CN1875085A - 将液体进料物质转化成汽相产物的方法 - Google Patents

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Abstract

液体进料物质(如液体形式的重质烃原料)与加热的固体颗粒的流化床接触，该固体颗粒具有通常垂直于流化介质的流动的主体水平速度。该液体进料物质在该固体颗粒上反应以产生汽相产物，该汽相产物被收集到蒸汽收集装置中。

Description

将液体进料物质转化成汽相产物的方法
技术领域
一种利用横向流动(cross-flow)流化床将液体进料物质转化成汽相产物的方法。
背景技术
许多工业方法依靠流化床作为接触固体和液体的手段。当与竞争性可选方法相比时，伴随流化固体的大表面积会导致传质和传热速率的增加。当应用于工业化学反应时，这是特别重要的。在一个普通应用中，流化床用来使液体反应物相和流化固体颗粒进行接触；所述颗粒提供催化或热方面的效用，其使反应能够进行。在烃的处理过程中使用了大量的这类方法。这类方法的两个工业化实例是流化床催化裂化和流化焦化。
进行提质(upgrading)是炼油厂所用方法中的普通分级方法，用以提高重油或原油的重馏分的质量。经常使用词语“渣油”来描述高于约530℃-565℃沸腾的油的不可蒸馏馏分。当原油含有显著馏分的渣油或“重”物质时，通常把原油作为重油(heavy)。当用在提质方法中时流化床提供了许多优点。
在典型的热提质方法、或热转化方法中，固体不充当催化作用的角色。相反地，仅仅通过热的应用来克服活化能，从而将原料转化成更有价值的产物。在这些方法中，固体的流化床为转化反应提供需要的热量：将液体烃进料投入到热固体，在这里，烃发生反应以形成该方法的产物。在进料到产物的转化中涉及的反应经常指的是裂化和焦化反应。
最后，如果提供足够的反应时间，那么初始液体进料会反应完全，从而形成最终产物，这些产物在工艺条件下为气体或者固体。最关注的产物通常是在过程中形成的气体部分，其在环境条件下可冷凝为液体。这些在本文中称作“液体产物”，并且在大多数情况下代表热提质方法的最有价值的产物。该方法的固体产物称为焦炭，而不可冷凝的气体部分称作不可冷凝的气体。
在中间反应时间，反应器中存在液相。在此期间，在化学转化趋于完成之前，存在影响过程的最终结果(产量)的机会。在任何工业方法中，其目的就是将从进料产生的产物的价值最大化，这通常相当于将液体产物的质量和产量最大化。从而，通过合理的方法设计，可以增加液体产物的最终产量和质量。一些试图达到这个目的的流化床方法的实例是流化焦化、提升管焦化(riser coking)和LR焦化。
基于研究和公开领域可获得的提质操作经验，出现了关于理想热提质方法的特性的下列观点：
1.对传统精炼厂质量可接受的进料中的分子不应承受伴随裂化反应的苛刻热条件。研究表明，如果承受热转化条件，在进料物质中存在的部分冷凝(浓缩，condensed)的多核芳族化合物通过重组反应会产生焦炭。如果在处理之前移走这个馏分，就可提高液体产率。虽然有些主观，但基于目前的认识，分界线大约与含有3-4个芳香环的分子有关；
2.液相中温度的降低通常会降低液相中的反应速率，而对传质速率几乎没有影响。这在重组反应将这些分子转化成焦炭前体之前，提供了回收反应产物的附加时间。从而，通过温度的降低可增加液体产率；以及
3.气相中温度的降低会通过减少产物过度裂化来增加液体产率。过度裂化是当气相产物保持在反应温度时的连续降解。过度裂化将液体产物转化成不可冷凝气体。通过降低反应器温度来减少过度裂化可增加液体产率并提高产品质量。气体产物在反应器中停留时间的减少会有相似的效果。
考虑到这些概念，与涉及流化固体床的热浓缩方法有关的理想系列的事件可描述如下：
1.液体进料同流化固体颗粒接触；
2.将包含具有少于3-4个芳香环的分子的液体进料的馏分闪蒸出并在此馏分发生显著裂化之前作为产物被收集；
3.残留在液相中流化固体上的分子开始进行热反应；
4.在流化床颗粒的表面上变成蒸汽的热反应产物被流化气体带走，并在可能发生的随后反应(即过度裂化)之前被骤冷；以及
5.在完全产物放出的情况下，向保留在流化床颗粒上的残留液体精确地提供在反应器条件下形成干燥固体所要求的停留时间。
流化焦化是一种工业热提质方法，这种方法可用来描述上面介绍的很多概念。流化焦化方法使用固体颗粒的鼓泡式流化床。这类流化床类似沸腾的液体。在该流化焦化方法中，热固体进入反应器的自由空间区(在流化床的表面上方)。在反应器底部进行固体回收。
进料在几个不同高度被喷射入流化床，在这里，进料涂敷到流化固体颗粒上。在鼓泡式流化床中混合的固体特性导致进料区中的固体通常处于良好混合的状态。在从反应器出来之前，固体通过汽提区(stripping zone)，该区用来延长液体进料在反应器中度过的时间。对在汽提部分的固体提供的另外的停留时间以及汽提用蒸汽便于从涂敷到流化固体表面上的液体进料回收附加产物。
由于在流化焦化设备中固体具有的良好混合特性，流化固体、及其运送的相关反应液体进料的停留时间分布(RTD)非常宽：固体和液体进料在反应器中度过的时间呈现出较大的变化。用来描述极好混合系统的常见模型是连续搅拌的釜式反应器(CSTR)。CSTR模型描述了完好混合体系的极端情形。固体在流化焦化设备中的RTD接近在CSTR中的RTD。因此，部分固体将短路到反应器的出口，尽管其他部分会在反应器条件下度过非常长的时间。
流化焦化设备的汽提区是用来产生更接近活塞流(plug-flow)的固体RTD。活塞流模型表示CSTR模型的相反极端。在活塞流模型下，RTD具有一个唯一值，因此所有的固体在反应器中度过相同的时间。
