ρg=气体密度（kg/m3）
夹带有固体的气体流（每立方英尺的气体约0.07lb固体）通过示例性的2.9英寸的方形管401进入副分离器400，该方形管401设置成与其内径相切。通过方形管401的切向入口使得气体/固体流进入到分离器400中并且开始向下的盘旋。随着气体继续其向下的盘旋，固体由于离心力和惯性而被保持在外部旋流中。由于固体撞击容器内径，因此它们在N次回转后分离开并且被朝向副分离器400的底部碗状部402拉动。在约4-5次回转后，气体行进通过10英寸管403的中央和3英尺蒸汽出口404的外部。
图5示出了根据一种实施方式的用于与本系统一起使用的示例性副分离器的设计详图。副分离器400不包括圆锥形区段，这是因为延长的桶长会提供足够的内部回旋并且由此提供充分的固体分离。另外，副分离器400主要是封闭容器。这意味着，在操作期间在技术上不存在规则的固体出口。将固体从分离器400移除所使用的方法是经由双隔离刀阀（KV）405锁定系统进行的，在该双隔离刀阀（KV）405锁定系统中，固体以增量（例如，10lb.增量）的方式而被手动地卸载。然而，在典型的运转时期期间，副分离器400被视为一种封闭容器，由此在整个运转持续时间内，固体保持在桶402的底部中。
由于副分离器400的自支承式设计，副分离器400基本上接管了淬火容器313的作用，作为旋风分离器306的下游的固体收集器。表1和表2示出了在不具有副分离器400与具有副分离器400的情况下在运转期间从淬火容器排出的砂状固体的总量。表1和表2还示出了砂循环的持续时间和砂循环速率，这两者均用于计算每次运转的实际的旋风器分离效率。
M总砂=m砂×t循环
η旋风器=100%×(MV800砂÷M总砂)
式中：
MV800砂=来自淬火容器的砂，lb
M总砂=旋风器总砂通过量，lb
m砂=砂循环速率，lb/hr
t循环=砂循环持续时间，hr
η旋风器=旋风器分离效率，wt%.
Figure BDA0000374787790000111
Figure BDA0000374787790000121
表1：在副分离器实施之前排出的砂
Figure BDA0000374787790000122
表2：在副分离器实施之后排出的砂
图6示出了根据一种实施方式的通过本副分离器和淬火容器的固体重量收集趋势的比较。平均起来，不利用副分离器的运转在淬火容器中收集144lb固体，而利用有副分离器的运转在淬火容器中未收集到固体。另一方面，利有副分离器的运转在副分离器中平均收集136lb的固体。由于两个平均值的紧密的接近度（差异小于6%），因此可以说，副分离器已经截取了会在淬火容器中停止的几乎所有的固体。这由副分离器实施前后的旋风器分离效率之间的紧密的接近度而得到进一步的证实。
通过减少大多数砂在淬火容器中的聚集，淬火容器底部的更多产物可被用在最终的合成原油（SCO）混合物中，而在最终产物中不存在固体杂质的风险。通过减少淬火容器再循环泵的过滤器需要被清洁的次数，并且也降低了周期性地排出淬火容器的已经聚集有循环固体热载体的底部的必要性，这也提高了操作人员的效率。
对这种操作人员而言的这种实际益处对于在反应器与再热器之间具有新的固体热载体输送系统的热区段（称之为改装）而言是尤其关键的。
运行ID 来自副分离器的砂（lb）来自淬火容器的砂（lb）
E046 3340.00
E047 5460.00
E048 4150.00
B049 8300.00
A050 2730.00
A051 4610.00
A052 5370.00
A053 9440.00
A054 1920.00
A055 1840.00
A056 2300.00
A057 5670.00
平均值 4590.00
表3：从副分离器和淬火容器（改装后的）排出的砂
如由表3所示，在改装后的运转期间，从副分离器排出的砂的平均量是459lb。图7示出了从旋风分离器至副分离器的砂夹带量，该副分离器包括在新装置的调整、检测及具有新的控制系统的操作机制期间的事件。
该副分离器通过各种各样的操作状况和机制而在收集固体的方面是高效和有效的。
