CN110869115B - 抽取系统 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于从高温工业过程的高温单元抽取颗粒物质的抽取系统。该抽取系统包含：物料储存仓，其包含含有第一通风阀的通风管线；一个或多个温度传感器，用来测量物料输送管线中该颗粒物质的温度；和控制器，其接收该一个或多个温度传感器的输出测量值，用来监测和控制该颗粒物质的流动。该系统在该物料输送管线中不含位于该高温单元与该物料储存仓之间的接收容器。

Description

抽取系统
技术领域
本发明是一种抽取系统，特别是用于从高温工业过程例如流化催化裂化(“FCC”)过程中抽取颗粒物质。
背景技术
常规的流化催化裂化系统通常包括与催化剂注入系统、石油原料来源和蒸馏系统连接的流化催化裂化(FCC)单元。FCC单元包括再生器和反应器。反应器主要容纳石油原料的催化裂化反应，并将裂化产物以蒸气形式输送至蒸馏系统。来自裂化反应的废催化剂从反应器转移至再生器，以通过除去焦炭和其他物料来再生催化剂。然后将再生的催化剂重新引入反应器中以继续石油裂化过程。催化剂注入系统将新鲜催化剂连续或半连续地添加到在再生器与反应器之间循环的存量中。
在催化过程中，FCC单元内的总催化剂具有动态平衡。例如，利用催化剂注入系统定期添加催化剂，并且某种催化剂以各种方式损失，例如通过蒸馏系统，通过离开再生器的流出物等。如果FCC单元内的催化剂的量随时间减少，则FCC单元的性能和所需输出将减少，并且FCC单元将无法使用。相反，如果FCC单元中的催化剂存量随时间增加或失活，则再生器内的催化剂床位将达到操作上限，将失活或过量的催化剂撤回以防止不可接受地高的催化剂排放到烟气流中，或者其他工艺混乱。因此，典型的流化催化裂化系统还含有适合于从一个或多个单元如FCC单元中抽取物料的抽取设备。
美国专利7,431,894教导了一种用于调节流化催化裂化催化剂(FCC)单元中的催化剂存量的催化剂抽取设备和方法。该设备包括压力容器，该压力容器具有连接至装料口的计量装置。散热器位于靠近计量装置的位置，并适于冷却进入压力容器的催化剂。传感器(例如测力计)连接至压力容器，该压力容器布置成提供通过计量装置进入压力容器的催化剂的计量指示。然后将压力容器中的冷却催化剂送至废催化剂储藏(物料储存仓)。
美国专利8,092,756教导了一种用于调节单元中的催化剂存量的催化剂抽取设备和方法。各种实施方案包括适合于高温操作并且具有连接至该单元的入口和出口的容器，或者包括容器和连接至该容器的热交换器，其中该容器适合于高温操作。美国专利8,092,756显示，然后将来自容器的催化剂布置为ECAT(即平衡/废催化剂储藏)。
美国专利8,146,414教导了一种方法，该方法包括将物料从FCC单元中抽取至连接至流化催化裂化单元的热交换器。该热交换器有物料入口；物料出口；具有相应温度的冷却液入口和冷却液出口。该方法进一步包括测量热交换器的物料入口、物料出口、冷却液入口和冷却液出口处的相应温度；测定物料入口与物料出口之间的温度变化，和测定冷却液入口与冷却液出口之间的温度变化；并且将物料入口与物料出口之间的温度变化和冷却液入口与冷却液出口之间的温度变化与从单元中抽取的物料的计量相关联。然后将冷却的物料送至容器。美国专利8,146,414进一步教导了可以将来自FCC单元的物料替代地送至适合于高温操作的容器，然后送至废催化剂储藏/处置。
所有现有技术的系统和方法都教导使用昂贵的装置和技术来将催化剂从高温单元移至物料储存仓或废催化剂储藏。因此，期望获得一种改进的抽取系统，用于从例如流化催化裂化(“FCC”)工艺的高温操作中提取颗粒物料，特别是一种无需增加装置即可准确地测量提取的材料的量的系统。已经发现了一种新的抽取系统，用于从工业过程中提取颗粒物料。
