ES2251152T3 - Tobera de pulverizacion y metodo de utilizacion de la misma. - Google Patents
Tobera de pulverizacion y metodo de utilizacion de la misma.Info
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Abstract
LA PRESENTE INVENCION DESCRIBE UNA TOBERA, UN CONJUNTO DE TOBERA Y UN PROCEDIMIENTO PARA UTILIZAR EL MISMO PARA ATOMIZAR UNA CORRIENTE LIQUIDA EN UNA PULVERIZACION EN FORMA DE ABANICO PLANA. LA TOBERA Y EL CONJUNTO DE TOBERA SON PARTICULARMENTE UTILES PARA ATOMIZAR UNA CARGA DE HIDROCARBURO EN UNA ZONA DE "CRACKING" O PIROLIZACION CATALITICA DE UN PROCESO DE "CRACKING" CATALITICO DE FLUIDO (FCC). LA TOBERA INCLUYE UNA PUNTA DE TOBERA QUE TIENE AL MENOS TRES ABERTURAS BASICAMENTE PERPENDICULARES QUE SE EXTIENDEN DE LA SUPERFICIE INTERIOR DE LA PUNTA DE LA TOBERA HACIA LA SUPERFICIE EXTERIOR DE LA PUNTA DE LA TOBERA. LAS ABERTURAS TIENEN UN ANGULO COMPRENDIDO ENTRE 0 GRADOS Y UNOS 75 GRADOS. LA PRESENTE INVENCION DESCRIBE TAMBIEN UN CONJUNTO DE TOBERAS QUE CONTIENE AL MENOS TRES TOBERAS DE LA PRESENTE INVENCION, MONTADAS RADIALMENTE ALREDEDOR DEL PERIMETRO DE UNA ZONA QUE SE VA A PULVERIZAR.
Description
Tobera de pulverización y método de utilización
de la misma.
Esta invención se refiere a un montaje de tobera,
y un método de utilización del mismo para atomizar una corriente
líquida. Más particularmente, esta invención se refiere a un montaje
de tobera, y un método de utilización del mismo para atomizar una
corriente líquida en la presencia de un medio de dispersión para
proporcionar una pulverización en forma de abanico de gotitas de
líquido. El montaje de tobera y el método de utilización del mismo
son particularmente útiles para inyectar radialmente una corriente
que contiene un hidrocarburo alimentado dentro de una zona de
craqueo catalítico de una unidad de craqueo catalítico de
fluido.
El craqueo catalítico de fluidos (FCC) de
fracciones de petróleo es una operación de refinería bien
establecida. En el FCC, fracciones de hidrocarburos pesados (de una
longitud mayor de alrededor de 20 hasta alrededor de 30 átomos de
carbono) son descompuestas químicamente en fracciones de
hidrocarburos más ligeras (de una longitud menor de alrededor de 12
a alrededor de 15 carbonos), tales como gasolina. La unidad de FCC
comprende usualmente una sección de reactor conectada a una sección
de regenerador mediante tuberías verticales. El propio catalizador
es un sólido finamente dividido y se comporta como un fluido en el
reactor, regenerador, y tuberías verticales de conexión, de aquí la
designación de catalizador "fluido".
En la operación del procedimiento FCC, se
alimenta un hidrocarburo reciente, que puede estar precalentado, se
mezcla con un catalizador y experimenta un craqueo dentro de la zona
de conversión catalítica de la sección de reactor. La zona de
conversión catalítica, en unidades FCC catalíticas modernas, está
básicamente situada en el elevador de la sección de reactor. Para
que el craqueo catalítico tenga lugar, el hidrocarburo alimentado
(por ejemplo, petróleo) debe estar vaporizado para permitir que el
hidrocarburo alimentado se difunda dentro de los poros del
catalizador (generalmente una zeolita) en los lugares de craqueo. La
reacción de craqueo catalítico genera coque que se deposita sobre el
catalizador para formar un catalizador "coquizado" o
"gastado". Los productos salen del reactor en la fase de vapor
y pasan al menos a un fraccionador principal o columna de
destilación para la separación en las fracciones deseadas. El
catalizador gastado pasa de modo continuo del reactor al regenerador
por medio de una tubería vertical de catalizador gastado. En el
regenerador, el coque se convierte en una reacción exotérmica en
productos gaseosos mediante el contacto con un gas que contiene
oxígeno. Los gases de combustión salen del regenerador a través de
diversos medios de recuperación, y el catalizador regenerado
caliente es recirculado en el reactor por medio de una tubería
vertical de catalizador de retorno en la que este se recoge de nuevo
mediante una nueva alimentación de hidrocarburos. Típicamente, el
calor liberado en el regenerador es transportado al reactor por el
catalizador regenerado para suministrar calor para las reacciones de
craqueo endotérmicas. Los sistemas de craqueo de catalizador de
fluido típicos se describen en las Patentes de EE.UU. Núms.
3.206.393, de Pohlenz, y 3.261.777, de Iscol y otros.
Se usan toberas para inyectar los hidrocarburos
alimentados, típicamente en la forma de una pulverización de
líquido, en la zona de conversión catalítica del elevador. Para
configurar una pulverización, típicamente, el hidrocarburo
alimentado está combinado con un medio de dispersión, tal como vapor
de agua, para formar una corriente de hidrocarburo disperso. Las una
o más toberas usadas para inyectar la corriente de hidrocarburo
dispersada en la zona de conversión catalítica se pueden disponer de
modo axial o radial. Con toberas axiales, la cubrición se logra
usando una o más toberas que se extienden en la sección de elevador
de una unidad FCC y que terminan en un conjunto de puntos dentro del
área de la sección transversal del elevador. Las toberas axiales se
orientan preferiblemente casi o perfectamente verticales
(preferiblemente formando un ángulo de menos de unos 10º con el eje
vertical del elevador) para crear una corriente de hidrocarburo
alimentado que es preferiblemente paralela al catalizador
ascendente. Con toberas radiales, la cubrición se consigue usando
una pluralidad de toberas que se montan alrededor del perímetro de
la pared del elevador. Preferiblemente, las toberas radiales se
extienden lo menos posible dentro del propio elevador. Esta
orientación de las toberas crea una circulación del hidrocarburo
alimentado que se cruza con la corriente ascendente de catalizador.
Las toberas radiales se orientan preferiblemente con respecto al eje
vertical del elevador formando con este cualquier ángulo menor de
unos 10º (que apunte hacia arriba formando alrededor de 90º con el
plano horizontal). Para proporcionar condiciones de craqueo
catalíticas óptimas las toberas con cualquier orientación deben
pulverizar colectivamente la corriente de hidrocarburo dispersada en
un modelo que se expanda para cubrir al área total de la sección
transversal del elevador a través de la cual se efectúa el craqueo
catalítico. Un recubrimiento mejorado proporciona mejor alimentación
de la mezcla de hidrocarburo y catalizador mejorando las reacciones
de craqueo catalítico que minimizan las reacciones de craqueo
térmico. Las reacciones de craqueo térmico producen productos no
deseados tales como metano y etano que conducen a menores
producciones de productos de FCC más valiosos.
En adición, a la cubrición completa de la
pulverización, las toberas deben producir finas gotitas de
alimentación de hidrocarburo que sean preferiblemente de tamaño
comparable con el de las partículas de catalizador individuales.
Preferiblemente las gotitas alimentadas de hidrocarburo tienen un
diámetro medio de Sauter (es decir, el diámetro de una esfera que
tenga la misma relación de volumen a área superficial que las
gotitas medidas) menor de 100 micrómetros (\mum). A medida que el
tamaño de las gotitas disminuye, la relación del área de la
superficie de caída de hidrocarburo alimentado con el volumen
aumenta, lo cual acelera la transferencia de calor del catalizador
al hidrocarburo alimentado y acorta el tiempo de vaporización del
hidrocarburo alimentado. Una vaporización más rápida mejora la
producción de productos de la reacción de craqueo catalítica puesto
que el hidrocarburo alimentado como un vapor es capaz de difundirse
en los poros del catalizador. Inversamente, cualquier retardo en la
vaporización del hidrocarburo alimentado, y/o el mezclado del
hidrocarburo alimentado y el catalizador, conduce a una mayor
producción de productos de craqueo térmico y coque.
La mayoría de las toberas de FCC usadas hoy día,
tanto radiales como axiales, emplean altas velocidades (por ejemplo,
de alrededor de más de 91,5 m/s) de la corriente de hidrocarburo
dispersado para dividir el hidrocarburo alimentado en pequeñas
gotitas e inyectar estas gotitas dentro de la zona de conversión
catalítica. No obstante, las altas velocidades pueden tener efectos
indeseables. Por ejemplo, los perfiles de temperatura en las
unidades comerciales que tienen inyección radial muestran algunas
veces temperaturas significativamente menores a lo largo del eje
vertical central en la zona de conversión catalítica del elevador.