从表1中所示的淬火容器排出的砂的重量基于从淬火容器的底部排出的砂/油混合物的总重量及对混合物的油含量进行的实验室分析。用于确定砂/油混合物的基于重量的油含量的实验室分析方法是燃尽来自混合物的任何可燃物料（主要是油），从而留下砂。该分析（烃类燃尽检测）结果示于表4中并且描绘在图8中。
Figure BDA0000374787790000141
表4：淬火容器液体中砂的百分比
如在表4中所示，在副分离器实施之前收集到的淬火容器液体中的砂的平均量为77.31%。在副分离器实施之后，该平均量下降至10.42%。这表明副分离器收集存在于离开旋风分离器的气体流中的大多数的固体，并且从图6中示出的趋势来看这是明显的。
在从塔的底部至塔的顶部的淬火液体的循环运转期间，要求在淬火容器中具有足够的液位，并且为此，处理用于给定运转的全原油被充注到淬火容器中。多种因素影响淬火容器液位的下降，并且充液必须得到加强以维持最佳的液位。这种因素包括系统压力、流速、和淬火容器排出频率的变化。通过减少淬火容器中的砂聚集量，也减少了维持淬火容器中的液位所需的充液量。
为了比较不同运转之间的相对的淬火容器充注量，每个淬火容器充注量均与用于特定运转的反应器进料的总量相配对，这是因为反应器进料用量直接表明由用于给定运转的反应器系统所处理的重油给料的量。表5中所示的淬火容器充注量与反应器进料比率给出了每单位所处理的进料所需的淬火容器充注量。
Figure BDA0000374787790000151
Figure BDA0000374787790000161
表5：淬火容器充注量与反应器进料比率如由表5中所示，不具有副分离器所需的淬火容器充注量几乎是具有副分离器所需的量的两倍。任何重油浓缩单元的价值在于将较重的全原油转换成较轻的产物的能力。通过将更多的全原油直接引入至淬火容器，绕过发生在淬火容器的上游的任何预处理和热裂化，并未由淬火容器充注量的增加而获得利益。另一方面，通过降低所需的淬火容器充注液体的量，需要较少的全原油用量，并且在这方面需要较少的开销。
淬火容器起到“气液分离”容器以阻止进入淬火容器的任何固体进一步向下游前进，从而将液体产物中清除出固体给料杂质。然而，与任何分离方法一样，它并不是100%有效的，并且从淬火容器至下游容器的固体夹带物是不能被完全避免的，尤其是不太可能下沉至淬火容器的底部的较细的、较轻的颗粒。
由于采用了副分离器，自运转A028（参见图7）以来，淬火容器不再具有固体的明显聚集。随着淬火容器中的固体浓度的显著降低，会夹带至下游容器的固体的量也显著减少。淬火容器的下游的容器收集最终被混合到最终产物（合成原油或SCO）中的液体产物中的大部分。因此，副分离器负责将大部分固体给料杂质保持在最终产物之外。
利用称之为聚焦光束反射测量（FBRM）的方法，可针对固体杂质对合成原油最终产物进行分析。表6中示出了多种合成原油产物的FBRM分析结果，并且图9中示出了颗粒数分布。在不具有副分离器的情况下的运行A014合成原油的结果与具有副分离器的情况下的运行所产生的合成原油的结果进行比较。
Figure BDA0000374787790000171
表6：SCO样本的FBRM分析结果根据表6中所示的数字，很显然，固体杂质的程度对于利用副分离器的运转而言是不重要。当A014合成原油包括总数为27,000时，具有副分离器的所有运行之外的最高结果是比A014的计数小约70%的7450。也观察到所有尺寸的颗粒的显著减少，尤其是尺寸小于50微米的那些颗粒。
图10示出了根据一种实施方式的由本副分离器捕获的颗粒的扫描电子显微镜（SEM）图像（100×放大倍率）。图11示出了根据一种实施方式的由本副分离器捕获的颗粒的扫描电子显微镜（SEM）图像（500×放大倍率）。图12示出了根据一种实施方式的由本副分离器捕获的颗粒的扫描电子显微镜（SEM）图像（1000×放大倍率）。在副分离器的实施之前，这些颗粒会已被保留在蒸汽中并最终被包含在最终的液体产物中。
尽管旋风分离器306和副分离器400两者均处于分离装置的同一分类中，但是由于此处所述的技术设计差异，因此不同颗粒尺寸的分离效率仍旧存在差异。
