APARATO PARA HACER CONTACTO DE CONTRACORRIENTE DE GAS Y SÓLIDOS
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN 1. Campo de la Invención La presente invención se relaciona a un aparato para hacer contacto de contracorriente de gas y sólidos fluidizados, y par icularmente a un purgador para un proceso de desintegración catalítica de fluido.
2. Antecedentes de la Técnica Varios procesos químicos, de refinación de petróleo y combustión requieren contactar artículos de sólidos fluidizados con un gas de fluido incrementado para lograr una masa eficiente y/o transferencia de calor. Tales sistemas también pueden utilizarle para llevar a cabo la reacción química mediante contacto de contracorriente de las fases. Una aplicación ampliamente utilizada está en un proceso muy importante conocido como desintegración catalítica de fluido ("FCC") que se ha utilizado en el refinamiento de petróleo durante muchos años para convertir los compuestos de hidrocarburos más pesados (o de alta ebullición) en componentes valuables más ligeros (o de baja ebullición) . Existen configuraciones muy diferentes de unidades de FCC aunque todas están esencialmente comprendidas de las mismas piezas funcionales de equipo. Generalmente, las unidades FCC incluyen una chimenea, la cual es un reactor de tubería vertical en el cual tiene lugar la reacción de desintegración. La alimentación del hidrocarburo, generalmente en forma líquida, se introduce en el fondo de la chimenea donde hace contacto con el catalizador de calor regenerado. El catalizador está en forma de un polvo fino, se mezcla fácilmente con el aceite y da un calor elevado para vaporizar el aceite y mantener la reacción de desintegración. Tanto el catalizador como el hidrocarburo fluyen hacia arriba a través de la chimenea. Es ventajoso maximizar la relación de catalizador a aceite para la conversión mejorada en la chimenea. El tiempo de residencia en la chimenea es típicamente menor de aproximadamente 10 segundos. Un dispositivo de terminación de chimenea en la parte superior de la chimenea separa los productos de reacción (en una fase de vapor) del catalizador. Los vapores de producto salen de la unidad FCC y se envían en el procesamiento adicional. Las partículas de catalizador, las cuales se cubren con coque de la reacción desintegrante, se envían al regenerador donde el coque se elimina quemando una corriente de gas de oxidación (usualmente aire) . El catalizador llega en una atmósfera de vapores de hidrocarburo . que tendrán hidrocarburos en los poros del catalizador y entre las partículas de catalizador. Antes de que el catalizador se envíe al regenerador, es ventajoso primero despojar el catalizador de los hidrocarburos en suspensión o los hidrocarburos ubicados en los poros del catalizador. Esto usualmente se logra haciendo contacto con el flujo descendente de las partículas de catalizador con un flujo ascendente de la corriente. La eficiencia de la unidad de despojo es importante cuando los hidrocarburos no recuperados/no removidos representan una pérdida del producto valioso. Los hidrocarburos no recuperados/no removidos también ponen una carga adicional en el regenerador en términos de quemar una masa mayor de hidrocarburos que requerirían una cantidad adicional de oxidación o aire de combustión. El regenerador también podría operar a una temperatura más elevada la cual podría disminuir el catalizador en la relación de aceite y el grado de funcionamiento de la unidad con respecto a la flexibilidad de operación y el rendimiento de los productos valiosos. Además, el hidrógeno rico en hidrocarburos en suspensión podría producir presión parcial de corriente más elevada en el regenerador el cual podría incrementar la desactivación del catalizador. Con referencia a la FIGURA 1, una vista esquemática de una unidad FCC de la técnica anterior se muestra. Una alimentación de alta ebullición tal como aceite de gas o aceite de gas al vacío, o aún alimentación pesada, se agrega a un reactor 6 de chimenea a través de los puertos 2 de inyección de alimentación, donde se mezclan con las partículas de catalizador regeneradas. La reacción del desintegrador se completa en la chimenea y los hidrocarburos desintegrados y el catalizador consumido se desvian por el codo 10 a través de los colectores centrífugos 12 los cuales se separan más del catalizador