ITMI20130131A1 - Processo a migliorata produttività per la conversione di olii pesanti - Google Patents

Description

D E S C R I Z I O N E

“PROCESSO A MIGLIORATA PRODUTTIVITÀ' PER LA CONVERSIONE DI OLII PESANTIâ€

Campo di applicazione dell'invenzione

La presente invenzione à ̈ relativa ad un processo a migliorata produttività per la conversione completa in distillati di olii pesanti, quali residui atmosferici ed i residui pesanti derivanti dalla distillazione a vuoto di greggi pesanti. Più precisamente, la presente invenzione si riferisce ad un processo attuato in un reattore upflow tipo bubble column.

Rassegna dell'arte nota

Lo sviluppo su scala industriale dei processi per la conversione completa di olii pesanti in prodotti distillabili, esenti da residuo carbonioso, ha incontrato fino ad oggi diversi ostacoli riconducibili principalmente alla bassa produttività dei reattori, unitamente alla difficoltà di controllare la formazione di coke. La logica seguita à ̈ stata prevalentemente basata sull’inseverimento delle condizioni di reazione. In considerazione della bassa volatilità dei prodotti di conversione (punti di ebollizione molto elevati, fino a 500°-520°C ), si sono ricercate condizioni di esercizio tali da avvicinare la temperatura di reazione a quella di ebollizione dei prodotti per migliorarne l'estraibilità attraverso l'effluente gassoso in uscita dalla zona sommitale del reattore. L'innalzamento della temperatura di reazione, tuttavia, accelera anche la formazione di resine asfalteniche e con queste l'indesiderata formazione di coke, per mitigare la quale si ricorre al dosaggio di catalizzatori solidi a livello di qualche percento in peso in rapporto al peso della carica liquida trattata. L’uso di solidi rende però impraticabile il riciclo in reazione del residuo non convertito; conseguentemente si effettua un unico passaggio della carica in reazione, con il reattore in modalità “once through†, come ad esempio nel brevetto U.S. 4214977 in cui per conseguire elevate produttività' vengono impiegate condizioni ad alta severità, elevate temperature e forti dosaggi di catalizzatore solido, contenente solfato ferroso, per limitare la formazione di coke. I processi ad alta severità lasciano tuttavia aperto il problema legato ai quantitativi, non trascurabili, di residuo non convertito, di difficile e costoso smaltimento. Conversioni pur elevate, come 80-90%, ma non complete, comportano infatti il problema, solo in apparenza semplice, della destinazione del residuo non convertito. Per ottenere la completa conversione di una carica pesante, à ̈ necessario poter riciclare il residuo non convertito in reazione. L'innalzamento della produttività del processo di idroconversione, cioà ̈ del processo con utilizzo di idrogeno, ottenuto per via termica, impedisce la completa conversione della carica e risulta problematico per la concomitante produzione di alte percentuali di residui solidi.

Il tema della conversione completa degli olii pesanti à ̈ stato affrontato anche dal punto di vista reattoristico. Ad esempio, nella domanda di brevetto U.S.

2007/0140927 A1 viene descritto un reattore a circolazione di liquido, prodotta da un convogliatore interno, che consente di operare a più alte portate di gas per migliorarne la capacità. L'unico punto di estrazione dei prodotti di conversione à ̈ posizionato sulla sommità del reattore dove fuoriesce l'effluente di reazione. Il medesimo reattore a circolazione di liquido viene utilizzato nella domanda di brevetto U.S. 2007/0138056 A1, in uno schema a più reattori. Anche in questo assetto, i prodotti di reazione vengono recuperati esclusivamente dall'effluente in uscita dalla sommità di ciascuno dei reattori. L'estrazione dei prodotti di reazione realizzata trattando unicamente l'effluente proveniente dalla zona sommitale del reattore à ̈ un fattore che limita sensibilmente la capacità dei reattori.