为了比较旋风分离器306与副分离器400之间的分离的质量，有必要比较两种分离器的固体输出。旋风分离器输出的代表性样本为在位于旋风分离器与再热器之间的样本端口中获取的固体（砂子）样本或从再热器获取的样本。由于缺乏用于固体的出口，因此副分离器输出的代表性样本是从分离器的底部碗状部所排出的任何固体。
对于分离质量的合理的指征在于确定由分离器所捕获的颗粒的尺寸。表7对由旋风分离器306和副分离器400捕获的固体的颗粒尺寸分布进行比较。这些数字基于从运转A028获取的样本。
来自旋风分离器的砂 来自副分离器的砂
样本ID A028-砂最终-1637 A028-砂CatBtm3-1640
<10μm 0.00 0.970
10至50μm 0.00 3.10
50至150μm 0.00 6.06
150至300μm 16.3 63.1
300至1000μm 83.7 26.8
1000+μm 0.00 0.00
表7：所捕获的固体的颗粒尺寸
如由表7所示，很显然，由副分离器捕获的固体在尺寸上比由旋风分离器捕获的固体小。由副分离器捕获的所有固体的约73%的固体的尺寸小于300微米，而由旋风分离器捕获的所有固体的仅约16%的固体小于300微米。另外，由副分离器捕获的所有固体的约4%的固体小于50微米，而没有小于150微米的颗粒被旋风分离器所捕获。回顾以上描述，在合成原油产物中的最大量的固体杂质是尺寸小于50微米的固体杂质。因此，有证据表明该副分离器是在从最终液体产物移除的固体杂质中的较为重要的贡献者。图13和图14示出了根据一种实施方式的由旋风分离器和本副分离器捕获的固体的颗粒尺寸分布的柱状图。
由旋风分离器306和副分离器400捕获的固体中的相同颗粒尺寸偏差也在其它运转中示出。表8将由旋风分离器和副分离器捕获的固体的体积加权平均颗粒尺寸（索特直径）进行比较，并且图15示出了用于具有可用数据的所有运转的颗粒尺寸趋势。
Figure BDA0000374787790000181
Figure BDA0000374787790000191
表8：捕获的固体的体积加权平均值
如图15中所示，由副分离器捕获的颗粒的平均尺寸始终小于由旋风分离器捕获的颗粒的平均尺寸。这与表7中所示的运转A028的发现相一致。
重油和沥青给料可包含若干麻烦的、难以处理的、特细的和细的固体。由于存在烃类覆膜，这些细的固体与重油和沥青的沥青质馏分相关联。Athabasca形成物是油砂储备的主要沉积物中最大的。Athabasca沥青是由Athabasca形成物所产生的油的通用术语。重油和沥青来自于相对早期形成物，并且Athabasca沥青提供了用于与其它重油和沥青或具有固体的任何给料进行比较的基础。
由于细的固体与重质馏分的在高于1000℉沸腾的部分相关联并且包含沥青质，因此已经通过现场脱水并通过精炼过程而被从来源形成物中识别出。这些给料固体穿过反应器、反应器旋风器，但被副分离器所捕获。给料固体的来源包括：
-（1）在形成物沉积的同时结合的并且在石油在这些小颗粒的周围形成和凝结时被覆盖住的固体。这些颗粒具有甲苯不溶的有机物质（TIOM）的覆膜并且与最重的烃类、沥青质相关联。这些固体具有测得的小于10微米的直径，并且通常为小于5微米的直径。
-（2）在于湖泊和海洋沉积环境中发现油、无机超细的和细的粘土、砂子、及其它物料的来源的同时被储备起来的固体。这些固体已被测量为10×200nm。这些固体已暴露于无机区域、腐殖覆膜区域、及TIOM区域。在这些区域是疏水的并且其它区域是亲水的情况下，超细的和细的固体出现在油和微小水滴的界面处。这些固体使移除水变得困难，并且与在油-水界面处的乳状液相关联。
-（3）在从包括但不限于钻井泥浆、流体和诸如流动改进剂之类的添加剂的生产期间被添加以提高产量和钻井泥浆、流体、添加剂、和油的相互作用的反应产物的固体。
-（4）与包括管垢、铁锈等的产物一起出现的固体。
