СПОСОБ ОРГАНИЗАЦИИ НЕПРЕРЫВНОГО ДВИЖЕНИЯ КАТАЛИЗАТОРА В ПРОЦЕССАХ ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ Российский патент 1996 года по МПК B01J8/12 

Изобретение относится к нефтепераработке, в частности к способам переработки углеводородного сырья, осуществляемым в подвижном слое твердофазного катализатора.

Известны различные способы переработки углеводородного сырья, например различных нефтяных фракций, при повышенных температуре и давлении в присутствии твердофазного сыпучего катализатора, находящегося в движущемся состоянии [1 и 2]
В частности, известен способ переработки углеводородного сырья при температуре 450 550^оС и давлении 0,1 0,3 МПа в присутствии твердофазного микросферического катализатора, непрерывно циркулирующего от реактора к регенератору и обратно [2, c.117] При этом перемещение катализатора из зоны реакции в зону регенерации происходит непрерывно самотеком под действием силы тяжести, а из зоны регенерации в зону реакции катализатор транспортируется потоком сырья. Сырьевая смесь содержит нефтяные углеводороды, преимущественно в парообразном состоянии, а также водяной пар.

Зона реакции и зона регенерации локализованы в аппаратах, расположенных рядом друг с другом приблизительно на одном уровне. При этом давление в зоне регенерации однозначно связано с давлением в зоне реакции и отличается от него лишь на величину сопротивления линий транспорта катализатора. Вследствие этого целенаправленное и независимое регулирование давления в зоне регенерации в процессе работы практически неосуществимо, что является недостатком данного способа. Другим недостатком способа является повышенная опасность смешения рабочих сред реакционной и регенерационной зон, делающих практически невозможной переработку сырьевых смесей, содержащих водород и легкие углеводородные газы, которые обладают высокой проникающей способностью.

Так, этот способ не исключает возможности проникновения кислорода в реакционную зону в том случае, если давление в зоне регенерации больше, чем давление в зоне реакции. Это происходит, например, на промышленной установке каталитического крекинга типа Г-43-107. Возможны также случаи проникновения содержащих водород газов сырьевой смеси в зону регенерации. Присутствие в сырьевой смеси водорода и легких углеводородных газов, имеющих низкий предел взрываемости, при этом недопустимо. Поскольку наиболее опасная ситуация возникает при просачивании кислорода в аппараты с взрывоопасной средой, то предпочтительной является такая организация процесса, когда давление в зоне регенерации ниже, чем в зоне реакции. Это, в свою очередь, требует гарантированного поддержания давления в зоне регенерации, что трудно осуществимо в известном способе, особенно при работе под давлением в зоне реакции, близким к атмосферному.

Таким образом, данный способ не обладает необходимой безопасностью при наличии в сырье водорода и легких углеводородных газов.

Этого недостатка лишен известный способ переработки углеводородного сырья, взятый в качестве прототипа [3, c.139]
Способ по прототипу предусматривает переработку углеводородного сырья в присутствии водорода и легких углеводородных газов при температуре 480 545^оС и давлении 0,35 1,2 МПа с применением движущегося слоя гранулированного катализатора, циркулирующего через реакционный блок, включающий установленные друг под другом и соединение катализаторопроводами бункер, реактор, периодически открывающееся шлюзовое устройство, питатель и пневотранспортную линию, и регенерационный блок, включающий установленные друг под другом и соединенные катализаторопроводами бункер, регенератор, работающий под давлением ниже, чем в реакторе, периодически открывающееся шлюзовое устройство, питатель и пневмотранспортную линию для возврата катализатора из питателя регенерационного блока в бункер реакционного блока. В качестве газа, подаваемого в питатели для перемещения катализатора по пневмотранспортным линиям, используется водород и/или инертный газ. Применение последнего предпочтительнее по соображениям безопасности.