对流化固体、及其运送的液体进料的RTD进行良好控制非常重要，并且用接近活塞流的RTD进行操作具有许多优点。在固体RTD接近CSTR的RTD的情况下，有必要使设计的反应器的固体颗粒滞留适合首先从反应器出来的那部分固体。如果设计的反应器滞留不限制固体的短路，那么将损失液体进料，因为其在反应器中未停留为完成反应所需要的足够长的时间。
为了减少这些损失，制造的反应器必须更大或必须降低固体通过量。CSTR中RTD的宽度导致具有有限通过量的更大反应器。
由于所有固体在活塞流反应器中度过相同的时间，所以反应器设计不必考虑固体的短路和产生的未反应液体进料的损失。这为具有潜在更大容量的实体上更小的反应器创造了条件。
要注意的是为了上述论述的目的，灵活焦化(flexi-coking)反应器和方法与流化焦化反应器和方法几乎没有区别。
除了由于流化焦化设备中固体的RTD的限制之外，与鼓泡式流化床有关的气相动力学导致流化焦化设备中非常宽的气相RTD。与流化焦化反应器的设计有关的实际考虑要求结合增大反应器直径来使用显著的流化床深度以提供设计固体滞留。与伴随鼓泡式流化床的自然宽的气体RTD一道，增加的床高度会导致较长的汽相停留时间，这会导致由过度裂化产生的产物价值损失。
已发明了各种反应器构型和方法用来结合上面概述的理想化处理步骤和对气相和固相两者的RTD的更好控制(与流化焦化相比)。一种这样的方法是提升管(或输送管)焦化方法。第二种这样的方法是LR焦化方法，这种方法在美国专利第5,658,455号(Hammond et al)、美国专利第5,714,056号(Hammond et al)和美国专利第5,919,352号(Serrand et al)中进行了描述。
提升管焦化方法依赖于流化床，但以比流化焦化方法高很多的流速进行操作，使得大多数固体通过流动流体运送。这通常称作快速流化或稀相传送，并当与鼓泡式流化床相比较时，在气体和固体相混合中提供显著差别。在这类反应器中，在提升管或管道的一端用进料喷射固体载体，并以小于两相之间滑流速度且等于气相速度的速度传送到管道的相反端。这种设计的优点是所有固体都以相近的速度被运送通过流化床。这就导致产生接近活塞流的固相RTD。气相混合动力学与固体的混合动力学相似：气相混合也接近活塞流反应器的混合。
固相和气相两者的窄RTD可潜在地便于对流化焦化的改善，但是流化方法导致产生固相RTD和气相RTD之间的耦合。这是因为气相和固相的速度仅相差滑流速度，而滑流速度相对平均速度来说较小。因为对气相和固相所要求的停留时间是非常不同的，所以必须综合考虑。
LR焦化方法结合了短气相停留时间和初期的预闪蒸，用来允许在最少暴露于反应条件下收集有价值的分子。在LR焦化方法中，固体是机械输送的，这就允许有单独的固体停留时间。机械限制不允许在设计进料速度时有足够长的液相反应时间。为了补偿相对较短的液相反应时间，在LR焦化方法中通过增高反应温度来增加反应速率，这是一种与上述理想化转化方法直接相反的措施。作为增高温度的结果，共轭烯烃可通过过度裂化在气相中形成，这可导致塔顶馏出物(overhead)系统中的难处理的污垢问题。
发明内容
本发明涉及利用横流式流化床将液体进料物质转化成汽相产物的方法。本发明也涉及包括横流式流化床反应器的装置。
液体进料物质可以是任何合适的物质。液体进料物质可包括单一物质或包括多种物质。如在本文中所使用的，术语“液体进料物质”意思是在经受转化过程之前该物质是或基本相当于液相。因此，液体进料物质可包括合适的物质，该物质在被引入转化过程的特殊温度下基本上呈液相。
优选地，液体进料物质包括液态烃。更优选地，液体进料物质包括重质烃。为了便于说明，“重质”烃是具有高于约530℃沸点的烃。液体进料物质因此优选包括至少部分量的具有沸点高于约530℃的烃。更优选地，重质烃包括重油或原油的重馏分。
汽相产物可包括单一产物、或物质，或可包括多种产物或物质。如在本文中所使用的术语“汽相产物”意思是在转化过程的条件下产物呈汽相或表现为汽相，尽管产物最终可被冷凝为液相或甚至固相。
在方法的一个方面，本发明是用于将液体进料物质转化成汽相产物的方法，其包括下列步骤：
(a)提供流化床，其包括固体颗粒和流化介质，其中，所述流化介质以大致垂直流化方向运动，并且其中，所述固体颗粒处于转化温度，该温度适于促进液体进料物质向汽相产物的转化；
(b)以大致水平的固体输送方向从上游水平位置向下游水平位置移动所述固体颗粒；
(c)在位于所述上游水平位置和所述下游水平位置之间的进料区将液体进料物质引入流化床，以促进液体进料物质转化成汽相产物；以及
(d)收集汽相产物。
固体颗粒可包括任何可充分流化以满足本发明要求的固体物质。优选地，固体颗粒大致包括Geldart A型和/或Geldart B型颗粒。固体颗粒也可包括或包含适量的催化剂，该催化剂能够促进或改善液体进料物质的转化。
固体颗粒优选以固体输送方向移动，其移动速率显著大于固体颗粒在固体输送方向的混合速率。换句话说，用来描述固体颗粒运动的皮克里特(Peclet(Pe))数相对较大，使得固体颗粒在固体输送方向的移动接近活塞流。
优选在或接近上游水平位置将固体颗粒引入流化床，并且优选收集在位于或接近下游水平位置的固体收集装置中。
为了再利用，优选在收集固体颗粒之后再生固体颗粒。为了再利用而进行的再生固体颗粒的步骤可包括加热固体颗粒，优选加热到转化温度。可用任何合适的方式对固体颗粒进行加热。例如，可以在气化器或燃烧器中加热固体颗粒。气化器或燃烧器可以利用该过程的反应产物，如焦炭，作为燃料源。
流化介质可以包括任何适宜的流化气体或蒸汽。在优选实施例中，流化介质可包括在固体颗粒再生期间产生的气体。