-（5）在传输给料用于处理之前，作为沥青质和烷烃的沉积产物的固体，这些固体在生产期间随着添加用于提取的轻质物料、沥青质而出现，其中，当温度和/或压力被降低时或者在现场管道运转中，在井孔的一侧上沉积出该沥青质。根据物理状况和沥青质，由于沉积而减小的直径导致增加的速度，从而提供使所沉积的沥青质不再沉积但随着油行进以进行传输的足够强大的剪切力。
除了来自给料的固体和沥青质以外，这些物料可凝聚和凝结，从而形成较大的颗粒。热处理产生与固体热载体一起被传送至再生器的焦碳固体。研究已经表明，原油中的固体和沥青质的存在可导致通过以下方式使来自生产井孔的污垢的累积：即，通过现场脱水、储存、及运输至精炼厂；通过精炼处理直到使沉积物在精炼厂热交换器、加热器、塔、罐、及包括燃料油的底部产物中下沉的炼焦器。对于生产中的任何中断会是有害的商业精炼厂而言，原油质量的指标是原油结垢潜力。因此，可取的特性是降低的结垢潜力。
图16示出了现有技术的热结垢检测单元的图表。为了确定给料和产物的结垢潜力，精炼厂热交换器设置的实验室规模的模拟由F.A.C.T.进行，该F.A.C.T.为具有使由检测到的原油所引起的结垢程度量化的专利装置的第三方公司。F.A.C.T.热结垢检测单元1600将检测到的原油泵送通过壳体的环状区段及包含用于精确的温度设定的电加热管的管状热交换器。放置热电偶以对加热管的温度输出及离开热交换器的原油的温度进行测量。在利用该设备的检测运转的持续时间期间，污垢出现在加热管的表面上。
热交换器上的污垢的实际效果为不充分的热交换。在稳态中且在没有污垢的情况下，加热管的温度和离开热交换器的原油的温度应当是非常接近的。覆在热交换器上的污垢具有远小于未结垢的加热管表面的热传导率，因此，当污垢出现时，妨碍了传输至原油的热量。这转变成离开热交换器的原油的温度降低。换言之，污垢越多，温度就越低。由此，F.A.C.T.热结垢检测单元通过测量离开热交换器的原油的温度的变化而使结垢程度量化。表9、表10和表11对来自前副分离器运转A014和后副分离器运转A028、E043.A、E044、E045.A和E046的具有未处理的Athabasca沥青和示例性的重油样本（EHOS）全原油的合成原油最终产物进行了比较。EHOS（示例性的重油样本）是来自被提供用于技术示范的探井的样本。EHOS样品来自最初的现场生产，并且对于放射性而言是独特的并且来自一个采样活动。EHOS样品仅代表该样品本身。副分离器在运转A028中首先实施，并且随后继续处于使用中。
样本ID FTF-ATH-053 A014-SCO大-784
结垢ΔT/℉
15分钟（min） 0 25
30min 20 35
45min 39 54
60min 55 68
75min 64 79
90min 71 81
105min 72 84
120min 72 86
135min 72 86
150min - -
165min - -
180min - -
表9：副分离器之前的F.A.C.T.结垢检测结果
样本ID FTF-ATH-053 A028-SCO-1792
结垢ΔT/℉
15min 0 1
30min 20 10
45min 39 18
60min 55 29
75min 64 39
90min 71 48
105min 72 57
120min 72 68
135min 72 -
150min - -
165min - -
180min - -
表10：副分离器之后的F.A.C.T.结垢检测结果
Figure BDA0000374787790000221
表11：副分离器之后的F.A.C.T.结垢检测结果如在表9中所示，在没有副分离器的服务的情况下，产生合成原油产物的过程比在运转A014中处理的Athabasca沥青全原油具有略微增大的结垢潜力（在经过相同的运转时间之后略微增大的ΔT值）。由于沥青的体积已被缩小，因此这是将会预料到的，但是固体尚未被移除。相比之下，如表10中所示，在具有副分离器的服务的情况下，产生合成原油产物的过程比作为运转A028中给料的Athabasca沥青全原油具有降低的结垢潜力。这是副分离器的第一试运行，并且性能随着实施操作指南而得以改进。