consumido del producto. El vapor del colector centrifugo 12 junto con las partículas de catalizador restantes se envía directamente al colector centrífugo 16 el cual se remueve más del catalizador restante. Una cantidad pequeña de vapor de hidrocarburo desintegrado se lleva por debajo de los tramos de inclinación de los colectores centrífugos con el catalizador separado. El catalizador consumido se descarga del tramo de inclinación de los colectores centrífugos 12 y 16 en el purgador 8 de catalizador, donde una o más etapas de los purgadores de corriente ocurren. La corriente purgada se inyecta mediante las líneas 19 y 21 ya sea en el fondo del recipiente o en algún otro punto intermedio entre la parte superior y la base del recipiente. Los hidrocarburos despojados y la corriente de despojo pasan hacia arriba en el desenganchador 14 y se remueven con los productos desintegrados después de pasar a través de las aberturas especiales en los colectores centrífugos 12. Existen muchas otras disposiciones de colector centrífugo y sin colector centrífugo y dispositivos para el catalizador de separación y el vapor de hidrocarburo desintegrado en la salida del reactor elevado. Sin embargo, el propósito de estos otros dispositivos y disposiciones es el mismo, es decir, separar las partículas catalizadoras de los vapores de hidrocarburo desintegrados . El catalizador purgado se descarga hacia abajo a través del tubo montante 26 en la línea 27 de transferencia de catalizador horizontal. El flujo del catalizador se controla mediante una válvula 36. El aire se inyecta mediante la línea 28 en la línea 27 de transferencia, la cual provoca que el catalizador consumido se transporte al regenerador diluyendo el transportador de fase a través de la línea 27 de transferencia y la línea 29 de elevación. Alguien con experiencia en la técnica podría apreciar que existen otros métodos adecuados de transferir catalizador el cual puede al ernativamente emplearse. El catalizador se regenera en el regenerador 24 por contacto con el aire agregado mediante las líneas de aire y un distribuidor de rejilla de aire (no mostrado). Un enfriador 28 de catalizador puede proporcionarse de modo que el calor pueda eliminarse del regenerador en ciertas operaciones cuando las alimentaciones de ebullición más elevadas se procesan. El catalizador regenerado se extrae del regenerador mediante el ducto 34 a través de la tolva 31, el tubo montante 33 y el ensamble 30 de válvula y se transportan a través de la línea 32 lateral en la base del reactor de chimenea. El gas de tubo de chimenea y algún catalizador de entrada se descargan en una región de base diluida en la porción superior del regenerador 24. El catalizador en suspensión con el gas de tubo de chimenea se separa del gas de tubo de chimenea en múltiples etapas de los colectores centrífugos 4. El catalizador separado se regresa al lecho catalizador en el regenerador a través de los tramos de inclinación 35. El gas de combustible se descarga a través del pleno 20, colectado para recubrir el calor sensible y la descarga en la atmósfera. Un purgador de catalizador de unidad FCC típico utiliza desviadores cónicos, circulares para facilitar el contacto del catalizador con la corriente de purgador. Los desviadores cónicos son usualmente inclinados profundamente de modo que previenen que el catalizador descanse en el desviador. La Figura 2 muestra un arreglo . conocido previo típico de desviadores en un purgador 40 que incluye desviadores 41 inclinados hacia fuera que se alternan con los desviadores 42 inclinados hacia dentro. Los desviadores 41 y 42 tienden a alternar lateralmente el flujo descendente S de las partículas de catalizador hacia atrás y hacia delante contra el flujo ascendente G del gas purgador para incrementar el contacto de sólido-vapor y la transferencia de masa. Sin embargo, se ha encontrado que como el flujo de masa de catalizador se incrementa a través del purgador, la eficiencia de la transferencia de masa (o el hidrocarburo removido en la caja de los purgadores FCC) ; se reduce. Más allá de un cierto punto la eficiencia puede disminuir muy drásticamente. Por consiguiente, un método y aparato para lograr la transferencia de masa de eficiencia elevada entre las partículas fluidizadas de flujo descendente y el gas de flujo ascendente se necesita.