Este perfil de las temperaturas indica que el catalizador y las
gotas alimentadas no se mezclan uniformemente a través del área de
la sección transversal del elevador. Particularmente, las gotitas
alimentadas de líquido refrigerador se desplazan hacia el centro del
elevador sin intercambiar una cantidad significativa de momento y
calor con el catalizador. Por lo tanto, es necesaria una tobera que
pueda proporcionar una división adecuada a una velocidad de
alimentación de hidrocarburo dispersado que conduzca al mezclado
adecuado de las gotitas alimentadas de hidrocarburo y
catalizador.
Adicionalmente, muchas toberas radiales de FCC
que se usan hoy día tienen mala cubrición. Este problema puede verse
cuando se instala una tobera que produce pequeñas gotitas, pero se
observa que no aumenta la producción a causa de un mal contacto de
las gotitas con el catalizador.
La Patente de EE.UU. Nº 4.601.814, de Mauleon y
otros, (denominada en adelante de "Mauleon") describe una
tobera orientada radialmente de alta velocidad para atomizar aceites
residuales en un procedimiento de craqueo catalítico. En una
realización, el extremo de tobera es una abertura única en forma de
ranura restringida horizontal que crea un modelo de pulverización en
forma de abanico. Mauleon describe también que el extremo de tobera
pueden ser dos ranuras paralelas o dos ranuras que forman 90º entre
sí. La velocidad de descarga del petróleo alimentado atomizado es
alta, excediendo los 91 m/s y más preferiblemente los 152 m/s. No
obstante, por las razones expuestas anteriormente, una tobera que
requiera altas velocidades puede ser ineficaz.
Por tanto, es conveniente desarrollar una tobera
que produzca una pulverización de finas gotitas de hidrocarburo
líquido que cubra la sección transversal completa de la zona de
craqueo catalítico sin requerir altas velocidades de tobera.
La presente invención proporciona un montaje de
tobera como se define en la reivindicación 1.
En otra reivindicación de la presente invención
se proporciona un procedimiento para atomizar una corriente líquida
tal como se define en la reivindicación 16.
En una realización preferida de la presente
invención, el montaje de tobera se usa en una unidad de craqueo
catalítico de fluido para atomizar el hidrocarburo alimentado.
La figura 1 muestra una porción extrema de una
tobera para ser usada en la presente invención;
la figura 2A muestra una vista desde un extremo
de la punta de tobera en la figura 1;
la figura 2B muestra una vista en sección de la
tobera en la figura 2A a través de A-A;
la figura 3A muestra una vista desde un extremo
de otra realización de una tobera para ser usada en la presente
invención;
la figura 3B muestra una vista en sección de la
tobera de la figura 3A a través de B-B;
la figura 4 muestra una vista en sección de otra
realización de una tobera para ser usada en la presente
invención;
la figura 5 muestra una vista desde un extremo de
otra realización de una tobera para ser usada en la presente
invención;
la figura 6 muestra una vista lateral de una
tobera para ser usada en la presente invención que tiene un
dispositivo de mezclado aguas arriba de la punta de tobera para
combinar un líquido y el medio de dispersión;
la figura 7A muestra un montaje de tobera de la
presente invención usado en la sección elevadora de una unidad de
FCC; y
la figura 7B muestra una vista en planta del
montaje de tobera de la figura 7A.
La presente invención proporciona un montaje de
tobera que cuando funciona en condiciones correctas produce una
pulverización en forma de abanico, plana, de finas gotitas de
líquido. Otra característica de la tobera para ser usada en la
presente invención consiste en que es particularmente útil para
atomizar una corriente líquida que tenga una baja velocidad. Por
ejemplo, la tobera para ser usada en la presente invención, cuando
funciona en condiciones correctas, es eficaz para atomizar una
corriente de líquido que tenga una velocidad de menos de 91,5 m/s, y
más preferiblemente de menos de 61 m/s. No obstante, la tobera para
ser usada en la presente invención puede ser usada también para
atomizar una corriente de líquido que tenga una velocidad de más de
91,5 m/s. La tobera está diseñada preferiblemente para alimentar una
corriente de hidrocarburo líquido en la zona de conversión
catalítica de una unidad de craqueo catalítico de fluido.
La expresión "corriente líquida" como se usa
en esta memoria, significa cualquier corriente que contenga un
líquido tal como una alimentación de hidrocarburos, que haya de ser
atomizada. Por "medio de dispersión" se ha de entender un
fluido, típicamente un fluido que contenga gas tal como vapor de
agua, que se ha de usar para mejorar la atomización del líquido. Por
"fino" se ha de entender que el diámetro medio de Sauter de las
gotitas de líquido en la pulverización es preferiblemente menor de
300 micrómetros (\mum), más preferiblemente menor de 200 \mum y
con la máxima preferencia menor de 100 \mum. Por "forma de
abanico plana" se ha de entender que la relación de la dimensión
horizontal a la dimensión vertical de la pulverización, en cualquier
sección transversal perpendicular al eje longitudinal del tambor de
tobera, es preferiblemente mayor que 4:1, más preferiblemente mayor
que 6:1, y con la máxima preferencia mayor que 8:1.
La tobera para ser usada en la presente invención
incluye un tambor de tobera para recibir una corriente de líquido y
el medio de dispersión y una punta que tiene al menos tres aberturas
sustancialmente verticales. Haciendo referencia a las figuras, en
las que los números de referencia similares se refieren a elementos
similares, la figura 1 muestra una realización de una tobera para
ser usada en la presente invención y muestra particularmente la
porción extrema de una tobera 1. La porción extrema de la tobera
tiene un tambor 2 que es de forma cilíndrica, un extremo 6 de punta,
un extremo 3 de entrada opuesto al extremo de punta, y un eje
longitudinal central 4. La porción extrema del tambor 2 recibe una
corriente líquida dispersada 10 que contiene una mezcla de una
corriente de líquido que ha de ser atomizada y un medio de
dispersión. La corriente 10 de líquido dispersada está dirigida a
una punta 14 de tobera que tiene un espesor 8 y al menos tres
aberturas sustancialmente verticales (no mostradas). La corriente de
líquido dispersada se dirige a través de las aberturas en la punta
14 de tobera.
Las aberturas en la punta de tobera están
configuradas de manera que producen una pulverización en forma de
abanico plana. La figura 2A muestra una vista desde un extremo de la
punta 14 de tobera en la figura 1 para mostrar con mayor detalle las
aberturas. La punta 14 de tobera en la figura 2A tiene una línea
central 20 vertical, y tres aberturas 22 de forma rectangular: una
abertura central 46, situada sobre la línea central 20 vertical de
la punta de tobera, y dos primeras aberturas 48 desplazadas. Cada
abertura 22 tiene una línea central 21 vertical, situada en la
superficie exterior 40 de la punta 14 de tobera, una longitud 24,
que se extiende paralela a la línea central 21 vertical de la
abertura, y una anchura 26, situada en la superficie exterior 40 de
la punta 14 de tobera, que se extiende perpendicularmente a la línea
central 21 vertical de la abertura. Las aberturas 22 en la figura 2A
son sustancialmente verticales con relación a la línea central 20 de
la punta de tobera. Por "sustancialmente vertical" se ha de
entender que la línea central 21 vertical de la abertura puede
formar un ángulo \Phi con la línea central 20 vertical de la punta
de tobera comprendido entre 0 (es decir, paralelo y perfectamente
vertical) y alrededor de 30 grados, más preferiblemente de 0 a
alrededor de 10 grados, y con la máxima preferencia de 0 a alrededor
de 5 grados.
Cada abertura 22 está espaciada una distancia 23
de la línea central 20 vertical de punta de tobera medida entre la
línea central vertical 21 de la abertura y la línea central 20
vertical de punta de tobera. Las tres aberturas 22 mostradas en la
figura 2A están dispuestas preferiblemente de modo simétrico a
través de la punta de tobera de modo que las primeras aberturas 48
desplazadas se oponen, y están espaciadas igual distancia de la
línea central 20 vertical de la punta de tobera.
Una vista en sección de la punta 14 de tobera en
la figura 2A en la sección A-A se muestra en la
figura 2B. En la figura 2B, las aberturas están configuradas para
producir una pulverización en forma de abanico plana. Cada abertura
22 tiene bordes 27A, 27B opuestos, que se extienden a lo largo de la
longitud (no mostrada) de la abertura 22 en la superficie interior
38 de la punta 14 de tobera, y bordes opuestos 28A y 28B que se
extienden a lo largo de la longitud de la abertura 22 en la
superficie exterior 40 de la punta 14 de tobera. Los bordes 27A y
28A están unidos por la superficie 29A de conexión, y los bordes 27B
y 28B están unidos por la superficie 29B de conexión. En la figura
2B, las superficies 29A y 29B de conexión se muestran como paralelas
entre sí y sin inclinación con relación al eje longitudinal central
4 del tambor 2 de tobera.
Cada abertura tiene también un eje longitudinal
central 32 configurado dibujando una línea desde el punto medio 36
de la abertura 22 en la superficie interior 38 de la punta 14 de
tobera hasta el punto medio 34 de la abertura 22 en la superficie
exterior 40 de la punta 14 de tobera. En la figura 2B, el eje
longitudinal central para cada una de las aberturas forma un ángulo
igual a 0 con el eje longitudinal central 4 del tambor de tobera.
