ES2284637T3 - Uso de un separador de vapor liquido y metodo. - Google Patents

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Abstract

Uso de un separador de vapor/líquido para separar una mezcla que contiene hidrocarburo y vapor de agua, comprendiendo dicho separador: un recipiente que tiene un tubo de entrada (14a) para recibir una mezcla vapor/líquido; un eje (25) localizado dentro del recipiente en una posición por debajo del tubo de entrada, en el que el eje sostiene una pluralidad de elementos de tipo aspa (25a) en su extremo proximal para centrifugar la mezcla mientras ésta avanza por el recipiente, manteniendo por tanto las paredes (20a) del separador de vapor/líquido completamente humedecida con líquido, siendo transportado dicho líquido hacia abajo; un tubo de salida de vapor (16a) localizado en el extremo distal del eje para retirar la fase de vapor (16) de la mezcla del recipiente; y un tubo de salida (15a) localizado por debajo del tubo de salida de vapor (16a) para retirar la fase líquida de la mezcla del recipiente.

Description

Uso de un separador de vapor líquido y método.
La invención se refiere al uso de un separador de vapor/líquido.
El concepto de un ciclón de flujo transversal, para la separación de sólidos o líquidos de un gas portador, se conoce bien en la bibliografía, por ejemplo, en la solicitud de patente de EE.UU. 5.466.272 se describe un separador para separar vapor de agua y agua en reactores nucleares enfriados por agua.
La presente invención se refiere al uso de un separador de vapor/líquido para separar una mezcla que contiene hidrocarburo y vapor de agua, comprendiendo dicho separador:
un recipiente que tiene un tubo de entrada para recibir una mezcla vapor/líquido;
un eje localizado dentro del recipiente en una posición por debajo del tubo de entrada, en el que el eje sostiene una pluralidad de elementos de tipo aspas en su extremo proximal para centrifugar la mezcla mientras ésta avanza por el recipiente, manteniendo por tanto las paredes (20a) del separador de vapor/líquido completamente humedecida con líquido;
un tubo de salida de vapor localizado en el extremo distal del eje para retirar la fase de vapor de la mezcla del recipiente; y
un tubo de salida localizado por debajo del tubo de salida de vapor para retirar la fase líquida de la mezcla del recipiente.
Además, la presente invención se refiere a un método para separar las fases de vapor y líquida de una mezcla de hidrocarburo y vapor de agua, que comprende las etapas de:
hacer fluir la mezcla a través del tubo de entrada de un recipiente;
centrifugar la mezcla por medio de una centrifugadora localizada en el extremo superior del recipiente;
hacer fluir la mezcla hacia abajo por las paredes del recipiente;
dirigir la fase de vapor hacia una tubo de entrada para vapores;
dirigir la fase de vapor desde el recipiente hacia otros equipos para posterior procesamiento; y
dirigir la fase líquida desde el recipiente hacia otros equipos para posterior procesamiento.
El separador de vapor/líquido utilizado según la presente invención, puede separar las fases de vapor y líquida de una mezcla de hidrocarburo y vapor de agua, de manera que sólo la corriente de vapor se siga alimentando y procesando aguas abajo. El diseño del separador puede asegurar que la porción líquida no vaporizada de la alimentación, mantenga bien humedecidas y lavadas todas las superficies parcialmente humedecidas en el separador, excepto en la tubería de salida de vapor. El humedecimiento de las superficies asegura que no ocurra deposición de coque que pueda provocar eventualmente obstrucción del separador. Debido al humedecimiento de superficie para prevenir la coquización, la temperatura instantánea en el separador se puede aumentar más allá del límite típico (limitado por el problema de coquización), lográndose como consecuencia un corte más profundo en la alimentación y se obtiene la recuperación de una fracción mayor de la alimentación en forma de vapor para posterior procesamiento aguas abajo.