COMPENDIO DE LA INVENCIÓN Se proporciona un aparato en la presente para hacer contacto de contracorriente de un gas y las partículas de sólido fluidizadas de flujo descendente. El aparato comprende: un alojamiento al menos parcialmente definiendo un espacio interior; y una pluralidad de deaviadores colocados y orientados dentro del espacio interior del alojamiento, los desviadores se disponen en al menos el primer y segundo niveles verticalmente espaciados en posición sucesivamente reducida. Cada uno del primer y segundo niveles incluye una hilera de al menos dos desviadores orientados paralelos entre sí e inclinados desde la orientación horizontal de modo que hacen que los sólidos de flujo descendente fluyan suavemente a través del alojamiento y no restrinjan el área de sección transversa disponible. Adicionalmente, los niveles sucesivos de los desviadores se disponen al cambio lateralmente de la dirección de las partículas de flujo descendente cuando las partículas se mueven desde un nivel al siguiente nivel descendente. Típicamente, las capas sucesivas se disponen perpendiculares entre sí aunque otros ángulos de rotación pueden utilizarse para alcanzar la instalación o requerimientos de proceso. El aparato puede ventajosamente combinarse con una unidad FCC para lograr más transferencia de masa eficiente entre el gas de flujo ascendente y las partículas fluidizadas de flujo descendente. El aparato se diseña de modo que está en contacto máximo entre las fases y la canalización de las fases se evita. También el área de "superficie interfacial" máxima está disponible para la transferencia de masa entre las fases.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Varias modalidades se describen en lo siguiente con referencia a los dibujos en donde: La FIGURA 1 es una vista esquemática de una unidad
FCC de la t cnica previa; la FIGURA 2 es una vista esquemática de un purgador de la técnica previa ,- la FIGURA 3 es una vista de frente de una placa de desviador de acuerdo con la presente invención;
las FIGURAS 4, 5 y 6 son, respec ivamente, vistas en perspectiva, en elevación frontal y en elevación lateral de un aparato de contacto de gas-sólido de acuerdo con la invención; la FIGURA 7 es un diagrama que ilustra el espacio entre los desviadores; la FIGURA 8 es una vista en perspectiva esquemática que ilustra una configuración alternativa del aparato de contacto de gas- sólido; la FIGURA 9 es una vista en planta esquemática que ilustra aún otra configuración del aparato de contacto de gas-sólido; y la FIGURA 10 es un funcionamiento de desviador contra el flujo de masa que muestra la eficiencia superior de la invención.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA 0 LAS MODALIDADES PREFERIDAS El aparato de la presente invención puede emplearse en cualquier aplicación donde los flujos de contracorriente de las partículas de sólido y el gas hacen contacto. Típicamente, tal contacto es para el propósito de transferir la masa o llevar una reacción química entre las fases, aunque también puede ser para el propósito de transferencia de calor. La invención es particularmente ventajosa para el uso en purgadores para las unidades FCC y puede ventajosamente combinarse con una unidad FCC tal como se muestra en la FIGURA 1, aunque el alcance de la invención no se limita a tal uso . El aparato de contacto de la presente invención emplea placas desviadoras en un arreglo que tiene una configuración única. Con referencia ahora a la FIGURA 3, un desviador 100 individual se muestra en donde el desviador 100 se fabrica de una placa 101 de material adecuado tal como metal, cerámica o plástico diseñado (por ejemplo, policarbonato , acrílico, cloruro de polivinilo, nailon, acetal, polisulfona y similares) , dependiendo de la temperatura de operación y otras condiciones de servicio. La placa 101 tiene primer y segundo lados 102 y 103 rectos, respectivamente. Preferiblemente, la placa 101 es plana, aunque las placas curvas pueden alternativamente emplearse. El lado 111 superior preferiblemente se enmuesca e incluye alternando los dientes Illa y las muescas 111b de la configuración generalmente en forma de V. La muesca define un ángulo a el cual preferiblemente está en el rango de aproximadamente 60° a 120°, más preferiblemente de aproximadamente 80° a 100° , y aún más preferiblemente de aproximadamente 88° a 92°. Más preferiblemente, a es igual a 90°. El lado 112 inferior de la placa 101 también se enmuesca preferiblemente e incluye dientes 112a alternos y muescas 112b. Las muescas 112b también definen un ángulo como se describe en lo anterior. Los bordes dentados del lado 112 se alternan con aquellos del lado 111 de modo que las muescas 112b del lado 112 inferior se alinean verticalmente con los dientes Illa del lado 111, y los dientes 112a del lado 112 se alinean verticalmente con las muescas 111b del lado 111. La placa 101 desviadora también incluye una