Particularmente, los ejes longitudinales centrales 32 de las
primeras aberturas 49 desplazadas son paralelos al eje longitudinal
central 4 del tambor de tobera y el eje longitudinal central (no
mostrado) de la abertura 46 coincide con el eje longitudinal central
4 del tambor de tobera.
Para incrementar el ángulo de pulverización
horizontal del pulverizador, preferiblemente al menos una, y más
preferiblemente al menos dos aberturas, están inclinadas con
relación al eje longitudinal central del tambor de tobera. Las
aberturas pueden ser inclinadas inclinando las superficies (29A y
29B en la figura 2B) de conexión. Las superficie de conexión pueden
estar inclinadas de cualquier manera mientras el eje longitudinal
central de cada abertura no intersecte el eje longitudinal central
de cualquier otra abertura aguas abajo de la punta de tobera (es
decir, los ejes longitudinales centrales de las aberturas permanecen
separados aguas abajo de la punta de tobera). Por ejemplo, las
superficies de conexión pueden ser paralelas o no paralelas.
Asimismo, por ejemplo, una superficie de conexión puede estar
inclinada mientras que su superficie de conexión opuesta no está
inclinada con relación al eje longitudinal central del tambor de
tobera. Preferiblemente, las superficies de conexión de una
abertura son paralelas entre sí.
Para conseguir que los ejes longitudinales
centrales de las aberturas permanezcan separados aguas abajo de la
punta de tobera, las superficies de conexión están preferiblemente
inclinadas de modo que el ángulo formado por los ejes longitudinales
centrales de las aberturas y el eje longitudinal central del tambor
de tobera es igual a, o mayor que, el de una abertura adyacente
situada más cerca de la línea central vertical de la punta de
tobera. Preferiblemente, las aberturas están inclinadas de modo que
el ángulo de pulverización horizontal del pulverizador es al menos
de 60º, más preferiblemente al menos de 90º, y con la máxima
preferencia al menos de 120º.
Una tobera preferida para ser usada en la
presente invención, que tiene al menos dos aberturas inclinadas, se
muestra en las figuras 3A y 3B. La figura 3A muestra una vista desde
un extremo de una punta 14 de tobera que tiene tres aberturas 22
perfectamente verticales. La figura 3B muestra una vista en sección
de la punta 14 de tobera en la figura 3A en la sección
B-B.
En la figura 3A, la abertura central 46 no está
inclinada; no obstante, las primeras aberturas desplazadas 48 están
inclinadas con relación al eje longitudinal central 4 del tambor de
tobera. El ángulo de inclinación de las primeras aberturas
desplazadas 48 en la figura 3A es tal que los bordes opuestos 27A y
27B que se extienden la longitud 24 de la abertura en la superficie
interior (no mostrada) de la punta 14 de tobera están situados más
cerca de la línea central vertical 20 del extremo de tobera que los
bordes 28A y 28B que se oponen, correspondientes, situados en la
superficie exterior 40 de la punta 14 de tobera. Los bordes 27A y
27B que se oponen en la superficie interior están conectados a los
bordes 28A y 28B que se oponen en la superficie exterior de la punta
14 de tobera mediante superficies 29A y 29B de conexión. Cada
abertura tiene también un punto medio 34 sobre la superficie
exterior 40 de la punta 14 de tobera, y un punto medio 36 en la
superficie interior de la punta 14 de tobera. En el caso de la
abertura central 46, el punto medio 34 sobre la superficie exterior
40 de la punta 14 de tobera, corresponde al punto medio (no
mostrado) en la superficie interior puesto que la abertura central
46 no está inclinada.
El ángulo de inclinación de las primeras
aberturas 48 desplazadas se ve mejor en la figura 3B. En la figura
3B, las superficies 29A y 29B de conexión de las primeras aberturas
48 desplazadas se extienden a través del espesor 8 de la punta 14 de
tobera para conectar los bordes opuestos 27A y 27B en la superficie
interior 38 de la punta 14 de tobera a los bordes 28A y 28B que se
oponen en la superficie exterior 40 de la punta 14 de tobera. Las
superficies 29A y 29B que se oponen inclinadas como se muestra en la
figura 3B son paralelas entre sí.
En la figura 3B, cada abertura tiene también un
eje longitudinal central 32 formado por una línea trazada entre el
punto medio 36 de la abertura en la superficie interior 38 de la
punta 14 de tobera y el punto medio 34 de la abertura en la
superficie exterior 40 de la punta 14 de tobera. El eje longitudinal
central (no mostrado) de la abertura central 46 coincide con el eje
longitudinal central 4 del tambor de tobera. Las aberturas 48
desplazadas están inclinadas con relación al eje longitudinal
central 4 del tambor de tobera formando un ángulo \theta 30. En
una realización preferida, como se muestra en la figura 3B, las
primeras aberturas desplazadas están inclinadas en sentidos opuestos
para incrementar así el ángulo de pulverización horizontal. Más
preferiblemente, las primeras aberturas desplazadas son simétricas
porque están igualmente inclinadas en sentidos opuestos.
Aunque la abertura central 46 en la figura 3B no
está inclinada, es posible que la abertura central forme un ángulo
\theta que varíe de 0º a alrededor de 15º. Una abertura central
inclinada puede ser preferida si se desea descargar la pulverización
en una dirección que se separe del eje longitudinal central del
tambor de tobera, de modo que cree una circulación turbulenta en una
zona de craqueo catalítica. Con una abertura central inclinada, el
ángulo \theta de las otras aberturas necesitará ser ajustado para
garantizar que los ejes longitudinales centrales de las aberturas no
intersectan aguas abajo de la punta de tobera. Por ejemplo, puede no
preferirse tener las primeras aberturas desplazadas igualmente
inclinadas en sentidos opuestos si esto origina que los ejes
longitudinales centrales de las aberturas intersecten.
En otra realización preferida de la presente
invención, el ángulo \theta entre el eje longitudinal central 32
de cada abertura y el eje longitudinal 4 central del tambor de
tobera aumenta a medida que la distancia 23 de la abertura de la
línea central 20 vertical de la tobera inclinada aumenta. Un ángulo
\theta que aumente gradualmente se muestra en la figura 4. La
figura 4 muestra una vista en sección de una punta 14 de tobera que
tiene 5 aberturas. Preferiblemente, el incremento en el ángulo
\theta es simétrico. Por ejemplo, preferiblemente, las primeras
aberturas 48 desplazadas están inclinadas igualmente en sentidos
opuestos para formar un ángulo \theta_{1}, con el eje
longitudinal central del tambor de tobera, y las segundas aberturas
50 desplazadas están también igualmente inclinadas en sentidos
opuestos para formar un ángulo \theta_{2} con el eje
longitudinal central del tambor de tobera, donde \theta_{2}
> \theta_{1}. Asimismo, preferiblemente, la abertura central
tiene un eje longitudinal central (no mostrado) que coincide con el
eje 4 longitudinal central del tambor 2 de tobera para formar un
ángulo \theta_{0} (no mostrado) igual a cero.
Es posible tener una punta de tobera con más de 5
aberturas, en cuyo caso las aberturas adicionales se denominarán
como terceras desplazadas, cuartas desplazadas, etc. En tal tipo de
realización, preferiblemente, las aberturas más desplazadas de la
línea central vertical de la punta de tobera tendrán el mayor ángulo
\theta, las aberturas adyacentes a las aberturas más desplazadas
tendrán el mayor ángulo \theta siguiente, y el ángulo \theta de
las aberturas continuará disminuyendo a medida que disminuya la
distancia 23 de la abertura a la línea central de la tobera.
Preferiblemente, el valor máximo de \theta de
cualquier abertura es de 0º a alrededor de 75º, más preferiblemente
de 0º a alrededor de 60º, y con la máxima preferencia de 0º a
alrededor de 45º. Preferiblemente, las aberturas inclinadas tienen
un ángulo \theta comprendido entre alrededor de 5º y alrededor de
75º, y más preferiblemente entre alrededor de 10º y alrededor de
60º. Para cualquier par de aberturas adyacentes la diferencia en los
ángulos (por ejemplo, \theta_{2} - \theta_{1}) es
preferiblemente menor que alrededor de 30º, y más preferiblemente
menor que alrededor de 20º.
En una realización preferida de la presente
invención, la punta de tobera tiene 5 aberturas, donde las primeras
y las segundas aberturas están inclinadas. Preferiblemente, la
abertura central tiene un ángulo \theta de 0º, las primeras
aberturas desplazadas forman un ángulo \theta de alrededor de 10º
a alrededor de 30º, y las segundas aberturas desplazadas forman un
ángulo \theta de alrededor de 30º a alrededor de 60º.