Scopi dell’invenzione

Scopo della presente invenzione à ̈ pertanto quello di superare gli inconvenienti suddetti e di indicare un processo di idroconversione di olii pesanti, in cui una diversa modalità di estrazione dei prodotti di reazione porta al superamento dei suddetti limiti, consentendo di incrementare grandemente l'output dei reattori senza dovere inseverire le condizioni di reazione.

Sommario dell’invenzione

Oggetto della presente invenzione à ̈ un processo ad alta produttività per la conversione completa di una carica liquida pesante, in un reattore upflow tipo bubble column in condizioni usuali di temperatura e di pressione di esercizio, caratterizzato dal contemporaneo impiego di due modalità distinte di estrazione dei prodotti di conversione.

Alla modalità corrente di recupero dei prodotti di conversione, basata sul trattamento del solo effluente gassoso che fuoriesce dalla sommità del reattore, viene affiancata una seconda modalità di recupero che consente di ottenere un flusso aggiuntivo di prodotti di conversione prelevando liquido di reazione direttamente dalla fase liquida del reattore, degasando tale liquido alla stessa pressione del reattore e sottoponendo il medesimo liquido ad un processo di estrazione per distillazione sotto vuoto. Il residuo di tale distillazione à ̈ riciclato in reazione. La doppia modalità di estrazione consente di incrementare grandemente la capacità di estrazione dei prodotti di conversione e, conseguentemente, la capacità del reattore.

Altre caratteristiche innovative della presente invenzione sono evidenziate nelle rivendicazioni allegate a questa descrizione.

Breve descrizione delle figure

Ulteriori scopi e vantaggi della presente invenzione risulteranno chiari dalla descrizione particolareggiata che segue di un esempio di realizzazione della stessa e dai disegni annessi, dati a puro titolo esplicativo e non limitativo, in cui: − la figura 1 mostra un impianto per l’attuazione del processo secondo l’invenzione;

− la figura 2 mostra una preferita ed alternativa forma di attuazione dell’impianto per l’attuazione del processo secondo l’invenzione.

− la figura 3 mostra una ulteriore alternativa forma di attuazione dell’impianto per l’attuazione del processo secondo l’invenzione.

Nella descrizione che segue una figura potrà essere illustrata anche con riferimento ad elementi non espressamente indicati in quella figura ma in altre figure. La scala e le proporzioni dei vari elementi raffigurati non corrispondono necessariamente a quelle reali.

Descrizione dettagliata di alcune forme preferite di realizzazione dell’invenzione

Con riferimento alla figura 1 viene illustrato un primo modo di attuazione dell’invenzione.

Il trattamento della carica liquida pesante con idrogeno à ̈ la fase centrale del processo di conversione. L'idrogeno viene alimentato al reattore in largo eccesso rispetto all'idrogeno consumato in reazione. L'idrogeno, o il gas contenente idrogeno, à ̈ alimentato intenzionalmente in eccesso per favorire l'estrazione dei prodotti di conversione attraverso l'effluente gassoso in uscita dalla sommità del reattore. L'effluente gassoso risulta costituito da idrogeno, prodotti di conversione allo stato gas ed allo stato vapore e da trascinamenti di liquido di reazione contenente i prodotti di conversione a più alto punto di ebollizione. L'effluente, che per come à ̈ composto può essere qualificato bifasico, à ̈ il veicolo che trasporta i prodotti liquidi di reazione fuori dal reattore, verso il separatore alta pressione. Per una prefissata temperatura e per una determinata sezione, sul piano orizzontale, del reattore, la capacità di trasporto di liquido cresce con la velocità spaziale del gas, che tuttavia non può essere incrementata oltre determinati limiti. La velocità spaziale del gas à ̈ un parametro caratteristico del processo costituito dal rapporto fra la portata di gas alimentato al reattore (m3/h), misurata alla pressione di reazione, e la misura della sezione orizzontale del reattore (m2).