pluralidad de aberturas 115 en una serie de hileras en arreglo alternado. Al menos dos y preferiblemente 4, 6 o más hileras de aberturas están en cada placa 101. Para propósitos de ilustración, las hileras 115a, 115b, 115c y 115d de las aberturas se muestran en la FIGURA 3. Las aberturas de las hileras 115a y 115c, como se ejemplifica por las aberturas 115a' y 115c', se alinean verticalmente con los dientes Illa y las muescas 112b. Las aberturas o hileras 115b y 115d alternas, como se ejemplifica por las aberturas 115b' y 115d' , se alinean verticalmente con las muescas 111b y los dientes 112a. El tamaño de los dientes, las muescas y las aberturas puede seleccionarse dependiendo del tamaño de partícula de los sólidos, el volumen de producción, etc. A modo de ejemplo, mediante un tamaño típico del catalizador FCC (por ejemplo, 20-160 micrones de diámetro, el diámetro de las aberturas 115 puede opcionalmente variar de aproximadamen e 1.27 centímetros (0.5 pulgadas) a aproximadamente 15.24 centímetros (6 pulgadas), y está típicamente de aproximadamente 3.81 centímetros (1.5 pulgadas) a aproximadamente 7.62 centímetros (3.0 pulgadas) . Las dimensiones exteriores de estos rangos pueden también utilizarse cuando sea apropiado. La longitud L y el ancho W del desviador 100 puede seleccionarse de acuerdo con el tamaño del aparato. Típicamente, la longitud L varía de aproximadamente 60.96 centímetros (24 pulgadas) a aproximadamente
609.60 centímetros (240 pulgadas), y ancho W varía de aproximadamente 15.24 centímetros (6 pulgadas) a aproximadamente 60.96 centímetros (24 pulgadas). Las distancias Dx de diente a diente pueden opcionalmente variar de aproximadamente 5.08 centímetros (2 pulgadas) a aproximadamente 30.48 centímetros (12 pulgadas). Las dimensiones exteriores de estos rangos también pueden utilizarse cuando sea apropiado. La presente invención facilita el contacto sólido de manera más uniforme distribuyendo el flujo descendente de los sólidos a través del interior del aparato. La canalización de los sólidos en las áreas limitadas se inhibe cuando el flujo de los sólidos se alterna en la dirección de modo que maximice el volumen interior en el cual el contacto de gas-sólido puede hacerse efectivamente. Con referencia ahora a las FIGURAS 4, 5 y 6, un aparato 200 de contacto de sólido-gas (por ejemplo, un purgador) se ilustra. El aparato 200 incluye un alojamiento 205 que define un espacio interior y que tiene primero, segundo, tercero y cuarto lados 201, 202, 203, 204, respectivamente. Una estructura 208 interior soporta las primeras, segundas, terceras y cuartas hileras (210, 220, 230, 240, respectivamente), de los desviadores 100. Los desviadores pueden soportarse en cualquiera de una variedad de formas. La estructura 208 interior es un ejemplo de un medio adecuado de soporte. La altura H de cada hilera de desviador puede opcionalmente variar de aproximadamente 7.62 centímetros (3 pulgadas) a aproximadamente 76.2 centímetros (30 pulgadas), y más típicamente puede variar de aproximadamente 25.40 centímetros (10 pulgadas) a aproximadamente 45.72 centímetros (18 pulgadas). Las dimensiones exteriores de estos rangos también pueden utilizarse cuando sea apropiado. Cualquier número de desviadores puede colocarse en una hilera dependiendo del tamaño del aparato, la producción deseada y/u otras condiciones de servicio. Generalmente, 5 a 15 desviadores se incluyen en cada hilera, aunque los números exteriores de este rango también pueden utilizarse cuando se estime adecuado. Como puede verse a partir de las FIGURAS 4 a 6, los desviadores 100 se incluyen de modo que los desviadores dentro de la hilera están paralelos, aunque las hileras cada una se inclina hacia abajo en una dirección diferente. Por ejemplo, los desviadores 100 en la hilera 210 se inclinan hacia abajo del lado 203; los desviadores 100 en la hilera 220 se inclinan hacia abajo del lado 204; los desviadores 100 en la hilera 230 se inclinan hacia abajo del lado 201; y los desviadores 100 en la hilera 240 se inclinan hacia abajo del lado 202. De este modo, el flujo descendente de los sólidos se cambia hacia cada uno de los cuatro lados del aparato. Más particularmente, el componente lateral de la dirección de flujo de las partículas de sólido se alterna por 90°, como las partículas de flujo de un nivel al siguiente nivel inferior. Los cambios de dirección laterales opcionalmente pueden ser de aproximadamente 45° a aproximadamente 180° dependiendo del ángulo de rotación de las capas sucesivas de desviadores . El ángulo de inclinación ß de los desviadores 100