发明内容
本发明包括一种用于从高温工业过程的高温单元中抽取颗粒物质的抽取系统。该抽取系统包含物料储存仓，其包含含有第一通风阀的通风管线，用来测量物料传输管线中的颗粒物质的温度的一个或多个温度传感器，以及接收该一个或多个温度传感器的输出测量值用来监测和控制颗粒物质的流动的控制器。该系统在物料输送管线中不含位于高温单元与物料储存仓之间的接收容器。本发明允许消除中间接收容器，这减少材料抽取系统的成本和该系统的占地面积，由此使得更容易安装在空间受限的位置。
附图说明
图1显示了对于沿物料输送管线的长度的物料抽取的温度曲线。
图2显示了穿过热交换器的压力降与催化剂抽取速率之间的关系。
图3显示了用于从连续抽取系统的物料输送管线收集高温颗粒物质(例如ECAT催化剂)的取样站。
图4显示了用于收集位于物料输送管线中“智能三通(Smart Tee)”的堵头(blind)上的高温颗粒物质(例如ECAT催化剂)样品的取样站。
具体实施方式
本发明包括一种用于从高温工业过程的高温单元中抽取颗粒物质的抽取系统。优选的高温单元包括用于制造吡啶及其衍生物的单元，用于制造丙烯腈的单元，用于将甲醇转化为烯烃或其他产物(MTX工艺)的甲醇转化单元，流化催化裂化(FCC)单元，和用于化学制造工艺的其他单元。颗粒物质优选是添加到工业过程中的催化剂或添加剂。本发明特别适合于抽取粉末状FCC催化剂和/或添加剂和从流化催化裂化单元排出的空气的混合物。这些材料可以在至多约750℃的温度从FCC装置中抽取。
抽取系统还包含物料储存仓。物料储存仓通常是位于所述的催化过程附近的大容量储存容器，其经设计用于接收从该过程中抽取的催化剂。本发明的物料储存仓包含含有第一通风阀的通风管线。通风管线除了第一通风阀之外还优选地含有过滤装置。该过滤装置起到过滤催化剂细粉的作用，以使它们不释放到大气中。合适的过滤装置包括过滤器、静电沉积器、卵石床、旋风分离器等。合适的过滤器包括袋滤器、陶瓷过滤器和烧结金属过滤器。优选的过滤装置包括袋滤器和烧结金属过滤器。
抽取系统还包含将高温单元连接到物料储存仓的物料输送管线。物料输送管线优选地包含导管，该导管允许颗粒物料从高温单元流到物料储存仓。这样的导管理想地应具有最少的弯头和高度变化，以使该导管中的压力降最小。该导管可以包含专门设计用于增强来自管道的传热的区段。这种区段的一个例子是美国专利7,431,894中描述的热交换器，其教导通过参考引入本文，和美国专利申请公布2016/0258689中指定的交换器，其教导通过参考引入本文。
优选地，物料输送管线是提供传热能力的导管的翅片管，这导致传热面积的显著增加，并且将导致更冷的催化剂进入物料储存仓。翅片管道含有外部散热翅片。这些翅片以常规方式附接到管道的外表面，这对于制造常规的空冷热交换器领域的技术人员来说将是非常熟悉的。翅片通常是管道上的外部突起，该突起使与冷却/加热介质(即环境空气)接触的表面延伸。这些翅片可以是各种厚度、尺寸和材料的侧向翅片；它们可以是圆形、正方形或带有锯齿状的边缘；另外，如设计热交换器的技术中所确定的，翅片可以包括栓钉、销和其他形状，这些形状有助于使环境空气与流体颗粒混合物之间的传热最大化。选择翅片的材料以实现最大的传热，并且翅片的形状和连接经设计以承受这种运行中涉及的循环热应力。使用外部翅片允许管道内容物的快速冷却。热损失将流向环境空气。
本发明的抽取系统在物料输送管线中不含位于高温单元与物料储存仓之间的接收容器。