Una posible aplicación del uso del separador de vapor/líquido de la presente invención, es en preprocesar una alimentación de planta de olefinas pesadas (crudo o condensados), más específicamente una planta de craqueo por vapor de agua de gasoil en olefinas, calentando instantáneamente la alimentación hidrocarbonada con vapor de agua a alta temperatura, luego separando mecánicamente la fracción líquida no vaporizable mediante este separador de vapor/líquido de manera que sólo la fracción vaporizable de la alimentación se continúe alimentando aguas abajo para ser procesada en los tubos radiantes del horno de pirolisis térmica. La porción líquida no vaporizable contiene hidrocarburos pesados, tales como brea que son separados y se pueden enviar a un coquizador, craqueador catalítico u otras unidades de procesamiento de residuos para posterior procesamiento, o como combustible.
Las paredes humedecidas uniformemente obtenidas en la presente invención, aumentan además la vida útil del separador de vapor/líquido. El tipo de separador con múltiples tubos de entrada y diseño con aspas según una realización específica de la presente invención, es específicamente adecuado para la creación y mantenimiento de una película uniforme de líquido que irriga las superficies internas del separador de vapor/líquido.
La porción de aspas del separador de vapor/líquido utilizado según la presente invención, proporciona una aceleración aerodinámica y rotación muy suaves a la mezcla entrante de gas/líquido, necesaria para lograr alta eficacia de separación y baja pérdida de presión. El diseño de aspas se distingue además por la ausencia de zonas estancadas que podrían producir áreas de deposición de coque. Asimismo, a diferencia de los separadores ciclónicos de tipo convencional con entrada tangencial, los cuales presentan típicamente una única y asimétrica ranura de entrada o abertura de tubería, la estructura tipo aspas propiamente dicha está formada por una serie de elementos tipo aspas o cuchillas los cuales son responsables de impartir una fuerza centrífuga uniforme a la mezcla entrante de gas/líquido por toda la circunferencia de la sección de entrada del separador de vapor/líquido.
Preferiblemente, el aparato separador utilizado según la presente invención comprende además un elemento en forma de faldón en el extremo distal del eje, para dirigir cualquier fase líquida de la mezcla en dirección al exterior lejos del eje y hacia las paredes del recipiente.
El separador utilizado según la invención incluye además preferiblemente, elementos localizados en el recipiente entre el tubo de entrada y el extremo proximal del eje para controlar la recirculación y calentamiento instantáneo de la mezcla mientras ésta entra por el tubo de entrada y cae sobre el eje.
El separador puede incluir también un filtro en el extremo distal del eje, para evitar que cualquier formación de coque en el interior del eje caiga a través del mismo.
Además, el separador puede incluir un faldón localizado en la entrada del tubo de salida de vapor, para dirigir cualquier líquido en dirección al exterior y lejos de la entrada.
Preferiblemente, el eje del separador utilizado según la presente invención, está situado axialmente en el recipiente. El tubo de salida de vapor preferiblemente se encuentra situado axialmente en el extremo distal del eje. La mezcla de vapor/líquido utilizada según el uso del separador y método de la presente invención es una mezcla que contiene hidrocarburo y vapor de agua.
La Figura 1, es una vista esquemática de un diagrama de flujo del proceso global en un horno de pirolisis, que se puede utilizar con la presente invención.
La Figura 2, es una vista de elevación, parcialmente seccionada, de un separador de vapor/líquido según la invención.
La Figura 3, es una vista de plano de la Figura 2.
La Figura 4, es un dibujo en perspectiva de la estructura de aspas del separador de vapor/líquido de la Figura 2.
Los extremos pesados de petróleo crudo y líquidos pesados de gas natural no se pueden vaporizar en condiciones típicas de sección de convección en horno de etileno. Estos se separan normalmente por destilación, y sólo la fracción vaporizable más liviana de la destilación, es la que se utiliza como alimentación en las plantas de olefinas. La etapa de preparación de alimentación que consiste en separar por destilación los extremos pesados de la alimentación de planta de olefinas requiere de capital y coste de operación adicionales. El presente aparato y procedimiento permiten integrar la etapa de separación de extremos pesados con la sección precalentador de la alimentación en el horno de olefinas modificado, para permitiendo que tan sólo entre la fracción vaporizable de la alimentación pesada en la zona de craqueo del horno. Además, la capacidad de calentar instantáneamente el hidrocarburo con vapor de agua de dilución a una temperatura superior a la obtenida típicamente en una columna de vacío (400ºC), da cómo resultado una fracción mayor de petróleo crudo recuperado como alimentación en plantas de olefinas, que el que se recupera a través de columnas de destilación a presión atmosférica/vacío, reduciendo por tanto la producción de brea de extremos pesados de valor inferior. Esto se logra a través de un diseño de separador de vapor/líquido no coquizante según la presente invención. El separador de vapor/líquido puede funcionar en un amplio intervalo de temperaturas, por ejemplo, 260-482ºC. Las condiciones óptimas están determinadas por una coquización aceptable en un intervalo de temperaturas deseado.