En adición a la inclinación de las aberturas, la
producción de una pulverización en forma de abanico plana de gotitas
de líquido es mejorada por medio de otros parámetros de diseño de
las aberturas. Generalmente, el diseño de las aberturas necesitará
tener en cuenta el caudal de masa deseado de la corriente de líquido
dispersada y la caída de presión permisible para dirigir la
corriente de líquido dispersado a través de la punta de tobera. Por
"caída de presión" se ha de entender que es la diferencia de
presión entre la presión de la corriente de líquido que entra en la
tobera (es decir "presión del lado de alimentación") y la
presión del medio en el que descarga la tobera. Los parámetros de
diseño para producir una pulverización en forma de abanico incluyen
el número de aberturas, el espaciamiento de las aberturas y las
dimensiones de las aberturas.
El número de aberturas en la punta de tobera se
diseña preferiblemente para que sea el número máximo posible en la
punta de tobera, dejando al mismo tiempo una distancia adecuada
entre las aberturas para proporcionar suficiente resistencia para
resistir la fuerza de la corriente de líquido dispersada que circula
a través de la punta de tobera. Mediante ese tipo de configuración
las superficies totales (es decir, el perímetro total de las
aberturas) para cizallar el líquido son maximizadas. La punta de
tobera tiene al menos tres aberturas, preferiblemente de alrededor
de 3 a alrededor de 10 aberturas, más preferiblemente de alrededor
de 3 a alrededor de 7 aberturas, y con la máxima preferencia 5
aberturas. Las aberturas están preferiblemente espaciadas a partir
de la línea central vertical de la punta de tobera simétricamente de
modo que cada abertura está espaciada una distancia de la línea
central vertical de la punta de tobera, hay una abertura opuesta en
el otro lado de la línea central vertical de la punta de tobera
espaciada una distancia igual de la línea central vertical de la
punta de tobera. Más preferiblemente, las aberturas están espaciadas
de modo que una abertura está situada en la línea central vertical
de la punta de tobera, y las aberturas restantes están dispuestas
simétricamente con respecto a la línea central vertical de la punta
de tobera hasta alcanzar un número impar de aberturas sobre la punta
de tobera. En adición a las aberturas que se disponen
simétricamente, se prefiere que la distancia entre cualquier par de
aberturas adyacentes medida entre los bordes adyacentes de las
aberturas, a través de la superficie exterior de la punta de tobera,
sea de alrededor de 0,2 a alrededor de 2,5 veces la anchura de las
aberturas. La relación del espaciamiento entre dos aberturas
adyacentes (medida desde línea central de abertura a línea central
de abertura) a la anchura de abertura es preferiblemente de
alrededor de 1,2 a alrededor de 3,5, y más preferiblemente de
alrededor de 1,3 a alrededor de 2,2.
Con respecto a las dimensiones de las aberturas,
preferiblemente la anchura de una abertura se escoge para producir
finas gotitas de líquido y permanecer dentro de las constantes de
caída de presión del sistema. Por ejemplo, generalmente, a medida
que la anchura de la abertura se reduce, el tamaño medio de las
gotitas de líquido disminuye. No obstante, a medida que la anchura
de la abertura disminuye para un número dado de aberturas, la caída
de presión aumenta. La relación de la anchura de la abertura, medida
en la superficie interior del extremo de tobera, al diámetro
interior del tambor de tobera es preferiblemente de alrededor de
0,01 a alrededor de 0,30, más preferiblemente de alrededor de 0,05 a
alrededor de 0,25 y con la máxima preferencia de alrededor de 0,075
a alrededor de 0,20.
La anchura de la abertura se varía también
preferiblemente dependiendo del lugar de la abertura con relación a
la línea central vertical de la punta de tobera para asegurar una
distribución en forma de abanico uniforme de la pulverización. Hay
varias realizaciones preferidas. La figura 5 muestra una
realización preferida.
La figura 5 muestra una vista extrema de una
punta 14 de tobera preferido que tiene cinco aberturas 22 en forma
de ranura que están dispuestas simétricamente a partir de la línea
central 20 vertical de la punta de tobera. La abertura situada en la
línea central 20 vertical de la punta de tobera es una abertura
central 46 y tiene una anchura w_{0}. Las aberturas situadas a la
menor distancia de la línea central 20 vertical de la punta de
tobera son las primeras aberturas 48 desplazadas y tienen una
anchura, w_{1}, y las aberturas más alejadas de la línea central
20 vertical de la punta de tobera son las segundas aberturas 50
desplazadas y tienen una anchura w_{2}, donde todas las anchuras
son medidas sobre la superficie interior (no mostrada) de la punta
de tobera. También como se muestra en la figura 5, las primeras y
segundas aberturas desplazadas están inclinadas de modo similar a
las aberturas en la figura 4.
En la realización mostrada en la figura 5, la
anchura de las aberturas disminuye a medida que su distancia 23
desde la línea central 20 vertical de la punta de tobera aumenta. En
otras palabras, la anchura de la abertura disminuye a medida que se
mueve hacia fuera o se desplaza más desde la línea central 20
vertical de la punta de tobera. Por ejemplo, la abertura central 46
tiene la mayor anchura, las primeras aberturas desplazadas 48 tienen
la mayor anchura siguiente, y las segundas aberturas desplazadas 50
tienen la menor anchura (es decir, w_{0} > w_{1} >
w_{2}). También, las anchuras de las aberturas son simétricas de
modo que las primeras aberturas desplazadas tienen la misma anchura
y las segundas aberturas desplazadas tienen la misma anchura. Esta
configuración es especialmente preferible cuando se requiere un
flujo de líquido uniforme (es decir, caudal de masa por área de la
sección transversal) a través de la anchura total de la
pulverización.
En otra realización preferida (no mostrada), las
primeras aberturas desplazadas 48 tienen la mayor anchura, la
abertura central 46 tiene la siguiente menor anchura, y las segundas
aberturas desplazadas 50 tienen la anchura mínima (es decir, w_{1}
> w_{0} > w_{2}). Si se desea tener aberturas adicionales
situadas sobre la tobera, preferiblemente la anchura de las
aberturas que empiezan en las segundas aberturas desplazadas
disminuye gradualmente de modo que las aberturas más desplazadas
deberán tener la menor anchura (es decir, w_{2} > w_{3} >
w_{4}, etc.). Ese tipo de configuración de las anchuras de
abertura se prefiere cuando se requiere un mayor flujo de líquido en
l sección central de la pulverización. Por ejemplo, ese tipo de
configuración puede ser preferido cuando se usan múltiples
pulverizaciones que se solapan.
En otra realización preferida más (no mostrada),
la abertura central tiene la menor anchura, y las anchuras aumentan
gradualmente al aumentar la distancia de la aberturaa la línea
central de la tobera (es decir, w_{2} > w_{1} > w_{0}).
Esta realización se usa preferiblemente cuando se requiere un mayor
flujo de líquido en los bordes exteriores de la pulverización que en
el centro.
En todas las realizaciones en las que la anchura
de la abertura varía, preferiblemente la anchura máxima de cualquier
abertura es de alrededor de 0,05 a alrededor de 0,30, y más
preferiblemente de alrededor de 0,10 a alrededor de 0,20 veces el
diámetro interior del tambor de la tobera. Preferiblemente, la
anchura mínima de cualquier abertura es de alrededor de 0,05 a
alrededor de 0,20, y más preferiblemente de alrededor de 0,075 a
alrededor de 0,15 veces el diámetro interior del tambor de la
tobera.
Preferiblemente, la longitud de la abertura se
escoge para que produzca una pulverización que tenga un ángulo de
pulverización vertical de menos de alrededor de 30º y para que
funcione dentro de las limitaciones de caída de presión de la
tobera. Para formar una abertura de forma vertical, la longitud es
mayor que la anchura. Preferiblemente, la relación de la longitud de
la abertura a la anchura de la abertura es al menos de alrededor de
3:1, más preferiblemente de al menos 4:1, y con la máxima
preferencia de alrededor de 5:1 a alrededor de 10:1. Las aberturas
pueden variar de longitud dependiendo de su distancia a la línea
central vertical de la punta de tobera. Por ejemplo, las aberturas
más próximas a la línea central vertical de la punta de tobera
pueden ser más largas para utilizar la totalidad del área de la
punta de tobera y para minimizar la caída de presión.
Preferiblemente, todas las aberturas en la punta de tobera tienen la
misma longitud.
Los bordes que limitan la longitud y la anchura
de la abertura en las superficies interior y exterior de la punta de
tobera son preferiblemente agudos para cizallar la corriente de
líquido dispersada en gotitas de líquido. Por "agudo" se ha de
entender que las aberturas son mecanizadas para formar bordes
afilados en las superficies interior y exterior de la punta de
tobera, preferiblemente no redondeando los bordes. Asimismo, las
aberturas pueden ser de diversas formas geométricas siempre que la
longitud sea mayor que la anchura y produzcan una pulverización en
forma de abanico plana horizontal. Formas geométricas adecuadas
incluyen por ejemplo rectángulos, ranuras de extremos redondeados,
formas rómbicas alargadas y elipses.