(es decir, el ángulo con respecto a la orientación horizontal) preferiblemente varía de aproximadamente 20° a aproximadamente 80°, más preferiblemente de aproximadamente 50° a aproximadamente 60°. El ángulo ß debe ser suficientemente mayor para prevenir que los sólidos se descansen o acumulen en los desviadores. El ángulo ß óptimo puede depender de la naturaleza de los sólidos, el tamaño de partícula y la forma de la partícula. El espacio D2 entre los desviadores se define por la cantidad de traslape del espacio entre los bordes superior e inferior de los desviadores adyacentes. Con referencia a la FIGURA 7, los bordes superior e inferior pueden alinearse directamente sin espacio o traslape. Alternativamente, existe ya sea un traslape o espacio de la dimensión D2 ' . La dimensión D2 de este modo es dependiente de la cantidad de traslape o espacio y el ángulo ß y el ancho W de la placa desviadora y típicamente puede variar de 7.62 a 76.2 centímetros (3 a 30 pulgadas), aunque las dimensiones exteriores de este rango también pueden utilizarse cuando sea apropiado . El aparato 200 de contacto de gas-sólido, cuando se utiliza para purgar el vapor de hidrocarburo en suspensión de las partículas de catalizador en una unidad FCC, típicamente se medirá y configurará para acomodar un tiempo de residencia de catalizador de aproximadamente 5 segundos a 200 segundos, un flujo de catalizador de aproximadamente 5 lbs/pie2-seg a aproximadamente 50 lbs/pie2-seg, un flujo de gas purgado de aproximadamente 0.5 lbs/1000 Ibs de catalizador a aproximadamente 5.0 lbs/1000 lbs de catalizador. Aunque estos rangos son típicos para una unidad FCC otros procesos pueden requerir valores más elevados o reducidos . Aunque el aparato 200 de contacto de gas-sólido se ilustra que tiene una sección transversa cuadrangular en vista en planta, otras configuraciones pueden alternativamente emplearse. Con referencia a la FIGURA 8, un aparato 200A de contacto de gas-sólido incluye un alojamiento 205A generalmente cilindrico con una sección transversa circular en la cual el desviador 100 se coloca. La FIGURA 9 ilustra un aparato 200B de contacto de gas-sólido anular que incluye un alojamiento 205B cilindrico exterior y una columna 206 axial que puede ser, por ejemplo, la porción de chimenea de una unidad FCC u otro componente . Esta purga ocurre en el espacio anular entre la columna 206 interior y el alojamiento 205B exterior en el cual los desviadores 100 se colocan para hacer contacto entre gas-sólido. Otras configuraciones de sección transversal, tales como oval, triangular y similares pueden alternativamente utilizarse con o sin una columna axial tal como 206.
EJEMPLO La relación entre la capacidad y eficiencia se ha visto mediante experimentación en la prueba de flujo frío. Los experimentos de modelo de flujo frío utilizan catalizador actual y aire para simular la operación actual de un purgador FCC industrial . Las pruebas se conducen para investigar el funcionamiento de los purgadores de la técnica anterior y el nuevo dispositivo. En los experimentos, el catalizador fluidizado se inyecta con un gas trazador de helio previo a la entrada del purgador. Las partículas de catalizador de flujo descendente se ponen en contacto con el aire que fluye hacia arriba. La capacidad para remover el gas trazador se mide sobre un rango de velocidades de flujo de catalizador y un número de configuraciones y condiciones de equipo. Los ejemplos se toman en la entrada y salida del purgador y en varios puntos sobre la altura del purgador y se analizan por la concentración de helio. La FIGURA 10 muestra el funcionamiento medido del aparato de la presente invención utilizando el nuevo arreglo desviador como se compara con un purgador convencional conocido utilizando el diseño desviador normal conocido. El aparato de la presente invención muestra una eficiencia de al menos 95% sobre el rango medido del flujo de masa (lbs/seg-pie2) , mientras el aparato purgador convencional tiene una eficiencia máxima de menos de 94%, la cual rápidamente baja cuando la masa de flujo incrementa. Por ejemplo, al menos un flujo de masa de 18 lbs/pie2-seg la eficiencia de 1 diseño desviador de la presente invención fue de aproximadamente 96% y la eficiencia del diseño desviador conocido previo fue de aproximadamente 93%. Sin embargo, en 22 lbs/pie2-seg la eficiencia del diseño desviador previo conocido bajó a aproximadamente 88% y en 28 lbs/piez-seg la eficiencia del diseño del desviador conocido previo bajó a menos de 78%, mientras la eficiencia del diseño desviador de la invención permaneció por arriba de 95% sobre el mismo grado de flujo de masa. De este modo, no sólo el aparato conocido previo tuvo una eficiencia más baja, la eficiencia cayó en una velocidad mucho más pronunciada a medida que el flujo de masa se incrementó . Aunque la descripción anterior contiene muchas especificaciones, estas especificaciones no deben interpretarse como limitaciones en el alcance de la invención, sino solamente como ej emplificaciones de las modalidades preferidas de la misma. Aquellos expertos en la técnica contemplarán muchas otras posibilidades dentro del alcance y espíritu de la invención como se define por las reivindicaciones anexas a la misma.