La sección de convección de un típico horno de pirolisis de olefinas, se puede modificar de manera que las alimentaciones de hidrocarburos pesados se puedan alimentar directamente al horno de craqueo. Alimentaciones de hidrocarburos pesados incluyen, crudos desalados, líquidos pesados de gas natural, residuos largos y cortos que contienen hidrocarburos de extremos de cola pesados, que no se pueden vaporizar completamente en condiciones normales de funcionamiento en la sección de convección de un horno de pirolisis de olefinas.
Con respecto a la Figura 1, la cual es una vista esquemática de un horno de etileno 10, la alimentación de hidrocarburo pesado 11 entra a través del precalentador de la primera etapa 12, de la sección de convección A, del horno de etileno 10, a una temperatura de 140ºC y a una presión de 21 bares. Una pequeña cantidad de vapor de agua de dilución 13 (vapor de agua saturado a 8 bares) se alimenta a los tubos del precalentador de la sección de convección hasta que alcance una temperatura situada en el intervalo 343-482ºC, a una presión de 6-7 bares, momento en el que la mezcla de hidrocarburo y vapor de agua 14 se alimenta a un separador de vapor/líquido 20. El separador de vapor/líquido 20, separa la porción no vaporizada 15, de la mezcla de alimentación de hidrocarburo y vapor de agua 14, hasta separar y retirar el líquido no vaporizado 15, del hidrocarburo completamente vaporizado 16. Dependiendo de la alimentación de hidrocarburo pesado 11, se pueden emplear diferentes esquemas de procesamiento.
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La porción vaporizada 16, se alimenta a continuación a un vaporizador/mezclador 17, en el que el vapor de hidrocarburo 16, se mezcla con el vapor de agua sobrecalentado 18, para calentar la mezcla 19, hasta una temperatura de 510-566ºC, externa al horno 10. La mezcla 19 se calienta a continuación en la porción de precalentador de la segunda etapa 21, de la sección de convección A, del horno de pirolisis de olefinas 10 y se alimenta a continuación a la sección radiante B, 22 del horno de pirolisis 10, donde se craquea térmicamente la mezcla hidrocarbonada 19.
Las condiciones de la mezcla de hidrocarburos/vapor de agua 14, en la entrada del separador de vapor/líquido 20, dependen de las propiedades de la alimentación de hidrocarburos pesados 11, prefiriéndose que estén presentes los líquidos no-vaporizados 15 (entre 2-40% en volumen de alimentación, preferiblemente 2-5% en volumen) para humedecer las superficies internas del separador de vapor/líquido 20. Las paredes humedecidas evitan la formación y deposición de coque en la superficie del separador 20. El grado de vaporización (o el porcentaje en volumen de líquido no-vaporizable 15) se puede controlar ajustando la velocidad de alimentación/vapor de agua de dilución y la temperatura instantánea de la mezcla de hidrocarburo/vapor de agua 14.
El separador de vapor/líquido 20, descrito en la presente invención permite la separación de las fases líquida 15 y de vapor 16, de la mezcla calentada instantáneamente de manera que no tienda a formarse sólidos de coque y como consecuencia ensucie, bien el separador o el equipo aguas abajo (no mostrado). Debido a su estructura relativamente compacta, el diseño del separador de vapor/líquido con paredes humedecidas 20, permite alcanzar una temperatura instantánea superior a la de una típica columna de crudo a vacío, lográndose por tanto la recuperación de una fracción vaporizada mayor 16, de la alimentación 11, para posterior procesamiento aguas abajo. Esto aumenta la fracción de la alimentación hidrocarbonada 11, la cual se puede utilizar para producir productos más altamente valorados 23, y reduce la fracción del líquido de hidrocarburo pesado 15 con un valor inferior.