Aunque las realizaciones mostradas en las figuras
1 a 5 tienen puntas de tobera que son planas, es posible y en
algunos casos preferible que la superficie de la punta sea cóncava
hacia fuera. Una punta cóncava hacia fuera tiene la ventaja de
incrementar el área de la superficie sobre la cual se colocan
múltiples aberturas. Asimismo, una punta cóncava hacia fuera puede
permitir cubrir más uniformemente un área de una forma particular o
una distribución de tamaños de gotas de líquido deseada. La punta de
tobera puede tener diversas formas cóncavas hacia fuera. Por
ejemplo, la forma puede ser una forma uniforme, tal como una bóveda
poco profunda o semiesférica, o puede estar configurada de modo no
uniforme, tal como compuesta de dos o más superficies planas que se
encuentren a lo largo de líneas verticales para formar, por ejemplo,
un disco plegado.
El espesor de la punta de tobera es
preferiblemente el espesor mínimo que resista la fuerza de la
corriente de líquido dispersada. Preferiblemente, la relación del
espesor de la punta de tobera a la anchura de la abertura más
pequeña es igual o menor que alrededor de 2,0, más preferiblemente
igual o menor que 1,5, y con la máxima preferencia igual o menor que
alrededor de 1,0.
En adición a la formación de la tobera con un
conducto configurado de modo cilíndrico como se muestra en las
figuras 1 a 5, pueden ser usadas otras formas geométricas de los
conductos. Por ejemplo, pueden ser usadas formas geométricas
rectangulares, elípticas o poligonales.
La tobera para ser usada en la presente invención
tiene también preferiblemente unos medios para combinar una
corriente de líquido y un medio de dispersión aguas arriba de la
punta de tobera para proporcionar una corriente de líquido
dispersada mezclada uniformemente. Por "mezclada uniformemente"
se ha de entender que las fracciones volumétricas referentes a los
puntos de líquido y gas son razonablemente constantes a través del
área de la sección transversal de la tobera. Por ejemplo, la
corriente líquida puede ser distribuida a través del medio de
dispersión en forma de ligamentos, o gotas grandes o pequeñas.
Cualquier medio adecuado para combinar el medio de dispersión y la
corriente líquida puede ser usado siempre que la corriente de
líquido dispersada se mezcle uniformemente.
Un dispositivo de mezclado preferido que puede
ser usado con la tobera que se usa en la presente invención se
muestra en la figura 6. En la figura 6, se muestra una tobera 98 que
tiene un atomizador inicial 100, una sección 114 de expansión y un
tambor 2 de tobera. El atomizador inicial 100 tiene un conducto
primario 108 para recibir una corriente de medio 126 de dispersión a
través de la entrada 102, y un conducto secundario 106 para recibir
una corriente 128 de líquido a través de la entrada 120. El conducto
primario es de forma cilíndrica y tiene un eje 130 longitudinal
central que coincide con el eje longitudinal central del conducto
secundario (no mostrado) y está alineado conjuntamente con el eje
longitudinal central 4 del tambor de tobera. Al menos una porción
del conducto secundario está situada dentro del conducto primario
para formar un pasaje anular 132 para el medio 126 de dispersión
entre la superficie exterior 135 del conducto secundario y la
superficie interior 137 del conducto primario. Preferiblemente el
diámetro interior del conducto primario es de alrededor de 1,1 a
alrededor de 2,5 veces el diámetro exterior del conducto
secundario.
La corriente 128 líquida y el medio 126 de
dispersión se mezclan dirigiendo el medio de dispersión a través
deperforaciones 112 en la pared 134 del conducto secundario. La
corriente 128 líquida se mezcla vigorosamente con el medio de
dispersión a medida que el líquido pasa a la salida 124 del
atomizador inicial 100 para formar una corriente líquida dispersada
116.
Las perforaciones 112 en el conducto secundario
106 son preferiblemente taladradas en ángulo recto a través de la
pared 134 de conducto secundario. También preferiblemente, las
perforaciones 112 están situadas a menos de 1,26 centímetros de la
salida 124 de atomizador inicial. En una realización más preferida
(no mostrada), hay dos filas de perforaciones 112, en las que cada
fila contiene ocho perforaciones distribuidas uniformemente
alrededor del perímetro de la pared 134 de conducto secundario. Si
se desea las perforaciones 112 pueden ser desplazadas aguas debajo
de la salida 124 de atomizador inicial, o suplementadas con medios
adicionales para mezclar el medio 126 de dispersión con la corriente
líquida, tales como tubos situados dentro del conducto
secundario.
La corriente líquida dispersada 116 de la salida
124 se descarga en la sección 114 de expansión. En el caso de
conductos secundario y primario de forma cilíndrica, la sección 114
de expansión comprende preferiblemente una sección cónica invertida,
truncada. Preferiblemente la sección 114 de expansión tiene un
diámetro interior en la entrada 120 de la sección 114 de expansión
que se aproxima o iguala al diámetro interior de la salida 124 de
atomizador inicial. El diámetro de la salida 138 de la sección 114
de expansión preferiblemente es aproximadamente igual al diámetro
del tambor 2 de tobera en el extremo 3 de entrada del tambor de
tobera. La pared 143 de la sección de expansión forma
preferiblemente un ángulo \alpha con la pared 139 del conducto
primario 108 de alrededor de 5º a alrededor de 30º, más
preferiblemente de alrededor de 10º a alrededor de 25º, y con la
máxima preferencia de alrededor de 15º. La sección de expansión
puede comprender también geometrías más complejas, tales como
aquellas usadas en medidores o carburadores de Venturi, pero
tales formas son difíciles de fabricar y más caras.
Otro dispositivo de mezclado preferido que puede
ser usado con la tobera que se usa en la presente invención se
describe en las Patentes de EE.UU. Núms. 5.289.976 y 5.306.418,
ambas de Dou y otros, (denominadas en adelante como "Dou"). Dou
describe un dispositivo de mezclado que es parte de una tobera. Dou
describe un dispositivo de mezclado que tiene un atomizador inicial
y una sección de expansión similar a la descrita en la figura 6, y
un tapón de obturación que está situado dentro de la sección de
expansión. En una realización preferida el dispositivo de mezclado
en Dou se usa sin el tapón de obturación como se muestra en la
figura 6.
En el dispositivo de mezclado en la figura 6 de
Dou, la longitud 141 del tambor 2 de tobera entre la salida 138 de
la sección de expansión y la punta 14 de tobera es suficientemente
larga para permitir que la corriente líquida dispersada se
desacelere completamente dentro de la mayor sección transversal del
tambor. Preferiblemente, la longitud del tambor de la tobera entre
la salida de la sección de expansión y la punta de tobera es al
menos 1,5 veces, y más preferiblemente de alrededor de 2,0 a
alrededor de 4,0 veces el diámetro interior en la salida a la
sección de expansión.
Otros dispositivos de mezclado adecuados que
pueden ser incluidos dentro de la tobera que se usa en la presente
invención son por ejemplo, mezcladoras en espiral, mezcladoras de
paletas, mezcladoras estáticas, o combinaciones de las mismas. Uno o
más dispositivos de mezclado pueden estar situados exteriormente a
la tobera de modo que la tobera es alimentada con una corriente
líquida dispersada. Preferiblemente, no obstante, el dispositivo de
mezclado se incluye como parte de la tobera.
Dependiendo del dispositivo de mezclado elegido,
la corriente líquida dispersada que se aproxima a la punta de tobera
puede tener un movimiento turbulento residual. Preferiblemente, este
movimiento turbulento residual se elimina antes de que la corriente
líquida dispersada alcance la punta de tobera. Por ejemplo, pueden
ser instaladas paletas de enderezamiento aguas abajo del dispositivo
de mezclado para eliminar cualquier movimiento turbulento
residual.
La tobera, incluyendo la punta de tobera, puede
ser construida de cualquier material que sea capaz de resistir las
temperaturas, presiones y sustancias químicas a las que la tobera
estará expuesta durante el funcionamiento de una unidad de craqueo
catalítica de FCC. Por ejemplo, la punta de tobera necesitará estar
construida de materiales que resistan las temperaturas y el
rozamiento del catalizador dentro del elevador de una unidad de
craqueo catalítica de FCC.
En el procedimiento de la presente invención, una
corriente líquida dispersada que contiene una corriente de líquido y
un medio de dispersión, es dirigida a través de al menos una porción
de la tobera que se usa en la presente invención y a través de las
aberturas de la punta de tobera para producir una pulverización en
forma de abanico. La corriente líquida dispersada antes de alcanzar
la punta de tobera se mezcla uniformemente. En una realización
preferida, una corriente líquida y un medio de dispersión se
combinan dentro de la tobera que usa un dispositivo de mezclado para
formar la corriente líquida dispersada. Como se ha mencionado
anteriormente en esta memoria, se puede usar cualquier dispositivo
de mezclado siempre que la corriente líquida dispersada se mezcle
uniformemente antes de alcanzar la punta de tobera. Preferiblemente,
el dispositivo de mezclado contiene una zona de atomización y una
sección de expansión como se muestra en la figura 6.