优选在低于固体颗粒的较低垂直位置引入流化介质，使得流化方向大致向上。优选在高于固体颗粒的较高垂直位置收集流化介质和汽相产物。优选在蒸汽收集装置中一起收集汽相产物和/或流化介质。优选将汽相产物从流化介质中分离出来，并且优选将汽相产物骤冷，用来进一步将汽相产物的转化和/或降解降到最小程度。
可用任何合适的方式将液体进料物质引入流化床。优选地，喷射液体进料物质以使液体进料物质以液滴形式接触固体颗粒。优选地，将液体进料物质引入流化床，使得液体进料物质穿过流化床，优选以液滴形式穿过。
喷射液体进料物质或用其他方式引入流化床的方向可以是任何方向，但优选大致垂直于固体输送方向。在优选实施例中，液体进料物质以大致垂直喷射方向或大致水平喷射方向引入流化床。在方向是垂直的情况下，优选方向与流化方向相反。
收集汽相产物的步骤可包括在上游水平位置和下游水平位置之间水平间隔的多个汽相产物收集位置处收集汽相产物。可以在汽相产物收集位置用单个蒸汽收集装置或多个蒸汽收集装置来收集汽相产物。汽相产物可以具有在汽相收集位置之间变化的组成，使得在不同位置可收集不同组成的汽相产物。
本方法可进一步包括在接近进料区的汽相收集位置收集液体进料物质的汽化馏分的步骤，使得部分液体进料物质在经历显著转化和/或降解之前可以以蒸汽形式被收集。液体进料物质的汽化馏分可被收集在蒸汽收集装置中。
在本发明优选方法方面，诸如气体的流化介质被引入反应器以流化固体颗粒床，以致流化介质在大致垂直的流化方向进行移动。固体颗粒以大致平行于固体输送方向从处于反应器上游水平位置的固体入口输送到处于反应器下游水平位置的固体出口，优选但不必要地通过重力作用。当固体颗粒移动通过反应器时，它们接触到包含液态烃的液体进料物质。液态烃在位于固体进口下游的进料区被引入反应器。固体颗粒处于转化温度，该转化温度促进液态烃的反应，以产生作为汽相产物的一种或多种提质的烃产物。汽相产物被收集在蒸汽收集装置中，优选借助流化介质。优选将汽相产物从流化介质分离出来，并优选将汽相产物骤冷，以便将汽相产物的转化和/或降解进一步减到最小程度。固体颗粒被收集在伴随固体出口的固体收集装置中，并为了再利用优选进行再生。
可以进行固体颗粒、蒸汽收集系统、自由空间和流化机理的选择和设计，使得相对于竞争性技术，汽相停留时间较短，并且使得固体颗粒的停留时间分布接近活塞流条件而不管流化床内产物的显著放出(evolution)。本发明允许固体对液体进料的相对高比率，这有助于实现较低的反应器温度。
例如，尽管对单一LR焦化反应器可以处理的固体颗粒的流动有显著限制，以及尽管与LR焦化有关的显著成本要求该方法采用相对较低的固体对油的比率，但横流式焦化反应器可处理相对大量的固体颗粒。这种特性使本发明可以采用比一些竞争性方法(如LR焦化方法)可采用的更高的固体对油的比率。
此外，尽管LR焦化方法被迫采用相对较高操作温度以弥补较低的固体对油的比率，但在本发明中不存在类似要求。在本发明的实施中，相对较高的固体对油的比率和分级的(staged)进料和产物回收区一起使用，以致可以严格控制固体颗粒停留时间。
附图说明
现在将参照附图来描述本发明的实施例，其中：
图1是根据本发明优选实施例的横流式流化床反应器的示意图。
图2是根据本发明优选实施例的横流式流化床反应器的可选示意图，其描述在流化床内液体进料物质的喷射。
具体实施方式
总体地说，本发明涉及一种用于将液体进料物质转化成汽相产物的方法和装置。优选地，本发明涉及一种用于将重质烃进料物质转化成增值反应产物的方法和装置。在优选实施例中，重质烃进料物质包括重油或原油的重馏分。
参照图1和图2，在本发明优选实施例中的中央处理单元是横流式流化床反应器(20)。如同在大多数流化床处理方法中一样，流化介质(22)，优选气体，被引入到反应器基座(24)的底部并从反应器(20)的顶部出去，使得流化介质(22)在大致垂直的流化方向(26)上移动。
流化介质(22)使固体颗粒(28)流化，用来产生流化床(30)。流化床(30)中的固体颗粒(28)在大致水平的固体输送方向(32)从处于上游水平位置的固体入口(34)运动到位于下游水平位置的固体出口(36)。固体颗粒(28)被收集在伴随固体出口(36)的固体收集装置(38)中。
在优选实施例中，固体颗粒(28)基本上在重力的影响下在固体输送方向(32)上移动。换句话说，不使用机械设备或装置来移动固体颗粒(28)。
液体进料物质(40)在进料口(42)被引入反应器(20)，其中进料口(42)处于固体入口(34)的下游，使得进料口(42)处于固体入口(34)和固体出口(36)之间。
汽相产物(44)被收集在蒸汽收集装置(46)中，蒸汽收集装置(46)处于在固体颗粒(28)和流化床(30)上方的上部垂直位置(48)。蒸汽收集装置(46)包括多个汽相产物收集位置(50)。这些汽相产物收集位置(50)在固体入口(34)和固体出口(36)之间水平地隔开。液体进料物质(40)的汽化馏分(51)也在一个或多个接近进料口(42)的汽相产物收集位置(50)被收集。
随着汽相产物(44)，流化介质(22)也被收集在蒸汽收集装置(46)中，使得流化介质从低于固体颗粒(28)的较低垂直位置(52)流到处于上部垂直位置(48)的蒸汽收集装置(46)。其后汽相产物(44)从流化介质(22)中分离出来，并被骤冷，以便将汽相产物(44)的转化和/或降解进一步减到最小程度。
本发明和传统流化床方法之间的显著区别是流化床(30)中的固体颗粒(28)大致垂直于流化床(30)中的汽相进行移动。固体颗粒(28)在固体入口(34)进入，沿着反应器(20)的长度流动，优选在重力的影响下，并在固体出口(36)处被移走。由于固体颗粒(28)和流化介质(22)流是由独立的驱动力产生的，所以二者基本上是独立的。这就显著增大了适应性，在后面的描述中将对其进行详细讨论。