抽取系统还包含一个或多个温度传感器，用来测量物料输送管线中颗粒物质的温度。一个或多个温度传感器用于使用物料输送管线本身上的温度读数来调节催化剂流量。这不同于通常基于中间接收容器上的测力计读数来调节催化剂抽取流量的现有的抽取系统。至少一个温度传感器将优选地位于催化剂抽取管线的末端，在该处排放到物料储存仓中。可以通过将该温度传感器的温度保持在预设值来调节催化剂流量。优选地，在沿物料输送管线的不同长度处存在多于一个温度传感器。例如，三个温度传感器可以位于距离高温单元的三分之一处，第二个传感器位于高温单元的三分之二处，而第三个温度传感器位于到物料储存仓的出口处。
抽取系统包含控制器，该控制器接收来自温度传感器的输出测量值以监测和控制催化剂流量。这可以通过计算来自催化剂抽取管线本身的热损失来完成。使用先前建立的传热系数以及管道的已知几何形状和表面积，可以在沿管道的不同位置处测量温度曲线，以反演计算颗粒物抽取速率。
通过物料输送管线的颗粒速度优选地通过输送气流并使用输送管线中的已知流动条件来独立地控制。使用标准流量控制器设置传送空气的流量，该标准流量控制器的许多类型对于本领域技术人员而言是公知的。通过标准技术例如皮托管、文丘里流量计、孔板等测量流量，并通过可变位置控制阀进行控制，不过也可以使用其他工业标准的控制方法。根据这种已知的质量流量，可以使用针对输送管道不同部分中的真实压力和温度的标准热力学校正方法，例如使用公式PV＝nRT，计算出输送管线中所有位置的实际流速。
通过调节材料存储筒仓中的压力来优选地调节颗粒物质的抽取速率，并且经控制以在抽取管线上的温度传感器的至少一个上维持恒定的目标温度。该压力控制可以通过本领域技术人员公知的几种不同方法来完成。优选地，这种控制通过操作位于来自物料储存仓的通风管线上的优选过滤装置的出口侧上的控制阀的操作来实现。
必须保持对物料储存仓中压力的严格控制，以精确控制催化剂的抽取速率。通过限制通风速率并允许压力逐渐累积来优选地增加通风的容器中的压力。对于较小的容器，压力累积的响应时间可能会可以接受地快。由于物料储存仓是比在抽取管线中用于在分配到物料储存仓之前收集颗粒物的典型接收容器大得多的容器，所以物料储存仓内压力累积的响应时间将慢得多。因此，物料储存仓优选地含有入口管线以添加工艺空气以更快地增大仓内的压力。
通过增加通风速率并允许压力逐渐降低来优选地降低压力。对于较小的容器，压力降低的响应时间通常为可以接受地快。由于物料储存仓是比在抽取管线中用于在分配到物料储存仓之前收集颗粒物质的典型接收容器大得多的容器，所以响应时间会由于物料存储的大体积而可能会显著地减慢。为了加快物料存储料仓内的压力降低，该仓优选地包含更大的第二通风阀，该阀可用于在需要降低压力时使该仓中的压力做出快得多的响应。
在典型的抽取系统中，接收容器是位于同一平面上的小容器。因此，来自高温单元例如FCC再生器的抽取物料流通常从该再生器“下降”到接收容器。催化剂流中很大部分的压力梯度由静压头差，而不是由摩擦压力损失引起。实际上，这种下降流允许比操作人员原本所希望能够达到的流量更高的流量。
由于物料储存仓通常是非常高的结构，所以来自高温单元的颗粒物质将需要“上升”流动来进入该仓。这将导致压力降的显著增加，这可能最终会限制颗粒物质的抽取速率。优选有两种方法来处理此问题。首先，可以将抽取管线制成更大的直径。这将导致管中颗粒物质的平均密度降低，从而降低静压头的要求。第二，可以使用真空喷射器向物料储存仓施加负压(真空)。这将增加可用的ΔP的量，从而避免需要使用更大的管径。
假设所选温度传感器的温度保持恒定，则抽取速率在恒定的环境条件下也应恒定。图1演示了使用温度测量来测量流速。在高速率(图中的虚线)，离开再生器的颗粒物质可能约为650℃(约1200°F)，并且温度将沿抽取管线的长度降低，直到它进入该图右侧的物料储存仓时达到约55℃(约130°F)的水平。但是，在低得多的抽取速率(图中的实线)，颗粒物质在沿抽取管线移动一半时可能达到约55℃(约130°F)的温度。它将继续冷却该管线的其余部分，但当它进入物料储存仓时温度仍可能约为38℃(约100°F)。