Con respecto a las Figuras 2 y 3, el separador de vapor/líquido 20, se muestra en una vista vertical parcialmente seccionada en la Figura 2 y una vista de plano seccionada en la Figura 3. El separador de vapor/líquido 20, comprende un recipiente que tiene paredes 20a, un tubo de entrada 14a, para recibir la mezcla entrante de hidrocarburo/vapor de agua 14, un tubo de salida de vapor 16a, para dirigir la fase de vapor 16 y un tubo de salida de líquido 15a, para dirigir la fase líquida 15. Cerca de del tubo de entrada 14a, está el eje 25, que sostiene una pluralidad de aspas 25a, dispuestas alrededor de la circunferencia del eje 25, preferiblemente cerca del extremo más próximo al tubo de entrada 14a. La estructura de aspas se muestra más claramente en la vista en perspectiva de la Figura 4. La mezcla entrante de hidrocarburo/vapor de agua 14 se dispersa salpicando el extremo proximal del eje 25 y, en particular, a través de las aspas 25a que fuerzan una porción de la fase líquida 15, de la mezcla 14, hacia afuera en dirección a las paredes 20a, del separador de vapor/líquido 20, manteniéndo por tanto las paredes 20a, completamente humedecidas con líquido y se evita cualquier formación de coque en el interior de las paredes 20a. Igualmente, la superficie exterior de eje 25, se mantiene completamente humedecida por una capa líquida que fluye hacia abajo por la superficie externa del eje 25, debido a la fuerza insuficiente para transportar el líquido 15, en contacto con la superficie del eje 25, al interior de las paredes 20a. Un faldón 25b, rodea el extremo distal del eje 25 y ayuda a forzar cualquier líquido transportado hacia la superficie externa del eje 25 al interior de las paredes 20a, depositando el líquido en el remolino de vapor. La porción superior del separador de vapor/líquido 20, se llena en 20b, entre el tubo de entrada 14a y el eje 25, para ayudar a humedecer el interior de las paredes 20a mientras la mezcla de vapor/líquido 14, entra en el separador de vapor/líquido 20. A medida que el líquido 15 es transportado hacia abajo, mantiene lavados las paredes 20a y el eje 25 previniendo la formación de coque sobre sus superficies. El líquido 15, continúa cayendo y sale del separador de vapor/líquido 20, a través de la salida de líquido 15a. Un par de boquillas en el tubo de entrada 26, están colocadas debajo del tubo de salida de vapor 16a, para proporcionar aceite de enfriamiento rápido para enfriar el líquido recogido 15 y reducir la formación de coque aguas abajo. La fase de vapor 16, entra en el conducto de salida de vapores 16a, en su punto más alto 16c, sale por el tubo de salida 16a y avanza hacia el vaporizador 17, para posterior tratamiento antes de entrar en la sección radiante B, 22, del horno pirolítico 10, cómo se muestra en la Figura 1. Un faldón 16b, rodea la entrada 16c al conducto de vapor 16 y ayuda a desviar cualquier líquido 15, hacia afuera en dirección a las paredes del separador 20a.
Ejemplo 1
Un modelo de metal y plástico transparente de flujo frío a escala de 70% que utiliza agua y aire se sometió a ensayo y refinó en el laboratorio. En el modelo experimental de flujo frío, la separación de vapor/líquido fue tan eficaz que no se detectó ninguna fase líquida en el tubo de salida de vapores, y se demostró a través de la observación visual que el flujo activo de la fase líquida entrante sobre las superficies internas del modelo de separador de vapor/líquido mantuvo a éstas bien irrigadas. Dicha capa de líquido es necesaria para evitar la formación limitante de coque en los
ensayos.
Los datos importantes a medir incluyen el caudal de vapor, densidad y viscosidad. También se miden el caudal del líquido, densidad y tensión superficial en comparación con los resultados del modelo de aire/agua y estimar la caída de valores que llega al separador.
El tamaño de tubería de entrada recomendado (20 cm de diámetro) se eligió para obtener una medida calculada de caída de líquido.