本发明的方法和装置可产生接近活塞流的固体颗粒RTD，这便于流化床(30)内汽相产物(44)的形成(evolution)。从这种固体颗粒(28)RTD产生的好处以及本发明的其他好处可由本领域技术人员加以影响(leveraged)以提供相对于现有技术的显著优点。
例如，本领域技术人员可以很好理解怎样控制操作和设计条件，如增大的固体对进料的比率和以更加可控和统一的方式传送进料的能力，用来改善在通常反应温度下的可操作性和产率。已用冷流物理模型研究了本发明的流体动力学，其中利用因次分析来建立与通常处理操作条件的关系。
1.反应器
在优选实施例中，反应器(20)被分成多个区，每个区具有不同的功能：
1.固体进料区(60)
2.液体进料区(62)
3.反应区(64)
4.固体回收区(66)
5.气体分布区(68)
6.自由空间(freeboard)区(70)
图1和图2二者都描述了说明反应器(20)的这些不同区的示意图。
反应器(20)可具有任何合适的形状。在优选实施例中，反应器(20)一般具有矩形形状。反应器(20)的长度通常比其宽度大。这种设计特性确保了固体颗粒(28)在穿过反应器(20)的宽度时很好地进行混合，并有助于在移动固相中保持活塞流特性。活塞流对本方法特性的影响将在后面进行描述。
气体作为流化介质(22)通过位于或接近反应器(20)底部的气体分布器(76)引入。气体分布器(76)在复杂性上可以变化。已经试验了泡罩和多孔板设计，但任何能够充分流化固体的设计都是可以接受的。流化介质(22)与反应所产生的任何汽相产物(44)一起通常从反应器(20)的顶部出来。
反应器(20)的高度用来容纳包含在反应器(20)中的流化床(30)和在自由空间区(70)中固体分离所要求的高度，如下所述。
为了在液体进料物质(40)和固体颗粒(28)之间提供有效的接触并为了利用高固体对进料的比率，通常希望提供大致超过液体进料区(62)所要求的适量的固体颗粒(28)。通过分级(staging)在图1中顺序地描述的几个单元，将以更加均匀的方式接触固体颗粒(28)的总体，同时减少固体处理要求。为了增大容量，可增大反应器(20)的宽度，这是在很多工业构造中不可获得的一种选择方案。
2.固体颗粒特性
反应器(20)中的固体颗粒(28)提供了在其上发生转化反应的表面积。另外，固体颗粒(28)为反应提供热源或散热剂(sink)，其依赖于反应是吸热或放热的。固体颗粒(28)的最关键属性是固体颗粒(28)应该充分流化以满足本发明的要求。
固体颗粒(28)也可可选地提供催化功能，用来促进或改善反应器中发生的转化反应。例如，固体颗粒(28)可包括或可包含适量的能够促进和/或改善转化反应的催化剂，如Y型沸石或任何其他适用于催化裂化或类似过程的物质。
基于Geldart分类(Kunni D.and Levenspiel，O.FluidizationEngineering 2ed.Butterworth-Heinemann 1991)，下列两类固体颗粒(28)可适用于反应器(20)：
1.Geldart A型颗粒：具有小平均粒度(＜40微米)或低颗粒密度(＜1400kg/m3)的可曝气(aeratable)颗粒或物质。流化裂化催化剂是这种类型颗粒的实例。
2.Geldart B型颗粒：大多数颗粒具有大小在40微米到500微米并且密度在1400kg/m3到4000kg/m3。沙子是这类颗粒的实例。
这两种颗粒类型具有在工业流化床中使用的典型颗粒的特性。当被流化时，它们提供最经常与流化床反应器有关的积极特性：均匀的温度、高的传热和传质速率、以及高的比表面积。另外，GeldartA和B型颗粒通常是足以便于平滑水平流动的流体。
所有残余颗粒属于Geldart C(粘性粉末)或Geldart D(大的粗颗粒)类，并且通常不适用于本发明的方法，除非它们构成固体颗粒(28)的相对较小的部分，而固体颗粒(28)的大部分是GeldartA和/或Geldart B。
当选择固体颗粒(28)时，要考虑的其他因素是储热和传热特性、损耗率以及成本。
3.流化床特性
流化床(30)优选以鼓泡式流化床方式进行操作或者，在GeldartA颗粒的情形下，可用低于鼓泡式流化速率但高于最小流化速率的平滑流化方式进行操作。
在鼓泡式流化床体系中，流化床(30)类似沸腾液体，其中(with)气泡在气体分布器(76)处形成、通过流化床(30)迅速上升然后在流化床(30)表面破裂。为了描述目的，可认为流化床(30)具有两个相：
1.包含固体和气体二者的乳化相；以及
2.主要仅包含气体的气泡相。
气体几乎仅仅以气泡形式从流化床(30)排出。乳化相中的气体因此必须首先进入气泡，以便从流化床(30)出来。在气泡和乳化剂之间的气体转移可通过流化床(30)中的扩散或通过在气体分布器(76)附近的湍流区的混合而发生。
4.自由空间区
自由空间区(70)是在流化床(30)表面上方的反应器(20)的固体稀区(lean region)。固体由于气泡在流化床(30)表面破裂的作用从流化床(30)喷射出来。需要自由空间区(70)以便固体颗粒(28)与气体脱离，使其不被带出反应器(20)。
最佳自由空间高度是这样的高度，其允许所有固体颗粒(28)具有大于表面气体速度的终速度以便脱离。高于这个高度延长自由空间不会减少固体带出而仅仅是增加反应器(20)的成本以及增加气相的停留时间。
即使是对于非常大的自由空间区(70)，固体颗粒(28)将会被带出反应器(20)，因为它们被携带在气体中或因为流化床(30)表面上气泡的大的喷发，其可潜在地将固体颗粒(28)喷射到反应器(20)的顶部。如果下游气体处理单元不能容忍固体的存在，那么必须安装一单元以将固体颗粒(28)从气流中分离出来。已被证实的技术，如旋风分离器，就足以达到这个目的。