La proporción de medio de dispersión en la
corriente líquida que sale de la tobera se ajusta para proporcionar
la atomización adecuada de la corriente líquida. La cantidad de
medio de dispersión basada en el peso total de la corriente líquida
que sale de la tobera es preferiblemente de alrededor del 0,5 por
ciento en peso a alrededor de 5,0 por ciento en peso, y más
preferiblemente de alrededor del 1,0 por ciento en peso a alrededor
del 3,5 por ciento en peso.
La corriente líquida útil en el procedimiento de
la presente invención es cualquier corriente que contenga un líquido
que esté atomizado. La corriente líquida puede contener también
opcionalmente aditivos tales como agentes tensioactivos para mejorar
la atomización. Preferiblemente, la corriente líquida contiene al
menos el 80 por ciento en peso, y más preferiblemente al menos el 90
por ciento en peso de líquido.
En una realización preferida del procedimiento de
la presente invención, la corriente de líquido es un hidrocarburo
alimentado que ha de ser craqueado catalíticamente. El hidrocarburo
alimentado puede ser cualquiera de los materiales de alimentación
tratados ordinariamente en una unidad de craqueo catalítico de
fluidos comercial. Preferiblemente el hidrocarburo alimentado para
ser empleado hierve a una temperatura de al menos 204ºC y más
preferiblemente comprendida entre alrededor de 204ºC y alrededor de
538ºC. Tal hidrocarburo alimentado incluye por ejemplo gasóleos
vírgenes, gasóleos cíclicos, crudos reducidos y residuales.
El medio de dispersión puede ser cualquier
corriente que contenga gas que sea eficaz en la dispersión de la
corriente líquida. Preferiblemente, el medio de dispersión contiene
al menos el 75 por ciento en peso y más preferiblemente de alrededor
de 90 a 100 por ciento en peso de gas basado en el peso total del
medio de dispersión. El medio de dispersión puede ser por ejemplo
vapor de agua, aire, gas combustible, butano, nafta, otros
hidrocarburos gaseosos, nitrógeno, o gases inertes tales como argón
o helio, o combinaciones de los mismos. Preferiblemente, el medio de
dispersión es vapor de agua.
La tobera que se usa en la presente invención se
usa preferiblemente en un montaje de toberas que contiene al menos
tres, y más preferiblemente de alrededor de 6 a alrededor de 8
toberas. Las toberas en el montaje de toberas se montan de modo
preferiblemente radial alrededor del perímetro de un área de la
sección transversal que ha de ser pulverizada. Asimismo las toberas
se distribuyen preferiblemente a intervalos angulares iguales
alrededor de la periferia del área de la sección transversal que ha
de ser pulverizada. En una realización preferida, las toberas están
montadas de modo que la pulverización desde cada tobera se solapa e
intersecta con las pulverizaciones de una o más de las otras
toberas. Más preferiblemente, las toberas se montan de modo que la
pulverización de cada tobera solapa la pulverización de la tobera
adyacente a ella e intersecta las pulverizaciones de las toberas
opuestas.
El montaje de tobera de la presente invención
puede ser usado en cualquier aplicación en la que se desee atomizar
un líquido con una pulverización en forma de abanico plana. Por
ejemplo, la tobera que se usa en la presente invención puede ser
usada para inyectar reactivos líquidos en diversos tipos de vasos de
reacción, dispersar un aditivo líquido sobre un área grande (tal
como un compuesto químico antiespumante sobre una capa de espuma),
pulverizar líquido de refrigeración en una fase gaseosa, o
proporcionar agua atomizada con propósitos contra incendios. En una
realización preferida de la presente invención, el montaje de
toberas se usa para atomizar un hidrocarburo alimentado en una
unidad de craqueo catalítico. Preferiblemente la tobera que se usa
en la presente invención se usa para pulverizar la alimentación de
hidrocarburos en una zona de conversión catalítica o un reactor de
lecho de fluido denso. Con la máxima preferencia, las toberas se
usan para pulverizar el hidrocarburo alimentado en una zona de
conversión catalítica de elevador.
Una configuración preferida para un montaje de
toberas de la presente invención se muestra en las figuras 7A y 7B.
La figura 7A muestra un montaje 232 de toberas de la presente
invención que se asegura a la sección 200 de elevador de un reactor
190 de FCC. Las toberas 234 apuntan ligeramente hacia arriba dentro
del elevador 200 formando un ángulo \beta. El ángulo \beta se
define como el ángulo entre el eje longitudinal vertical 228 del
elevador y el eje 4 longitudinal central del tambor de la tobera.
Preferiblemente, el ángulo \beta mide de alrededor de 10º a
alrededor de 90º, más preferiblemente de alrededor de 10º a
alrededor de 80º, y con la máxima preferencia de alrededor de 10º a
alrededor de 45º.
La distancia vertical 240 desde la tobera 234 a
la tubería 245 de transferencia de catalizador regenerado se escoge
de modo que permite que la corriente de catalizador fluidificado
establezca un perfil de velocidad razonablemente uniforme a través
de la sección transversal del elevador después de pasar alrededor
del doblez agudo en la base del elevador. La distancia vertical 240
es preferiblemente al menos de alrededor de 1,0 a alrededor de 1,5
veces, y más preferiblemente de al menos alrededor de 2,0 a
alrededor de 4,0 veces el diámetro interior del elevador. La
distancia vertical 240, como se muestra en la figura 7A se mide
desde el eje longitudinal central 4 del tambor 2 de tobera al eje
longitudinal central 247 de la tubería 245 de transferencia de
catalizador regenerado en la pared interior 220 del elevador 200. El
montaje de tobera de la presente invención puede ser usado también
en un elevador que no tenga curvas acentuadas en las que el
catalizador que se acerca por el contrario atraviesa los dobleces
curvos suavemente para alcanzar la zona de inyección de alimentada
con hidrocarburos.
La figura 7B muestra una vista en planta del
montaje 232 de tobera como se ve mirando verticalmente hacia abajo
en el elevador. Como se muestra en la figura 7B, el montaje 232 de
tobera contiene 6 toberas 234 montadas radialmente, que tienen cada
una cinco aberturas por tobera 234. Cada tobera se extiende
preferiblemente de modo mínimo en el elevador una distancia radial
222 escogida justamente suficientemente grande para garantizar que
la punta de tobera completa está situada dentro de la pared interior
220 de elevador a pesar del ángulo \beta de inclinación. Las
toberas 234 están orientadas de modo que las longitudes de las
aberturas (no mostradas) en las puntas de tobera son sustancialmente
verticales con relación al eje 228 longitudinal vertical de
elevador. Como se ha descrito anteriormente, la orientación de las
aberturas en la punta de tobera origina una pulverización en forma
de abanico horizontal. No se prevé que ese tipo de orientación de
las aberturas origine una pulverización en forma de abanico plana,
teniendo en cuenta que en el pasado, una abertura que era horizontal
con relación al eje longitudinal de elevador ha sido generalmente
usada para crear una pulverización plana. Aunque no se pretende en
modo alguno estar limitado por la teoría, se considera que aberturas
sustancialmente verticales producen una pulverización horizontal
plana, no por la forma, sino mediante la cizalladura creada a medida
que la corriente de líquido pasa por los bordes verticales de la
abertura sobre las superficies interior y exterior de la punta de
tobera.
Las toberas en la figura 7B están espaciadas
alrededor del perímetro del elevador de modo que cada tobera produce
una pulverización 246 que intersecta las pulverizaciones de las dos
toberas adyacentes. Mediante ese tipo de configuración, las celdas
248 de mezclado individuales están configuradas para mejorar el
mezclado transversal de los hidrocarburos alimentados y el
catalizador sólido. Como se puede observar en la figura 7B, cada
tobera está orientada de modo que la corriente liquida pulverizada
desde la ranura central está dirigida radialmente hacia el interior
dentro del elevador, mientras que la corriente líquida pulverizada
desde las ranuras desplazadas primera y segunda está dirigida fuera
del centro dentro del elevador. Teniendo ambas pulverizaciones
centrada y descentrada de cada tobera el resultado de una
pulverización que "recorre transversalmente" el elevador
completo para maximizar el área de la interfaz para el contacto del
catalizador sólido con el hidrocarburo alimentado.
En adición a las toberas montadas radialmente, es
posible montar las toberas axialmente, no obstante, esto no se
prefiere, puesto que las pulverizaciones en forma de abanico son más
eficaces para cubrir el área de la sección transversal del elevador
cuando se descargan radialmente.
La tobera que se usa en la presente invención fue
ensayada para determinar su efectividad en la producción de una
pulverización en forma de abanico de gotitas líquidas finas. Una
tobera que tenía un diámetro interior de 15,25 centímetros en la
punta y similar a la tobera de la figura 4 fue ensayada con
diferentes puntas de tobera. La tobera fue construida de tubo
acrílico torneado. Puntas de tobera alternativos que variaban de
forma, número de aberturas, orientación de las aberturas y tamaño de
las aberturas fueron fabricadas a partir de tapas de tubería de PVC
roscadas estándar, de discos metálicos planos, o de discos de
Lexan®. Los discos fueron mantenidos en su lugar en el perímetro de
la punta de tobera mediante un collar de PVC roscado.