El tamaño de la estructura de aspas se determinó y calculó para alcanzar una velocidad a través de las aspas de 24-30 m/seg. En el diseño de la invención, que contiene doce aspas pegadas a una tubería de 25 cm de diámetro, la velocidad estimada es 27 m/seg a través de la sección plana a 30º de las aspas. Esta estructura de aspas se muestra en la Figura 4.
La posición de la estructura de aspas 25a con respecto a la entrada 14a y "llenado" de la parte superior 20b del separador 20 se realizó mediante modelización computacional dinámica de fluidos. La intención fue eliminar áreas de potencial recirculación para reducir la tendencia a la coquización. La forma interna de la cabeza del separador 20b se formó acorde a la dirección de las corrientes de gas para que las paredes 20a estuviesen siempre lavadas por el líquido que era empujado dentro del cuerpo principal del separador 20.
La distancia de la extensión del eje 25, por debajo de las aspas 25a, se seleccionó en base a la estimación del tamaño de la caída de líquido que sería capturado antes de que la caída fuese mayor que la mitad pasado el eje 25. Una cantidad significativa de líquido 15 caerá por el eje 25 (basado en observaciones realizadas del modelo aire/agua) y la presencia de un "faldón" 25b, sobre el eje 25, introducirá gotitas de líquido en la fase de vapor muy por debajo de las aspas 25a, y se continuará recogiendo por debajo del faldón 25b, del eje 25, debido al remolino continuo de vapor 16, mientras se mueve hacia el tubo de salida 16a.
El faldón del eje 25b fue calculado para mover el líquido proveniente del eje 25, lo más cerca posible de la pared externa 20a sin reducir el área de caudal de vapor 16, por debajo de la existente en las aspas 25a. De hecho, existe aproximadamente 20% más de área para caudal que la presente en las aspas 25a.
La distancia entre la parte inferior del eje 25 y el punto más alto 16c, del tubo de salida de vapor 16a, se calculó que fuese cuatro veces el diámetro del tubo de salida de vapor 16a. Esto fue consistente con el modelo aire/agua. La intención es proporcionar un área para que el vapor migre hacia la salida 16a, sin dar lugar a velocidades radiales extremadamente altas.
La distancia desde la entrada 16c del tubo de salida de vapores 16a, a la línea central de la porción horizontal del tubo de salida de vapores 16a, se eligió para que fuera aproximadamente tres veces el diámetro del tubo. La intención es proporcionar una distancia suficiente para mantener vertical el vórtice encima del tubo de salida 16a, y que no se vea afectado por la proximidad del trayecto del flujo horizontal del vapor 16 que sale del tubo de salida 16a. La posición y tamaño del anillo antifluencia 16b, colocado sobre el tubo de salida de vapores 16a son algo arbitrarios. Se coloca cerca, pero por debajo, del borde y es relativamente pequeño para que haya espacio por donde pueda caer coque entre la pared externa 20a y el anillo 16b.
Detalles del separador 20 por debajo del tubo de salida 16a, han sido determinados por problemas fuera de los límites de este separador. Mientras que no se haga nada que cause un chorro de líquido sobre el tubo de entrada 16c al tubo de salida 16a, no debe de haber ningún impacto en la eficacia de separación.
Las áreas más importantes del problema de coquización implican secciones con recirculación de vapor, o metal no bien lavado con líquido. El área 20b dentro de la parte superior de la cabeza del separador se puede moldear o llenar con material para que se aproxime a la zona de recirculación esperada. El interior del eje 25 es otro punto potencial de problema. Si se formara coque y cayera sobre el tubo de entrada 16c hasta el tubo de salida de vapor 16a, podría ocurrir una significativa obstrucción de caudal (tal como una válvula de retención cerrada). Por este motivo, se puede utilizar una rejilla o pantalla 25c, bien sea de varillas o tapa de tubo. Esto no evitaría la formación de coque, pero mantendría la mayor parte de éste alejada para que sea improbable la caída de un trozo grande. Las áreas bajo el faldón de la estructura de aspas y el faldón 16b en el tubo de salida de vapor 16a también están "sin lavar" y la formación de coque en estas áreas es posible.