降低自由空间区(70)的高度会减少气相的停留时间，这由此会限制气相反应的严格条件。但是，不足够的自由空间区(70)高度可导致产生过量带出固体，从而在反应器(20)的外部要求更大的固体处理单元，用来将固体颗粒(28)从气体分离出来。
最佳自由空间高度依赖于固体颗粒(28)的类型、流化速度以及液体进料物质(40)对在固体颗粒(28)之间的粘结力的影响。已表明自由空间区(70)中气体的保留时间分布大致是活塞流。
5.流化速度
通过由反应器基座(24)处的气体分布器(76)进入的气体对固体颗粒(28)进行流化。流化介质(22)的速度应该高于最小流化速度并优选低于固体颗粒(28)的湍流流化速度。如果流化介质(22)速度低于固体颗粒(28)的最小流化速度，那么流化床(30)就不会进行流化并且固体颗粒(28)就不会流过流化床(30)。在流化速度大于湍流流化速度时，固体颗粒(28)的带出量对合理大小的固体处理系统来说过大。
在流化床(30)中对Geldart B和Geldart A颗粒起作用的表面气体速度的范围是从约0.01m/s到1m/s。在液体进料物质(40)是粘性的情况下，对操作流化速度应增加安全限度，用来处理湿固体颗粒(28)的附聚作用。
流化速度对反应器(20)的许多特性有影响。当增加速度时气相停留时间会减少，但自由空间区(70)中的固体颗粒(28)的浓度和高度会增大。当流化速度增大时，流化床(30)内的固体混合也增大。虽然这降低了固体流的活塞流性质，但增大了流化床(30)对脱流化(反流态化，defluidization)的阻力，这是当处理粘性液体进料物质(40)时要考虑的。当选取流化速度时，必须考虑所有这些因素。
6.固体通过量
优选将固体颗粒(28)进料到反应器(20)的一端并在相反端进行回收。优选固体颗粒(28)在大致水平的固体输送方向(32)进行流动。流化固体颗粒(28)在流体动力学上表现得象连续流体并可在重力的影响下使其流过流化床(30)。这种流动可以简单地通过流化床深度的不同而引起，而其通过将固体颗粒(28)进料到一端、或通过在流动的方向上倾斜反应器(20)所引起。倾斜反应器(20)具有保持更加均匀的流化床(30)深度的优点并便于更大的固体颗粒(28)流速。在任何一种情形下，流化床(30)的深度可以可选地通过在接近固体出口(36)处使用溢流堰(weir)(没有示出)来保持。
通过反应器(20)的固体流量可能是确定反应器(20)接纳液体进料物质(40)的容量的主要因素。当限制反应的热量或表面积要求时就是这种情形。如果要求，有可能通过增大流化床(30)的横截面来增大以稳定流量通过反应器(20)的固体颗粒(28)的质量流。
7.液体进料输送
在优选实施例中，利用进料嘴(78)将液体进料物质(40)喷射到流化床(30)上。用来接纳雾化液体进料物质(40)的流化床(30)的液体进料区(62)是紧挨着固体进料区(60)的区。
进料系统应将液体进料物质(40)在通过液体进料区(62)的固体颗粒(28)上的分布增大到最大程度。最佳情形是使进料的每个液滴撞击并吞没(卷入)不同的固体颗粒(28)。这会使在其上发生反应的表面积增大到最大程度，从而减少任何传质限制。
为了将液体进料的扩散增大到最大限度并将传质限制减少到最小程度，液滴大小应优选小于或等于固体颗粒(28)大小，这就使液滴能在固体颗粒(28)上形成薄膜。这将受到固体颗粒(28)和液体进料物质(40)的润湿性能的限制。如果进料液滴过大，那么它们可能潜在地引起固体颗粒(28)在流化床(30)中的附聚作用，而如果它们过小，那么它们可能被夹带在上升的流化介质(22)中。
进料嘴(78)优选是定向的，以使在大致垂直于固体传送方向的喷射方向喷射液体进料物质(40)。例如，进料嘴(78)可垂直地定向，通过流化床(30)的表面指向下。可替换地，进料嘴(78)可水平地定向，通过反应器(20)的壁或通过(in through)反应器基座(24)。将液体进料物质(40)喷射入流化床(30)的较低部分具有优点，因为这是在固体颗粒(28)和流化介质(22)之间良好混合的区域。对于任何进料嘴(78)定向，其目的是用液体进料物质(40)穿过流化床(30)而不影响反应器(20)的底部或侧面。
8.流化床深度
浅的流化床(30)具有减少气相停留时间、增大气-固接触、减少水平固体混合以及降低自由空间区(70)中固体颗粒(28)的浓度的优点。所有这些影响有利于大多数在反应器(20)中进行操作的反应体系。
下列两个操作问题会影响反应器(20)中流化床(30)的最小深度：
1.所要求的固体颗粒通过量；以及
2.液体进料物质喷射式穿过。
最大固体颗粒(28)通过量依赖于最大水平固体颗粒(28)速度和垂直于流动方向(flow)的流化床(30)横截面。尽管用较小流化床(30)深度进行操作可以具有很多优点(如下所述)，但减小流化床(30)深度会减少反应器(20)的固体颗粒(28)容量。
进料嘴(78)优选将液体进料物质(40)传送到流化床(30)，而不产生这样大小的液滴，其将被夹带在向上运动的流化介质(22)中。为了实现这个目的，赋予进料液滴足够的冲量(动量)，用来使液体进料物质(40)能部分穿过进入流化床(30)。
在垂直向下喷射液体进料物质(40)的情况下，流化床(30)相对于赋予进料液滴的冲量应该足够深，使得液体进料物质(40)不会撞击气体分布器(76)的基座。如果将液体进料物质(40)水平喷射入流化床(30)，就可以避免这种对流化床(30)深度的限制。这将接着对最小流化床宽度进行限制，以避免液体进料物质(40)撞击反应器(20)的侧面。通过正确的设计，可以设计进料传送系统以提供所要求的性能。
9.温度