在结垢潜力方面的该降低也在处理不同类型的全原油的后副分离器运转中予以重复。如表11中所示，产生合成原油产物的过程比在运转E043.A、E044、E045.A及E046中进行处理的示例性的重油样本（EHOS）全原油具有大大较低的结垢潜力。
图17示出了不具有本副分离器的实施的示例性结垢检测结果。图18示出了根据一种实施方式的具有本副分离器的实施的示例性结垢检测结果。图19示出了根据一种实施方式的具有本副分离器的实施的另一示例性结垢检测结果。
除了会在精炼厂热交换器中引起结垢的给料固体和沥青质之外，在原油中存在最好使其最小化的其它不合需要的物质。特别是镍和钒的金属就是一种这种不合需要的物质。镍和钒可潜在地形成不利于精炼过程的化学络合物。然而，该过程从最终的液体产物中移除了这种金属，这是因为固体热载体提供了吸收这些金属并将这些金属与烃类分离开的介质。因此，通过使得任何下游产物容器中的固体热载体的量最小化，可减少最终产物中的金属的量。
表12示出了合成原油和反应器进料的基于ICP分析的金属含量数据。未加工的合成原油ICP数据表明：在不具有本副分离器的情况下的运转的合成原油金属含量比在具有本副分离器的情况下的运转的合成原油金属含量低。然而，未加工的反应器进料ICP数据也表明：在不具有副分离器的情况下的运转的反应器进料金属含量比在具有副分离器的情况下的运转的反应器进料金属含量高。因此，将来自副分离器实施之前和之后的未加工的合成原油数据进行比较是不公平的评估。相反，比较还必须基于反应器进料中的金属的预先存在的量。为此，形成了合成原油金属含量与反应器进料金属含量比率。
通过比较SCO/反应器进料金属含量比率，每单元预先存在的反应器进料金属确实存在来自后副分离器运转的合成原油产物中的较低量的镍、钒、和钙。这显示了在具有副分离器的运转的情况下的较大的金属移除程度，如由较低的合成原油金属含量所指示的那样。
Figure BDA0000374787790000241
表12：副分离器实施之前和之后的ICP金属数据
在通过油砂生产沥青以及生产密度比水高的其它原油中，石脑油稀释剂用于通过脱水系统提取和降低体积密度以使其低于水，使得油位于顶部上而水可被抽出。在将沥青发送至货运存储器的同时，通过常压拔顶来移除石脑油稀释剂，并且将其送回至生产过程。在稀释剂移除后，一些难以处理的固体和水仍然存在于沥青中。这些残余固体的主要组分是其表面被甲苯不溶的有机物质覆膜的特细的铝硅酸盐粘土微晶。矿物固体和盐存在于拔顶沥青中并在沥青处理期间仍然存在；它们可被夹带有挥发性的塔顶馏出物并且延续至其它处理单元。残留盐的高氯含量在下游处理单元中引起腐蚀和结垢问题。由于与沥青给料固体成分相关联的有机物质的数量和类型，因此，它是在反应器容器中和催化剂上的焦碳形成物的主要贡献者。此外，给料固体颗粒的夹带是已知的以在预处理过滤器和填充床加氢器中导致结垢。与沥青相关联的固体已被报道为以纳米尺寸为主的单层铝硅酸盐粘土颗粒。在地质时期内，鉴于它们暴露于来自油砂沉积物的高芳的极性有机组分，因此已经使得这些活性的无机颗粒的外部呈现沥青质状。具有基质表面的化学相互作用使得有机涂料溶剂是不溶解的。这些粘土水颗粒或随着它被转移到烃类沉积物中或在其处于合适的地质位置期间会已被油所吞没。因此，即使在通过离心来移除固体和水的商业过程中，一些超细的颗粒仍然存在于炼焦器进料沥青中。在沥青处理期间，一些颗粒被夹带在可挥发的塔顶馏出物中。因此，沥青固体会有助于在该过程的意外区域中积炭。由于在固体表面上的吸附有机物与沥青质本身之间的相似性，因此固体宁愿保持成与沥青质组分相关联。
由于尺寸及与沥青质的关联性，因此通过过滤而移除给料的细的固体是非常困难的。为了移除用于实验室分析的固体，执行超高离心过量，从而使甲苯沥青质溶剂以引起超过350,000重力的旋转速度离心。随着离心速度提高，给料固体分离物增多。伴随着成本和损耗的对应增加，利用导致液体回收率下降至85%的定制的溶剂系统来移除固体的实验是考虑不足的。
如所述，细的和超细的给料固体导致管道、浓缩和精炼过程的结垢。给料固体通常遵循沥青质馏分的路径，并且在真空塔气油和真空塔底部中被发现，给料固体被传送至炼焦器进料、重油加氢处理、燃料油、或合成原油混合物。