在这种情况下，使用位于抽取管线的末端的温度传感器在物料储存仓的入口处控制催化剂流量可能并不理想。为了精确控制，优选地，响应于以实际抽取速率的变化，测得的温度优选地应迅速且大量地变化。在这种环境中，(例如)出于控制目的，可以优选使用位于沿抽取管线的三分之一处的温度传感器。这样的温度传感器将响应于抽取速率的变化而显示出大得多的温度变化，从而使控制更加容易。以类似的方式，高抽取速率可能更优选的是使用位置更靠近物料储存仓的入口的温度传感器，以获得最佳的控制响应。
在天气不稳定的气候中，也可能有必要测量环境温度和/或降水率，并使用这些值来校正上述的传热计算，以确保允许这些变量对计算出的催化剂流量的影响。例如，较低的环境温度将导致较高的传热速率，降水也将如此。这些影响可能非常显著，并且它们对传热计算的影响对于热交换器设计领域的技术人员来说是公知的。
进行这种传热调节的一种优选方式是在暴露于与催化剂输送管线相同的天气条件的位置处测量高温单元(例如FCC再生容器)的暴露的金属表面的表皮温度。在FCC操作中，FCC再生容器还含有处于升高的温度(约760℃或1400°F)的催化剂。因此，该容器的金属表面的冷却将以与催化剂输送管非常类似的方式受到环境条件的影响。测量皮肤温度随着环境天气条件变化而发生的变化，从而可以估计这些相同的环境天气条件对从催化剂输送管传热的影响。
优选地，将控制系统设置为使用沿抽取管道的长度的多个温度传感器中的任一个，并且可以根据情况动态地选择最合适的温度传感器。
尽管对于抽取系统的操作不是必需的，但是该抽取系统可以优选地包含热交换器，该热交换器包含入口端和出口端。热交换器可以是已知用于冷却来自高温工业过程的颗粒物料的任何热交换器。优选地，热交换器具有第一管，该第一管包含颗粒物料入口和颗粒物料出口，其中第一管被容纳在具有冷却液入口和冷却液出口的壳体内；以及如美国专利8,146,414(其教导通过参考引入本文)或美国专利申请公布2016/0258689(其教导通过参考引入本文)所述，用来测量物料入口处的相应温度的传感器，物料出口，冷却液入口和冷却液出口。
在一个特别优选的实施方案中，热交换器包含含有矩形框，优选方形框的结构，如美国专利申请公布2016/0258689(申请序列号15/060088)所述，其教导通过参考引入本文。矩形框优选地是金属框。矩形框支撑管道，该管道围绕矩形框完成至少一个周长。优选地，该管道围绕该矩形框完成至少两个周长。
管道在一系列移动支架上支撑到框。移动支架经设计允许管道水平移动，但限制垂直移动。该移动支架优选是弹簧吊架或滑板。移动支架的一种构造由附接到管的下侧的托(shoe)和从主结构支撑的相应支撑板组成。该托优选地布置成使得该托的平坦表面可以在任何水平平面中在x或y方向上在该支撑板上滑动。该托在该平面上的这种移动理想地不受限制，不过在一些环境中可以优选地限制移动的程度以防止该托从该支撑板滑落。优选地，在该托的底部和该支撑板的上表面涂覆有低摩擦涂层，以允许该托自由移动。这种涂层的例子可以是PTFE、石墨或其他类似的低摩擦材料。
当管道随着热颗粒物质穿过该管道移动而变热时，该管道热膨胀的净效应将会拉长矩形框的每一侧。使用该系列的移动支架允许管道随着该管道的膨胀而自由地伸长，从而允许这种膨胀。优选地，将存在有限数量的固定支撑点以使整个结构保持刚性，包括在每个完整周长的入口端和结束处。但是，它们可以位于各个位置以帮助控制该移动。矩形使管道具有固有的形状稳定性，允许足够的移动以处理膨胀，而不会使回路从结构脱离。这意味着移动支架不必太受限制。当管道周长的所有四个侧面一起扩展时，这会导致该管道稍微移离该框，并且管道的整个“矩形”周长可能会向外移动几英寸，从而远离支撑结构。设计管道支架领域的技术人员将理解如何在本发明中支撑管道。