反应器(20)的温度依赖于反应的需求。通过反应器(20)的温降依赖于反应的热量需求以及固体颗粒(28)的热容和质量流量。自由空间温度的正确控制可减少其他方法所遇到的高位污垢问题。
10.压力
期望有微小的正压力(0.5-10表压)，因为存在这样的支出(expense)，该支出涉及提供流化介质(22)，而在稳定表面气体速度下，流化介质(22)将随着压力的降低而减少。另外，优选实施例中反应器(20)的矩形形状比圆柱形设计较不适合于压力保留，其再一次期望低操作压力。下游气体处理要求可为体系压力设置下限。
11.方法优点
依赖于上面所陈述的本发明的具体设计和实施，本发明可以提供优于现有技术方法的部分或所有下列优点：
(a)固相停留时间分布近似活塞流
活塞流的假定是一种理想化的情形，其中每一个固体颗粒(28)具有相同的水平速度。固体颗粒(28)沿着反应器(20)的长度在径向方向良好混合的均匀管塞(plug)中进行移动。由于每一个固体颗粒(28)具有相同的水平速度，所以沿着反应器(20)的长度不可能存在混合。在本发明方法中，固体RTD接近活塞流理想，因为沿着流化床(30)的长度的固体流的总体速率比在相同方向的固体混合的速率要大很多。从设计观点上说，这相当于说明皮克里物(Peclet(Pe))数相对较大。
固体颗粒(28)的活塞流特性比良好混合的流化床更多地利用了反应器容积。这是因为固体颗粒(28)的RTD比在良好混合的流化床反应器中更窄。这就便于许多优点，所有这些优点都与狭窄RTD有关：
1.较小反应器中的较大容量，由此减少投资成本；
2.更大的干燥颗粒(28)对液体进料物质(40)的比率，从而允许将更多液体进料物质(40)加入到流化床(30)而没有冒固体颗粒(28)附聚(即所谓的“沉积”(“bogging”)状态)的危险。在很多情形下，这使反应器(20)能在较低温度下进行操作，因为不要求更严酷的条件来解决沉积问题；以及
3.通过阻止固体颗粒(28)通过反应器(20)短路而减少液体进料物质(40)的损失。在良好混合的反应器中，湿固体的短路迫使在更高反应严格条件下进行操作。
(b)自由空间区中气相的流动特性
也已表明从流化床(30)表面出来的气体显著地表现出活塞流特性，其在流动方向上具有相对很少的混合。因而，将气体在反应条件下度过的时间减小到最少程度，并将其后可降解汽相产物(44)的反应降低到最少程度。
(c)气体和固体颗粒停留时间的显著去耦合
横流式设计使得能够独立地调节固体颗粒(28)和气相的停留时间。固体颗粒(28)停留时间是通过固体颗粒(28)主体水平速度和反应器(20)长度进行设定。气相停留时间主要通过流化床深度和流化速度进行控制。这便于对气相和固体颗粒(28)独立地进行最优化，并因此对与气体和液体相有关的反应严格条件独立地进行控制，从而相对于基于稀释输送的技术提供显著的优点。
(d)在流化床中垂直混合的高速率
在流化床(30)中垂直固体混合的高速率增加了液体进料物质(40)分布到整个固体颗粒(28)上的效率。当与其它结合非流化颗粒的移动流化床的技术相比较时，这种特性是引人注目的。在流化床(30)中的垂直混合的高速率便于更深的流化床(30)，这与必须制成浅的非流化床相反。此外，在通过反应液相传质是待解决的情况下，优良的进料分布对产物形成具有积极影响，因为液体膜厚度保持最小。
(e)适应小规模现场(field)应用
本发明方法良好地适合于按比例增加或者按比例减少。因此可用于处理相对较大容积的液体进料物质(40)或者在现场应用中用来处理相对较小容积的液体进料物质(40)，如数量级为每天1000-10000桶。
(f)设计固体滞留量而不影响汽相严格条件的能力
当将粘性液体进料物质(40)喷射入流化床(30)时，存在固体颗粒(28)会附聚、以及流化床(30)会去流化(defluidize)的危险。这种状态称作“沉积(bogging)”。沉积的趋势可通过增加干燥固体颗粒(28)的量来解决，其中在固体颗粒(28)上引入液体进料物质(40)。这个参数在设计阶段是固定的。
利用良好混合的反应器，增大的固体颗粒流通量迫使增大反应器停留时间，用来适应附加的产物短路。由于机械和其他实际限制，通常在不增加反应器高度下不可能增大反应器体积。因此，增大的固体颗粒流通量就增加了气相停留时间，通过反应器严格条件的增加会增加产物损失。本发明不受制于这些设计问题，因为通过增加反应器(20)的宽度在固定流化床高度下可增大固体颗粒(28)通过量。
一旦反应器开始操作，通常通过增大严格条件来避免传统良好混合流化焦化器中的沉积，其确保了液体迅速反应至完全。这种操作策略对许多反应是不方便的，因为在增大的严格条件下产物可被降解为低价值的化学品。由本发明提供的增大的固体颗粒(28)对液体进料物质(40)比率便于较低操作温度而没有沉积，因此减少通常由增大过程严格条件所产生的产物降解。
(g)具有使流化介质适合这些区的能力的离散区
因为进料区和产物回收区是性质不同的，所以可使流化介质(22)速率和流化床(30)性能适合特定区的要求。例如，为了处理沉积，可在液体进料区(62)中使用更多流化介质(22)。
(h)靠近气体进入点的流化床体积是整个体积的大部分
已经表明，在流化床反应器的气体进入点附近从乳化相到气泡相的产物蒸汽交换比流化床中任何其他地方要好得多。反应器的这个区域经常称为“栅格区”。由于在本发明的反应器(20)中在栅格区中的流化床(30)的比例比在通常现有技术反应器中更高，所以这就为汽相产物(44)的快速形成提供有利条件。
(i)空间分离的汽相产物
因为固体颗粒(28)的活塞流性质及其它们运送的液体进料物质(40)，反应的汽相产物(44)会在沿着反应器(20)长度空间中进行分离。这就使得能够独立地收集在沿着反应器(20)长度的不同位置产生的汽相产物(44)流。正因为这样，就有可能设计用于不同产物流速和潜在地不同的混合物的气体回收系统。