Conseguentemente il flusso di liquido di reazione trasportato dal gas al separatore à ̈, necessariamente, di entità limitata, insufficiente ad assicurare una adeguata estrazione dei prodotti di conversione liquidi, in particolare nei reattori industriali di grande altezza. Un'insufficiente estrazione comporta accumulo di prodotti di conversione al reattore che sottraggono volume di reazione alla carica da trattare, limitando di fatto la capacità del reattore stesso. Inoltre i prodotti di conversione liquidi che si accumulano, in conseguenza della loro natura chimica a basso tasso aromatico, inducono la precipitazione degli asfalteni, rendendo instabile e quindi difficilmente processabile la miscela di reazione. Per queste ragioni, la corrente modalità di estrazione dei prodotti di conversione, basata sul trattamento del solo effluente gassoso in uscita dalla sommità del reattore, risulta inadeguata.

Nel processo secondo l’invenzione il richiedente affianca al flusso di prodotti presenti nell'effluente gassoso che fuoriesce dalla volta del reattore un secondo e aggiuntivo flusso di prodotti ottenuto prelevando liquido di reazione direttamente dalla fase liquida del reattore, degasando tale liquido alla stessa pressione del reattore e sottoponendo il medesimo liquido a distillazione, con stadio finale sotto vuoto, per il recupero dei prodotti di conversione a più alto punto di ebollizione. Il residuo della distillazione à ̈ ricircolato in reazione per il completamento della conversione.

In figura 1 viene rappresentata tale soluzione.

La carica da trattare (1) e l'idrogeno, ovvero il gas (2) contenente idrogeno, sono alimentati alla base del reattore upflow che nel caso descritto à ̈ una bubble column (R) in cui il flusso di idrogeno assicura il rimescolamento e quindi l'omogeneità del mezzo di reazione, cioà ̈ della fase liquida - bubbling (3). La reazione fra la carica liquida 1 e l’idrogeno 2 viene preferibilmente condotta ad una temperatura di esercizio compresa fra 380 e 440 °C, e a pressione compresa fra 10 e 20 Mpa. Il flusso bifasico (4) in uscita dalla zona sommitale del reattore à ̈ inviato al ciclone-separatore (CS), posizionato sopra il reattore, alla testa del quale si ottengono i prodotti di conversione in fase vapore (6), mentre la fase liquida separata (7) viene fatta rifluire per gravità a qualsiasi altezza del reattore purché al disotto dell'interfaccia liquido/vapore che si trova in prossimità della base della calotta emisferica superiore del reattore. Il liquido di reazione che contiene il secondo e aggiuntivo flusso di prodotti à ̈ estratto in forma degasata direttamente dalla fase liquida - bubbling (3) del reattore attraverso l'estrattoredegasatore (8) comprendente un convogliatore tronco conico (81) e relativo discendente (82) dal quale viene derivato il liquido di reazione. Preferibilmente, la linea di estrazione (9) asporta il liquido di reazione dall'interno del discendente tramite un tubo che attraversa dall’alto verso il basso il convogliatore. Il liquido nel percorrere il convogliatore tronco conico dall'alto verso il basso libera il gas che, muovendosi al contrario, risale fino alla sommità del reattore. Il corretto dimensionamento dell'estrattore (8) assicura la necessaria efficienza del degasaggio. Con riferimento al suddetto estrattore-degasatore (8), si osserva che la portata di liquido degasato estratto coincide, o à ̈ di poco inferiore, alla portata di liquido che percorre il discendente, a fondo sempre aperto, senza pertanto indurre circolazione di liquido all'interno del reattore (R). Sulla base della portata di liquido prevista al discendente, estratta dalla linea (9), si dimensiona il diametro superiore del convogliatore tronco-conico allo scopo di governare la velocità di discesa di detta portata. Per pressioni al reattore comprese tra 10 e 20 MPa, la portata di liquido al discendente, e quindi la massima portata estraibile, à ̈ contenuta entro 50 t/h, preferibilmente entro 23 t/h, per metro quadrato di sezione d'ingresso all'estrattore. Conseguentemente, per alte portate di estrazione si opera con reattore a 2 o più estrattori. Il liquido di reazione degasato prelevato all'estrattore-degasatore (8) tramite la linea (9) viene inviato alla sezione a bassa pressione, non mostrata in figura, dove avviene il recupero dei prodotti tramite distillazione sotto vuoto. Il residuo della distillazione costituisce il riciclo (10) che ritorna in reazione per il completamento della conversione.