管道包含管道入口端和管道出口端，并且含有外部冷却翅片。管道入口端优选地连接到工业过程，并且特别地连接到FCC单元的再生器。管道的管道出口端连接到两个或多个收集容器。
可以将管道布置成使得在框的一个完整周长之后，该管道的出口端恰好在该管道的入口端上方；替代地，可以将管道布置成使得在框的一个完整周长之后，该管道的出口端恰好在该管道的入口端下方。这种螺旋布置允许管在竖直方向上彼此紧邻地定位。这对于使绕过冷却翅片的冷却空气的量最小化而言是理想的。将每个连续的管道周长之间的竖直偏移设置为密切匹配翅片管道每个区段的总高度。
优选地，在每个管道周长的每个拐角处(即在矩形框的拐角处)，该管道将与一端密封的管三通(本领域中已知的“盲三通(blind tee)”)连接，以确保来自该管道内流动的粉末的侵蚀最小化。在常规的液体或气体流动管道运行中，使用短半径或长半径管弯头来改变方向。这些弯头可用于粉末在空气中传送的运行中，但它们很容易受到侵蚀。在这种运行中，优选的设计是使用管三通代替弯头，其中该三通被布置为在一端用堵头盲板密封。这样，流入该三通的催化剂会填满堵头。当另外的催化剂流入该三通时，它则会撞向停留在该盲三通内的催化剂而被迫转向。这意味着催化剂流的侵蚀力消耗在该三通中的催化剂填充床上，而不是在管道壁上。这会显著减少管道腐蚀。这些三通也将有助于分散管道应力。
矩形框热交换器还包含一个或多个风扇，这些风扇通过在管道上的翅片上方吸入环境空气而使翅片管道的冷却得到增强。将要保持在翅片上方的空气的速度优选为设计变量。风扇的功率和尺寸以及所需的换热面积之间需要权衡。例如，通过使用更大、功率更强的风扇来提高空气速度将导致更多的传热，并减少所需的周长数目。但是，随着速度不断提高，所获得的额外收益会变小。
优选地，风扇位于管道上方的结构上的中央。一种替代布置是布置风扇以将冷空气吹入该结构中，而不是从该结构中抽出热空气。在这种布置中，可以优选将风扇定位在该结构下方，而不是顶部。
当矩形框为正方形时，优选使用一个风扇。当框是真正的矩形时，优选使用两个或更多个风扇以实现最佳的冷却/保温效果。
除了翅片管所处的位置以外，该结构是密封的，从而除了该结构中翅片管道所处的开口之外，该结构的侧面被密封。通风孔允许冷却空气进入或离开该结构，从而使围绕翅片管道的侧面中的间隙允许风扇吸入的空气以最大可能的速度接触该翅片管道。
优选地，矩形框热交换器在一条或多条腿上离地支撑。更优选地，矩形框热交换器位于管架或类似结构的上方。该位置优选地将使热交换器占据的地面空间最小化。
当采用美国专利申请公布2016/0258689中规定的热交换器时，本发明人发现可以通过跨过该交换器的压力降来准确地确定催化剂流量。图2显示了压力降与催化剂抽取速率之间的关系。对于上述的传热方法替代地或另外地，可以使用该方法。显然，每个交换器的设计将会略有不同，并且每个交换器在此图上都有自己的线路。这些线路可以从理论上进行预测，也可以在该系统交付给最终用户之前在商店中进行测试。
在优选的实施方案中，对本发明的系统的增加允许高温处理单元的操作者以安全的方式收集高温颗粒物质样品(例如来自FCC再生器的ECAT催化剂)。在高温过程中，进行常规取样。例如，所有运行FCC单元的炼厂都从再生器中获取常规ECAT样品。这些通常发送到炼厂的新鲜催化剂供应商进行测试。该测试的结果为炼厂提供了有关FCC中循环催化剂的状况的定时更新。这些样品对于FCC的运行至关重要，因为它们允许炼厂定期调节新鲜催化剂的添加速率，以将循环储藏的活性维持在所需水平，并防止不期望的污染物的积聚。