El modelo de laboratorio sobre el cual se han puesto a prueba estas reglas de diseño se ha sometido a ensayo bajo una amplia gama de condiciones de caudal, tal como se muestra en la Tabla 1, a continuación. La velocidad del aire varió de 15-45 m/seg en el tubo de entrada y el agua se sometió a ensayo a 0,06-0,28 l/seg. Durante todas estas condiciones, las pérdidas estuvieron por debajo de cualquier intervalo medible. A caudales de agua inferiores a 0,06 l/seg (estimado a 0,03-0,05 l/seg) el humedecimiento de la pared externa del separador 20a fue menor que completa. Agua en forma de serpentina caía por el plexiglás, con espacios "secos" entremedias. En términos de l/seg de agua por cm de circunferencia, a 0,06 l/seg de agua, las paredes del separador 20a fueron lavadas a un caudal de 0,0008 l/cm. seg. El caudal de petróleo del diseño, 519 g/seg a 0,2 bares, o 0,8 l/seg proporcionó un caudal de lavado de 0,006 l/cm. seg.
TABLA 1
1
Si la tendencia a la coquización de las paredes del separador 20a es controlada por el caudal de lavado (caudal volumétrico líquido por pulgada circunferencial), las condiciones del diseño de planta debe proporcionar mejor lavado que el modelo de laboratorio. Asumiendo que las propiedades de lavado del diseño de planta son mejores que las del modelo de laboratorio, existe la posibilidad de operar con alimentaciones de menores volúmenes de líquido. Los resultados del diseño indican un caudal de líquido que es "bajo" en base al peso y "alto" en base al volumen, cuando se compara con el modelo de laboratorio. Sin embargo, en el modelo de laboratorio no se evidenciaron problemas para visualizar la separación en caudales de líquido inferiores a 0,06 l/seg o superiores a 0,28 l/seg en los cuales se recogieron los resultados.

Claims (7)

1. Uso de un separador de vapor/líquido para separar una mezcla que contiene hidrocarburo y vapor de agua, comprendiendo dicho separador:
un recipiente que tiene un tubo de entrada (14a) para recibir una mezcla vapor/líquido;
un eje (25) localizado dentro del recipiente en una posición por debajo del tubo de entrada, en el que el eje sostiene una pluralidad de elementos de tipo aspa (25a) en su extremo proximal para centrifugar la mezcla mientras ésta avanza por el recipiente, manteniendo por tanto las paredes (20a) del separador de vapor/líquido completamente humedecida con líquido, siendo transportado dicho líquido hacia abajo;
un tubo de salida de vapor (16a) localizado en el extremo distal del eje para retirar la fase de vapor (16) de la mezcla del recipiente; y
un tubo de salida (15a) localizado por debajo del tubo de salida de vapor (16a) para retirar la fase líquida de la mezcla del recipiente.
2. Uso de un separador según la reivindicación 1, que además incluye un elemento en forma de faldón en el extremo distal del eje, para dirigir cualquier fase líquida de la mezcla en dirección al exterior lejos del eje y hacia las paredes del recipiente.
3. Uso de un separador según la reivindicación 1 ó 2, que además incluye un filtro en el extremo distal del eje, para evitar que cualquier formación de coque en el interior del eje caiga a través del mismo.
4. Uso de un separador según una cualquiera de las reivindicaciones 1-3, que además incluye un faldón localizado en la entrada del tubo de salida de vapor, para dirigir cualquier líquido en dirección al exterior y lejos de la entrada.
5. Uso de un separador según una cualquiera de las reivindicaciones 1-4, en el que el eje está situado axialmente en el recipiente.
6. Uso de un separador según una cualquiera de las reivindicaciones 1-5, en el que el tubo de salida de vapor está situado axialmente en el extremo distal del eje.
7. Un método para separar las fases de vapor y líquida de una mezcla de hidrocarburo y vapor de agua, que comprende las etapas de:
hacer fluir la mezcla a través del tubo de entrada de un recipiente;
centrifugar la mezcla por medio de una centrifugadora localizada en el extremo superior del recipiente;
hacer fluir la mezcla hacia abajo por las paredes del recipiente;
dirigir la fase de vapor hacia una tubo de entrada para vapores;
dirigir la fase de vapor desde el recipiente hacia otros equipos para posterior procesamiento; y
dirigir la fase líquida desde el recipiente hacia otros equipos para posterior procesamiento.
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