In alternativa a quanto sopra descritto, la figura 2 illustra un impianto per lo sviluppo del processo secondo l’invenzione in una preferita variante di attuazione. Secondo tale figura l'estrazione di liquido di reazione viene effettuata prelevando dalla fase liquida-bubbling (3) del reattore upflow una miscela di liquido di reazione+gas e degasando tale miscela nel serbatoio (S), a doppio ingresso, esterno al reattore, mantenuto alla pressione del reattore, posizionato in corrispondenza della parte inferiore del reattore, eventualmente a terra. Il serbatoio (S) sostituisce il separatore (CS) di alta pressione di figura 1. Il serbatoio (S) svolge la duplice funzione di separatore e di degasatore. Nella parte superiore (5), alimentata con il flusso bifasico (4) proveniente dalla sommità del reattore (R), avviene la separazione della frazione gassosa dalla frazione liquida. Quest'ultima ricade nella parte inferiore (7) del serbatoio.

Dalla sommità del serbatoio (S) si libera la fase gassosa (61) costituita da idrogeno e dai prodotti di conversione in fase gas ed in fase vapore.

Sempre con riferimento al serbatoio (S), la zona inferiore di questo svolge la funzione di degasatore anche della miscela liquido di reazione+gas prelevata direttamente dalla zona bubbling del reattore tramite la linea (11). Il liquido di reazione degasato viene estratto dalla linea (12) e inviato alla sezione a bassa pressione, non mostrata in figura, per effettuare il recupero dei prodotti di conversione alto bollenti mediante distillazione sotto vuoto. Il residuo della distillazione sotto vuoto (10) viene riciclato alla base del reattore dove entrano anche la carica fresca (1) e l'idrogeno, o il gas contenente idrogeno, (2). Per assicurare la necessaria efficienza del degasaggio, in particolare operando ad alte portate di estrazione di miscela liquido di reazione+gas, Ã ̈ necessario adeguare la portata di estrazione (12) alla sezione orizzontale del serbatoio (S) o viceversa. Per pressioni al reattore, e quindi al separatore, comprese tra 10 e 20 MPa, la portata di estrazione (12) Ã ̈ contenuta entro 50 t/h, preferibilmente entro 23 t/h, per metro quadrato di sezione sul piano orizzontale del serbatoio (S).

Alternativamente, e con riferimento alla figura 3, il flusso bifasico 4 proveniente dalla sommità del reattore continua ad essere alimentato al separatore di alta pressione CS. Il liquido degasato raccolto al fondo di detto separatore viene fatto rifluire nel reattore R, tramite la linea 7, inferiormente all’interfaccia liquido/vapore presente nella zona alta del reattore. La linea (11) preleva dalla fase liquida-bubbling (3) del reattore una miscela liquido di reazione+gas che viene degasata nel serbatoio S. Sul fondo di detto serbatoio si raccoglie il liquido di reazione degasato che viene inviato, tramite la linea 13, alla sezione di distillazione sotto vuoto per il recupero degli altobollenti.

La frazione gassosa liberatasi dal liquido degasato nella zona superiore del serbatoio S, contenente idrogeno e i prodotti di conversione in fase vapore, viene fatta confluire tramite la linea 62 nella linea 6 che raccoglie i gas provenienti dal ciclone separatore CS. Il residuo della distillazione sotto vuoto (10) viene riciclato alla base del reattore dove entrano anche la carica fresca (1) e l'idrogeno, o il gas contenente idrogeno, (2).