Agua y aire fueron usados para simular el
atomizado de una mezcla de hidrocarburos alimentados (como la
corriente líquida) y vapor (como el medio de dispersión) en una
unidad de FCC. Fueron escogidos regímenes de agua y aire para
reproducir exactamente el comportamiento de la circulación de la
verdadera mezcla de dos fases de vapor e hidrocarburo alimentados
adaptando grupos mecánicos de fluido apropiados. Fue suministrado
aire a la tobera a una presión de entrada de aproximadamente 3,5
Kg/cm^{2} después de ser enfriado a la temperatura ambiente de
-12ºC mediante un ventilador de aletas después del refrigerador. Fue
suministrada agua a la tobera a la temperatura ambiente de alrededor
de 15,5ºC y presión de 1,41 kg/cm^{2} a 2,11 kg/cm^{2}.
El montaje de tobera fue conectado
horizontalmente a un soporte de acero y mantenido estacionario
contra el empuje hacia atrás mediante pesos de hormigón para
descargar una pulverización horizontalmente. La presión estática fue
vigilada en diversos lugares a lo largo de la longitud de la
tobera.
La caída de presión de la corriente líquida
dispersada que salía de la tobera fue medida usando un Sistema de
Análisis de Pulverización Modelo 700 suministrado por Greenfield
Instruments, Inc. El analizador se situó a 81 cm de la punta de
tobera para garantizar el equilibrio de la formación de gotas antes
de muestrear la pulverización y aproximadamente a la distancia
radial sobre un gran elevador de FCC. El analizador funcionó
capturando imágenes de la población de gotitas instantánea que
fueron luego cuantificadas por un ordenador en términos de píxeles.
El volumen y el área de la superficie fueron calculados entonces
para las gotitas por el software para determinar un diámetro medio
de Sauter (es decir, el diámetro de una esfera que tiene la misma
relación de volumen a área de la superficie que la población de
gotitas completa).
En cada experimento, la punta de tobera que se
ensayaba se aseguraba sobre la tobera y los regímenes de aire y agua
se ajustaban para simular una mezcla de 12.500 barriles por día de
hidrocarburo alimentado por tobera y 3,2 por ciento en peso de vapor
de agua basado en el peso del hidrocarburo alimentado. Una vez
conseguidas unas condiciones estables, las presiones fueron
registradas a lo largo de la longitud de la tobera y se observó el
modelo de pulverización. Asimismo, fue medido el tamaño de gota de
la corriente líquida dispersada que salía de la tobera. Después de
la recogida de datos sobre las gotas, se volvieron a comprobar el
perfil de la presión y los caudales para garantizar que no había
variación significativa.
Las dimensiones de las diversas puntas de tobera
ensayadas se muestran en la Tabla 1. En la Tabla 1, las aberturas de
las puntas de tobera eran de forma ranurada y estaban dispuestas a
partir de la línea central de la tobera. El espesor de las puntas de
tobera ensayadas fue de 0,95 cm a 1,27 cm.
| ^{1} | Nº/ \hskip1cm^{2} | ^{3} | ^{4} | ^{5} | ^{6} | ^{7} | |||||
| Ejs. | Orien. Abert. | Ángulo de Abertura | Anchura (pulg.) | Long. | Punta | Separación (pulg.) | |||||
| \Phi_{0} | \Phi_{1} | \Phi_{2} | W_{0} | W_{1} | W_{2} | S_{1} | S_{2} | ||||
| C1 | 1/H | 0 | - | - | 2 | - | - | 4 \ ^{3}/_{4} | tapa | - | - |
| C2 | 3/H | 0 | 22,5 | - | 3/4 | 3/4 | - | 4 \ ^{3}/_{4} | tapa | 1/2 | - |
| 3 | 5/V | 0 | 0 | 0 | 5/8 | 5/8 | 5/8 | 3 | disco | 7/16 | 7/16 |
| 4 | 5/V | 0 | 0 | 0 | 3/4 | 5/8 | 1/2 | 3 \ ^{1}/_{8} | disco | 7/16 | 7/16 |
| 5 | 5/V | 0 | 0 | 0 | 3/4 | 5/8 | 1/2 | 3 \ ^{1}/_{8} | disco | 7/16 | 7/16 |
| 6 | 5/V | 0 | 30 | 45 | 3/8 | 1/2 | 5/8 | 2 | tapa | 19/32 | 19/32 |
| 7 | 4/V | - | 15 | 30 | - | 3/4 | 3/4 | 3 \ ^{5}/_{8} | tapa | 1/2 | 1/2 |
| 8 | 5/V | 0 | 15 | 30 | 5/8 | 5/8 | 5/8 | 3 \ ^{1}/_{8} | disco | 7/16 | 7/16 |
| 9 | 5/V | 0 | 15 | 30 | 3/4 | 5/8 | 1/2 | 3 \ ^{1}/_{8} | disco | 7/16 | 7/16 |
| 10 | 5/V | 0 | 15 | 30 | 5/8 | 19/32 | 17/32 | 3 \ ^{1}/_{8} | disco | 7/16 | 29/64 |
| 11 | 5/V | 0 | 15 | 30 | 5/8 | 37/64 | 29/64 | 3 \ ^{3}/_{8} | disco | 7/16 | 29/64 |
| ^{1} Ejemplos, C1 y C2 son comparativas. | |||||||||||
| ^{2} \begin{minipage}[t]{155mm} H indica que las aberturas están orientadas horizontalmente, y V indica que las aberturas están orientadas verticalmente, con respecto a la línea central de la tobera. \end{minipage} | |||||||||||
| ^{3} \begin{minipage}[t]{155mm} El ángulo \Phi es el ángulo entre el eje central longitudinal de la abertura y el eje longitudinal central del tambor de tobera. El ángulo \Phi_{0} es el ángulo de la abertura situada sobre la línea central de la tobera, \Phi_{1} es el ángulo de las primeras aberturas desplazadas, y \Phi_{2} es el ángulo de las segundas aberturas desplazadas. \end{minipage} | |||||||||||
| ^{4} \begin{minipage}[t]{155mm} La anchura es la dimensión más corta de la abertura. Para aberturas verticales, la anchura se extiende perpendicularmente a la línea central vertical de la punta de tobera, y para aberturas horizontales, la anchura se extiende paralela a la línea central vertical de la punta de tobera. W_{0} es la anchura de la abertura situada sobre la línea central de la tobera, W_{1} es la anchura de las primeras aberturas desplazadas, y W_{2} es la anchura de las segundas aberturas desplazadas. \end{minipage} | |||||||||||
| ^{5} \begin{minipage}[t]{155mm} Longitud es la dimensión más larga de las aberturas. Para aberturas verticales, la longitud se extiende paralela a la línea central vertical de la punta de tobera, y para aberturas horizontales, la longitud se extiende perpendicular a la línea central vertical de la punta de tobera. \end{minipage} | |||||||||||
| ^{6} \begin{minipage}[t]{155mm} Forma de la punta de tobera. Una tapa es abovedada, cóncava hacia fuera. Un disco es plano y perpendicular al eje longitudinal central del tambor de tobera. \end{minipage} | |||||||||||
| ^{7} \begin{minipage}[t]{155mm} La separación es la distancia de borde a borde entre aberturas adyacentes, medida a lo largo de la superficie exterior de la punta. S_{1} es la distancia entre el centro y la primera abertura desplazada, o si no está presente una abertura central, S_{1} es la distancia entre las dos primeras aberturas desplazadas. S_{2} es la distancia entre las primeras y las segundas aberturas desplazadas. \end{minipage} | |||||||||||
Los resultados de las puntas de tobera ensayadas
se muestran en la Tabla 2. Como puede verse en los ejemplos 3 a 11
en la Tabla 2, la tobera de la presente invención es eficaz en la
atomización de una corriente de líquido en una pulverización en
forma de abanico de finas gotitas de líquido. En comparación, las
aberturas orientadas horizontalmente (Ejemplos Comparativos C1 y
C2) originaron una pulverización que tenía gotitas de mayor tamaño y
un menor ángulo de pulverización horizontal. Adicionalmente, la
única abertura orientada horizontalmente (Ejemplo Comparativo C1)
originó una pulverización de forma redondeada, mientras que las
pulverizaciones de tobera en los ejemplos 3 a 11 fueron
relativamente planas y en forma de abanico. En los ejemplos 3 a 5,
todas las aberturas en la punta de tobera tenían un ángulo \theta
entre al eje longitudinal central de la abertura y el eje
longitudinal central del tambor de tobera igual a cero. Los ejemplos
6 a 11, en comparación con los ejemplos 3 a 5, tenían un ángulo
\theta que aumentaba gradualmente de las aberturas a medida que la
distancia de la abertura a la línea vertical de la tobera inclinada
aumentaba. Los resultados de los ejemplos 6 a 11, en comparación con
los ejemplos 3 a 5, muestran que el ángulo de pulverización
horizontal puede ser incrementado incrementando el ángulo \theta
de la abertura a medida que la distancia de la abertura a la línea
central vertical de la tobera inclinada aumenta.