结合了独立和相对较短气相RTD的产物的空间分离也可使液体进料物质(40)的能在进入反应器(20)后迅速汽化的部分能够迅速汽化、从反应器(20)出来并被收集和/或在经历导致降解成不希望产物的显著反应和化学变化之前被骤冷。
12.应用情形1-应用于重油的提质
下面的描述描述了本发明对重油，如阿萨巴斯卡沥青(Athabasca bitumen)的提质的具体应用的理论设计。在这个应用中，利用四个串联的反应器单元(即固体颗粒(28)从一个反应器(20)流入下一个反应器)。将每个单元设计成以250桶/天的速率处理进料，使其总处理量为1000桶/天。这种应用的设计规格和操作条件列于表1中。表1中所列的规格是用于单个反应器单元，并且是基于为此目的所设计的广泛的试验性应用。接下来是在表1中数据后面的基本原理的简短解释。
表1
专门用于沥青的单个反应器单元的操作条件和设计范围，其中目标是使液体产率最大化
  合适   优选   最佳
  反应器长度   3m-6m   4m-5m   4.2m
  反应器高度   1.2m-8m   2.5m-6m   3.5m
  反应器宽度   0.5m-3m   0.75m-2m   0.75m
  固体颗粒大小   50μm-800μm   50μm-500μm   250μm
  流化床深度   0.2m-3m   0.5m-2m   1m
  自由空间高度   1m-5m   2m-4m   2.5m
  反应区   2.5m-3.5m   2.5m-4m   3.2m
  进料区   0.5m-1m   0.5m-1m   1m
  表面流化气体速度   0.1m/s-0.7m/s   0.2m/s-0.6m/s   0.45m/s
  固体主体水平速度   0.02m/s-0.2m/s   0.05m/s-0.15m/s   0.1m/s
  平均反应器温度   440℃-580℃   480℃-520℃   485℃
为这种应用选取的固体颗粒(28)是具有优选平均颗粒大小在约50和500微米之间的焦炭颗粒和/或沙石颗粒。在操作过程中，在基础颗粒(base particles)上会形成焦炭层。估计平均焦炭层的厚度处于约10和40微米之间，这会增加颗粒大小分布的平均值和方差。通过较大颗粒的磨损也可形成较小颗粒。优选回收固体清洗气流，以便控制焦炭中重金属的积聚，因为部分证据证明重金属可催化脱氢反应，而脱氢反应会降低反应产物的价值。
自由空间高度优选在约2-4m之间。这可能比最佳的自由空间高度2.5m更大，但可确保固体带走量保持最低。
用于沥青进料的流化床深度优选在约0.5和2m之间。这使得整个要求的反应器高度为约2.5-6m。流化床深度是通过到考虑气相停留时间加以设定，同时仍然为固体颗粒(28)通过量保持足够的反应器(20)横截面。
由于液体进料物质(40)的粘性性质，提供了约0.2m/s的优选最小流化速度，用来保持适当的流化。
在这种应用中，通过反应器(20)的水平固体颗粒(28)速度优选在约0.05和0.15m/s之间。这个速度是基于系统的热量和表面积需求。可能有必要在固体流动的方向倾斜流化床(30)，用来实现所要求的主体水平速度。
为了产生所期望的反应，反应器(20)的最低操作温度优选为约485℃。固体进入反应器(20)的进料温度在约490℃和约510℃之间。整个系统的热平衡表明通过每个反应器单元的温降可在约12℃和约30℃之间，使得平均反应器温度范围在约475℃和约504℃之间。本发明的这种应用在中等压力(在约5表压和约16表压之间)下进行操作。
可使用部分氧化气化器(没有示出)来为反应器(20)提供热量。这个技术可从许多卖主处容易地获得。固体颗粒(28)在它们回到主反应器单元之前在这个单元被加热。气化器会利用在反应器(20)中形成的焦炭作为燃料源，并利用在燃烧器中形成的气体来流化主反应器(20)。
可包括多于一种物质或产物的大多数形成的汽相产物(44)会在流化床(30)的乳化相中产生。由于固体颗粒(28)的快速垂直混合，会在流化床(30)内的所有高度处形成汽相产物(44)。由于与流化床(30)有关的流体力学，容纳在流化床(30)的乳化相中的气体通常向下流动，这与气泡相中气体的向上流动相反。汽相产物(44)主要通过来自两个相的气体在反应器(20)的栅格区中的混合而从乳化相传送到气泡相。
降低流化床(30)的高度增大了由栅格区所占据的流化床(30)部分，并且也减少了形成的产物到达流化床(30)底部并被混合进入溢出气泡所需要的时间。然后气泡可以上升以被收集在反应器(20)顶部的蒸汽收集装置(46)中。
本发明潜在地提供了优于竞争性流化床技术的经济优点，这些技术具有良好混合的固体和混乱的气相以及固相停留时间。在期望将可冷凝高位蒸汽的产率增大到最大的情况下，注意到三个主要优点：
1.降低反应器操作温度。如上所述，在良好混合的反应器中，较低反应器温度会增大沉积的危险。在本发明中通过增大固体通过量来处理这种担心的问题，从而使较低操作温度和增加的产率成为可能；
2.降低未反应产物的损失。良好混合的反应器也会导致未反应进料的损失，这是起因于固体颗粒的停留时间分布。本发明将这种影响减到最小程度；以及
3.减少气体产物的过度裂化。本发明所使用的相对较浅的流化床便于减少气相停留时间，使得有价值的产物不会因为高严格条件而降解。
对于结合良好混合的流化床反应器的方法，通过使反应器显著更大，就可以潜在地解决上述第1和2点。但是，增大反应器的大小会显著增大基本投资。在现在的实例中，良好混合的反应器要求16.5倍的固体颗粒滞留量，以确保95％的固体颗粒被保留足够长的时间，以便反应完成。此外，这种明显的补救措施(remedy)只会用来加剧第3点所概述的问题，抵消了与增大反应器大小有关的所增加的任何好处。