从FCC再生器捕获高温样品，例如ECAT样品，是所有操作人员当前必须处理的安全风险。例如，FCC再生器内的催化剂非常热，为675℃至760℃(1250°F至1400°F)，这是由于通过FCC反应器发生的裂化反应而沉积在催化剂上的焦炭燃烧所致。从再生器中抽取这种热的ECAT是一种安全风险，但是不幸的是，这是最安全的催化剂抽取位置，因为尝试从该过程中的任何其他位置抽取催化剂都将危险得多，这是由于催化剂与烃混合或具有高焦炭含量，一旦暴露于大气，两者都可能导致自燃。
本发明的抽取系统提供了一种减轻对极热颗粒物质取样的安全风险的优异方法。这可以通过以下概述的多种方式来完成。
优选地，将取样站安装在高温单元连接到物料储存仓的物料输送管线的底部。图3显示了物料输送管线的底部的取样站。该取样站包含一个简单的双隔断阀构造，阀之间的管道长度足够收集约2L的催化剂。替代地，可以将取样站置于位于物料输送管线中的“智能三通”的堵头上，如图4所示。“智能三通”是在管道中提供抗腐蚀弯曲的一种手段。粉末流非常具有侵蚀性。如果使用普通的弯头改变弯曲处的物料流动方向，则该弯头会经时被腐蚀掉。物料流入三通末端的空间，并填满。然后，其余的在拐角转向的催化剂会在改变方向时撞向三通中的催化剂，而不是撞向管壁。这使得管道弯头上的管道腐蚀速率大大降低。
如果该系统含有交换器，则将取样站安装在该交换器的下游和物料储存仓之前，或者如果该系统不含交换器，则将取样站安装在高温单元与物料储存仓之间的物料输送管线上。如果安装在没有热交换器的系统中，则取样站必须安装在与高温单元相距足够距离的地方，以允许对颗粒物质充分冷却。
双隔断系统可以使用各种类型的阀，包括闸阀(带或不带阀座吹扫)、球阀和甚至可以是永久阀。
在不同的发明中，该概念还适用于具有一个或多个接收容器的系统，该接收容器位于高温单元与物料储存仓之间的物料输送管线中。通过在容器隔离阀(有时称为ESD阀)与容器催化剂开/关阀或永久阀之间安装取样站，可以轻松获取冷却的催化剂样品。取样站由简单的双隔断阀构造组成，阀之间的管道长度足以收集约2L的催化剂。

Claims (8)

1.用于从高温工业过程的高温单元抽取颗粒物质的抽取系统，所述抽取系统包含：
(a)物料储存仓，其包含含有第一通风阀的通风管线，其中该物料储存仓还包含更大的第二通风阀、用来添加工艺空气的入口管线和真空喷射器；
(b)物料输送管线，其将该高温单元与该物料储存仓连接；
(c)一个或多个温度传感器，用来测量该物料输送管线的温度；和
(d)控制器，其接收该一个或多个温度传感器的输出测量值，用来监测和控制该颗粒物质的流动，
其中该抽取系统在该物料输送管线中不含位于该高温单元与该物料储存仓之间的接收容器，和其中该抽取系统在位于沿该物料输送管线的不同长度处具有多于一个温度传感器。
2.根据权利要求1所述的抽取系统，其还包含热交换器，该热交换器在该高温单元与该物料储存仓之间连接到该物料输送管线。
3.根据权利要求2所述的抽取系统，其中该热交换器包含：
(a)包括矩形框的结构；
(b)由该矩形框支撑的管道，该管道围绕该矩形框完成至少一个周长，其中该管道在一系列移动支架上支撑到该框，和该管道包含管道入口端和管道出口端，并且该管道含有外部冷却翅片；和
(c)一个或多个风扇；
其中该结构在除该管道所在处之外密封。
4.根据权利要求1所述的抽取系统，其中高温单元是流化催化裂化(FCC)单元。
5.根据权利要求1所述的抽取系统，其中该物料输送管线是含有外部冷却翅片的管道的翅片管。
6.根据权利要求1所述的抽取系统，其中该通风管线还包含过滤装置。
7.根据权利要求6所述的抽取系统，其中该过滤装置是静电沉积器、卵石床或旋风分离器。
8.根据权利要求6所述的抽取系统，其中该过滤装置是袋滤器或烧结金属过滤器。
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