| Ejemplo | \DeltaP (Kg/cm^{2})\hskip0,3cm^{8} | Tamaño de Gota\hskip0,3cm^{9} | Ángulo de Pulverización Horizontal (º)\hskip0,3cm^{10} |
| C1 | 1,80 | 900 | 30 |
| C2 | 1,70 | 820 | 40 |
| 3 | 1,86 | 690 | 65 |
| 4 | 1,48 | 680 | 65 |
| 5 | 1,31 | 670 | 65 |
| 6 | 2,52 | 640 | 95 |
| 7 | 1,84 | 720 | 80 |
| 8 | 1,48 | 590 | 95 |
| 9 | 1,50 | 580 | 100 |
| 10 | 1,89 | 580 | 100 |
| 11 | 1,72 | 560 | 105 |
| ^{8}\hskip0,14cm \begin{minipage}[t]{145mm} La caída de presión es la presión estática de la corriente líquida medida en la entrada del conducto secundario en la figura 6 cuando la tobera se descarga a la presión atmosférica. \end{minipage} | |||
| ^{9}\hskip0,14cmTamaño de gotita de diámetro Medio de Sauter. | |||
| ^{10} \begin{minipage}[t]{145mm} Ángulo subtendido por la pulverización en un plano horizontal que contiene el eje longitudinal central del tambor de tobera. \end{minipage} |
Aunque la presente invención se ha descrito
anteriormente con respecto realizaciones preferidas particulares,
será evidente para los expertos en la técnica que pueden efectuarse
numerosas modificaciones y variaciones en los diseños. Las
descripciones proporcionadas tienen propósitos ilustrativos y no
están destinadas a limitar la invención que se define en las
reivindicaciones adjuntas.
Claims (18)
1. Un montaje (232) de toberas para atomizar una
corriente líquida que comprende al menos 3 toberas (234), que están
montadas radialmente alrededor de un perímetro de un área que ha de
ser pulverizada, teniendo el montaje de toberas un eje longitudinal
vertical, en el que cada tobera comprende:
(a) un tambor (2) de tobera para recibir una
corriente líquida y un medio de dispersión, que tiene un eje (4)
longitudinal central, un extremo (3) de entrada, y un extremo (6) de
punta;
(b) una punta (14) conectada al extremo (6) de
punta del tambor de tobera y que tiene una línea central vertical
(20), una superficie interior (38), y una superficie exterior (40);
y
(c) al menos tres aberturas (22) que se extienden
a través de la superficie interior de la punta hasta la superficie
exterior de la punta y que son sustancialmente verticales con
relación al eje longitudinal y los montajes de tobera, teniendo cada
abertura una longitud (24) y una anchura (26), en el que la longitud
de la abertura es mayor que la anchura; teniendo cada abertura
además un primer punto medio (36) sobre la superficie interior de la
punta, y un segundo punto medio (34) sobre la superficie exterior de
la punta, y un eje longitudinal central (32) formado por una línea
que intersecta los puntos medios primero y segundo, y en el que el
ángulo \theta, formado entre el eje longitudinal central de cada
abertura y el eje longitudinal central del tambor de tobera, es de 0
a alrededor de 75 gra-
dos.
dos.
2. El montaje de toberas de la reivindicación 1,
en el que los ejes longitudinales centrales de las aberturas
permanecen separados aguas abajo de la punta de tobera.
3. El montaje de toberas de la reivindicación 1,
en el que al menos dos de las aberturas tienen un ángulo \theta
mayor que 0.
4. El montaje de toberas de la reivindicación 1,
en el que el ángulo \theta de las aberturas aumenta a medida que
aumenta la separación de las aberturas de la línea central vertical
de la punta.
5. El montaje de toberas de la reivindicación 1,
en el que la punta tiene de alrededor de 3 a alrededor de 10
aberturas.
6. El montaje de toberas de la reivindicación 1,
en el que la punta tiene cinco aberturas.
7. El montaje de toberas de la reivindicación 1,
en el que las aberturas tienen forma de ranuras.
8. El montaje de toberas de la reivindicación 1,
en el que la relación de longitud a anchura de las aberturas es de
alrededor de 3:1 a alrededor de 10:1.
9. El montaje de toberas de la reivindicación 1,
en el que la anchura de las aberturas disminuye a medida que la
separación de las aberturas de la línea central vertical de la punta
aumenta, o la anchura de las aberturas aumenta a medida que la
separación de las aberturas de la línea central vertical de la punta
aumenta.
10. El montaje de toberas de la reivindicación 1,
en el que una abertura está situada sobre la línea central vertical
de la punta y las restantes aberturas están dispuestas
simétricamente a partir de la línea central de la punta.
11. El montaje de toberas de la reivindicación
10, en el que las primeras aberturas desplazadas de la línea central
vertical de la punta tienen la mayor anchura y la abertura central
tiene la siguiente mayor anchura.
12. El montaje de toberas de la reivindicación
11, en el que la tobera tiene al menos 5 aberturas y las aberturas
restantes situadas más allá de las primeras aberturas desplazadas
disminuyen de anchura a medida que la separación de las aberturas de
la línea central vertical de la punta aumenta.
13. El montaje de toberas de la reivindicación 1,
en el que la punta tiene la forma de un disco plano o tiene una
forma cóncava hacia fuera.
14. El montaje de toberas de la reivindicación 1,
en el que la tobera comprende además un dispositivo de mezclado, en
el que el dispositivo de mezclado comprende:
(i) un atomizador (100) inicial que tiene un
conducto primario (108) para recibir un medio de dispersión y un
conducto secundario (106) para recibir una corriente líquida; en el
que el conducto primario tiene un eje longitudinal central (130) que
está coalineado con el eje longitudinal central (4) del tambor de
tobera, una superficie interior (137), y una entrada, en el que el
conducto secundario tiene un eje longitudinal central alineado con
el eje longitudinal central de tambor de tobera, una superficie
exterior (135), un extremo (124) de entrada y una pluralidad de
perforaciones (112) distribuidas radialmente, taladradas a través
del conducto secundario para dirigir el medio de dispersión en el
conducto secundario; y en el que al menos una porción del conducto
secundario está posicionada dentro del conducto primario para formar
al menos un pasaje (132) entre la superficie exterior del conducto
secundario y la superficie interior del conducto primario para el
medio de dispersión; y
(ii) una sección (114) de expansión que tiene un
extremo (120) de entrada y un extremo (138) de salida, y
gradualmente aumenta el área de la sección transversal desde el
extremo de entrada al extremo de salida, en el que el extremo de
entrada de la sección de expansión está conectado con el extremo de
salida del conducto secundario y el extremo de salida de la sección
de expansión está conectado con el extremo de entrada del tambor de
tobera.
15. El montaje de toberas de la reivindicación
14, en el que el montaje comprende al menos 6 toberas y está montado
en un elevador (200) de una unidad (190) de craqueo catalítico de
fluido.
16. Un procedimiento para atomizar una corriente
líquida que comprende:
(a) combinar una corriente líquida y un medio de
dispersión para formar una corriente líquida dispersada;
(b) alimentar la corriente líquida dispersada a
través de una porción de al menos una tobera (1) que tiene un tambor
(2) de tobera, en el que el tambor de tobera tiene un eje
longitudinal 4, un extremo (3) de entrada y un extremo (6) de
punta;
(c) dirigir una corriente líquida a través de una
punta (14) conectada a un extremo de punta del tambor de tobera, en
el que la punta tiene una línea central vertical (20), una
superficie interior (38), una superficie exterior (40), y al menos
tres aberturas (22) que se extienden a través de la superficie
interior de la punta hasta la superficie exterior de la punta y que,
en uso, son sustancialmente verticales, teniendo cada abertura una
longitud (24) y una anchura (26), en el que la longitud de la
abertura es mayor que la anchura; teniendo cada abertura además un
primer punto medio (36), sobre la superficie interior de la punta, y
un segundo punto medio (34) sobre la superficie exterior de la
punta, y un eje central longitudinal (32), formado por una línea que
intersecta los puntos medios primero y segundo, y en el que un
ángulo \theta, formado entre el eje longitudinal central de cada
abertura y el eje longitudinal central del tambor de la tobera, mide
de 0 a alrededor de 75 grados; y
(d) dirigir la corriente líquida dispersada a
través de las aberturas de la punta pata formar un pulverización en
forma de abanico plana.
17. El procedimiento de la reivindicación 16, en
el que al menos dos de las aberturas tienen un ángulo \theta
mayor de 0.
18. El procedimiento de la reivindicación 16, que
comprende además la operación de alimentar la corriente líquida y el
medio de dispersión separadamente en la tobera y en el que la
corriente líquida y el medio de dispersión se combinan dentro de la
tobera.
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