In una ulteriore variante di attuazione, non illustrata, il tecnico del settore, modificando adeguatamente le caratteristiche dell’impianto secondo le sue conoscenze, potrebbe far confluire il liquido degasato raccolto al fondo del separatore CS nella medesima linea di estrazione che convoglia il liquido degasato raccolto al fondo del separatore S per inviare detti liquidi alla sezione di distillazione sotto vuoto per il recupero degli altobollenti.

Il processo rappresentato in figura 1, e le varianti con degasatore esterno rappresentate in figure 2 e 3, in conseguenza della doppia modalità di estrazione dei prodotti di conversione, forniscono, a prescindere dalle condizioni di reazione impiegate e dal tipo di catalizzatore, un output addizionale rispetto a quanto ottenibile processando il solo effluente bifasico proveniente dalla sommità del reattore. L’estrazione dalla fase liquida del reattore di una portata di liquido di reazione non inferiore a 0,5 volte la portata di carica liquida in entrata consente di ottenere un sensibile aumento dell’output del reattore. Estraendo dalla fase liquida del reattore una portata di liquido di reazione pari a 1,6 volte la portata di carica 1 in alimentazione, cioà ̈ con un rapporto di estrazione diretta (DER) portata estratta (9, 12 o 13)/portata (1) pari a 1,6, si ottiene un incremento dell'output del 40%, corrispondente ai prodotti di conversione presenti nel liquido di reazione direttamente estratto. Operando con un valore del rapporto di estrazione diretta (DER) di 2,15 l'output complessivo e conseguentemente la carica lavorata raddoppiano. Portando il valore di DER a 2,8 l'output complessivo e la carica lavorata triplicano.

Vantaggi dell’invenzione

L'impiego del processo con doppia estrazione, descritto nella presente invenzione, in conseguenza della elevata capacità di estrazione dei prodotti, consente ulteriori vantaggi in aggiunta a quello della capacità. La scelta della temperatura di reazione, non più condizionata dalla necessità di incrementare l'estrazione dei prodotti di conversione via effluente bifasico, può essere ottimizzata anche in funzione di altri aspetti del processo, comunque importanti, quali il contenimento della formazione di coke e il contenimento della produzione di gas idrocarburici in reazione. Per queste ragioni vengono preferite condizioni di reazione a bassa severità, in particolare a contenuta temperatura di reazione, avendo quest'ultima un impatto ridotto sulla capacità del reattore quando si impieghi il processo descritto nella presente invenzione.

Considerazioni analoghe valgono per un altro parametro importante del processo: la velocità spaziale dell'idrogeno, o del gas contenente idrogeno, inviato alla base del reattore. Venendo meno, con il processo a doppia estrazione qui descritto, la necessità di assicurare elevati flussi di gas a sostegno dell'estrazione dei prodotti via effluente bifasico, la velocità spaziale dell'idrogeno può essere drasticamente ridotta con vantaggi sia di ordine economico che, ancora, di capacità del reattore, in conseguenza dell'abbattimento del volume di gas presente in reazione, cioà ̈ del cosidetto gas holdup.

L'estrazione aggiuntiva di prodotti di conversione consente inoltre di minimizzare quanto necessario la frazione maltenica al reattore per assicurare la necessaria stabilità del mezzo di reazione .

Nella presente descrizione non sono state di norma illustrate tutte le possibili alternative, strutturali e dimensionali, alle forme di attuazione dell’invenzione specificatamente descritte: non à ̈ infatti sembrato necessario espandersi nei dettagli costruttivi dell’impianto dell’invenzione in quanto ogni tecnico dell’arte, dopo le istruzioni qui date, non avrà difficoltà a progettare, scegliendo adeguatamente valori critici, materiali e dimensioni, la soluzione tecnica più vantaggiosa. Queste varianti s’intendono tuttavia ugualmente comprese nell’ambito di protezione del presente brevetto, risultando tali forme alternative di per se stesse facilmente derivabili dalla descrizione qui effettuata del rapporto che lega ciascuna forma di attuazione con il risultato che l’invenzione vuole ottenere.