作为增加产率的保守估计，在绝对基础上，本发明具有增加2-3％可冷凝产物的产率的能力。这个计算是保守的，因为它只是基于从减少气相中过度裂化实现的增益。对于液相反应，归因于降低的温度的积极影响的效益还没有进行预计。这种产率上增加的量非常重要，因为以0.1％数量级产率的增加，在工业上看就是显著的，并构成主要资本支出的基础。因此，本发明提供了更好地利用自然资源的附加效益。假定环境关注受到世界范围注意和普遍认可的话，这也具有重大意义。

Claims (25)

1.一种用于将液体进料物质转化成汽相产物的方法，其包括下列步骤：
(a)提供流化床，其包括固体颗粒和流化介质，其中所述流化介质在大致垂直流化方向运动，并且其中所述固体颗粒处于转化温度，所述转化温度适于促进所述液体进料物质转化成所述汽相产物；
(b)在大致水平的固体传送方向将所述固体颗粒从上游水平位置移动到下游水平位置；
(c)在位于所述上游水平位置和所述下游水平位置之间的进料区将所述液体进料物质引入所述流化床，以促进所述液体进料物质转化成所述汽相产物；以及
(d)收集所述汽相产物。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括收集所述固体颗粒的步骤。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述提供流化床的步骤包括在所述上游水平位置引入所述固体颗粒，并且其中所述收集固体颗粒的步骤包括在所述下游水平位置收集所述固体颗粒。
4.根据权利要求3所述的方法，进一步包括在收集所述固体颗粒之后为了再利用而再生所述固体颗粒的步骤。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述再生固体颗粒的步骤包括加热所述固体颗粒。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述再生固体颗粒的步骤包括加热所述固体颗粒到所述转化温度。
7.根据权利要求1所述的方法，其中在大致水平的固体输送方向移动所述固体颗粒的步骤实质上包括在重力影响下移动所述固体颗粒。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述上游水平位置是处于比所述下游水平位置更高的高度，使得所述固体颗粒在重力影响下在所述固体输送方向从所述上游水平位置移动到所述下游水平位置。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述提供流化床的步骤包括在低于所述固体颗粒的较低垂直位置引入所述流化介质，使得所述流化方向大致向上。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述将所述液体进料物质在所述进料区引到所述流化床的步骤包括喷射所述液体进料物质，使得所述液体进料物质以液滴形式接触所述固体颗粒。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，在所述流化床内喷射所述液体进料物质，使得所述液滴穿入所述流化床。
12.根据权利要求10所述的方法，其中喷射所述液体进料物质使得所述液滴从大致垂直于所述固体输送方向的喷射方向接触所述固体颗粒。
13.根据权利要求10所述的方法，其中所述喷射方向是大致垂直方向。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述喷射方向大致与所述流化方向相反。
15.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在收集所述汽相产物之后骤冷所述汽相产物的步骤，以便使所述汽相产物的进一步转化减至最小程度。
16.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在所述固体颗粒上方的上部垂直位置收集具有所述汽相产物的所述流化介质的步骤。
17.根据权利要求16所述的方法，进一步包括在收集所述流化介质和所述汽相产物之后分离所述流化介质和所述汽相产物的步骤。
18.根据权利要求1所述的方法，其中，所述固体颗粒在所述固体输送方向以一定速率移动，所述速率显著大于在所述固体输送方向所述固体颗粒的混合速率。
19.根据权利要求1所述的方法，其中所述液体进料物质包括液态烃。
20.根据权利要求1所述的方法，其中所述液体进料物质包括重质烃。
21.根据权利要求1所述的方法，其中所述液体进料物质包括重油或原油的重馏分。
22.根据权利要求1所述的方法，其中所述固体颗粒包括适用于将所述液体进料物质转化成所述汽相产物的适量的催化剂。
23.根据权利要求1所述的方法，其中，所述收集汽相产物的步骤包括在多个汽相产物收集位置收集所述汽相产物，所述多个汽相产物收集位置在所述上游水平位置和所述下游水平位置之间水平地隔开。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述汽相产物具有组成，并且其中所述汽相产物的所述组成在所述多个汽相产物收集位置之间会发生变化。
25.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在接近所述进料区的汽相产物收集位置收集所述液体进料物质的汽化馏分的步骤。
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