Шлюзовые устройства работают в периодическом режиме, пропуская катализатор порциями, составляющими приблизительно 1/500 часть от его общего количества. Наличие шлюзовых устройств позволяет полностью исключить возможность смешения рабочих сред реактора и регенератора. Благодаря полной изоляции друг от друга зон реакции и регенерации, давление в регенераторе устанавливается независимо от давления в реакторе и по причинам, изложенным выше, а также с целью упрощения аппаратурного оформления поддерживается ниже, чем в реакторе.

Недостатком такого способа является периодичность движения катализатора, что приводит к повышенному износу его, а также затрудняет управление процессом. Кроме того, операции частого переключения шлюзовых устройств сопровождаются колебаниями давления и температуры, как в самих устройствах, так и в сопряженных с ними аппаратах, что неблагоприятно сказывается на их работоспособности и надежности.

Цель изобретения уменьшение износа катализатора и оборудования, упрощение, повышение работоспособности и надежности аппаратуры, улучшение управляемости процессом перемещения катализатора за счет организации непрерывного движения его на всех участках контура циркуляции при независимости давлений в зоне реакции и в зоне регенерации.

Цель достигается тем, что в предлагаемом способе организации непрерывного движения катализатора в процессах переработки углеводородного сырья при повышенных температуре и давлении путем контактирования сырьевой смеси, содержащей легкие углеводородные газы и/или водород, с движущимся слоем гранулированного катализатора, циркулирующего через реакционный блок, включающий установленные друг под другом и соединенные катализаторопроводами бункер, реактор, шлюзовое устройство, питатель и пневмотранспортную линию, и регенерационный блок, включающий установленные друг под другом и соединенные катализаторопроводами бункер, регенератор, работающий под давлением ниже, чем в реакторе, питатель и пневмотранспортную линию, соединяющую питатель регенерационного блока с бункером реакционного блока, шлюзовое устройство постоянно открыто для пропуска непрерывно движущегося катализатора, а в катализаторопровод, присоединенный к питателю регенерационного блока, дополнительно подается противотоком движению катализатора инертный газ с расходом, верхний предел которого определяется по формуле
Q K u [1 (G/G_o)²] πd²/4, где Q объемный расход газа при рабочих условиях, м³/с;
К безразмерный коэффициент, определяемый опытным путем, равный 0,2-1,0 (предпочтительно 0,6-0,9);
u скорость витания слоя, определяемая в каждом конкретном случае выполнения расчетным или опытным путем, м/с;
G заданный массовый расход катализатора, кг/с;
G_o массовый расход катализатора при его свободном движении по катализатоpопроводу под действием силы тяжести в отсутствие подачи дополнительного газа, также определяемый расчетным или опытным путем, кг/с;
d внутренний диаметр катализаторопровода, м.

С другой стороны, расход дополнительно подаваемого газа должен быть достаточным для создания в катализаторопроводе гидравлического сопротивления, обеспечивающего поддержание в питателе регенерационного блока давления, в свою очередь, достаточного для обеспечения пневмотранспорта катализатора из питателя регенерационного блока с заданным расходом.

Формулы для расчета величин u, G_o и гидравлического сопротивления движению газа в катализаторопроводе известны из литературных источников [4-6]
Сопоставительный анализ предлагаемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что шлюзовое устройство постоянно открыто для пропуска катализатора, движущегося непрерывно, а в катализаторопровод регенерационного блока, присоединенный к питателю, дополнительно подается инертный газ противотоком движению катализатора. Таким образом, предлагаемый способ соответствует критерию "новизна".

Известны технические решения, допускающие непрерывное движение катализатора [2] однако при отсутствии независимости давления в регенераторе от давления в реакторе. Такая независимость достигается в другом известном техническом решении [3] путем замены непрерывного движения катализатора на короткопериодическое. Неразрешимое в рамках известных способов техническое противоречие между независимостью давления в реакторе и регенераторе и возможностью непрерывного движения катализатора преодолено в заявляемом способе. Это позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "изобретательский уровень".