众所周知的是，与包含沥青质的重质馏分相关联的给料固体是结垢的原因，并且在结垢检测程序中被检测到。
本系统移除给料固体的一部分并且在该情况下减小合成原油（SCO）的混合流的结垢系数。
本文中使用最新水平的测量系统来检测和分析与Athabasca沥青给料相关联的细的固体。固体通过显微镜照片而得到视觉上的确认，并且小于5微米的中间颗粒尺寸由FBRM（聚焦光束反射测量）进行确认。
图20提供了在原油中循环的固体的显微图像。图21示出了在溶液中的颗粒的尺寸的FBRM（聚焦光束反射测量）图。与图20的显微图像一致，小颗粒由分布模式小于5微米的FBRM予以测量。
图22示出了3种单独的Athabasca沥青装运物的FBRM比较。装运物1由线2201、样本A014-SP0135-653示出。装运物2由线2202、样本A024-SP0135-1308示出。装运物3由线2203、样本A053-SP0135-3868示出。FBRM运转状况为：65℃、每分钟转数设定于1:00。包含细的固体的所有的Athabasca沥青装运物具有小于5微米的中间值。明显的是，存在于装运物中的每种装运物中的小颗粒固体中存在显著的差异，最大差异示出在装运物12201中。这种差异由于从特定形成物中的特定深度所生产的特定的井、或由于脱水、石脑油回收或其它操作差异、或由于对于产物规格的修整混合而是可能的。
在以上描述中，仅出于说明性的目的，提出了特定的术语以提供了对于本公开的非常精确的理解。然而，所属领域技术人员将了解到的是，无需这些具体的细节来实践本公开的教示。
此外，代表性的示例和从属权利要求的多种特征均可以不具体地且明确地列举的方式组合，以便提供本教示的其他的有用实施方式。还需要特别注意的是，出于原始公开的目的及出于限制所要求保护的主题的目的，实体组的所有数值范围或指征公开了每个可能的中间值或中间实体。还明确指出的是，附图中所示的部件的尺寸和形状被设计成帮助理解如何实施本教示，但并非意在限制示例中所示的尺寸和形状。
本文已经公开了一种用于在给料的处理中进行分离的方法、系统、和设备。所理解到的是，文中所述的实施方式是出于说明的目的，并且不应该被视为限制本公开的主题。多种变型、用途、替代方案、组合、改良、生产方法在不背离本发明的范围或精神的情况下对于所属领域技术人员而言都是明显的。

Claims (5)

1.一种设备，包括：
管状容器，所述管状容器具有方形管入口和蒸汽出口，其中，所述蒸汽出口设置于所述管状容器的顶部处，并且其中，所述方形管入口与所述管状容器的内径相切；
桶，所述桶设置在所述管状容器的下方；以及
双隔离刀阀，所述双隔离刀阀设置在所述管状容器与所述桶之间，
其中，气体-固体流通过所述方形管入口进入所述管状容器，并且其中，通过利用离心力而将所述气体与所述固体分离开，并且其中，所述气体离开所述蒸汽出口而所述固体被收集在所述桶中。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述桶是可拆卸的，以排空所收集到的固体。
3.如权利要求1所述的设备，其中，所述设备设置在旋风分离器的下游且在淬火容器的上游。
4.一种方法，包括：
提供一种副分离设备，所述副分离设备包括：
管状容器，所述管状容器具有方形管入口和蒸汽出口，其中，所述蒸汽出口设置于所述管状容器的顶部处，并且其中，所述方形管入口与所述管状容器的内径相切；
桶，所述桶设置在所述管状容器的下方；以及
双隔离刀阀，所述双隔离刀阀设置在所述管状容器与所述桶之间；
将所述副分离设备设置在旋风分离器的下游，其中，来自所述旋风分离器的气体-固体流通过所述方形管入口进入所述管状容器，并且其中，通过利用离心力而将气体与固体分离开，并且其中，将固体收集在所述桶中；以及
将所述副分离设备设置在淬火容器的上游，其中，所述气体离开所述蒸汽出口并且继续进行至所述淬火容器。
5.如权利要求4所述的方法，还包括拆卸所述桶并且排空所收集到的固体。
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