Claims (12)

1. R I V E N D I C A Z I O N I 1. Processo ad alta produttività per la conversione completa di cariche liquide pesanti, in un reattore upflow tipo bubble column, a condizioni di temperatura e di pressione usuali, preferibilmente comprese fra 380C° e 440C° e, rispettivamente, fra 10 e 20 MPa, comprendente le fasi di: alimentare ad un reattore la carica liquida da convertire, alimentare a detto reattore un flusso di idrogeno o gas contenente idrogeno, alimentare al liquido di reazione in detto reattore un catalizzatore di idroconversione, estrarre dalla sommità del reattore il flusso bifasico comprendente idrogeno ed i prodotti di conversione ed inviarlo ad un separatore per la separazione della fase liquida dal gas, inviare detta fase liquida alla distillazione sotto vuoto, per il recupero di prodotti alto bollenti, riciclare al reattore il gas di recupero ed il residuo della distillazione sotto vuoto, detto processo essendo caratterizzato dal fatto di comprendere le ulteriori fasi di prelevare liquido di reazione dalla fase liquida del reattore, sottoporre a distillazione sotto vuoto detto liquido di reazione per il recupero di prodotti di conversione alto bollenti, riciclare al reattore il residuo di detta distillazione.
2. 2. Processo secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che il rapporto tra la portata di liquido di reazione estratto dalla fase liquida del reattore e la portata di carica in alimentazione à ̈ non inferiore a 0,5.
3. 3. Processo secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto di degasare detto liquido di reazione alla pressione di esercizio del reattore.
4. 4. Processo secondo la rivendicazione 3 caratterizzato dal fatto di estrarre detto liquido di reazione tramite un degasatore-estrattore tronco-conico posizionato all’interno del reattore.
5. 5. Processo secondo la rivendicazione 4 caratterizzato dal fatto di estrarre una portata di liquido di reazione degasato non superiore a 50 t/h per m<2>di sezione d’ingresso di detto degasatore-estrattore.
6. 6. Processo secondo la rivendicazione 5 caratterizzato dal fatto che detta portata di liquido di reazione degasato à ̈ non superiore a 23 t/h.
7. 7. Processo secondo la rivendicazione 4 caratterizzato dal fatto che detta estrazione di liquido di reazione degasato viene ottenuta tramite una pluralità di estrattori-degasatori.
8. 8. Processo secondo la rivendicazione 2 caratterizzato dal fatto di estrarre dalla zona bubbling del reattore una miscela di liquido di reazione gas e di degasare detta miscela, alla pressione del reattore, in un serbatoio separatoredegasatore esterno al reattore stesso, posizionato ad un’altezza inferiore a quella del livello dell'interfaccia liquido/vapore situata alla base della calotta emisferica superiore del reattore.
9. 9. Processo secondo la rivendicazione 8 caratterizzato dal fatto di posizionare detto serbatoio a livello del suolo.
10. 10. Processo secondo la rivendicazione 8 caratterizzato dal fatto di alimentare detto serbatoio, tramite ingressi separati con il flusso bifasico proveniente dalla sommità di detto reattore, per la separazione della fase liquida contenuta e, rispettivamente, con la miscela estratta da detta zona bubbling del reattore per il degasaggio del liquido di reazione presente in detta miscela.
11. 11. Processo secondo la rivendicazione 10 caratterizzato dal fatto di estrarre una portata di liquido al fondo di detto serbatoio non superiore a 50 t/h per m<2>di sezione orizzontale di detto serbatoio.
12. 12. Processo secondo la rivendicazione 11 caratterizzato dal fatto che detta portata di liquido à ̈ non superiore a 23 t/h per m<2>di sezione orizzontale di detto serbatoio.