Принципиальная схема установки для реализации предложенного способа представлена на чертеже. Установка включает реакционный блок, содержащий бункер 1, реактор 2, шлюзовое устройство 3 и питатель 4, соединенные друг с другом катализаторопроводами 5, 6 и 7, а также регенерационный блок, содержащий бункер 8, регенератор 9, и питатель 10, соединенные друг с другом катализаторопроводами 11 и 12. Питатель 4 связан с бункером 8 пневмотранспортной линией 13, а питатель 10 связан с бункером 1 пневмотранспортной линией 14. Римскими цифрами обозначены следующие потоки: I сырьевая смесь, II продукты реакции; III газы регенерации; IV транспортирующий инертный газ; V дополнительный инертный газ.

Предлагаемый способ организации непрерывного движения катализатора, в процессах переработки углеводородного сырья осуществляется следующим образом.

Поток сырьевой смеси 1, содержащий углеводороды перерабатываемой фракции, в том числе легкие газы С₁ С₄, направляется в реактор 2, где подвергается конверсии при повышенных температуре и давлении в присутствии движущегося слоя гранулированного катализатора. Продукты реакции удаляются из реактора с потоком II для дальнейшей обработки.

Катализатор, непрерывно двигаясь под действием силы тяжести из бункера 1, проходит катализаторопровод 5, реактор 2, где контактирует с сырьем, катализаторопровод 6, шлюзовое устройство 3, служащее для ограничения взаимного проникновения газообразных сред, обрабатываемых в аппаратах 2 и 4, катализаторопровод 7 и питатель 4, откуда с помощью потока IV инертного газа транспортируется в бункер 8 по пневмотранспортной линии 13. В бункере 8 катализатор отделяется от транспортирующего газа и под действием силы тяжести непрерывно опускается, проходя последовательно катализаторопровод 11, регенератор 9, где под воздействием кислородсодержащих газов регенерации III восстанавливает свою каталитическую активность, утраченную вследствие контактирования с сырьем в реакторе 2, катализаторопровод 12 и питатель 10, откуда с помощью потока IV инертного газа транспортируется в бункер 1 по пневмотранспортной линии 14. В бункере 1 транспортирующий газ отделяется от катализатора и, таким образом, цикл движения последнего замыкается. Ввиду непрерывности движения катализатора все аппараты установки оказываются гидравлически связанными и давление в любой точке системы зависит от давления в реакторе 2, которое, в свою очередь, обусловлено требованиями к проведению целевого каталитического процесса. В то же время, поскольку газовые потоки через катализаторопроводы при нормальных условиях эксплуатации пренебрежимо малы, то давление в аппаратах 1 и 4 близко к давлению в реакторе 2, а давление в аппаратах 8 и 10 близко к давлению в регенераторе 9. А так как движущей силой пневмотранспорта катализатора по линии 13 является превышение давления в питателе 4 над давлением в бункере 8, то давление в регенераторе 9 естественным образом оказывается ниже, чем давление в реакторе 2, что соответствует наиболее безопасным условиям эксплуатации установки.

Однако при этом давление в питателе 10 также оказывается ниже, чем давление в бункере 1, и пневмотранспорт катализатора по линии 14 в таких условиях невозможен. Указанное противоречие устраняется тем, что в катализаторопровод 12 регенерационного блока подается дополнительный поток V инертного газа навстречу движению катализатора. Расход этого газа выбирается таким, чтобы движение газа не могло остановить движение катализатора по катализаторопроводу 12, то есть расход газа ограничен сверху порогом зависания частиц катализатора. Порог зависания частиц катализатора в конкретных условиях определяется на основании гидродинамического расчета по известным и предлагаемой формулам. С другой стороны, подача дополнительного газа должна быть достаточной для поддержания в питателе 10 давления, превышающего давление в бункере 1 на величину сопротивления пневмотранспортной линии 14. Определенный, исходя из указанных условий, расход потока V, позволяет сбалансировать уровни давления в системе циркуляции катализатора и обеспечить его устойчивое непрерывное движение.

Использование предлагаемого способа организации движения катализатора по сравнению с существующими способами обеспечивает следующие преимущества:
уменьшение износа катализатора;
уменьшение износа катализатора обусловлено непрерывным стационарным режимом его движения;
катализаторы, применяемые в таких процессах как риформинг, изомеризация, селективный гидрокрекинг и другие, содержат благородные металлы и являются весьма дорогостоящими и дефицитными. Вместе с тем, любая интенсификация продуктивной работы установки с движущимся катализатором сопровождается увеличением кратности циркуляции последнего. В свою очередь, износ катализатора при прочих равных условиях пропорционален кратности его циркуляции. Следовательно переход на технологию, cберегающую катализатор, позволяет при сохранении приемлемой интенсивности его и износа увеличить выработку целевых продуктов технологического процесса;
уменьшение износа оборудования, повышение его работоспособности и надежности;
имеющее место в известном способе частое переключение шлюзовых устройств, работающих в среде твердого, как правило абразивного, материала приводит к их быстрому износу. Кроме того, на надежность и работоспособность оборудования неблагоприятно действуют колебания температуры и давления, сопровождающие прерывистое движение катализатора. Переход на непрерывное движение катализатора стабилизирует условия работы шлюзового устройства и другого оборудования;
упрощение управления процессом;
переход к непрерывному движению катализатора позволяет отказаться от взаимно согласованного программного управления переключением шлюзовых устройств, а также упростить управление пневмотранспортом катализатора, так как пневмотранспортирование катализатора по предложенному способу осуществляется в стационарном режиме;
упрощение аппаратурного оформления процесса достигается путем исключения из состава регенерационного блока шлюзового устройства.

Сущность изобретения: способ предусматривает, что шлюзовые устройства реакционного и регенерационного блоков постоянно открыты для пропуска непрерывно движущейся массы катализатора, а в катализаторопровод регенерационного блока, соединяющий шлюзовое устройство с питателем, дополнительно подается инертный газ противотоком движению катализатора с расходом верхний предел которого определяется по формуле
где Q объемный расход газа при рабочих условиях, м/с; K - безразмерный коэффициент равный 0,2 - 1,0 ( предпочтительно 0,6 - 0,9 ); U - скорость витания слоя, м/с; G - массовый расход катализатора, кг/с; G_o - массовый расход катализатора в отсутствие подачи инертного газа, кг/с; d - внутренний диаметр катализаторопровода, м. 1 ил.

СПОСОБ ОРГАНИЗАЦИИ НЕПРЕРЫВНОГО ДВИЖЕНИЯ КАТАЛИЗАТОРА В ПРОЦЕССАХ ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ при повышенных температуре и давлении путем контактирования сырьевой смеси, содержащей легкие углеводородные газы и/или водород, с движущимся слоем гранулированного катализатора, циркулирующего через реакционный блок, включающий установленные друг под другом и соединенные катализаторопроводами бункер, реактор, шлюзовое устройство, питатель и пневмотранспортную линию, регенерационный блок, включающий установленные друг под другом и соединенные катализаторопроводами бункер, регенератор, работающий под давлением ниже, чем в реакторе, шлюзовое устройство, питатель и пневмотранспортную линию, соединяющую питатель регенерационного блока с бункером реакционного блока, отличающийся тем, что шлюзовые устройства реакционного и регенерационного блоков постоянно открыты для пропуска движущейся массы катализатора, а в катализаторопровод регенерационного блока, соединяющий шлюзовое устройство с питателем, дополнительно подают инертный газ противотоком движению катализатора с расходом, верхний предел которого определяется по формуле

где Q - объемный расход газа при рабочих условиях, м³/с;
K - безразмерный коэффициент, равный 0,2 - 1,0 (предпочтительно 0,6 - 0,9);
u - скорость витания слоя, м/с;
G - заданный массовый расход катализатора, кг/с;
G₀ - массовый расход катализатора при его свободном движении по катализаторопроводу под действием силы тяжести в отсутствии подачи дополнительного газа, кг/с;
d - внутренний диаметр катализаторопровода, м,
при этом дополнительно подают инертный газ в питатель регенерационного блока для поддержания давления, достаточного для обеспечения пневмотранспорта катализатора из питателя регенерационного блока в бункер реакционного блока с заданным расходом.